철(원소)
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전기분해된 순수한 철.
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압연 코일. 냉간과 열간의 차이가 있다. 가끔 트럭이나 화물열차에 이걸 원기둥 식으로 쌓고 가는 모습을 볼 수 있을 것이다. 하지만, 그렇게 하면 자체 무게로 인해 끝 부분에서 발생하는 철의 변형이 더 심해, 본래는 '''사진처럼''' 굴러가도록 세워서 묶어야 한다. 다행이도 화물열차는 저렇게 세운다.
1. 개요
4주기 8족에 위치하는 금속 원소. 융점(녹는점)은 상압에서 1538℃, 결정구조는 체심입방결정이며 공간군은 Im3m
산화수는 2+, 3+로 알려져 있는데, 각각 판이한 특성을 지닌다. 예를 들어서 산화철(II)(FeO)는 검은색, 산화철(III)(Fe2O3)은 붉은색을 띤다. 자연상태에서는 철광석의 형태로 존재하며, 모래 형태로 된 사철도 있다.
태양보다 질량이 매우 큰 항성의 핵융합 최종단계에서 만들어지는 물질이자, 가장 무거운 물질이다. 철보다 무거운 원소는 모두 초신성 폭발로 생성된다. 항성의 핵융합은 항성 자체 중력에 의해 발생하는 것인데, 중력이 아무리 강해도 철이 핵융합 반응을 일으키진 않기 때문.[3] 따라서 외부 물질이 들어오는 것이 아닌 이상, 항성 최심부에는 철이나 그보다 가벼운 물질만 존재한다.[4] 이런 이유로 나름 무거운 원소임에도 우주에 존재하는 원소들 중 차지하는 비율이 꽤 크다. 우리 은하의 물질 중 철이 차지하는 비중은 0.109%로 추정되는데 이는 질소보다도 많은 것이다.
금속 중에서는 다른 금속들에 비해 압도적인 수준으로 흔하다. 지각에서는 알루미늄 다음으로 흔해, 질량의 5.6%를 철이 차지한다. 지구 전체에서는 가장 흔한 금속으로, 질량의 32%를 철이 차지한다. 상술했듯이 우주 전체에서도 모든 금속 가운데 가장 흔하다. 그리고 전 세계적으로 공업에서 절대 빠질 수 없는 중요한 금속이기 때문에 늘 대량생산되어 가격도 아주 저렴하다. 철괴는 미국 시세 기준으로 1'''톤'''에 10만 원밖에 안 할 정도.[5]
또한 만일 양성자 붕괴가 존재하지 않을 경우, 우주에서 가장 마지막까지 살아남는 원소가 된다. 절대영도로 식어버린 흑색왜성에서 양자 터널링 현상과 방사성 붕괴로 모든 원소가 철이 되어버리기 때문. 하지만 양성자가 붕괴한다면 철 또한 다른 원소들과 함께 소멸하며, 마지막까지 살아남는 원소는 수소가 된다.
2. 철의 가공
일반적인 용광로에서 철을 생산할 때는 철광석과 코크스와 석회석을 용광로에 넣고 고온으로 가열하면 일산화탄소가 발생하면서 고열로 흐물해지고 결합도 느슨해진 산화철에서 산소를 분리시켜(환원작용) 순수한 철이 나온다. 이 철은 용광로 아래쪽에 슬래그라는 불순물과 모이는데, 밀도차[6]를 이용해 살살 부어서 철만 따라낸다.
대한민국의 포스코에서는 오스트리아의 지멘스-VAI사와 함께 개발한 파이넥스 공법을 개발, 유연탄을 코크스로 가공하는 과정 및 괴탄화 과정을 생략하고 철광석을 직접 환원하여 훨씬 환경친화적으로 철을 산출해낼 수 있는 기술을 확보했다. 이산화탄소 배출량이 황화합물 및 질소화합물 배출량은 1/10 이하다. 문제는 기존 용광로 제선법에 비해 비용이 많이 든다는 것이다. 가까운 장래에 이산화탄소 배출권 등의 환경 비용을 제외하고, 양질의 철광 공급이 계속될 수 있다고 가정하는 한, 용광로보다 더 효율적으로 철을 제련하는 기술은 존재할 수 없다. 그 정도로 용광로는 효율적인 기술이다. 근본적으로 파이넥스는 친환경성과 함께, 자원고갈에 대응하여 분광 및 분탄 등 저급 원료를 효율적으로 사용하는 공정이라는 데 경제적 의의가 있다.
여튼 이러한 환원과정을 통해 뽑아내는 철이 선철인데, 탄소 농도도 너무 높고 불순물도 많아 그대로 쓰기에는 영 아닌지라, 이것을 다시 탈황/탈린로, 전로(converter) 등으로 가공하여 탄소 농도에 따라 강(steel)[7]으로 만든다.
한편 용도폐기된 고철을 전기로(전기아크로)에서 녹여 강으로 만드는 공정도 존재한다. 소수의 대규모 일관제철소들이 철광석을 용광로에서 환원하여 제철하는 데 비해, 대다수의 중소규모 제철소들은 주로 전기아크로를 통해서 철제품을 생산하고 있다. 한국의 경우도 포스코와 현대제철[8], 동국제강(브라질 CSP제철소)을 제외한 모든 제철/제강업체들은 전기로 제강을 한다. 고철을 재활용하는 것이기 때문에 전기로의 위상을 간과하기 쉬우나, 현재 전 세계 조강생산량의 절반은 전기로에 의한 것이다. 앞으로 고철의 축적량이 증대되고 양질의 괴광석이 차츰 고갈됨에 따라 전기로 제강의 중요성이 더욱 높아질 것으로 예측되고 있다. 다만 재활용이란 특성상 Tramp Element, 즉 불순물 문제는 꼭 해결해야 할 과제다.
