철

산출·용도·성질

철(iron)

철은 지각에 5％ 함유되어 있으며 금속 중에서 알루미늄 다음으로 2번째로 풍부하고, 원소 중에서는 산소·규소·알루미늄 다음으로 4번째로 풍부하다. 철은 주로 지구의 핵을 이루고 있으며, 지구 전체적으로 가장 풍부한 원소로(약 35％) 태양과 그밖의 별에서도 비교적 풍부하다.

지각에서는 유리 금속은 드물며, 그린란드의 현무암과 미국 미주리의 탄소질 퇴적물에서 철질운석(2~3％ 니켈과의 합금)과 니켈 함량이 적은 운철(5~7％의 니켈)인 카마사이트로 산출된다. 천연 합금인 니켈-철은 육지의 퇴적물(21~64％의 니켈, 77~34％의 철)과 태아이트로 운석(62~75％의 철, 24~37％의 니켈)에서 산출된다(→ 천연원소표). 운석은 철과 규산-광물의 함량에 따라 철질운석·함철석·석질운석으로 분류한다. 철은 수백 개의 광물에서 다른 원소와 결합된 상태로 발견되는데, 가장 중요한 철광석으로는 적철석·자철석·갈철석·능철석 등이 있다. 금속 상태의 철은 탄소(코크스)와 석회로 제련하여 추출한다(→ 제철).

철 운석

인체에는 평균적으로 약 4.5g(약 0.004％)의 철이 들어 있다. 이중 약 65％는 폐에서 신체 각 부위로 산소 분자를 운반하는 헤모글로빈 형태로 있다. 또한 1％는 세포 내 산화를 조절하는 여러 가지 효소에, 나머지 대부분은 몸(간·지라·골수)에 저장되어 나중에 헤모글로빈으로 전환된다. 살코기·노른자위·당근·과일·전맥분·엽채류에는 성인이 1일평균 섭취해야 하는 10~20㎎의 철이 들어 있다. 철 결핍증을 일으키는 혈액소감소성빈혈을 치료하기 위해서는 많은 유기·무기 철(보통 철[Ⅱ]) 화합물 중에서 선택해 사용한다(→ 철결핍성빈혈).

일반적으로 사용하는 철은 거의 대부분 소량의 탄소를 포함하고 있는데 이에 의해 그 성질이 변한다. 비합금 금속은 고온에서 정제된 철 화합물(예를 들면 산화물)에 수소를 통과시키거나 철의 염 용액을 전해석출시켜 제조한다. 철은 3개의 동소체로 존재한다. 체심정육면체구조인 델타 철은 약 1,403℃에서도 안정하며, 이 온도에서 감마 철로 전이된다. 감마 철은 면심정육면체구조이며 상자성을 띠며, 탄화철(Fe₃C)과 고용체를 형성할 수 있으므로 제강에서 중요하다.

906℃에서는 상자성을 띤 체심정육면체구조의 알파 철(이전에는 베타 철이라 불렸음)로 전이된다. 768℃에서 알파 철은 결정구조는 변하지 않고 전자구조만 변하여 강자성을 띠게 된다. 순수한 철은 영구적인 자성을 띨 수 없고 768℃(퀴리온도) 이상에서는 강자성을 잃게 된다. 알파 철은 연하고 연성이 있으며 장력이 큰 회백색 금속이다(→ 자성). 천연의 철은 4개의 안정한 동위원소인 철-56(⁵⁶Fe：91.66％), ⁵⁴Fe(5.82％), ⁵⁷Fe(2.19％), ⁵⁸Fe(0.33％)의 혼합물이다. 뫼스바우어 효과가 큰 ⁵⁷Fe은 자성과 헤모글로빈 연구 및 고정밀 핵시계 제조에 쓰인다.

철화합물

26 iron (Fe) enhanced Bohr model

철의 가장 중요한 산화수는 ＋2와 ＋3이며, ＋4와 ＋6의 산화수도 있다. 철(Ⅱ)화합물은 제일철 화합물이라고도 하며 연두색의 Fe²⁺ 이온 또는 착이온을 포함하고 있고, 철(Ⅲ)화합물은 제이철 화합물이라고 하며 Fe³⁺ 이온(가수분해 정도에 따라 노란색 또는 주황색에서 갈색을 띰) 또는 착이온을 포함하고 있다.

