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철

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목차

1. 개요

철은 지구 지각에서 알루미늄 다음으로 풍부한 금속 원소이며, 다양한 동소체와 물리적, 화학적 성질을 지닌다. 강도와 경도가 높고 전기 전도성이 뛰어나며, 탄소와의 합금을 통해 강철을 만들어 건축, 기계, 도구 등 다양한 분야에 활용된다. 철은 자연계에 4가지 안정 동위 원소를 가지며, 핵융합 과정에서 생성된다. 인체 내에서는 헤모글로빈, 미오글로빈 등 단백질의 구성 성분으로 산소 운반에 필수적이며, 과다 섭취 시 부작용을 유발할 수 있다. 철의 제련 기술은 고대부터 발전해 왔으며, 산업 혁명 이후 "산업의 쌀"로 불릴 만큼 중요성이 커졌다.

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철
일반 정보
은백색 금속 덩어리
전해 철과 1cm³ 큐브
이름철
영어 이름Iron (아이언)
라틴어 이름Ferrum (페룸)
일본어 이름鉄 (테츠)
원소 기호Fe
원자 번호26
화학적 성질
주기율표 위치4주기 8족
원자량55.845(2)
전자 배치[Ar] 3d6 4s2
껍질별 전자 수2, 8, 14, 2
산화 상태6, 5, 4, 3, 2, 1, -1, -2 (양쪽성 산화물)
전기 음성도1.83
이온화 에너지1차: 762.5 kJ/mol
2차: 1561.9 kJ/mol
3차: 2957 kJ/mol
물리적 성질
외형은백색
상태고체
밀도7.874 g/cm3
액체 밀도6.98 g/cm3 (녹는점에서)
녹는점1811 K (1538 °C)
끓는점3134 K (2861 °C)
융해열13.81 kJ/mol
기화열340 kJ/mol
열용량25.10 J/(mol·K)
증기압1728 K 에서 1 Pa
1890 K 에서 10 Pa
2091 K 에서 100 Pa
2346 K 에서 1 kPa
2679 K 에서 10 kPa
3132 K 에서 100 kPa
결정 구조체심 입방정계 (α-Fe)
자기 정렬강자성
퀴리 점1043 K
전기 저항96.1 nΩ·m (20 °C)
열전도율80.4 W/(m·K)
열팽창 계수12.07 µm/(m·K) (20 °C)
음속5120 m/s (전해 철, 실온)
영률211 GPa
전단 탄성 계수82 GPa
부피 탄성 계수170 GPa
푸아송 비0.29
모스 굳기4
비커스 굳기608 MPa
브리넬 굳기490 MPa
기타 정보
CAS 등록 번호7439-89-6
발견 시기기원전 5000년 이전
동위 원소
주요 동위 원소54Fe: 5.8% (반감기 > 3.1×1022 년)
55Fe: 합성 (반감기 2.73 년)
56Fe: 91.72% (안정)
57Fe: 2.2% (안정)
58Fe: 0.28% (안정)
59Fe: 합성 (반감기 44.503 일)
60Fe: 합성 (반감기 2.6×106 년)
철의 스펙트럼 선
철의 스펙트럼 선

2. 주요 성질

철은 지각에서 알루미늄 다음으로 흔한 금속이며 지구 전체를 구성하는 원소 중에서는 가장 비중이 높다. 우주에서도 열 번째로 흔한 원소로 알려져 있다. 지구 중량의 약 32%를 차지하는 철은 특히 지구 중심핵에 가장 많이 분포하며, 지각에는 약 5.6% 정도 포함되어 있다. 지구 중심핵은 순수한 철의 단일 결정일 가능성도 있지만, 니켈과의 합금 형태일 가능성이 더 높게 점쳐진다. 지구 핵에 풍부한 철은 지구 자기장 형성에 중요한 역할을 하는 것으로 생각된다.[238][239]

철은 강도와 경도가 높고 전기전도도가 우수하며 가공하기 쉬워 매우 널리 사용되는 금속이다. 특히 제련 과정에서 첨가하는 탄소의 양에 따라 그 성질을 다양하게 조절할 수 있어, 다른 금속이나 비금속과 합금하여 강철을 만드는 데 주로 사용된다.[240] 자연 상태에서는 주로 철광석의 형태로 산출되며, 순수한 금속 상태로는 거의 발견되지 않는다. 따라서 순수한 철을 얻기 위해서는 환원 반응을 통해 철광석에서 산소와 같은 불순물을 제거하는 제련 과정이 필요하다.

철은 원자핵의 안정성 측면에서도 중요한 위치를 차지한다. 철의 동위 원소 중 하나인 56Fe는 항성 내부에서 일어나는 핵융합 과정의 최종 단계에서 생성되는 가장 안정적인 핵종 중 하나이다. 이는 철이 우주의 원소 합성 과정에서 중요한 지표가 됨을 의미한다.[241][242] 철은 온도와 압력에 따라 여러 동소체로 존재하며, 다양한 산화 상태를 가지는 복잡한 화학적 성질을 나타낸다.

2. 1. 동소체

α철의 몰 부피 대 압력(실온)


철은 최소 4가지의 동소체가 알려져 있으며, 고체 상태에서 원자 배열 방식이 다른 이 동소체들은 보통 α, γ, δ, ε으로 표기된다.

처음 세 가지 형태(α, γ, δ)는 일반적인 압력 조건에서 관찰할 수 있다. 녹은 상태의 철이 어는점인 1538°C 이하로 냉각되면 체심 입방 격자 (bcc) 결정 구조를 가진 δ 동소체로 결정화된다. 온도가 1394°C까지 더 내려가면 면심 입방 격자 (fcc) 결정 구조를 가진 γ-철 동소체(또는 오스테나이트)로 변한다. 912°C 이하에서는 다시 bcc 구조의 α-철 동소체(페라이트)가 된다.

매우 높은 압력과 온도에서의 철의 물리적 특성은 지구 및 다른 행성의 핵 연구와 관련하여 광범위하게 연구되어 왔다.[4][5] 약 10 GPa 이상의 압력과 수백 K 이하의 온도에서는 α-철이 육방 밀집 구조 (hcp)를 가지는 또 다른 동소체인 ε-철(헥사페럼)로 변한다. 고온 상태의 γ-철 역시 더 높은 압력 조건에서는 ε-철로 변할 수 있다.[6]

약 50 GPa 이상의 압력과 최소 1500 K의 온도에서는 사방정계 또는 이중 hcp 구조를 가질 것으로 추정되는 β 상이 안정적으로 존재한다는 실험적 증거가 제시되었으나, 아직 논란의 여지가 있다.[7] 참고로, 과거에는 α-철이 퀴리 온도(약 770°C)를 넘어 강자성을 잃고 상자성으로 변하는 770°C–912°C 구간을 'β-철'이라고 부르기도 했지만, 이는 결정 구조의 변화가 없는 상전이이므로 현재의 β 상과는 다른 개념이다.

지구의 내핵은 주로 ε 구조(또는 논란의 β 구조)를 가진 철-니켈 합금으로 이루어져 있을 것으로 추정된다.[8]

순수한 고체 철의 상변화를 온도에 따라 정리하면 다음과 같다.

온도 (°C)압력상 (명칭)결정 구조비고
1538°C 이상상압액체-녹는점
1392°C ~ 1538°C상압δ-철bcc델타 페라이트
911°C ~ 1392°C상압γ-철fcc오스테나이트
770°C ~ 911°C상압α-철bcc상자성 (과거 베타 철 영역 포함)
770°C 미만상압α-철bcc강자성, 페라이트



상온상압 조건에서는 강자성체인 α-철(페라이트)이 가장 안정적인 상태이다. 순수한 철은 흰색의 금속 광택을 띠지만, 이온화 경향이 커서 습한 공기 중에서는 쉽게 녹이 슬어 시간이 지나면 표면이 검거나 갈색으로 변색된다.

2. 2. 동위 원소

자연계에 존재하는 안정적인 철 동위 원소로는 54Fe, 56Fe, 57Fe, 58Fe가 있다. 이들의 자연 존재 비율은 각각 54Fe 5.845%, 56Fe 91.754%, 57Fe 2.119%, 58Fe 0.282%이다.[13] 이들 안정 동위 원소 중에서 57Fe만 핵 스핀(-1/2)을 가진다.[13]

  • 54Fe: 자연계 존재비는 5.845%이다. 이론적으로 이중 전자 포획을 통해 54Cr으로 변환될 수 있다고 예측되지만, 아직 관측된 적은 없으며 반감기 하한선은 4.4×1020년 이상으로 추정된다.[13][183]
  • 56Fe: 자연계에 가장 풍부한 철 동위 원소(91.754%)이다. 항성의 핵융합 과정 중 하나인 규소 연소 과정에서 28Si로부터 여러 차례 헬륨 융합 과정을 거쳐 최종적으로 생성된다. 이 과정에서 일부는 60Zn을 형성하기도 하지만, 이는 에너지를 흡수하는 과정이므로 핵융합 과정에서는 매우 소량만 만들어진다. 따라서 56Fe는 28Si에서 시작된 헬륨 융합 과정의 주요 최종 산물이다. Ia형 초신성 폭발 시에는 56Ni이 대량 생성된 후, 약 6일의 반감기를 가지고 두 번의 연속적인 양전자 방출을 통해 방사성 56Co를 거쳐 안정적인 56Fe로 붕괴한다.[18][19] 이 때문에 56Fe는 적색 거성의 핵이나 철 운석, 지구와 같은 행성 핵에서 가장 풍부한 금속 원소이다.[20]
  • 57Fe: 자연계 존재비는 2.119%이다. 29Si에서 시작된 여러 차례의 헬륨 융합 과정을 통해 최종적으로 형성된다.
  • 58Fe: 자연계 존재비는 0.282%로 가장 적다. 하지만 핵자당 결합 에너지는 철 동위 원소 중 가장 높아 가장 안정적인 동위 원소이다. 이는 니켈 동위 원소인 62Ni 다음으로 높은 안정성이다.[184][185] 58Fe는 주로 초신성 폭발 시 중성자 포획 과정인 R-과정을 통해 생성된다. 핵융합 과정에서는 26Al에서 시작하여 30P 과정을 거쳐 54Co가 최종적으로 생성되므로, 58Fe는 핵융합으로 거의 만들어지지 않는다.