철은 탄소 함량이 높을수록 경도가 높아지고 취성이 생기는 경향이 있으나 조질 열처리를 통해 어느 정도는 교정할 수 있다. 다른 금속을 넣어 합금으로 만들어 성질을 고치기도 한다. 스테인레스가 대표적. 금속 중에서 초특급 수준으로 강력하지만 화학적으로는 그리 안정한 편은 아니므로 염산, 황산, 질산 등 대부분의 산에 부식된다. 다만 강산인 진한 황산에는 황화철 피막을 만들기 때문에 일정 깊이 이상 부식되지 않으므로, 진한 황산을 강철 드럼통에 담아 보관할 수 있다. 단, 습기에 노출되지 않도록 주의해야 한다.
고철을 재활용하여 다시 강철을 제조하는 방법은 두 가지가 있다. 염기성 산소 제강법[9]은 본래 용광로에서 나온 액상의 선철을 원료로 제강하는 방법이나, 실제 조업에 있어서는 발열량 조절 등의 목적으로 약간의 고철을 섞어 조업한다. 일반적으로 BOF에서 새로운 강철을 제조하는 데 최대 25~35% 비율로 고철을 사용한다. 전로제강법의 주원료는 선철이기 때문에 구리나 주석, 니켈, 몰리브덴 같은 잔류 물질이 적어서 연성이 좋아 냉간 가공으로 제조하는 자동차 차체나 2피스 스틸캔, 드럼통 등을 제조하는 데 쓰인다. 전기 아크로를 사용하는 경우에는 재활용 강철의 사용 비율이 거의 100%에 이른다.[10] 그 대신 석탄과 석회석을 이용해 분리할 수 없는 잔류 물질이 더 많이 남게 된다. 따라서 냉간 가공을 거의 하지 않는 건축용 들보, 강판, 철근 등을 제조하는 데 쓰인다. 고철 1톤을 재활용하여 철광석 1.1톤과 석탄 630kg, 석회석 55kg을 절약할 수 있다. 미국에서는 2008년 기준으로 전체 강철의 83% 이상이 재활용되었다.
3. 특징
핵자구조 메커니즘에서는 철-58, 철-56의 결합에너지가 매우 크다.[11] 철로는 핵융합과 핵분열 둘 다 에너지를 들여야 가능하다. 철보다 가벼운 원소가 핵융합을 하면 에너지를 내놓지만 (발열반응), 철보다 무거운 원소는 핵융합을 할 때 흡열반응을 하여 오히려 에너지를 흡수한다. 철보다 무거운 원소는 초신성까지 진화한 항성에서 고속 중성자 포획 (R-과정), 중성자 포획 (S-과정), 양성자 포획 (p-과정)을 통해 생성된다.
구리보다 흔하고 단단하지만 산화 서열(이온화 경향)은 높고, 녹는점도 약 1538℃ 정도로 높기 때문에 제련법이 좀 까다로워 구리보다 늦게 사용된 금속이다. 다만 제련기술이 발달한 현재는, 지각에 4번째로 많은 원소이며[12] 강도, 가공성 등이 그런대로 괜찮아 온갖 도구를 만들 수 있다.
이 때문에 모든 산업용 금속 중에서 가장 뛰어난 가격 대비 성능비를 자랑한다.[13] 과학 기술의 발달로 각종 신소재가 등장함에도 불구하고, 무게 때문에 철을 적극적으로 사용하지 못하는 항공우주사업을 제외하면, 1만 년에 가까운 세월 동안 철을 완전히 대체할 수 있는 소재를 찾지 못한 것도 이 저렴한 가격과 튼튼함 때문이다.
다른 금속들과 비교할 때 압도적으로 자력에 예민하게 반응하는 강자성체 금속으로도 유명하다. 애초에 강자성(强磁性)의 영어 표현은 ferromagnetism이다.
3.1. 내식성
내식성이 상당히 나쁘다. 훨씬 더 오래 전에 만들어진 청동검이나 은수저, 금관 등 구리와 은, 금으로 만들어진 유물들은 형체가 온전하게 보존되는 반면[14], 철로 만들어진 검과 갑옷 등의 유물들은 심각하게 녹이 슬거나, 파손되어서 형체를 알아보기 힘들다.
알루미늄은 철보다 이온화 경향이 더 크지만, 알루미늄 산화물은 철 산화물과 달리 치밀하고 규칙적으로 생성되기 때문에, 알루미늄 표면에는 얇은 산화알루미늄 피막을 형성되어 내부에 있는 알루미늄이 녹스는 것이 방지된다. 반면에 철 산화물은 치밀하지도, 규칙적이지도 않기 때문에, 철 표면 안쪽의 철 원자들이 산화되는 것을 막지 못해 결국 철로 만들어진 물건들은 시간이 지나면 전부 부식되게 된다.
이 때문에 다른 금속과 합금을 해서 스테인리스 등의 내식성 합금을 만들거나, 크롬, 주석 등의 내식성이 더 큰 금속으로 도금을 하거나[15], 희생금속[16]을 사용해 보호하기도 한다.
특히 철은 산에는 더욱 취약한데 그래서 염산, 황산, 질산 등의 강산에 쉽게 녹아버린다. 심지어 약산인 불산에도 쉽게 부식된다.