원소이름 원소기호	색	광택	모스경도	비중	정벽 또는 결정형	단구 또는 벽개	굴절률 또는 연마 면에 관한 자료	결정계 공간군	비고
구리 Cu	연한 장미색： 구릿빛이 도는 적색과 갈색으로 변색	금속광택	21/2~3	8.95	판상과 인편상결정： 선상·수지상 결정군： 꼬인 띠：기형 결정	벽개 없음, 들쑥날쑥한 단구	장밋빛 백색, 등방성, 반사가 잘 된다	등축정계 Fm3m	전성과 연성이 크다
금 Au	금빛이 도는 황색(순수)：은백색 내지 주홍색	금속광택	21/2~ 3	19.3	신장된 결정 또는 평탄한 결정：선상·수지상 또는 스펀지 결정형	벽개 없음, 들쑥날쑥한 벽개	빛나는 황금색： 등방성： 반사된다	등축정계 Fm3m	연성과 전성이 크다
납 Pb	납빛이 도는 회색： 깨끗한 표면은 회백색	무염：깨끗한 표면은 금속광택	11/2	11.4	둥근 괴상：얇은 판상결정	벽개 없음	깨끗한 회백색 표면, 등방성 반사된다：빨리 무염된다	등축정계 Fm3m	전성이 매우 크며 연성이 다소 있다
니켈 - 철 (Fe , Ni)	은백색 내지 회백색	금속광택	5	7.8 ~ 8.2	자갈,입자,미세 인편상결정(지구)： 운석상의 철의 경계에 있거나 연정된 경우	벽개 없음		등축정계 Fm3m	자성이 크고 전성과 유연성이 있다
백금 pt	백색빛이 도는 철회색 내지 암회색	금속광택	4 ~ 41/2	14 ~ 19	입자 또는 인편상결정 때때로 덩어리나 너깃으로 존재	벽개 없음, 들쑥날쑥한 단구	백색, 등방성	등축정계 Fm3m	전성과 연성이 있으며 때때로 자성이 있다
백금이리듐 (Ir, pt)	황색빛이 도는 회백색：깨끗한 표면은 회색	금속광택	6 ~ 7	22.6 ~22.8	둥근 또는 모난 입자	들쑥날쑥한 단구		등축정계 Fm3m	다소 전성이 있다
비소 As	주석빛이 도는 백색： 암회색으로 변색	깨끗한 표면은 금속광택	31/2	5.6 ~ 5.8	과립형 괴상 동심체형 단괴	하나의 완전한 벽개	백색, 반사가 잘 된다. 비등방성	육방정계 Rm
비스무트 Bi	적색빛이 도는 은백색： 무지개빛으로 변색	금속광택	2 ~ 21/2	9.7 ~ 9.8	망상 또는 수지상 결정군	하나의 완전한 벽개와 하나의 양호한 벽개	빛나는 크림색이 도는 백색, 황색으로 변색： 비등방성	육방정계 Rm	절단할 수 있으며 가열하면 전성이 다소 있다
셀렌 Se	회색	금속광택	2	4.8	때때로 움푹 패거나 관상결정： 유리질 방울	하나의 양호한 벽개	반사가 잘 된다. 크림색이 도는 백색, 다색성, 비등방성이 매우 크다	육방정계 C312 또는 C322	전기전도체 얇은 토막 투명하고 적색이다
수은 Hg	주석빛이 도는 백색	매우 빛나는 금속광택		13.596	분리된 방울 형태 종종 커다란 액체 괴상으로 존재			육방정계 (-39℃에서)	정상온도에서 액체
슈라이버자이트 (Fe,Ni)3 P	은색 내지 주석빛 백색：황동빛이 도는 황색 또는 갈색	빛나는 금속광택	61/2 ~ 7	7.0 ~ 7.3	판상결정：막대 또는 침상결정	하나의 완전한 벽개		정방정계 I	전성이 크다
아말감
금 - 아말감 Au2Hg3(?)	황색빛	금속광택		15.5	덩어리 또는 입자	패각상 단구		부분적으로(?) 등축정계
모셀란즈버가이트 Ag2Hg3	은백색	밝게 빛나는 금속광택	31/2	13.5 ~13.7	정12면체：괴상	2개의 분명한 벽개		등축정계 Im3m(?)
포타라이트 Pd3Hg2(?)	은백색	밝게 빛나는 금속광택	31/2	13.5 ~16.1	입자 또는 너깃		포타라이트 석기의 연정(백색, 등방성, 고굴절)과 포타라이트 포유물(밝은 회색： 비등방성)	등축정계
아세놀람프라이트 As	납빛이 도는 회색	밝게 빛나는 금속광택	2	5.3 ~ 5.5	괴상	하나의 완전한 벽개			순수하지 못한 천연 비소나 확실하게 변형된 형태로 존재