흔히 56Fe가 모든 원자핵 중에서 가장 안정적이라고 알려져 있지만 이는 오해이다. 실제로 핵자당 결합 에너지가 가장 높은 핵종은 62Ni이며, 그 다음이 58Fe, 세 번째가 56Fe이다.[184][185] 56Fe가 가장 풍부한 이유는 항성 원소 합성 과정에서 질량수가 4의 배수인 핵종이 주로 만들어지기 때문이다. 알파 과정은 56Ni에서 사실상 멈추고, 이 56Ni가 붕괴하여 56Fe가 되므로, 56Fe가 핵융합의 최종 주산물이 되는 것이다. 62Ni를 합성하면 약간의 에너지를 더 얻을 수 있지만, 항성 내부의 조건은 이 과정에 적합하지 않다.[22]

철의 방사성 동위 원소 중 60Fe는 반감기가 260만 년으로 비교적 짧아 현재 자연계에는 거의 존재하지 않는 멸종 방사성 핵종이다.[14] 하지만 과거 태양계 초기에는 상당량 존재했으며, 26Al과 함께 붕괴열을 방출하여 소행성의 재용융 및 행성 분화에 기여했을 것으로 추정된다.[16] 60Fe는 베타 붕괴를 통해 안정한 60Ni으로 변환된다. 지구에 풍부한 60Ni의 대부분은 이 과정을 통해 생성된 것으로 여겨진다. 60Fe 자체는 거대 항성의 최후 단계인 초신성 폭발의 R-과정을 통해 형성되었을 것으로 생각된다. 따라서 60Fe는 태양계 초기 역사를 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다.[16]

철 동위 원소의 비율 변화에 대한 연구는 운석 분석 등을 통해 핵합성 과정을 이해하고, 지구 과학 및 행성 과학 분야에서 활발히 이루어지고 있다.[15]

2. 3. 물리적 성질

순철의 저압 상평형 그림


철은 강도, 경도가 높고 전기전도도 또한 훌륭하며 가공하기 쉬워 다양한 분야에서 널리 사용된다. 제련 과정에서 첨가하는 탄소의 양에 따라 그 성질을 조절할 수 있어, 다른 금속이나 비금속과 함께 합금하여 강철 등을 만드는 데 주로 사용된다.[240]

철의 녹는점과 끓는점, 그리고 원자화 엔탈피는 스칸듐에서 크롬에 이르는 앞선 3d 전이 금속들보다 낮다. 이는 핵에 의해 불활성 코어로 점점 더 끌려들어가면서 3d 전자가 금속 결합에 기여하는 정도가 감소하기 때문이다. 하지만, 이 값들은 바로 이전 원소인 망가니즈보다는 높은데, 망가니즈는 3d 부껍질이 반만 채워져 있어 d-전자가 쉽게 비편재화되지 않기 때문이다. 이러한 경향은 루테늄에서도 나타나지만 오스뮴에서는 나타나지 않는다.

철의 녹는점은 50 GPa 미만의 압력에서 실험적으로 잘 정의되어 있다. 더 높은 압력에서의 녹는점 데이터는 (2007년 기준) 발표된 연구마다 수십 기가파스칼과 천 K 이상으로 여전히 차이를 보인다.[9]

철봉과 같은 철 제품을 손으로 만지면 특유의 냄새가 나는 경우가 있다. 흔히 "금속 냄새" 또는 "쇠 냄새"라고 불리지만, 이는 철 자체의 냄새가 아니다. 철은 상온에서 쉽게 휘발하지 않기 때문이다. 연구에 따르면, 이 냄새는 사람의 땀에 포함된 피지 분해물이 철 이온(Fe2+)과 반응하여 생성되는 유기 화합물들, 예를 들어 탄소수 7~10개의 직쇄 알데하이드류나 1-옥텐-3-온, 그리고 메틸포스핀·디메틸포스핀과 같은 포스핀류에 의해 발생하는 것으로 밝혀졌다.[186][187]

2. 4. 화학적 성질

순수철의 저압 상평형 그림


포화 자화 곡선. 9가지 강자성 물질: 1. 강판, 2. 규소강, 3. 주강, 4. 텅스텐강, 5. 자석강, 6. 주철, 7. 니켈, 8. 코발트, 9. 자철석


α-철은 큐리 온도 770°C 이하에서 상자성에서 강자성으로 변하는 성질을 가진다. 각 원자 내 두 개의 짝짓지 않은 전자의 스핀은 일반적으로 이웃 스핀과 정렬되어 전체 자기장을 생성한다.[11] 이는 두 전자의 궤도(dz2 및 dx2−y2)가 격자 내 이웃 원자를 향하지 않아 금속 결합에 직접 관여하지 않기 때문이다.

외부 자기장이 없을 때, 철 원자들은 약 10 마이크로미터 크기의 자기 구역으로 자발적으로 나뉜다. 각 구역 내 원자들은 평행한 스핀을 가지지만, 구역마다 방향이 달라 거시적인 철 조각은 거의 0에 가까운 전체 자기장을 가진다. 외부 자기장을 가하면, 외부 자기장과 같은 방향으로 자화된 구역이 다른 방향을 가진 인접 구역을 흡수하며 성장하여 외부 자기장을 강화한다. 이 효과는 변압기, 자기 기록 헤드, 전동기 등 자기장을 특정 방향으로 유도해야 하는 장치에 활용된다. 불순물, 격자 결함, 결정립계 등은 자기 구역의 경계를 특정 위치에 고정시켜 외부 자기장이 제거된 후에도 자화 효과가 남아있게 하여 철 물체를 영구 자석으로 만들 수 있다.[11]

자철석(Fe3O4)을 포함한 일부 철 화합물, 특히 혼합된 철(II,III) 산화물의 결정 형태인 페라이트에서도 유사한 자기적 행동이 나타난다. 다만 원자 수준의 메커니즘인 페리자성은 다소 차이가 있다. 자연적으로 영구 자성을 띤 자철석 조각(자석)은 초기의 나침반 제작에 사용되었다. 자철석 입자는 코어 메모리, 자기 테이프, 플로피 디스크, 하드 디스크 드라이브와 같은 자기 기록 매체에 널리 사용되었으나, 현재는 코발트 기반 재료로 대체되었다.

산화
상태		대표 화합물
−2 (d10)테트라카보닐철산이 나트륨 (콜먼 시약)
−1 (d9)[Fe2(CO)8]2-
0 (d8)펜타카보닐철
1 (d7)사이클로펜타디에닐철 디카보닐 이량체 ("Fp2")
2 (d6)황산 제일철, 페로센
3 (d5)염화 제이철, 페로세늄 테트라플루오로보레이트
4 (d4)[Fe(diars)2Cl2]2+, FeO(BF4)2
5 (d3)[FeO4]3-
6 (d2)페르산 칼륨
7 (d1)[FeO4]– (매트릭스 분리, 4 K)



철은 전이 금속의 특징적인 화학적 성질을 나타낸다. 즉, 다양한 산화 상태를 형성하며 매우 폭넓은 배위 화학 및 유기금속 화학을 보인다. 1950년대 유기금속 화학 분야에 혁명을 일으킨 페로센의 발견이 대표적인 예이다. 철은 풍부하고 인류 기술 발전에 큰 역할을 했기 때문에, 때때로 전이 금속 전체의 대표 원소로 간주되기도 한다. 철의 26개 전자는 [Ar] 3d64s2의 전자 배치를 가지며, 3d와 4s 전자의 에너지가 비교적 가까워 여러 전자를 잃고 다양한 양이온이 될 수 있다.

철은 주로 +2 (철(II), "제일철") 및 +3 (철(III), "제이철") 산화 상태의 화합물을 형성한다. 또한 보라색 페르산 칼륨 (K2FeO4)처럼 +6 산화 상태를 포함하는 더 높은 산화 상태도 존재한다. 음이온 [FeO4]–는 +7 산화 상태의 철과 철(V)-과산화물 이성질체를 포함하며, O2/Ar 혼합물과 레이저로 절제된 Fe 원자를 4 K에서 함께 응축시킨 후 적외선 분광법으로 검출되었다.[48] 철(IV)는 많은 생화학적 산화 반응에서 흔한 중간체이다.[49][50] 수많은 유기철 화합물은 형식적으로 +1, 0, −1, 심지어 −2의 산화 상태를 가진다. 이러한 산화 상태와 다른 결합 특성은 종종 뫼스바우어 분광법을 사용하여 평가된다.[51] 자철광 및 프러시안 블루 (Fe4[Fe(CN)6]3)와 같이 철(II)와 철(III) 중심을 모두 포함하는 혼합 원자가 화합물도 많다.[50] 프러시안 블루는 전통적인 청사진에서 "파란색"으로 사용되었다.[52]

철은 같은 족의 더 무거운 원소인 루테늄(Ru)과 오스뮴(Os)과는 달리 +8의 산화 상태에 도달할 수 없는 첫 번째 전이 금속이다. 루테늄은 철과 유사하게 낮은 산화 상태에서 수용성 양이온 화학을 나타내지만, 오스뮴은 음이온성 착물을 형성하는 높은 산화 상태를 선호한다. 3d 전이 금속 계열 후반부에서는 철과 주기율표 상의 이웃인 코발트(Co) 및 니켈(Ni)과의 수평적 유사성이 두드러진다. 이들 역시 실온에서 강자성을 띠며 유사한 화학적 성질을 공유하여, 때때로 철족으로 함께 묶인다.