3.2. 내냉성
일반적인 생각과는 달리, 낮은 온도에도 상당히 취약하다. 철은 낮은 온도에 노출되면 취성이 커져서 부서지기 쉽게 된다.[17] 철은 영하 25도까진 견디고 영하 30도까진 문제 없으나, 이보다 낮은 온도에선 얄쨜없다. 철을 액체질소로 냉각 후 두드리면 산산조각날 정도이다. 타이타닉호 침몰 사고도 빙산에 부딪힌 탓도 있지만, 날씨가 매우 추워서 그로 인한 선박 강철의 강도 저하로 인해 발생한 점도 무시할 수 없다. 미국은 전쟁(제2차 세계 대전) 중에 리버티쉽급 화물선을 추위에 12척이나 잃었다. 워낙 급조한 염가 선박이라 극저온의 바닷물에 저절로 두동강이 났다고. 군복무를 하면서 강원도 산간이나 철원 지역 같은 극한의 냉기를 맛보는 지역에서 겨울을 보냈다면 알겠지만, K-2 소총의 철제 장전손잡이가 한겨울에는 흔하게 부러진다. 애초에 교체가 간단하도록 얇고 넓게 만들어지기도 하지만, 유독 여름보다 겨울에 자주 부러지는 이유가 바로 철의 취성 때문.
알루미늄을 제외하면 일상에서 사용되는 금속과 비금속 대부분이 냉기에 약하긴 하지만, 철의 경우는 워낙에 광범위하게 사용되다보니 특히 부각되는 편이다. 이는 철의 결정 구조가 저온에 영향을 받아 결정 입자 간의 결합성이 약해지면서 발생하는 현상이다. 철을 특별한 합금으로 만들면 추위에 견디는 성질이 훨씬 좋아진다. 특히 니켈, 코발트, 바나듐 같은 물질과 합금하여 내냉성 강철을 만들곤 한다. 물론 가격은 일반 강철보다 많이 비싸진다. 근년에는 이런 비싼 물질과 합금하지 않아도 강철을 "섬유상(fibrous)" 구조로 제작하여 영하 100도에서도 견딜 수 있게 하는 연구가 일본에서 진행 중이다.
3.3. 내열성
위의 설명에서 약한 모습만 보여준 것과 달리, 고온에는 상당히 강하다. 괜히 방화문에 철이 쓰이는 게 아니다. 관련자료
용암을 철삽으로 퍼서 철양동이에 담는것도 이것덕분에 가능한 일이다.
다만 이 때문에 인류가 최초로 철을 이용하려 했을 때는 고생이 많았다. 과량의 산소를 불어넣는 풀무와, 숯이나 석탄 등 고열량의 연료가 쓰인 뒤에나 철을 보편적으로 제련할 수 있었다.
최초의 철기 문명이었던 히타이트에서는 풀무가 없었는데 그 대신 강력한 자연풍을 이용했다. 다만 히타이트 문명까지는 기존의 청동기 시대와 별반 다를 바 없이 철질 운석, 즉 운철을 가공하는 게 고작이었고, 다만 우연히 지리적 특성이 잘 맞아서 운철을 '''녹여서''' 만든 무쇠를 생산해낼 수 있었을 뿐이다.
사실 이런 특징 때문에 히타이트는 멸망 직전까지 수도를 이전할 수 없었다. 널리 알려진 것과는 달리, 히타이트는 특별히 철기 생산 기술이 있던 것도 아니었기 때문에 바다 민족의 침략으로 망해서 여러 도시국가들로 쪼개진 뒤에는 청동기 시대와 다를 바 없는 수준으로 기술이 싹 퇴보했다.
4. 알루미늄과의 비교
철 다음으로 2번째로 저렴하고 많이 쓰이는 금속이 알루미늄이다보니 철과의 비교를 많이 하는편이다.
- 같은 무게의 알루미늄은 철보다는 더 비싸다.
- 같은 부피의 알루미늄은 철보다 3배 가볍다.
- 당연한 소리지만 강도는 철이 알루미늄보다 압도적으로 뛰어나다.
- 경도 역시 철이 더 높다. 그래서 철은 스크래치가 덜 난다.
- 그 대신 알루미늄은 가벼워서 비강도가 좋다.
- 철은 강자성체라서 자석에 잘 붙는다. 하지만 알루미늄은 상자성체이기 때문에 통상적으로 자력에 반응하지 않는다.
- 생산 난이도는 알루미늄이 더 높다. 광석에서 금속을 제련할 경우 철은 불을 이용한 건식 제련으로 대량 생산이 가능하지만, 알루미늄을 대량생산하기 위해서는 전기분해를 이용한 습식 제련이 필요하다. 즉, 보크사이트에서 알루미늄을 대량으로 제련해 낼 수 있게 된 것은 전기 문명이 발생한 근대 이후의 일이다. 그래서 알루미늄은 철보다 훨씬 더 늦게 사용되기 시작했다.[18]
- 내식성은 알루미늄이 압도적이다. 사실 철보다 알루미늄이 산화가 더 잘 되지만[19], 철의 산화물은 피막을 형성하지 못하고 부스러져 떨어져 나가면서 결국 내부까지 부식되어 버리는 것과는 상대적으로, 알루미늄은 표면에 치밀하고 단단한 산화피막을 형성해 표면만 산화되고 내부는 더 이상 녹슬지 않는다. 그래서 철은 물이나 산소에 취약한 반면 알루미늄은 물이나 산소에 아주 강하다.
- 하지만 산에는 알루미늄이 더 취약하다. 물론 철도 염산, 질산, 황산 등의 강산에 취약하지만 알루미늄은 더더욱 취약하다.[20]
- 강염기 역시 철이 훨씬 잘 견딘다. 철은 강산에는 취약해도 강염기에는 잘 견딘다. 그러나 알루미늄은 강산은 물론 강염기에도 아주 취약하다. 그래서 수산화나트륨과 반응시킬 경우 철은 반응이 일어나지 않는 반면, 알루미늄은 격렬하게 반응한다.
- 염분에는 둘다 취약하나 철보다는 알루미늄이 더 염분에 취약한 편이다.