아연 Zn	회색빛이 약간 도는 백색	금속광택	2	6.9 ~ 7.2		하나의 완전한 벽개		육방정계 C6/mmc	천연상태로는 존재하지 않는다는 기록이 있음
안티모니 Sb	주석빛이 도는 백색	금속광택	3 ~ 31/2	6.6 ~ 6.7	괴상	하나의 불완전한 벽개	밝게 빛나는 백색： 반사가 매우 잘 된다	육방정계 Rm
알레몬타이트 AsSb	주석빛이 도는 백색： 회적색	금속광택	3 ~ 4	5.8 ~ 6.2	신장상 괴상	하나의 완전한 벽개	비소와 안티모니가 있는 알레몬타이트의 미세한 탄소성 연정	육방정계 Rm
은 Ag	은백색： 회색 내지 흑색으로 변색	금속광택	21/2 ~ 3	10.1 ~11.1(10.5 순수)	종종 신장된 선상 또는 수지상 결정군： 인편상이나 피복체에서의 괴상	벽개 없음 들쑥날쓱한 단구	밝게 빛나는 은백색： 굴절률이 알려진 것 중 가장 크다, 등방성	등축정계 Fm3m	연성과 전성이 있다
이리도스민 (Ir, Os)	주석빛이 도는 백색 내지 연한 철회색	금속광택	6~7	19.0 ~21.0	엽편상 또는 평탄한 입자	하나의 완전한 벽개	황색빛이 약간 도는 백색	육방정계 C6/mmc (순수한Os) Fm3m (순수한 Ir)	전성이 약간 있으며77% Ir에서 80% Os을 포함한 사이서스카이트가 있는 고용체 형성
주석 Sn	주석빛이 도는 백색	금속광택	2	7.3	불규칙하고 둥근 입자： 천연 결정은 알려지지 않았음	들쑥날쑥한 단구		정방정계 l4/amd	전성과 연성이 있음
철 Fe	철회색 내지 철흑색	금속광택	4	7.3 ~ 7.9	작은 기포 또는 큰 괴상(지구)：판상과 니켈 -철과 연정된 엽상 괴상(운석)	하나의 벽개, 들쑥날쑥한 단구	백색： 등방성	등축정계 Im3m	자성과 전성이 있다
코헤나이트 (Fe, Ni) 3C	주석빛이 도는 백색 청동 또는 황금색으로 변색		51/2 ~ 6	7.2 ~ 7.7	신장된 탁상 결정	3개의 벽개		사방정계 Pbnm	자성이 강하다
탄소
다이아몬드 C	연노랑 내지 진노랑 또는 갈색： 백색 내지 청백색： 때때로 다르다	금강광택 내지 유리질 광택	10	3.5	평평한 정8면체： 정12면체	하나의 완전한 벽개, 패각상 단구	n=2.4175	등축정계 Fd3m	마찰전기가 생기며 강하게 산란된다
흑연 C	흑색 내지 진한 철회색	금속광택	1 ~ 2	2.1 ~ 2.2	판상 또는 엽편상 괴상	하나의 완전한 벽개	다색성과 복굴절이 극대	육방정계 C6/mmc(?)	전기전도체, 미끈거리는 느낌이 있고 열전기적으로 음극이다. 얇은 토막은 투명하고 진한 청색을 띤다
탄탈럼 Ta	회색빛이 도는 황색	빛남	6~7	11.2	미소결정： 미세한 입자			등축정계 Im3m
텔루륨 Te	주석빛이 도는 백색	금속광택	2 ~ 21/2	6.1 ~ 6.3	주상 내지 미세한 조립질 괴상： 미소결정	하나의 완전한 벽개	비등방성이 크다： 백색： 반사가 매우 잘 된다	육방정계 C312 또는 C322
팔라듐 Pd	백색빛이 도는 철회색	금속광택	41/2 ~ 5	11.9	입자	벽개 없음	백색：반사된다： 등방성	등축정계 Fm3m	연성과 전성이 있다
황 S
α황 (사방정계)	황색빛 내지 딸기빛：백색 투명한 황색 또는 회색, 녹색, 적색	수지광택 내지 지방광택	11/2 ~ 21/2	2.07	투명 내지 반투명한 탁상 결정：구형 또는 신장형 괴상： 피복상：분말	3개의 불완전한 벽개, 패각상 내지 불평탄 단구	n=1,957	사방정계 Fddd	전기부도체 마찰에 의해 음으로 하전된다
β황 (단사정계)	연한 황：거의 무색： 유기물질을 포함하고 있어 갈색빛이 돈다		α황보다 약간 크다	1.958, 1.982	얇은 탁상 또는 신장된 결정	2개의 벽개	n=2,038	단사정계
γ황 (단사정계일종)	연한 황：거의 무색	금강광택	낮다	α황보다 작다	투명한 미소결정	벽개가 관찰되지 않음		단사정계	실온에서 서서히 황으로 된다

