철
[ iron , 鐵 ]
- 요약
주기율표 8족 4주기에 속하는 철족원소로 원소기호 Fe, 원자량 55.845g/mol, 녹는점 1538℃, 끓는점 2862℃, 밀도 7.874g/cm3 이다. 철은 순수한 금속의 상태로 산출되는 일은 극히 드물며 수백 개의 광물에서 다른 원소와 결합된 상태로 발견되며 α, γ, δ의 동소체가 존재한다. 우리 인체에는 평균적으로 약 4.5g(약 0.004％)의 철이 들어 있다.
철
| 원소기호 | Fe |
|---|---|
| 원자번호 | 26 |
| 화학계열 | 전이금속 |
| 원자량 | 55.845g/mol |
| 전자배열 | 1s2 2s2 2p6 3S2 3P6 3d6 4S2 |
| 상태 | 고체 |
| 밀도 | 7.874g/cm3(실온) |
| 녹는점 | 1538℃ |
| 끓는점 | 2862℃ |
| 융해열 | 13.81 kJ/mol |
| 기화열 | 340 kJ/mol |
| 비열용량 | 25.10 J/mol·K(25℃) |
| 산화상태 | +2, +3, +4, +6 |
| 전기음성도 | 1.83(Pauling scale) |
역사
오랜 옛날부터 알려져 있는 원소로, 이집트·아시리아 등의 유적 등에서도 발견되고 있다. 주철(鑄鐵)의 제조는 16세기경에 시작되었고, 순철(純鐵)의 제조는 근대에 와서 시작되었으며, 전해철(電解鐵)은 20세기에 들어와서 실용화되었다. 원자기호의 Fe는 라틴어 'ferrum(철)'에서 온 것인데, 명칭의 유래는 정확하게 알 수 없다. 영어의 'iron'은 광석을 뜻하는 라틴어 'aes'로부터, 독일어의 'Eisen'은 철의 광택이 얼음과 유사하여 얼음을 뜻하는 'Eis'에서 유래된 것이라 알려져 있으나 명확하지 않다.
철, Fe
철은 지각에 약 5％ 정도 함유되어 있으며, 금속 중에서는 알루미늄 다음으로 많이 존재한다. 원소 중에서는 산소(O), 규소(Si), 알루미늄(Al) 다음으로 많이 존재한다. 철은 순수한 금속의 상태로 산출되는 일은 극히 드물며, 수백 개의 광물에서 다른 원소와 결합된 상태로 발견되는데 천연 합금인 니켈-철은 육지의 퇴적물과 운석에서 산출된다. 운석은 철과 규산 광물의 함량에 따라 철질운석, 함철석, 석질운석으로 분류하며 중요한 철광석으로는 적철석, 자철석, 갈철석, 황철석 등이 있다.
순수한 철은 백색의 광택을 지닌 금속이다. 전성(展性)·연성(延性)이 풍부하고 α,γ,δ 세 가지의 동소체가 존재한다. 융해된 철을 1538°C에서 결정화하면 체심입방체구조의 델타(δ)철이 된다. 1394°C로 냉각하면 면심입방구조의 자성이 없는 감마철(Austenite, 오스테나이트)이 된다. 910°C 이하에서 다시 체심입방체구조가 되면서 알파(α)철(Ferrite, 페라이트)로 전환되고 큐리점 770°C 를 지나면서 자성을 띠게 된다. 상온에서 강한 자성을 띤 알파철 동소체로 존재한다.
상온에서는 공기 중에서 변화하지 않지만 습기가 있으면 녹이 슨다. 산소 중에서 가열하면 타고, 뜨거울 때에 수증기와 반응해서 모두 산화철(Fe3O4)로 변한다. 염소·황·인 등과 격렬히 반응하지만 질소와는 직접 반응하지 않는다. 탄소 및 규소와는 화합물을 생성하며, 탄소는 강철의 성질을 좌우하기 때문에 매우 중요하다. 묽은 무기산에는 수소를 발생하면서 녹지만, 진한 질산에는 부동태(不動態)를 만들며 녹지 않는다. 철은 보통 +2와 +3가의 산화수를 가진다.
우리 인체에는 평균적으로 약 4.5g(약 0.004％)의 철이 들어 있다. 이 중에서 약 65％는 헤모글로빈 조직에 있어 폐에서 신체 각 부위로 산소분자를 운반하는 역할을 한다. 살코기, 노른자위, 당근, 과일, 전맥분, 엽채류에는 성인이 하루에 평균적으로 섭취해야 하는 10~20㎎의 철이 들어 있다. 철이 부족하게 되면 빈혈 등의 증상이 나타나게 된다.
천연동위 원소로 56Fe(91.754%), 57Fe(2.119%), 58Fe( 0.282%)와 방사성동위원소 54Fe(5.845%)가 존재한다.
제조법
보통 적철석·자철석·갈철석·능철석 등을 원료로 사용하여, 이들을 일단 배소(焙燒)시켜 산화철로 만들고 융제로 석회석, 환원제로 코크스를 가하여 고로(高爐) 중에서 열풍을 보내고, 코크스를 연소시킴과 동시에 광석을 환원시켜 철로 만들고 용융시켜 선철(銑鐵)을 제조한다. 선철·강철스크랩 등으로부터 순철을 만들기 위해서는 이들을 전극으로 하고 철염 수용액 중에서 전해정련하는 방법 등이 사용되고 있다.
철의 용도
철은 값이 비교적 저렴하고 성형이 쉬우며, 다른 금속과 합금이 잘 되므로 일상 생활에 사용되는 금속 중 사용량이 가장 많다. 건축물의 골재, 기계, 선박, 각종 가정 용구, 자동차의 몸체와 엔진에 사용되는 등 산업전반과 생활용품에 널리 사용되고 있다.