다른 많은 금속과 달리 철은 수은과 아말감을 형성하지 않는다. 이 때문에 수은은 철로 만든 표준화된 76파운드 (34kg) 플라스크로 거래된다.[53]

철은 해당 그룹에서 가장 반응성이 높은 원소 중 하나이다. 미세하게 분말화된 철은 공기 중에서 저절로 불이 붙는 자연발화성을 가지며, 묽은 산에 쉽게 용해되어 Fe2+ 이온을 생성한다. 그러나 질산과 같은 농축된 산화성 산에는 표면에 단단한 산화물 보호막(부동태 피막)이 형성되어 반응하지 않는다. 이 보호막은 염산에는 반응하여 제거될 수 있다. 전해철이라고 하는 고순도 철은 이 산화 피막 덕분에 녹에 강한 것으로 간주된다.

페레이트(왼쪽)와 과망간산염 (오른쪽) 용액의 색상 비교


일반적인 철 이온의 산성 수용액에서의 표준 환원 전위는 다음과 같다.

:

[Fe(H2O)6]2+ + 2 e−⇌ FeE0 = −0.447 V
[Fe(H2O)6]3+ + e−⇌ [Fe(H2O)6]2+E0 = +0.77 V
[FeO4]2- + 8 H3O+ + 3 e−⇌ [Fe(H2O)6]3+ + 6 H2OE0 = +2.20 V



적자색의 사면체 페레이트(VI) 음이온([FeO4]2-)은 매우 강력한 산화제로, 암모니아(NH3)를 질소(N2)로, 물(H2O)을 산소(O2)로 산화시킨다.

:4 [FeO4]2- + 34 H2O → 4 [Fe(H2O)6]3+ + 20 OH- + 3 O2

엷은 보라색의 육아쿠아 착물 [Fe(H2O)6]3+는 pH 0 이상에서 완전히 가수분해되는 산이다.

:

[Fe(H2O)6]3+⇌ [Fe(H2O)5(OH)]2+ + H+K = 10−3.05 mol dm−3
[Fe(H2O)5(OH)]2+⇌ [Fe(H2O)4(OH)2]+ + H+K = 10−3.26 mol dm−3
2[Fe(H2O)6]3+⇌ [Fe(H2O)4(OH)]24+ + 2H+ + 2H2OK = 10−2.91 mol dm−3



청록색 황산철(II) 7수화물


pH가 0 이상으로 올라가면 위 반응에서 노란색 가수분해 생성물이 형성되고, pH 2–3 이상에서는 적갈색의 수화된 산화철(III) (흔히 Fe(OH)3로 표현됨)이 용액에서 침전된다. Fe3+는 d5 전자 배치를 가지지만, 약하고 스핀이 금지된 d–d 전이 밴드를 갖는 Mn2+의 흡수 스펙트럼과는 다르다. 이는 Fe3+가 더 높은 양전하를 가지며 편광성이 더 강하여 리간드에서 금속으로의 전하 이동 흡수 에너지를 낮추기 때문이다. 따라서 육아쿠아 이온을 제외한 대부분의 철(III) 착물은 상당히 강한 색을 띤다. 육아쿠아 이온조차도 근자외선 영역에서 강한 전하 이동 흡수를 보인다. 반면에 엷은 녹색의 철(II) 육아쿠아 이온 [Fe(H2O)6]2+는 상당한 가수분해를 겪지 않는다. 탄산염 음이온을 첨가해도 이산화탄소가 발생하지 않고, 대신 백색 탄산철(II) (FeCO3)이 침전된다. 과량의 이산화탄소 존재 하에서는 약간 용해되어 중탄산염을 형성하는데, 이는 지하수에서 흔히 발견된다. 하지만 공기 중에서 빠르게 산화되어 산화철(III)로 변하며, 이는 많은 하천 바닥에서 볼 수 있는 갈색 침전물을 형성한다.

철은 전자 구조의 특성상 매우 광범위한 배위 화학 및 유기금속 화학을 보여준다.

페리옥살산 이온의 두 거울상 이성질체
철의 다양한 배위 화합물이 알려져 있다. 대표적인 6배위 음이온으로는 혼합염 테트라키스(메틸암모늄) 헥사클로로페레이트(III) 염화물에 포함된 헥사클로로페레이트(III), [FeCl6]3−가 있다.[56][57] 여러 개의 두 자리 리간드를 가진 착물은 기하 이성질체를 나타낼 수 있다. 예를 들어, ''trans''-클로로하이드리도비스(비스-1,2-(디페닐포스피노)에테인)철(II) 착물은 Fe(dppe)2 부분 구조를 가진 화합물의 출발 물질로 사용된다.[58][59] 세 개의 옥살산 리간드를 가진 페리옥살산 이온([Fe(C2O4)3]3-)은 나선형 키랄성을 나타내며, IUPAC 규칙에 따라 좌선 나선 축에 대해 ''Λ'' (람다), 우선 나선 축에 대해 ''Δ'' (델타)로 표시되는 두 개의 겹쳐지지 않는 거울상 이성질체가 존재한다. 페리옥살산칼륨은 화학적 액티노미터(광량계)로 사용되며, 옥살산나트륨과 함께 오래된 사진 공정에 적용되는 광환원 반응을 이용한다. 옥살산철(II) 이수화물 (FeC2O4·2H2O)은 결정 구조 내에서 철 중심을 연결하는 평면 옥살산 이온과, 각 팔면체 구조의 꼭대기를 덮는 물 분자로 이루어진 중합체 구조를 가진다.[60]

옥살산철(II) 이수화물의 결정 구조, 철(회색), 산소(빨간색), 탄소(검은색), 수소(흰색) 원자 표시


철(III)에 대한 혈액-적색 양성 티오시안산염 검사


철(III) 착물은 철(III)이 질소(N) 공여체 리간드보다 산소(O) 공여체 리간드를 선호한다는 점을 제외하면 크롬(III) 착물과 매우 유사하다. 질소 공여체 리간드와의 착물은 철(II) 착물보다 다소 불안정하며 물에서 종종 해리되는 경향이 있다. 많은 Fe-O 착물은 강렬한 색을 나타내며 페놀이나 엔올의 존재를 확인하는 데 사용된다. 예를 들어, 염화철(III) 검사에서는 염화철(III)(FeCl3)이 페놀과 반응하여 짙은 보라색 착물을 형성한다.

:3 ArOH + FeCl3 → Fe(OAr)3 + 3 HCl (Ar = 아릴)

할로겐화물 및 유사할로겐화물 착물 중에서 철(III)의 플루오린화물 착물이 가장 안정하며, 무색의 [FeF5(H2O)]2−가 수용액에서 가장 안정하다. 염화물 착물은 덜 안정하고 사면체 배위 구조인 [FeCl4]−를 선호한다. 브로민화물([FeBr4]−)과 아이오딘화물([FeI4]−) 착물은 쉽게 철(II)로 환원된다. 티오시안산염(SCN-)은 혈액처럼 붉은색의 [Fe(SCN)(H2O)5]2+ 착물을 형성하므로, 철(III) 이온의 존재를 확인하는 일반적인 검사법으로 사용된다. 망가니즈(II)와 마찬가지로 대부분의 철(III) 착물은 분광화학 계열에서 강한 장 리간드인 사이안화물(CN-)을 제외하고는 고스핀 상태이다. 저스핀 철(III) 착물의 예로는 [Fe(CN)6]3−가 있다. 철은 d-블록 원소 중에서 매우 다양한 전자 스핀 상태를 보이며, 0 (반자성)부터 5/2 (5개의 홀전자)까지 가능한 모든 스핀 양자수 값을 가진다. 이 값은 항상 홀전자의 수의 절반이다. 홀전자가 0~2개인 착물은 저스핀, 4개 또는 5개인 착물은 고스핀으로 간주된다.

철(II) 착물은 철(III) 착물보다 덜 안정하지만, 산소(O) 공여체 리간드에 대한 선호도는 덜 뚜렷하다. 예를 들어, [Fe(NH3)6]2+는 알려져 있지만 [Fe(NH3)6]3+는 알려져 있지 않다. 철(II) 착물은 철(III)으로 산화되는 경향이 있지만, 이는 낮은 pH와 사용된 특정 리간드에 의해 조절될 수 있다.