천연원소

철에는 3개의 산소 화합물, 즉 산화철(Ⅱ)(FeO)·산화철(Ⅲ)(Fe₂O₃)·사산화삼철(Fe₃O₄：2가지 산화수로 존재하는 철을 가지고 있음)이 있다. 흑록색 분말의 산화철 유리의 안료로 주로 사용하고 천연에서 섬유아연석으로 산출되며, 철(Ⅱ)화합물을 진공 상태에서 가열하거나 산화철(Ⅲ)에 수소를 통과시켜 만든다. 산화철(Ⅲ)은 적갈색에서 흑색의 분말로 천연에서 적철광석으로 산출되며, 공기 중에서 철(Ⅱ)화합물을 발화시켜 합성하며 베니션 레드(노란색에서 적색까지의 안료)의 주성분으로 쓰인다. 고급 철단이라고도 하는 미세한 적색 분말 형태는 귀금속과 다이아몬드의 연마제 및 화장품에 쓰인다. 산화철(Ⅲ)은 구조와 조성이 다른 여러 가지 수화물을 만든다. 일반적인 형태는 공기 중에서 금속 상태의 철에 습기·이산화탄소·산소가 작용하여 생기는 녹이다. 사산화삼철은 자성을 띤 흑색 또는 흑적색 결정으로 자철석에서 산출되며 적열된 철에 증기를 통과시켜 만든다. 자기투과도와 전기저항이 큰 아철산염은 컴퓨터 기억장치, 자기 테이프의 도장제, 안료, 연마제로 쓰인다.

철은 황산과 반응하여 두 종류의 황화합물인 황산철(Ⅱ)(FeSO₄：보통 7수화물인 FeSO₄·7H₂O 형태로 이용)와 황산철(Ⅲ)(Fe₂(SO₄)₃)을 만든다. 황산철(Ⅱ) 7수화물은 철광석을 황산으로 처리할 때 부산물로 생기며 여러 가지 철(Ⅱ)화합물을 제조할 때 출발물질·환원제로 쓰이고 잉크·비료·농약 제조 및 철 전기도금에 쓰인다. 황산철(Ⅲ)은 뜨거운 황산철(Ⅱ) 용액에 황산과 산화제(질산 또는 과산화수소)를 가해 대규모로 생산되며, 철명반과 다른 철(Ⅲ)화합물의 제조, 정수와 하수 처리시 응고제, 직물 염색과 인쇄에서 매염제로 쓰인다. 철은 염소와 반응하여 공업적으로 중요한 화합물인 염화철(Ⅱ)(FeCl₂)와 염화철(Ⅲ)(FeCl₃)을 만든다. 염화철(Ⅱ)는 적열된 철에 건조한 염화수소 기체를 통과시켜 만드는 황록색의 조해성 결정이다. 염산에 금속 철을 녹이면 4수화물(FeCl₂·4H₂O)이 얻어지는데, 염료공업에서 매염제와 환원제로 쓰인다. 염화철(Ⅲ)은 보통 염화철에 염화물이나 질산을 반응시켜 만들며, 여러 가지 철(Ⅲ)화합물의 제조와 은·구리와 일부 유기화합물을 염소화시키는 데 쓰인다. 3가 철용액에 사이안화철 착물인 육사이아노철 이온([Fe(CN)₆]^4-)을 반응시키면 짙은 청색의 프러시안 블루라고 하는 침전물을 생성한다. 약한 적색을 띠는 이 안료는 페인트·에나멜·래커에 쓰인다.

많은 철 화합물이 의료용으로 이용된다. 글루콘산철(Ⅱ(Fe(C₆H₁₁O₇)₂·2H₂O)와 피로인산철(Ⅲ)(Fe₄ (P₂O₇)·xH₂O)은 빈혈 치료에 자주 쓰이는 화합물이며, 응고제로 쓰이는 여러 가지 철(Ⅲ)의 염은 상처를 빨리 치료하는 데 사용된다