- 내냉성은 알루미늄이 우세하다. 철은 의외로 극저온에 취약해서 액체질소로 얼리면 쉽게 부서진다.[21] 하지만 알루미늄은 액체질소에도 잘 부서지지 않는다.
- 내열성은 철이 우세하다. 철은 섭씨 1535도라는 높은 녹는점 덕에 열에 강한 반면, 알루미늄은 녹는점이 섭씨 660도로 낮아 고열에 노출되면 쉽게 타거나 녹아내린다.
- 철은 수소에 취약하다.철에 수소가 침투하면 갈가리 찢어져버린다.하지만 알루미늄은 수소에 대한 내성이 좋다.
- 알루미늄은 갈륨과 만나면 갈가리 찢어져버린다.하지만 철은 갈륨에 의해 침투파괴현상이 발생하지않는다.
- 또한 알루미늄은 브로민과도 아주 격렬하게 반응한다.하지만 철은 브로민과 그닥 심하게 반응은 안하는편이다다.
- 알루미늄은 수은에도 격렬히 반응한다. 하지만 철은 수은과 전혀 반응하지 않는다.
- 알루미늄은 열전도율이 매우 우수하다. 하지만 철은 금속치고는 열전도가 느린 편이다.
- 전기전도율 역시 알루미늄이 더 우세하다. 철은 금속치고는 전기전도율이 좋지 못해서 전선에 쓰기에는 부적합하다. 반면 알루미늄은 송전탑의 전선으로 사용되기도 한다.[22]
5. 이용
5.1. 산업
산업분야에서 매우 유용하게 쓰이며 가장 많이 사용되는 물질로, "산업의 쌀"이라는 별명이 있다. 철은 '''전 세계 금속 생산량 중 90% 이상'''을 차지할 정도로 산업계에서 비중이 커서 아예 산업계에서는 금속을 '''철과 비철금속'''으로 분류한다. 산업 대분류의 금속업에서 중분류가 '''철광 및 철가공업'''과 '''비철금속업'''이고, 철 이외의 다른 금속 가공업은 싹 다 비철금속업으로 퉁쳐진다. 철 산업은 철광개발업, 철제련업, 주철업, 선철제조업, 철강업 등등 철XX업이라는 형태로 소분류만 80개가 넘는다. 이 때문에 철이 금속 자체를 대표하는 상징으로 꼽히기도 한다.
일상생활에서 만나는 물건들 중에서 철로 만들어진 것을 매우 쉽게 찾을 수 있다. 고층 건물의 골격, 자동차 차체, 선박, 철도, 대다수 컴퓨터의 본체 케이스 등, 수많은 사물들은 철을 주 성분으로 하는 합금인 강철로 만들어져 있다.
군사적인 용도에서 철은 동서고금을 막론하고 곧 군사력의 상징으로 여겨질 정도로, 아주 중요한 금속 자원이다. 고대부터 무기는 물론 고급 갑옷과 일부 방패는 철과 강철로 만들어졌으며, 화기의 발달로 근접 무기와 금속 갑옷이 사장된 이후에도 총과 대포의 몸체는 철이 주성분인 주철과 강철로 만들어졌다. 현대에도 전차와 장갑차를 비롯한 군용 차량의 주 장갑과 포신, 보병 화기의 총열과 일부 방탄복의 방탄판[24]은 물론, 해군 함선의 장갑과 그 밖의 자잘한 군수 물자들 또한 강철로 만들어지기 때문에, 군사 분야에서의 철은 먼 고대부터 현대까지 변함 없이 가장 중요하게 여겨지는 금속이다.
인류는 아주 오래전부터 철을 생산하기 시작했고, 철은 사용하기 너무 유용하고 흔했기 때문에, 현대에는 철로 만든 물건을 매우 흔하게 볼 수 있다. 거의 모든 금속 원소와의 합금을 만드는 것은 물론이고, 비금속 원소인 탄소와 철로만 만들어진 단순한 합금인 탄소강도 원소의 함량 조절을 통해 탄소와 철만으로 온갖 용도로 사용한다.
철의 원광인 철광석(iron ore)은 포장하지 않은(bulk=컨테이너에 싣지 않는 원자재, 중간재 등을 통칭) 화물 중 해상물동량 1위의 화물이기도 하다. 대체로 케이프사이즈(Capesize) 내지는 파나막스(Panamax) 사이즈 벌크선이 수송을 담당하고 있으며, 주요 생산국인 브라질, 호주, 남아공에서 선적, 철강 산업의 중심지인 한중일 3국에서 주로 하역한다. 중국은 매장량기준 세계 1위의 철 보유국이나, 자체 수요가 어마어마하여 순수입국이자 세계 1위의 철광석 수입국이기도 하다.
중국은 2000년대 초반까지만 해도 철광석 순수출국이었는데, 중국 정부의 적극적인 철강, 조선업 육성 정책에 힘입어 순수입국 전환을 넘어 기존 세계 물동량 전체와 맞먹는, 연간 10억 톤에 달하는 신규 해상운송 수요가 발생하였다. 2000년대 중~후반의 해운 및 조선업 대호황은 이에 힘입은 것. STX 그룹이 이 호황을 잘 타서 급성장을 이룬 전형적인 케이스이지만 결국 결과는 무리한 투자에, 뒤이은 버블 붕괴로 인해 그룹이 해체되어 사라지고 말았다.