3. 화합물

철은 전이 금속의 특징적인 화학적 성질, 즉 다양한 산화 상태를 형성하는 능력과 매우 큰 배위 및 유기금속 화학을 나타낸다. 실제로 1950년대에 유기금속 화학 분야에 혁명을 일으킨 것은 철 화합물 페로센의 발견이었다.[48] 철은 풍부하고 인류의 기술 발전에 중요한 역할을 해왔기 때문에 때때로 전체 전이 금속 블록의 원형으로 간주된다.[49] 철의 26개 전자는 [Ar]3d64s2의 전자 배치로 배열되며, 여기서 3d 및 4s 전자는 에너지가 비교적 가까워 여러 전자를 잃고 다양한 양이온 상태를 형성할 수 있다.[50]

산화
상태		대표 화합물
−2 (d10)테트라카보닐철산이 나트륨 (콜먼 시약)
−1 (d9)Fe2(CO)82-
0 (d8)펜타카보닐철
1 (d7)사이클로펜타디에닐철 디카보닐 이량체 ("Fp2")
2 (d6)황산 제일철, 페로센
3 (d5)염화 제이철, 페로세늄 테트라플루오로보레이트
4 (d4)Fe(diars)2Cl22+, FeO(BF4)2
5 (d3)FeO43-
6 (d2)페르산 칼륨
7 (d1)[FeO4]– (매트릭스 분리, 4K)



철은 주로 +2 (철(II), "제일철") 및 +3 (철(III), "제이철")의 산화 상태로 화합물을 형성한다. 철은 또한 보라색 페르산 칼륨 (K2FeO4)과 같이 +6 산화 상태를 포함하는 더 높은 산화 상태로도 존재한다. 음이온 [FeO4]–은 +7 산화 상태의 철과 철(V)-과산화물 이성질체를 포함하며, O2/Ar 혼합물과 레이저로 절제된 Fe 원자를 4 K에서 함께 응축한 후 적외선 분광법으로 검출되었다.[48] 철(IV)는 많은 생화학적 산화 반응의 중간체로 나타난다.[49][50] 수많은 유기철 화합물은 형식적으로 +1, 0, −1 또는 심지어 −2의 산화 상태를 갖는다. 이러한 산화 상태 및 기타 결합 특성은 종종 뫼스바우어 분광법 기술을 사용하여 평가된다.[51] 자철광 및 프러시안 블루 (Fe4[Fe(CN)6]3)와 같은 많은 혼합 원자가 화합물은 철(II) 및 철(III) 중심을 모두 포함한다.[50] 프러시안 블루는 전통적인 청사진에서 "파란색"으로 사용된다.[52]

철은 같은 족의 더 무거운 원소인 루테늄(Ru)이나 오스뮴(Os)과 달리 +8의 그룹 산화 상태에 도달하지 못한다. 루테늄과 오스뮴은 +8 상태가 가능하지만, 오스뮴보다 루테늄에서 더 어렵게 나타난다.[50] 루테늄은 철과 유사하게 낮은 산화 상태에서 수용성 양이온 화학을 보이지만, 오스뮴은 음이온성 착물을 형성하는 높은 산화 상태를 선호한다.[50] 3d 전이 계열 후반부에서, 철은 주표의 이웃인 코발트(Co) 및 니켈(Ni)과 수평적 유사성을 보이는데, 이들 역시 실온에서 강자성을 나타내며 유사한 화학적 성질을 공유한다. 따라서 철, 코발트, 니켈은 때때로 철족으로 함께 묶인다.[49]

다른 많은 금속과 달리 철은 수은과 아말감을 형성하지 않는다. 이 때문에 수은은 철로 만들어진 표준화된 76파운드(34kg) 플라스크로 거래된다.[53]

철은 해당 그룹에서 가장 반응성이 높은 원소이다. 미세하게 분말화된 철은 공기 중에서 저절로 불이 붙는 자연발화성을 가지며, 묽은 산에 쉽게 용해되어 Fe2+ 이온을 생성한다. 그러나 표면에 불투과성 산화층이 형성되면 농축된 질산 및 기타 산화력이 강한 산과는 반응하지 않지만, 염산과는 반응할 수 있다.[50] 전해철이라고 하는 고순도 철은 산화층 덕분에 녹에 강한 것으로 여겨진다.

산화철(III) 또는 제이철 산화물 Fe2O3


사산화 삼철 또는 산화철(II,III) Fe3O4


철은 다양한 산화물 및 수산화물 화합물을 형성하며, 가장 흔한 것은 사산화 삼철(Fe3O4)과 산화철(III)(Fe2O3)이다. 산화철(II)(FeO)도 존재하지만 실온에서는 불안정하다. 이들은 이름과 달리 실제로는 조성이 일정하지 않은 비화학량론적 화합물이다.[50] 이러한 산화물은 철 생산의 주요 광석이다(용광로 참조). 또한 컴퓨터의 자기 저장 매체인 페라이트 및 안료 생산에도 사용된다. 가장 잘 알려진 황화물은 황철석 (FeS2)으로, 금색 광택 때문에 '바보의 금'으로도 알려져 있다.[50] 이는 철(IV) 화합물이 아니라, 실제로는 Fe2+ 이온과 S22- 이온이 뒤틀린 염화 나트륨 구조를 이루는 철(II) 폴리설파이드이다.[50]

철의 푸르베 다이어그램


노란색 분말 덩어리가 실험실 시계 접시 위에 놓여 있다.
수화된 염화 철(III) (염화 제이철)


이원자 철(II) 및 철(III) 할로겐 화합물은 잘 알려져 있다. 철(II) 할로겐 화합물은 일반적으로 철 금속을 해당 할로겐산으로 처리하여 수화염 형태로 얻는다.[50]

:Fe + 2 HX → FeX2 + H2 (X = F, Cl, Br, I)

철은 플루오린, 염소, 브로민과 반응하여 해당 철(III) 할로겐 화합물을 생성하며, 그중 염화 제이철이 가장 흔하다.[50]

:2 Fe + 3 X2 → 2 FeX3 (X = F, Cl, Br)

아이오딘화 제이철은 예외인데, Fe3+의 산화력과 I−의 높은 환원력으로 인해 열역학적으로 불안정하다.[50]

:2 I− + 2 Fe3+ → I2 + 2 Fe2+ (E0 = +0.23 V)

아이오딘화 제이철은 검은색 고체로, 일반적인 조건에서는 안정하지 않지만, -20°C의 온도에서 헥세인과 빛의 존재 하에 아이오딘 및 일산화 탄소와 펜타카보닐철의 반응을 통해, 산소와 물을 배제하고 제조할 수 있다.[50] 일부 연성 염기와 함께 아이오딘화 제이철의 착물은 안정한 화합물로 알려져 있다.[54][55]

일반적인 철 이온의 산성 수용액에서의 표준 환원 전위는 다음과 같다.[50]

반응표준 환원 전위 (E0)
[Fe(H2O)6]2+ + 2 e− ⇌ Fe−0.447 V
[Fe(H2O)6]3+ + e− ⇌ [Fe(H2O)6]2++0.77 V
FeO42- + 8 H3O+ + 3 e− ⇌ [Fe(H2O)6]3+ + 6 H2O+2.20 V



적자색의 사면체 페레이트(VI) 음이온(FeO42-)은 매우 강력한 산화제로, 암모니아를 질소(N2)로, 물을 산소(O2)로 산화시킨다.[50]

:4 FeO42- + 34 H2O → 4 [Fe(H2O)6]3+ + 20 OH- + 3 O2

엷은 보라색의 육아쿠아 착물 [Fe(H2O)6]3+는 pH 0 이상에서 완전히 가수분해되는 산이다.[50]

:

반응평형 상수 (K)
[Fe(H2O)6]3+ ⇌ [Fe(H2O)5(OH)]2+ + H+10−3.05 mol dm−3
[Fe(H2O)5(OH)]2+ ⇌ [Fe(H2O)4(OH)2]+ + H+10−3.26 mol dm−3
2[Fe(H2O)6]3+ ⇌ [Fe(H2O)4(OH)]24+ + 2H+ + 2H2O10−2.91 mol dm−3



pH가 0 이상으로 상승하면 위 반응에서 노란색 가수분해 생성물이 형성되고, pH 2–3 이상으로 더 상승하면 적갈색의 수화된 산화철(III)가 용액 밖으로 침전된다. Fe3+는 d5 전자 배치를 가지지만, 약하고 스핀이 금지된 d–d 전이 밴드를 갖는 Mn2+의 흡수 스펙트럼과는 다르다. 그 이유는 Fe3+가 더 높은 양전하를 가지며 편광성이 더 강하여 리간드에서 금속으로의 전하 이동 흡수 에너지를 낮추기 때문이다. 따라서 위의 모든 착물은 육아쿠아 이온을 제외하고 상당히 강한 색상을 띠며, 육아쿠아 이온조차도 근자외선 영역에서 전하 이동이 지배적인 스펙트럼을 갖는다.[50] 반면에 엷은 녹색의 철(II) 육아쿠아 이온 [Fe(H2O)6]2+는 상당한 가수분해를 겪지 않는다. 탄산염 음이온을 첨가해도 이산화탄소가 방출되지 않고, 대신 백색 탄산철(II)이 침전된다. 과량의 이산화탄소 존재 하에서는 약간 용해되어 중탄산염을 형성하는데, 이는 지하수에서 흔히 발견되지만 공기 중에서 빠르게 산화되어 산화철(III)을 형성하며, 이것이 많은 하천 바닥에 보이는 갈색 침전물의 원인이다.[50]

철은 전자 구조로 인해 매우 광범위한 배위 및 유기금속 화학을 보인다.

철의 많은 배위 화합물이 알려져 있다. 전형적인 6배위 음이온으로는 혼합염 테트라키스(메틸암모늄) 헥사클로로페레이트(III) 염화물에서 발견되는 헥사클로로페레이트(III), [FeCl6]3−가 있다.[56][57] 여러 개의 두 자리 리간드를 가진 착물은 기하 이성질체를 나타낸다. 예를 들어, ''trans''-클로로하이드리도비스(비스-1,2-(디페닐포스피노)에테인)철(II) 착물은 Fe(dppe)2 부분 구조를 가진 화합물의 출발 물질로 사용된다.[58][59] 세 개의 옥살산 리간드를 가진 페리옥살산 이온([Fe(C2O4)3]3-)은 나선형 키랄성을 나타내며, IUPAC 규칙에 따라 좌선 나선 축에 대해 ''Λ'' (람다), 우선 나선 축에 대해 ''Δ'' (델타)로 표시되는 두 개의 겹쳐지지 않는 기하 구조를 갖는다.[50] 페리옥살산칼륨은 화학적 액티노미터로 사용되며, 옥살산나트륨과 함께 오래된 방식의 사진 공정에 적용되는 광환원 반응을 거친다. 옥살산철(II) 이수화물은 아래 그림과 같이 철 중심을 연결하는 평면 옥살산 이온과, 각 팔면체의 꼭대기를 덮는 결정수로 이루어진 중합체 구조를 갖는다.[60]

철(III) 착물은 철(III)이 질소(N) 주개 리간드보다 산소(O) 주개 리간드를 선호한다는 점을 제외하면 크롬(III) 착물과 매우 유사하다. 철(III) 착물은 철(II) 착물보다 다소 불안정하고 물에서 종종 해리되는 경향이 있다. 많은 Fe-O 착물은 강렬한 색을 나타내며 페놀 또는 엔올 검사에 사용된다. 예를 들어, 페놀의 존재를 확인하는 데 사용되는 염화철(III) 검사에서 염화 제이철(FeCl3)은 페놀과 반응하여 짙은 보라색 착물(Fe(OAr)3)을 형성한다.[50]

:3 ArOH + FeCl3 → Fe(OAr)3 + 3 HCl (Ar = 아릴)

할로겐화물 및 유사할로겐화물 착물 중에서 철(III)의 플루오린화물 착물이 가장 안정하며, 무색의 [FeF5(H2O)]2−가 수용액에서 가장 안정하다. 염화물 착물은 덜 안정하고 [FeCl4]−와 같이 사면체 배위를 선호한다. 브로민화물([FeBr4]−)과 아이오딘화물([FeI4]−) 착물은 쉽게 철(II)로 환원된다. 티오시안산염은 혈액처럼 붉은색의 [Fe(SCN)(H2O)5]2+를 형성하므로 철(III)의 존재를 확인하는 일반적인 검사법이다. 망가니즈(II)와 마찬가지로 대부분의 철(III) 착물은 분광화학 계열에서 강한 장 리간드인 사이안화물을 제외하고는 고스핀 상태이다. 저스핀 철(III) 착물의 예로는 [Fe(CN)6]3−가 있다. 철은 d-블록 원소 중에서 매우 다양한 전자 스핀 상태를 보이는데, 0(반자성)에서 5/2(5개의 홀전자)까지 가능한 모든 스핀 양자수 값을 포함한다. 이 값은 항상 홀전자의 수의 절반이다. 0~2개의 홀전자를 가진 착물은 저스핀으로 간주되고, 4개 또는 5개를 가진 착물은 고스핀으로 간주된다.[50]

철(II) 착물은 철(III) 착물보다 덜 안정하지만, 산소(O) 주개 리간드에 대한 선호도는 덜 두드러진다. 예를 들어, [Fe(NH3)6]2+는 알려져 있지만 [Fe(NH3)6]3+는 알려져 있지 않다. 철(II) 착물은 철(III)으로 산화되는 경향이 있지만, 이는 낮은 pH와 사용된 특정 리간드에 의해 조절될 수 있다.[50]

철 펜타카보닐


유기철 화학은 탄소 원자가 금속 원자와 공유 결합된 철의 유기금속 화합물에 대한 연구이다. 이들은 시아노금속산염을 포함하여 다양하며 카보닐 착물, 샌드위치 화합물 및 하프 샌드위치 화합물 등이 있다.

프러시안 블루


프러시안 블루, 즉 "페로시안화 제이철", Fe4[Fe(CN)6]3는 오래되고 잘 알려진 철-사이아나이드 복합체로, 안료로 광범위하게 사용되며 다른 여러 응용 분야에서도 사용된다. 그 형성은 Fe2+ 및 Fe3+의 수용액을 구별하기 위한 간단한 습식 화학 테스트로 사용될 수 있으며, 이들은 각각 페리시안화 칼륨 및 페로시안화 칼륨과 반응하여 프러시안 블루를 형성한다.[50]

또 다른 오래된 유기철 화합물의 예로는 중성 철 원자가 5개의 일산화 탄소 분자의 탄소 원자에 결합된 펜타카보닐철, Fe(CO)5가 있다. 이 화합물은 고도로 반응성이 높은 형태의 금속 철인 카보닐 철 분말을 만드는 데 사용될 수 있다. 철 펜타카보닐의 열분해는 3개의 철 원자 클러스터가 핵심에 있는 복합체인 트라이철 도데카카보닐, Fe3(CO)12를 생성한다. 콜먼 시약, 테트라카보닐철산 이나트륨은 유기 화학에 유용한 시약이며, −2 산화 상태의 철을 포함한다. 사이클로펜타디에닐철 디카보닐 이량체는 희귀한 +1 산화 상태의 철을 포함한다.[61]

페로센의 구조식


이 분야의 획기적인 발견은 1951년 Pauson과 Kealy[62] 및 Miller와 동료들[63]에 의해 독립적으로 발견된 놀랍도록 안정한 샌드위치 화합물인 페로센 Fe(C5H5)2 이었다. 그 놀라운 분자 구조는 1년 후 우드워드와 윌킨슨[64] 및 피셔[65]에 의해 밝혀졌다. 페로센은 이 종류에서 여전히 가장 중요한 도구이자 모델 중 하나이다.

철 중심 유기금속 종은 촉매로 사용된다. 예를 들어, Knölker 복합체는 케톤에 대한 전이 수소화 반응 촉매이다.[66]

산업에서 가장 대규모로 생산되는 철 화합물은 황산 철(II)(FeSO4·7H2O)과 염화 철(III)(FeCl3)이다. 전자는 철(II)의 가장 쉽게 구할 수 있는 공급원 중 하나이지만, 모어 염 ((NH4)2Fe(SO4)2·6H2O)보다 공기 중 산화에 덜 안정하다. 철(II) 화합물은 공기 중에서 철(III) 화합물로 산화되는 경향이 있다.[50]

4. 역사

지구의 금속 핵과 유사한 조성을 가진 것으로 여겨지는 철 운석의 연마 및 화학적 에칭 조각으로, 철-니켈 합금의 개별 결정(비드만슈테텐 구조)을 보여준다.


철은 지구형 행성에 풍부하게 존재하는 원소인데, 이는 Ia 초신성 폭발 시 대량으로 생성되어 우주로 퍼져나가기 때문이다.[24][25] 지구 질량의 약 35%를 차지하는 내핵과 외핵은 주로 철과 니켈의 합금으로 이루어져 있을 것으로 추정된다. 특히 액체 상태인 외핵의 전류는 지구 자기장을 만드는 원인으로 여겨진다. 수성, 금성, 화성과 같은 다른 지구형 행성이나 달 역시 철을 주성분으로 하는 핵을 가지고 있을 것으로 생각된다. M형 소행성 또한 철-니켈 합금으로 이루어져 있을 가능성이 있다.

자연 상태의 순수한 철(자생 철)은 산소와 쉽게 반응하여 산화되기 때문에 지구 표면에서는 매우 드물게 발견된다. 지표면에서 볼 수 있는 자연 금속 철의 주된 형태는 드물게 발견되는 철 운석이다. 아주 드물게는 마그마가 탄소가 풍부한 퇴적암과 접촉하면서 산소가 부족한 환경이 만들어질 때 현무암 속에서 철 결정이 형성되기도 하는데, 이를 텔루르 철이라고 부르며 그린란드 서부의 디스코 섬, 러시아 사하 공화국, 독일 뷜 등 일부 지역에서 발견된다.[28]

고대부터 인류는 철을 사용해왔지만, 철 제련 기술의 발전과 철기 시대의 도래는 인류 문명에 큰 전환점을 가져왔다.

1774년, 앙투안 라부아지에는 뜨겁게 달군 철관 안에서 금속 철과 수증기를 반응시켜 수소를 얻는 실험을 통해 질량 보존의 법칙을 증명했다. 이는 화학이 정성적인 학문에서 정량적인 학문으로 발전하는 데 중요한 계기가 되었다.[91]

철은 석기 시대, 청동기 시대를 거쳐 철기 시대를 열며 인류 문명의 기초를 다진 중요한 재료이다. 오늘날에도 철은 우리 주변에서 가장 흔하고 중요한 금속 원소 중 하나이며, 특히 산업 혁명 이후 그 중요성은 더욱 커졌다. 저렴하고 구하기 쉬우며 가공이 비교적 용이하여 인류에게 가장 유용한 금속으로 평가받는다. 산업 혁명 이후 철은 산업의 핵심 소재로 자리 잡았으며, "산업의 쌀" 또는 "'''철은 국가다'''"라고 불릴 정도로 철강 생산량은 국력의 중요한 지표가 되었다. 이러한 중요성 때문에 철강 산업은 각국 정부의 적극적인 지원을 받았고, 제2차 세계 대전 이후 세계 경제 발전에 큰 영향을 미쳤다. 현재 공업적으로 생산되는 금속의 대부분은 철을 기반으로 한 철강이며, 철을 포함하지 않는 금속은 비철금속으로 분류된다.

철에 탄소를 비롯한 여러 원소를 첨가하면 다양한 성질을 가진 강이 된다. 탄소 함량이나 열처리 방식에 따라 경도 등을 조절할 수 있어 활용도가 매우 높다. 강은 예로부터 칼과 같은 도구의 재료로 사용되었으며, 현대에는 대부분의 기계 제작에 핵심 소재로 쓰인다. 또한 철도의 레일, 건축물이나 토목 구조물의 철근, 철골, 강널말뚝 등 구조용 부재로 대량 소비되고 있다.