5.2. 인체
철분은 우리 몸에 꼭 필요한 물질 중 하나다. 특히 피를 만들고 산소를 운반하는 역할을 하는 적혈구 속의 헤모글로빈에는 철분이 들어있어 산소를 붙잡아 둘 수 있다.[25] 때문에 철분이 부족하면 빈혈이 생길 수 있다. 특히 남성보다 여성이 철분 부족으로 인한 빈혈을 앓기 쉬운데, 이는 월경 등으로 인하여 철분이 많이 소모되기 때문이다. 게다가 다이어트를 할 경우 더욱 위험하다. 철분이 많이 함유된 식품으로는 고기, 간, 곡류, 해산물, 과채류, 녹황색 채소 등이 있다. 철분 강화 시리얼 가운데는 그냥 대놓고 철가루를 넣은 경우가 있으며 식약처에서 인증한 안전한 철가루다.
실제로 육고기가 귀하고 소득이 낮으며 육류 보관기술이 떨어져 염장한 젓갈을 많이 먹는 캄보디아는 국민의 절반 이상이 철분결핍증에 시달리고 있어서, 캄보디아에서는 음식 만들때 철덩어리 넣어 끓여서 철분을 보충하기도 했다. 이것은 2020년 현재진행형이기도 해서 행운의 철 물고기라는 것을 이용한다고도 한다. 이것은 실제로 안전한 철분보충제를 섭취하는 것에 준하는 효과를 낼 수 있다고 한다.
철분이 부족하면 ADHD를 촉진시킬 수 있다. 철분 결핍이 뇌의 신경 전달 물질인 도파민의 기능이상을 일으켜 ADHD라는 생태적 병리를 촉진한다는 연구보고서가 발표되었는데 어린이들을 대상으로 혈중 철분을 측정한 결과, 정상 그룹에서는 10%만이 혈중 철분 수치가 비정상인 반면 ADHD 그룹 중 무려 84%가 혈중 철분 수치가 낮게 나타났다. 또한, 혈중 철분 결핍이 아주 심한 어린이들 중 ADHD 그룹에 속한 비율은 32%, 정상 그룹은 단 1명에 불과했다. 이 연구결과 어린이들의 혈중 철분 수치가 낮을수록 ADHD 증세가 심해지는 것으로 나타난다고 발표했다. 소아신경학에서 발표된 연구에서는 ADHD에 걸린 철분 결핍증 어린이들이 철분 보충제를 복용했을 때 증상이 호전되었다는 것을 보여주었다. 철분은 도파민 전구체인 레보도파가 도파민으로 변화시키는 효소 생성을 돕는데 철분이 부족한 경우 체내 도파민 생성에 영향을 미쳐 철분이 부족한 ADHD 환자에게는 철분 보충이 절대적으로 중요하다.
나름(?) 재밌는 실험이 있다. 크고 넓은 통에 물을 어느 정도 채우고 위에 씨리얼을 뿌린다. 그다음 자석을 가까이 가져다대면, 씨리얼이 움직이는 모습을 볼 수 있다. 철이 씨리얼에 들어있음을 알 수 있는 생활속 실험.
(실제로 스펀지에서 이 실험을 해본적이 있다.)
반대로 철분이 과다하게 축척되면 동맥경화 등을 유발한다. 철을 이용한 주조 작업환경은 발암요인으로 IARC(국제 암 연구소)가 분류하고 있어서 오해하기 쉬우나, 철 자체는 IARC의 발암물질이 아니다."Iron and Steel Founding"을 주목 # 비슷한 사례로는 신발 제조/수리(Boot and shoe manufacture and repair), 가구/캐비닛 제조(Furniture and cabinet making)가 있다. 참조. 당연히 신발은 발암물질이 아니다. 작업환경이 위험한 것이지. 그 외에도 철분이 과다하게 축적되면 그 골치 아픈 변비를 유발한다.
인간의 피에서는 약간 비릿한 쇠 맛이 나는데[26](쇠 숟가락을 빨아보면 나는 맛이다.) 철분에 의한 것이다.
철은 식물에게도 필요한데 엽록소는 헤모글로빈과 거의 비슷한 포르피린 구조를 가지고 있고 이의 합성에는 철이온이 필요하다. 엽록소 자체는 철 원자 대신 마그네슘 원자가 들어 있지만 이의 합성과정에서는 철이 역할을 하므로 철이 부족하면 엽록소가 생성되지 않는다. 또 질소화화물의 이용에도 철이 필요하다. 흙에는 철이 풍부하므로 육상식물은 문제가 되지 않지만 바다물 속에는 철성분이 산화철로 침전되어 버려 바닷물에 녹은 철성분이 부족하다. 시원대 고대의 바다에는 철이 풍부했지만 산소가 많아지며 산화철이 되어 가라앉아 지층에 묻혀버렸다. 그래서 바다의 식물성프랑크톤의 생장을 제한하는 제한요소가 바로 바닷물의 철 함유량이다.
세계의 바다의 프랑크톤 등 바이오매스의 분포를 보면 대부분의 바다생물은 육지 부근 연안바다와 대륙붕에 집중해있다. 육지에서 먼 원양에는 프랑크톤이나 물고기 등 어족자원이 거의 없어 "대양은 사막(Ocean is Desert)" 이라는 말도 있다. 엽록소 밀도 이렇게 육지에서 먼 대양이 광합성등 생명활동이 적은 사막이 된 가장 큰 원인은 바로 철 원소의 부족이고 그다음이 인(燐)원소의 부족이다. 육지에서 가까운 연안바다에는 흙에서 녹은 철이 강물을 통해 유입되기도 하고 또 육지에서 바람을 타고 날아오는 미세먼지 등에 철이 풍부하여 식물성 프랑크톤 등이 잘 자랄 수 있다. 사막에서 날아오는 미세먼지의 양과 바다생물의 번식과 관련이 깊다는 연구도 있다. 그래서 인공적으로 철 화합물을 원양바다에 대량으로 비료로 시비하여 프랑크톤을 대량으로 번식시키는 인공적인 적조를 일으키는 실험에도 성공했다. 즉 바다생태계도 철만 추가로 공급되면 바이오매스를 크게 늘일 수 있다는 것이다. 이런 철비료 시비를 통해 바다의 광합성을 늘려서 지구온난화를 지연시키자거나 대양을 연안양식장처럼 어족자원 양식장으로 만들자는 주장도 있다.