철에 크롬, 니켈 등을 첨가하여 만드는 스테인리스강과 같은 합금강은 부식에 강하고 강도가 높으며 외관이 미려하여 널리 사용된다. 스테인리스강은 액체나 기체를 운반하는 파이프, 저장 탱크나 캔, 싱크대, 건축 자재뿐만 아니라 냄비, 칼 등의 생활용품, 가전제품, 철도 차량, 자동차 부품, 산업 로봇 등 다양한 분야에 활용된다.

공구강은 단단하면서도 높은 굽힘 강도를 가져 금형 제작에 많이 사용되며, 인바는 금속 재료 중 열팽창 계수가 가장 낮고, 네오디뮴 자석과 같은 강력한 자성 재료도 철을 포함하는 합금이다. 철 화합물은 잉크나 물감의 안료로도 사용되어, 붉은색 안료인 벤가라나 푸른색 안료인 프러시안 블루 등이 있다.

철은 강한 자성을 띠기 때문에 폐기물 속에서 쉽게 분리하여 회수할 수 있어 재활용률이 높다. 고철로 회수된 철은 전기로에서 다시 녹여 철강 제품으로 재생산된다.

4. 1. 철 제련 기술의 발전

그린란드에서 발견된 철제 작살촉. 이 철제 날은 케이프 요크 운석에서 나온 운석 철로 만들어진 일각고래의 엄니 작살을 덮고 있다. 케이프 요크 운석은 가장 큰 철 운석 중 하나로 알려져 있다.


철은 고대부터 알려진 원소 중 하나로 수천 년 동안 가공되어 왔으나, 부식되기 쉬워 금이나 은 유물보다 희귀하다. 철 제련 기술은 천천히 발전했으며, 제련법 발견 이후에도 철이 도구와 무기의 주재료로 청동을 대체하기까지는 오랜 시간이 걸렸다.

가장 초기에 사용된 철은 운석에서 얻은 운석 철이었다. 기원전 3500년경 이집트 게르제 문화 유적에서 니켈 함량이 7.5%인 철 구슬이 발견되었는데, 이는 운석 철의 특징이다. 지구 지각의 철에는 니켈 불순물이 거의 없기 때문이다. 운석 철은 하늘에서 온 것으로 여겨져 신성시되었으며, 무기나 도구를 만드는 데 사용되었다. 투탕카멘의 무덤에서 발견된 단검 역시 운석 철로 만들어졌으며, 고대 유성우에서 떨어진 운석과 유사한 성분 비율을 가지고 있었다.[67][68][69] 이집트에서는 기원전 3000년에서 2500년 사이에 철로 물건을 만들었을 가능성이 있다. 운석 철은 비교적 무르고 연성이 있어 냉간 단조가 쉬웠지만, 니켈 함량 때문에 가열하면 부서지기 쉬웠다.[70]

기둥, 약간 홈이 파여 있고 상단에 약간의 장식이 있다. 검은색이며 바닥 근처에서 약간 닳아 어두운 갈색을 띤다. 높이는 약 이다. 돌로 된 솟은 원형 받침대 위에 서 있으며 짧고 정사각형의 울타리로 둘러싸여 있다.
델리 철기둥은 초기 인도의 철 추출 및 가공 방법의 한 예이다.


최초의 철 생산, 즉 광석에서 철을 제련하는 것은 청동기 시대 중기에 시작되었다. 제련된 철 유물은 메소포타미아의 아스마르와 시리아 북부 탈 차가르 바자르에서 기원전 3000년에서 2700년 사이에 만들어진 것이 발견되었다. 히타이트는 기원전 1600년경 북중앙 아나톨리아에 제국을 세웠으며, 철광석에서 철을 생산하는 방법을 최초로 이해하고 이를 중요하게 여긴 것으로 보인다.[71] 히타이트는 기원전 1500년에서 1200년 사이에 철 제련을 시작했고, 기원전 1180년 제국 멸망 후 이 기술은 근동 전역으로 퍼져나갔다. 이 시기 이후를 철기 시대라고 부른다.

제련된 철 유물은 인도에서는 기원전 1800년에서 1200년 사이에,[72] 레반트에서는 기원전 1500년경부터 발견된다.[73][74] 인도 베다 문헌 중 리그베다의 '아야스'(금속)는 구리를 의미하지만, 리그베다 이후의 아타르바베다에는 '검은 구리'를 뜻하는 śyāma ayassa, 즉 철이 처음 언급된다.[75] 일부 고고학적 증거에 따르면, 철은 기원전 8세기 초 짐바브웨와 동남 아프리카에서도 제련되었다.[76] 철기 제작 기술은 기원전 11세기 말 고대 그리스에 도입되어 유럽 전역으로 빠르게 확산되었다.[77] 중앙 및 서유럽에서의 철기 제작 확산은 켈트족의 팽창과 관련이 있다. 대 플리니우스에 따르면, 고대 로마 시대에는 철 사용이 일반적이었다.

고대 그리스의 철 낫


현재의 중국 지역에서는 기원전 700~500년경 철이 나타난다.[78] 철 제련 기술은 중앙아시아를 통해 중국에 도입되었을 수 있다.[79] 중국에서 고로 사용의 가장 초기 증거는 서기 1세기에 나타나며,[80] 용선로(컵열로)는 전국 시대 (기원전 403~221년)부터 사용되었다.[81] 고로와 용선로의 사용은 당나라와 송나라 시대에 널리 퍼졌다.[82]

주철은 기원전 5세기 중국에서 처음 생산되었지만,[84] 유럽에서는 중세 시대까지 거의 사용되지 않았다.[85][86] 가장 오래된 주철 유물은 현재 중국 장쑤성 루허현에서 발견되었다. 주철은 고대 중국에서 전쟁, 농업, 건축 등에 사용되었다.[87] 중세 시대 유럽에서는 정련로를 사용하여 선철(피그 아이언)에서 단철을 생산하는 방법이 개발되었다. 이 과정들에는 연료로 목탄이 필요했다. 중세의 고로는 약 약 3.05m 높이였고 내화 벽돌로 만들어졌으며, 수동식 풀무로 공기를 불어넣었다.[86]

''밤의 코울브룩데일'', 1801. 용광로가 철을 만드는 코울브룩데일 마을을 밝히고 있다.


영국의 산업 혁명 기간 동안 철 생산 기술은 크게 발전했다. 1709년 에이브러햄 다비 1세는 고로에서 목탄 대신 코크스를 사용하여 주철을 생산하는 데 성공했다. 저렴한 철의 대량 생산은 산업 혁명의 중요한 요인이 되었다. 1783년 헨리 코트는 선철을 연철(막대 철)로 정제하는 퍼들링 공법의 특허를 받았다. 이 공법은 조셉 홀 등에 의해 더욱 개선되었다.[83] 18세기 말에는 주철이 더 저렴해지면서 특정 용도에서 단철을 대체하기 시작했다. 철의 탄소 함량이 단철, 주철, 강철의 특성 차이를 만든다는 사실은 18세기까지 밝혀지지 않았다.

철이 저렴하고 풍부해지면서 1778년 혁신적인 철교가 건설된 이후 주요 구조 재료가 되었다. 이 다리는 오늘날에도 산업 혁명에서 철의 역할을 상징하는 기념물로 남아 있다. 이후 철은 철도 레일, 보트, 선박, 수로, 건물뿐만 아니라 증기 기관의 실린더 등에도 널리 사용되었다. 철도는 근대성과 진보의 상징이 되었으며, 여러 언어에서 철도를 '철의 길'(예: 프랑스어 chemin de fer프랑스어, 독일어 Eisenbahnde, 터키어 demiryolutr, 러시아어 железная дорогаru, 중국어, 일본어, 한국어 鐵道, 베트남어 đường sắtvi)이라고 부른다.[88]

강철(선철보다 탄소 함량이 적고 연철보다 많음)은 고대부터 블룸 공법을 사용하여 생산되었다. 서부 페르시아 루리스탄의 대장장이는 기원전 1000년경 양질의 강철을 만들었다. 이후 인도에서 우츠 강철이, 다마스쿠스 강철은 각각 기원전 300년경과 서기 500년경에 개발되었다. 그러나 이러한 방법들은 특수하여 강철은 1850년대까지 대량 생산되지 못했다.[89] 17세기에 시멘테이션 공법으로 철봉을 탄소 침투시켜 강철을 만드는 새로운 방법이 고안되었다. 산업 혁명 시대에는 숯 없이 철봉을 생산하는 방법이 개발되었고, 이는 강철 생산에도 적용되었다. 1850년대 후반, 헨리 베세머는 용융된 선철에 공기를 불어넣어 연강을 생산하는 베세머 공법을 발명했다. 이로 인해 강철 생산 비용이 크게 절감되었고, 연철은 점차 대량 생산되지 않게 되었다.[90] 현대의 고로는 지름 14m에 달하며 하루 수천 톤의 철을 생산할 수 있지만, 기본적인 원리는 중세 시대와 크게 다르지 않다.

4. 2. 상징적 역할

– "나는 금을 주고 철을 받았다." - 독일계 미국인의 제1차 세계 대전 브로치.