5.3. 화합물
황화철로 이루어진 황철석(pyrite)은 바보의 황금 (fool's gold)이라는 별명이 붙어있는데, 황철석이 금과 매우 비슷한 색깔과 광택을 내기 때문. 하지만, 몇몇 황철광은 실제로 금을 함유하는 경우도 있다. 과거에는 철을 제련하는 원석으로 쓰이기도 했으나, 지금은 황을 분리하여 이산화황, 황산 등의 제조에 쓰인다. 옛날에는 몰라도 지금은 황산이 화학공학, 산업적으로 매우 유용한 물질이기 때문.
산화철은 대표적으로 우리가 흔히 "녹" 이라고 부르는 붉은색 Fe2O3와 자철석의 주성분인 검은색 Fe3O4, 그리고 FeO 가 있다. 산화철은 철제 건물이나 물건을 만드는 데 있어선 크나큰 골칫거리다. 물과 공기와의 접촉을 방지해야 철이 산화되는 걸 피할 수 있는데, 보통 겉에 도료나 방청유를 바르거나 도금을 해서 철이 산화되지 않게 한다.
철이 녹스는 것을 막는 방법 중엔 표면에 산화철 피막을 형성시키는 방법도 있는데, 대표적으로 스팀처리가 있다. 스팀처리는 약 550℃의 고온 증기를 철에 분사히면, 수증기가 표면의 철을 Fe3O4로 산화시키면서 표면이 검은색의 산화막으로 둘러쌓이게 되는 공정을 말한다. Fe3O4는 매우 견고하고, 철 표면에서 잘 떨어지지 않으면서, 치밀해서 내부에 산화가 일어나지 않게 하는 뛰어난 방청 효과를 가진다. 견고하다는 특징 때문에 내마모성이 요구되는 기어, 쇼크 업소버의 밸브, 그 외 각종 기계부품에서 사용된다. 특별히 도색을 하지 않았음에도 검은색을 띄는 총포류들(K2 소총 등) 또한 이 처리를 한 것이다.
산화철이 건축 등의 분야에선 골칫거리이지만, 안료로는 무척이나 유용하다. 흑/적/황색 산화철을 적절히 배합해 안료를 만드는데, 이는 아주 오래된 방식이다. 가장 대표적으로 오래된 예가 프랑스의 라스코 동굴벽화다. 오늘날에는 주로 콘크리트의 색을 넣기 위해 쓰거나, 지폐의 그림을 찍어내는데 쓴다. 값싸면서도 인체에 별다른 해가 없다는 것이 가장 큰 장점.
겨울철에 흔히 쓰이는 핫팩도 철이 녹스는 것을 이용한 물품이다.
5.4. 기타
철-60으로 초신성을 관측할 수 있다. 실제로 찾은 예
6. 가공매체에서의 철
대부분의 판타지 창작물에서는 전투력 측정기 역할. 현실에서는 풍부한 매장량과 싼 가격, 그리고 그에 비해 대단히 우수한 기계강도에 힘입어 철을 대체할 금속은 사실상 없지만, 픽션에서는 아다만티움, 미스릴, 히히이로카네, 에보니, 비브라늄 등 온갖 최강급 금속이 등장해서 철의 비중은 언제나 잉여 혹은 사병의 무기이다. 그래도 아무튼 일반 잡졸들이 흔히 쓴다는 묘사가 나와주기라도 한다면 현실 반영이긴 하다. 다만 드래곤 퀘스트 시리즈처럼 강철검이 상점표 무기 중에선 제일 좋은 장비로 나오는 설정도 자주 나오곤 한다.
하지만 가끔씩 코난 더 바바리안에서 유래한 소재로 운석에서 추출된 운철에 뭔가 특별한 것이 있다는 클리셰가 종종 언급된다. 좋은 철기를 구하기 힘든 시대나 배경인 경우 특히 이런 전개가 자주 나오는데, '''실제로 철기 제작기술이 개발되기 이전에는 운석에서 얻는 것이 가장 좋은 철이었다.''' 때문에 실제 역사에서도 운철은 품질과 희귀성 때문에 주로 왕이나 고위 귀족들만 쓰는 귀금속이었다. 대표적으로 파라오인 투탕카멘의 부장품 가운데도 운철로 만든 검이 발견되었다.
또한 해당 작품의 배경이 아직 철기 시대에 다다르지 못한 경우, 주인공이 이고깽 보정으로 철기 제조 기술을 개발해내거나, 혹은 비밀리에 결전병기처럼 연구되어 등장하는 아주 강한 무기 소재로 자주 다루어지는 편이다. 다만 이 경우 작가가 강철 제조 기술에 대해 해박하지 못해 두리뭉실하거나 어디서 주워들은 접쇠같은 기법 이야기를 대충 끄집어와서 대충 개발했다고 하고 마는 케이스가 대부분. 특히 코난 더 바바리안의 오프닝에서 운철을 도가니에 녹여 주조로 강철검을 만들어내는 유명한 장면 때문에 1500도의 고열을 유지할수 있는 가열로가 발명된 근현대 들어서나 가능했던 철기를 주조해서 검을 만들어내는 말도 안 되는 장면을 넣어버리기도 한다. 반면 과학에 해박한 작가가 그린 닥터 스톤에서는 사철로 철을 만드는 데 인력을 써야 하는 바람에 실패를 포함한 수많은 고생을 겪었다고 한다.