철은 신화에서 특정한 역할을 하며, 은유로서, 그리고 민간 전승에서 다양한 의미로 사용되었다. 고대 그리스의 시인 헤시오도스는 그의 저서 《일과 날》에서 금, 은, 청동, 철과 같은 금속의 이름을 따 인류의 시대를 구분했는데, 철기 시대는 인류 역사의 마지막 단계를 상징했다.[92] 로마 시인 오비디우스 역시 《변신 이야기》에서 철기 시대를 인간의 타락이 극에 달한 시기로 묘사했다.

미덕은 절망하여 땅을 떠나고, 인간의 타락은 보편적이고 완전해진다. 그 다음에는 단단한 강철이 뒤를 이었다.
'''– 오비디우스, 변신 이야기, 제1권, 철기 시대, 160행 이후'''


철의 상징적 중요성은 근대 역사에서도 나타난다. 1813년 독일 전역 당시 프로이센의 프리드리히 빌헬름 3세는 군사 훈장으로 철십자 훈장을 처음 제정했다. 또한 1813년에서 1815년 사이 베를린 철제 장신구가 유행했는데, 이는 프로이센 왕가가 시민들에게 전쟁 자금 마련을 위해 금과 은 장신구를 기증하도록 독려하면서 시작되었다. "Ich gab Gold für Eisende" (나는 금을 주고 철을 받았다)이라는 문구는 이러한 시대상을 반영하며 이후의 전쟁에서도 사용되었다.[93]

일본의 금속학자 혼다 고타로는 한자 '鐵'이 '금(金)', '왕(王)', '재(哉)'로 나뉠 수 있다는 점에 착안하여 "철(鐵)은 금(金)의 왕(王)이로다"라고 평하기도 했다. 한편, 일본에서는 '철(鉄)'이라는 글자가 "금을 잃는다(金を失う)"는 의미로 해석될 수 있어 재수가 없다고 여겨지기도 한다. 이 때문에 일부 제철 회사나 철도 사업자들은 회사 이름이나 로고에 '鉄' 대신 구자체인 '鐵'을 사용하거나, '失'에서 점획을 뺀 '鉃'과 유사한 형태의 글자를 사용하기도 한다.

5. 제법

철 분말


철을 만드는 방법은 생산 규모와 목적에 따라 다양하다. 일반적으로 대량 생산을 위한 산업적 제법과 연구 등 소규모 필요에 따른 실험실 제법으로 나눌 수 있다.

산업적으로는 주로 고로를 이용하여 철광석을 코크스와 함께 가열하여 선철을 얻는 방식이 사용된다. 이 선철은 탄소 함량이 높아 그대로 사용하기보다는 강철이나 주철 등으로 추가 가공하여 사용된다. 하지만 전통적인 고로 방식은 이산화 탄소 배출량이 많아 환경 문제를 야기하며, 이를 해결하기 위해 직접 환원철(DRI) 생산과 같은 대체 제법에 대한 연구와 적용이 이루어지고 있다.

실험실에서는 소량의 순수한 철을 얻기 위해 산화물이나 수산화물 형태의 철 화합물을 수소 기체로 환원시키거나, 펜타카보닐철과 같은 특정 화합물을 열분해하는 방법, 또는 염화제일철 용액을 전기 분해하는 방법 등이 사용된다.[94]

5. 1. 산업적 제법



오늘날, 철 또는 강철의 산업 생산은 두 가지 주요 단계로 구성된다. 첫 번째 단계에서는 철광석을 환원시켜 코크스와 고로를 사용하여 용융 금속을 규산염 광물과 같은 조대 불순물로부터 분리한다. 이 단계는 비교적 많은 양의 탄소를 함유하는 합금인 선철을 생성한다. 두 번째 단계에서는 선철의 탄소량을 산화시켜 연철, 강철 또는 주철을 얻는다. 이 단계에서 다른 금속을 첨가하여 합금강을 형성할 수 있다.

2009년 철 생산량 (백만 톤)[95]
국가철광석선철직접 철강철
중국1,114.9549.4573.6
호주393.94.45.2
브라질305.025.10.01126.5
일본66.987.5
인도257.438.223.463.5
러시아92.143.94.760.0
우크라이나65.825.729.9
대한민국0.127.348.6
독일0.420.10.3832.7
세계1,594.9914.064.51,232.4



=== 고로 ===

고로는 일반적으로 적철석 (Fe2O3) 또는 자철석 (Fe3O4)과 같은 철광석과 코크스(휘발성 성분을 제거하기 위해 별도로 구운 석탄) 및 플럭스(석회석 또는 백운석)를 함께 장입한다. 900°C로 예열된 공기 "송풍"(때로는 산소 농축과 함께)이 혼합물을 통해 불어넣어져 탄소를 일산화 탄소로 충분히 전환시킨다.

: 2 C + O2 → 2 CO

이 반응은 온도를 약 2000°C까지 올린다. 일산화 탄소는 철광석을 금속 철로 환원시킨다.

: Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO2

로의 고온 하부 영역에 있는 일부 철은 코크스와 직접 반응한다.

: 2 Fe2O3 + 3 C → 4 Fe + 3 CO2

플럭스는 광석 내의 규산질 광물을 제거하는데, 그렇지 않으면 로가 막힐 수 있다. 로의 열은 탄산염을 산화 칼슘으로 분해하고, 이는 과도한 이산화 규소와 반응하여 슬래그를 형성하며, 이는 규산 칼슘 (CaSiO3) 또는 기타 생성물로 구성된다. 로의 온도에서 금속과 슬래그는 모두 용융 상태이다. 이들은 두 개의 혼합되지 않는 액체 층(슬래그가 위에 있음)으로 바닥에 모여서 쉽게 분리된다. 슬래그는 도로 건설에 사용되거나 농업을 위한 광물 부족 토양을 개선하는 데 사용할 수 있다.[86]

따라서 제강은 여전히 세계에서 CO2 배출의 가장 큰 산업 기여 요인 중 하나로 남아 있다.[96]

19세기에 철을 추출하는 방법


=== 강철 제조 ===

고로 공정으로 생산된 선철은 최대 4~5%의 탄소(질량 기준)를 함유하며, 황, 마그네슘, 인, 망간과 같은 소량의 다른 불순물을 포함한다. 이 높은 수준의 탄소는 선철을 비교적 약하고 깨지기 쉽게 만든다. 탄소량을 0.002~2.1%로 줄이면 강철이 생성되며, 순수한 철보다 최대 1000배 더 단단할 수 있다. 다양한 강철 제품은 냉간 가공, 열간 압연, 단조, 기계 가공 등을 통해 제작될 수 있다. 선철에서 불순물을 제거하고 탄소를 2~4% 남기면 주철이 생성되며, 이는 주조 공장에서 스토브, 파이프, 라디에이터, 가로등 기둥, 레일과 같은 제품으로 주조된다.

강철 제품은 모양을 만들기 위해 단조된 후 종종 다양한 열처리를 거친다. 풀림은 강철을 700°C~800°C로 여러 시간 가열한 다음 점진적으로 냉각하는 과정으로 구성된다. 이는 강철을 더 부드럽고 가공하기 쉽게 만든다.[98]

=== 대체 제법 ===

환경 문제로 인해 철을 처리하는 대체 방법이 개발되었다. "직접 환원철"(DRI)은 철광석을 "스펀지"철 또는 "직접" 철이라고 불리는 철 덩어리로 환원시켜 제강에 적합하게 만든다.[86] 직접 환원 공정은 두 가지 주요 반응으로 구성된다.

천연 가스는 부분적으로 산화된다(열과 촉매 사용):[86]

: 2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

그런 다음 철광석을 이러한 가스로 용광로에서 처리하여 고체 스펀지철을 생성한다:[86]

: Fe2O3 + CO + 2 H2 → 2 Fe + CO2 + 2 H2O

실리카는 위에 설명된 대로 석회석 플럭스를 첨가하여 제거한다.[86]

알루미늄 분말과 산화철 혼합물의 점화는 테르밋 반응을 통해 금속 철을 생성한다.

: Fe2O3 + 2 Al → 2 Fe + Al2O3

선철을 강철(탄소 약 2%까지) 또는 단철(상업적으로 순수한 철)로 만들기 위해 다양한 공정이 사용되었으며, 여기에는 정련로, 퍼들링 용광로, 베세머 용광로, 평로, 염기성 산소 용광로, 전기로 등이 있다. 모든 경우의 목표는 일부 또는 전체 탄소를 다른 불순물과 함께 산화시키는 것이다. 반면에 합금강을 만들기 위해 다른 금속을 첨가할 수도 있다.