총덕들에게도 역시 콩라인의 금속. 과거에는 호두나무와 함께 총의 주재료로 쓰였지만, 현재는 플라스틱과 알루미늄 합금에게 밀려버렸다. 가장 큰 이유로 온도 변화가 심하다는 것과 무겁다는 게 문제. 그렇지만, 값이 싸다는 점 때문에 지금도 총열이나 가늠쇠, 노리쇠등에는 여전히 알루미늄 합금보다 잘 쓰이고 있다.
혈액 속에 철분이 있어서 쇠 냄새가 나는데다 철=전쟁 이라는 이미지 때문에 철과 피를 같은 선상에 놓기도 한다. 여기서 생긴 단어가 철혈.[27]
6.1. 마인크래프트
마인크래프트에서는 석탄 다음으로 흔한 자원으로 등장한다. 그래서 분포도는 상당히 높은 편. 이걸로 만든 도구나 장비의 내구도는 251로 네더라이트, 다이아몬드 바로 다음가는 튼튼한 내구성을 갖추고 있기 때문에 징하게 쓰게 된다. 곡괭이나 칼이 아닌 웬만한 도구나 방어구는 철로 만든다. 그래도 후반에는 속도와 내구도 차이가 심해서 다이아몬드나 네더라이트로 도배한다.
이 외에도 철은 용도가 아주 다양하다. 양동이, 나침반, 가마솥, 깔때기 등을 만드는 데 쓰이고, 신호기를 작동시키는 데 쓰이는 피라미드, 철 골렘, 모루를 만드는 데는 철 '''블록'''을 요구하기도 한다. 대부분 철을 발견하고, 장비와 무기를 철로 만든다면 그때부터 본격적인 야생의 시작이다.
6.2. 부족전쟁
목재, 점토와 더불어 부족전쟁의 3대 자원이다.
건물을 지을 때는 마굿간, 대장간 등 일부 건물을 제외하고는 다른 두 자원에 비해 필요량이 떨어지기 때문에, 초반에 건물 짓은 단계에서는 보통 철광은 다른 두 자원광에 비해 몇 렙 낮게 짓는 경우가 많다. 후반에 가서도 심시티형 플레이어들은 자원균형을 위해서 철광은 풀로 올리지 않는 경우도 있다.
그러나 유닛 뽑을 때는 필수불가결. 검투병 및 기마병, 무장기마병 등은 특히 철을 잡아먹는 귀신이다. 어떤 플레이어나 부족이 대단위로 철을 사겠다고 시장에 점토를 내놓았다면 이는 곧 전쟁이 임박한 것이니 (혹은 이미 다른 부족과 전쟁 시작한 것이니) 주의깊게 지켜봐야 한다.
6.3. 능력자 배틀물
드물게 능력자 배틀물에서도 속성으로 나오곤 한다. 상세는 금속문서에 설명되어 있으니 그쪽을 참고.
7. 사극에서의 철
철이 보편화 되지 않은 시대, 특히 청동기 시대에는 철을 제련하는 기술이 마치 신무기를 개발하는 기술마냥 취급받기도 한다. 심지어 일부 사극에서는 철이 청동기마저 압도해서 철제 검으로 청동검을 부러뜨리는 묘사가 나온다.
그러나 사실 청동기에서 철기로 넘어가던 시절의 철제 무기는 오히려 청동보다도 약했다. 철은 제련에 상당한 고온이 필요하다보니 불순물처리가 어려웠던 반면, 청동은 상대적으로 저온에서 제련이 가능한데다 천년이 넘는 기간 동안 쌓인 노하우로 강도를 높일 수 있었기 때문. 실제로 역사에서 청동기에서 철기로 넘어갔던 가장 중요한 이유는 어디까지나 청동보다 저렴한 가격과 풍부한 물량 때문이었다.
다만 하늘에서 떨어진 금속으로 만들었다는등 운철의 경우는 예외. 철 자체가 얼마나 고온에서 제련했느냐가 핵심이며 슬래그 등의 불순물을 얼마나 제거하고 적절히 탄소를 배합해야 강하고 좋은 철이 되는데, 운철은 대기권을 지나치며 굉장한 고온을 이미 거쳐나왔기에 쉽게 훌륭한 검을 만들 수 있었다. #
또한 실제로 철 자체가 녹이고 불순물 제거하고 대충 탄소 섞기만 하면 되는 게 아니라서, 마오쩌둥의 오판으로 대약진 운동 당시 원시적인 용광로로 엄청난 똥철을 만들어냈다. 자세한 건 토법고로 문서 참조.
8. 관련 문서
- 순철: 말 그대로 순수한 철. (Armco) (탄소함량 0.035%미만)
- 연철: =시우쇠, 강철보다 탄소를 더 적게 첨가하면 연철이 된다. (Wrought Iron) (탄소함량 0.05%초과, 0.25%미만)
- 강철: 순철에 약간의 탄소를 첨가하여 경도를 높인 것. (Steel) (탄소함량 0.05%초과 2.0%미만)
- 주철: =선철, =무쇠, 강철보다 탄소를 더 많이 첨가하면 주철이 된다. 흔히 무쇠라고 부르는 그것. (Pig iron) (탄소함량 2.0%초과)
- 오토 폰 비스마르크: 철혈재상이라는 별명이 유명하다. 다만 실제 개인의 면모는 이런 이미지와 약간 달랐다.
- 이오시프 스탈린: 아예 이름 자체가 강철... (본명은 이오세브 주가슈빌리.)
- 철의 노동자
- : 아재개그의 단골 레퍼토리 중 하나.
[1] 후자는 대체로 산업 재료로서의 철, 엄밀하게 말해서 강(鋼)을 의미하지만, 전자는 '강철 같은 의지'같이 문어적인 의미로도 자주 쓴다.[2] 앞의 것이 순우리말. 뒤의 것은 한자인 鐵.[3] 철은 핵융합 반응이 일어나지 않는다가 아니라, 중력으로는 발생하지 않는다는 것이다. 철의 핵융합은 초신성 폭발급 대규모 폭발(에너지)에서만 발생한다.[4] 참고로 철보다 가벼운 물질의 핵융합은 에너지를 내보내지만, 철과 그보다 무거운 물질은 오히려 에너지를 흡수한다. 때문에 인류가 사용하는 핵분열(핵무기 및 핵발전)에서 발생하는 에너지는 초신성 폭발에서 흡수한 에너지를 다시 방출하는 셈이 된다. 항성에서 핵융합으로 에너지를 발산하는 과정은 철보다 가벼운 물질들이 서로 결합하면서 에너지를 발산하는 것이고, 초신성 폭발에서 발생하는 핵융합은 발생하는 에너지를 물질이 도로 흡수해서 철보다 무거운 물질을 만들어내는 것이다.[5] 참고로 구리 1톤은 대개 7백만원 언저리이다.[6] 쇳물이 더 무거워서 찌꺼기가 둥둥 떠있는 상태로 흘러내려옴.[7] 일반인들은 착각하기 쉬운데 iron은 순수한 철이나 철 원자를 뜻하고 steel은 강. 즉, 철을 기반으로한 철합금을 의미한다. 그러므로 우리가 주변에서 쉽게 볼 수 있는 것은 죄다 iron, 철이 아니라 steel, 강철이다. 물론 순철도 쓰기는 한다. 보기 쉬운 경우가 변압기 정도? [8] 2010년에 당진 제철소에 용광로를 설치함으로써 국내에서 두 번째로 일관제철업체가 되었다.[9] Basic oxygen steelmaking.[10] 판재류, 특수형강, 주단강 등 특수한 분야에 직접환원철 및 냉선 등 대용스크랩을 사용하는 경우는 제외.[11] 니켈의 동위원소인 니켈-62가 결합 에너지가 가장 크지만 드물다. 그 이유는 인-30에서 시작된 핵융합 과정이 철-54가 생성되는 시점까지 오면, 항성은 에너지를 잃고 수축하기 때문에 니켈-62까지 넘어가기 힘들다.[12] 금속 중에서는 알루미늄 다음으로 많은 원소다.우주에서는 수소, 헬륨, 산소, 탄소, 네온 다음으로 많다.[13] 습한 공기중에 오래 두거나 물에 닿으면 부식이 되는 단점이 있으나 이는 도금이나 페인트 칠로 피막을 입히는 방법으로 쉽게 보완이 가능하다.[14] 물론 공기 중에서 반응성이 전혀 없는 금과는 달리, 은이나 구리도 공기 중에서 서서히 산화되기는 하므로 형체 정도는 보존이 되어도 색은 심하게 변해 오랫동안 관리를 안해주면 광택을 잃고 "똥수저"가 되기는 한다.[15] 이때 주의할 점이 있는데, 철을 보호하는 도금이 벗겨질 경우 후술할 희생금속과 반대로, 철이 먼저 산화해버린다.[16] 마그네슘 등, 내식성이 매우 큰 금속을 연결하여 사용하려는 금속보다 먼저 부식되게 하여, 사용하려는 금속을 보호하는 방식.[17] '저온 취성'이라고 한다.[18] 알루미늄의 대량 제련이 불가능했던 시절에는 알루미늄이 은보다도 더 비싼 귀금속 취급을 받았다.[19] 알루미늄 제련이 어려운 이유가 바로 이것이다. 산소와의 결합력이 워낙 강해서 고전적인 건식 제련법으로는 이 결합을 끊어내기가 대단히 어려웠던 것.[20] 다만 진한 질산의 경우 그 자체가 강력한 산화제이기 때문에 알루미늄의 표면에 산화피막이 형성되는 것을 촉진할 수 있어 다른 산에 비해 침식 속도가 느리다.철의 경우도 진한황산에는 의외로 잘견딘다.그래서 진한황산은 철제용기에 보관하는게 가능하다.[21] 이를 '저온 취성'이라고 한다.[22] 송전탑의 전선은 매우 굵은데다가 탑과 탑 사이의 거리가 상당히 멀다보니 무거운 구리같은 것을 사용하면 전선 자체의 무게 때문에 단선이 되는 등의 문제가 생길 수 있기 때문에 무게가 가벼운 알루미늄 전선을 많이 사용한다.[23] 몇가지사례를 예를들면 순철자체는 극저온에 취약하지만 일부 강철합금은 오히려 알루미늄을 능가하는 내냉성을 자랑한다.또한 순철자체는 내식성이 나쁘나 철합금의 일종인 스테인리스강은 알루미늄보다 뛰어난 내식성을 가진다.[24] 강철 방탄판은 무거워서 입고 다니기 불편하기 때문에, 다수의 방탄복의 방탄판은 세라믹이나 플라스틱, 방탄섬유 재질과 같이 가벼운 물질로 많이 대체된 상황이다. 그럼에도 여전히 강철 방탄판을 사용하는 방탄복도 많이 존재한다.[25] 이 때문에 피의 색깔이 붉은색인 것이다. 다르게 말하자면 산화철의 색이 곧 피의 색이다.[26] 코피가 나거나 손가락 등을 다쳤을 때 맡을 수 있다.[27] 비스마르크의 철혈재상이라는 별명도 원어인 독일어는 "Eiserner"로 그저 철을 뜻하는 단어지만, 한중일에서는 철혈재상으로 의역되었다.