용융 산화물 전해(MOE)는 용융 산화철의 전해를 사용하여 금속 철을 생산한다. 이는 실험실 규모의 실험에서 연구되었으며, 직접적인 이산화탄소 배출이 없는 산업적 철 생산 방법으로 제안되었다. 액체 철 음극, 크롬, 알루미늄 및 철 합금으로 형성된 양극,[99] 및 전해질은 철광석이 용해된 용융 금속 산화물의 혼합물을 사용한다. 전류는 전해질을 용융 상태로 유지하고 산화철을 환원시킨다. 액체 철 외에 산소 가스가 생성된다. 유일한 이산화탄소 배출은 금속을 가열하고 환원하는 데 사용되는 화석 연료로 생성된 전력에서 발생한다.[100][101][102]

5. 2. 실험실 제법

소량의 순수한 철이 필요할 경우, 실험실에서는 순수한 산화물 또는 수산화물을 수소로 환원시키는 방법을 사용한다. 또는 펜타카보닐철을 생성하여 250°C로 가열하면 순수한 철 분말을 얻을 수 있다. 또 다른 방법으로는 염화제일철(FeCl2)을 철 음극으로 전기 분해하는 방법이 있다.[94]

6. 응용

철은 저렴하고 독성이 없기 때문에, 철을 기반으로 한 촉매와 시약 개발에 많은 노력이 이루어지고 있다. 하지만 상업적인 공정에서는 철보다 가격이 더 비싼 다른 금속들이 촉매로 더 흔하게 사용되기도 한다.[115] 생물학 분야에서는 철을 함유한 효소가 널리 퍼져 있다.[116]

철 촉매는 전통적으로 암모니아 생산을 위한 하버-보슈 공정과, 일산화 탄소를 연료 및 윤활유용 탄화수소로 전환하는 피셔-트롭쉬 공정에 사용된다.[117] 또한, 산성 환경에서 분말 형태의 철은 니트로벤젠을 아닐린으로 바꾸는 베샹 환원 반응에 사용된다.[118]

6. 1. 구조 재료

여러 형태의 철의 인장 강도 (TS) 및 브리넬 경도 (BH) 특성 값.[103][104]
재료TS
(MPa)		BH
(브리넬)
철 휘스커11000
오스템퍼링(경화)
강		2930850–1200
마르텐사이트계 강2070600
베이나이트계 강1380400
펄라이트계 강1200350
냉간 가공 철690200
소립 철340100
탄소 함유 철14040
순수 단결정 철103



철은 전 세계 금속 생산량의 90% 이상을 차지하며, 모든 금속 중에서 가장 널리 사용된다. 저렴한 비용과 높은 강도 덕분에 기계 및 공작 기계, 철도, 자동차, 선체, 철근, 건물의 하중 지지 구조 등 응력을 견디거나 힘을 전달하는 데 가장 적합한 재료이다. 순수한 철은 상당히 무르기 때문에, 일반적으로 합금 원소와 결합하여 강을 만든다.

철과 그 합금의 기계적 성질은 구조 재료로서 매우 중요하다. 이러한 성질은 브리넬 시험, 로크웰 시험 및 비커스 경도 시험을 포함한 다양한 방법으로 평가할 수 있다. 순수 철의 성질은 종종 측정값을 보정하거나 다른 시험 결과와 비교하는 기준으로 사용된다.[104][105] 그러나 철의 기계적 성질은 시료의 순도에 크게 영향을 받는다. 순수한 철 단결정은 실제로 알루미늄보다 부드럽고,[103] 가장 순수한 산업적으로 생산된 철(99.99%)은 경도가 20–30 브리넬이다.[106] 특히 전해철이라고 불리는 순수 철(99.9%~99.999%)은 전해 정련 공정으로 산업적으로 생산된다.

탄소 함량의 증가는 철의 경도와 인장 강도를 크게 증가시킨다. 65 Rc의 최대 경도는 탄소 함량이 0.6%일 때 달성되지만, 합금의 인장 강도는 낮다.[107] 철은 부드럽기 때문에, 더 무거운 동족체인 루테늄 및 오스뮴보다 가공하기가 훨씬 쉽다.

철은 도구 제작에 사용되면서 석기 시대, 청동기 시대를 거쳐 철기 시대를 열었고, 이는 인류 문명 발전의 중요한 토대가 되었다. 철은 오늘날에도 가장 중요하고 흔하게 사용되는 금속 원소 중 하나이며, 특히 산업 혁명 이후 그 중요성이 더욱 커졌다. 다양한 기구, 공구 및 구조물에 사용된다. 탄소와 같은 합금 원소를 첨가하면 더 단단한 강이 되는데, 이는 구조용 강이나 공구강처럼 우수한 트라이볼로지 특성을 가진 재료로 활용된다.

철은 저렴하고 비교적 가공하기 쉬우며 구하기 쉽기 때문에 인류에게 가장 유용한 금속 원소 중 하나이다. 특히 산업 혁명 이후 철은 산업의 핵심 재료가 되었고, "산업의 쌀" 또는 "'''철은 국가다'''"라는 말이 나올 정도로 철강 생산량은 국력의 중요한 지표로 여겨졌다. 이러한 중요성 때문에 많은 국가에서 철강 산업을 적극적으로 지원했으며, 이는 제2차 세계 대전 이후 세계 경제 발전에 큰 영향을 미쳤다. 현재 공업적으로 생산되는 금속의 대부분은 철강이며, 철을 포함하지 않는 금속은 통틀어 비철금속이라고 부른다.

철은 탄소를 비롯한 여러 합금 원소를 첨가하여 강으로 만들 수 있으며, 탄소 함량이나 열처리 방식을 조절하여 경도를 다양하게 변화시킬 수 있어 활용도가 매우 높은 소재이다. 강은 예로부터 칼과 같은 도구의 소재로 사용되었으며, 현대의 많은 기계 역시 철강을 주요 소재로 사용한다. 또한 철강은 철도 레일뿐만 아니라 철근, 철골, 강널말뚝 등 건축물이나 토목 구조물의 핵심 부재로 사용되어 대량으로 소비된다.

철에 탄소와 다양한 미량 원소를 첨가하면 우수한 특성을 지닌 여러 종류의 합금강을 만들 수 있다. 크롬과 니켈을 첨가한 스테인리스강은 부식에 강하고 강도가 높으며 외관이 미려하고 비교적 저렴하여 널리 사용되는 대표적인 합금강이다. 스테인리스강은 액체나 기체를 운반하는 파이프, 액체나 분말을 저장하는 탱크나 캔, 싱크대, 건축 자재뿐만 아니라, 냄비, 칼과 같은 생활용품, 가전제품, 철도 차량, 자동차 부품, 산업용 로봇 등 다양한 분야에서 활용된다.

공구강은 높은 강도와 굽힘 강도를 가지며, 특히 초경합금에 비해 굽힘 강도가 우수하여 변형이 적어야 하고 복잡한 형상 가공이 필요한 금형 제작에 널리 사용된다. 금속 재료 중 열팽창 계수가 가장 낮은 인바나 강력한 보자력을 가진 네오디뮴 자석 등도 철을 포함하는 합금이다. 그 외에도 철 화합물은 잉크나 물감의 안료로 사용되는데, 예를 들어 적색 안료인 벵갈라(적색 산화철)나 청색 안료인 프러시안 블루 등이 있다.

철은 강한 자성을 띠므로 불연성 폐기물 중에서 쉽게 분리하여 회수할 수 있어 재활용률이 높다. 고철 형태로 회수된 철은 전기로에서 용해되어 다시 철강 제품으로 재생산된다.

6. 2. 합금

철-탄소 상태도


철은 강도, 경도가 높고 전기전도도 또한 우수하며 가공하기 쉬워 널리 사용된다. 특히 제련 시 탄소 첨가량에 따라 성질을 조절할 수 있어 유용하다. 철은 주로 다른 금속이나 비금속, 특히 탄소와 합금하여 강철을 만드는 데 사용된다.[240] 강철은 선철보다 탄소 함량이 적지만 단철보다는 많다. 고대부터 블룸 공법으로 강철을 생산했으며, 서부 페르시아 루리스탄의 대장장이는 기원전 1000년경에 양질의 강철을 만들었다고 알려져 있다. 이후 인도에서 우츠 강철 (기원전 300년경), 다마스쿠스 강철 (서기 500년경) 등이 개발되었으나, 특수한 제조법 때문에 1850년대까지 강철은 주요 상품이 되지 못했다.[89] 17세기에는 시멘테이션 공법으로 철봉에 탄소를 침투시키는 새로운 방법이 고안되었고, 산업 혁명 시대에는 숯 없이 철봉을 생산하는 방법이 개발되어 강철 생산에 적용되었다. 1850년대 후반 헨리 베세머가 용융 선철에 공기를 불어넣어 연강을 생산하는 새로운 제강 공법을 발명하면서 강철 생산이 훨씬 경제적이 되었고, 이로 인해 연철은 대량 생산되지 않게 되었다.[90]

철의 동소체 중 α-철(페라이트)은 상당히 무른 금속으로, 소량의 탄소(910°C에서 질량 기준 0.021% 이하)만 용해할 수 있다.[108] 반면 오스테나이트 (γ-철)는 비슷하게 무르고 금속성을 띠지만, 훨씬 많은 탄소(1146°C에서 질량 기준 2.04%까지)를 용해할 수 있다. 이 형태의 철은 식기류, 병원 및 식품 서비스 장비를 만드는 데 사용되는 스테인리스강의 주요 구성 성분이다.[12]

상업적으로 유통되는 철은 순도와 첨가물의 양에 따라 다음과 같이 분류된다.

  • 선철: 3.5–4.5%의 탄소를 함유하며[109], 황, 규소, 인과 같은 다양한 양의 불순물을 포함한다. 선철은 판매 가능한 제품이 아니라 주철과 강철 생산의 중간 단계이다.
  • 주철: 선철에서 황, 인과 같이 재료 특성에 부정적인 영향을 미치는 불순물을 줄여 만든다. 탄소 2–4%, 규소 1–6% 및 소량의 망가니즈를 함유한다. 융점은 1,420,000–1,470,000 범위로, 순수 철이나 탄소보다 낮다. 기계적 특성은 합금 내 탄소의 형태에 따라 크게 달라진다.
  • 백색 주철: 탄소가 시멘타이트 (Fe3C) 형태로 존재한다. 이 단단하고 깨지기 쉬운 화합물 때문에 백색 주철은 단단하지만 충격에 약하다. 파단면은 부서진 탄화철의 미세한 면으로 인해 매우 옅고 은색으로 반짝인다.
  • 펄라이트: 0.8% 탄소의 철 혼합물을 723°C 이하에서 실온까지 천천히 냉각하면 시멘타이트와 α-철이 번갈아 나타나는 층상 구조가 형성된다. 이 구조는 부드럽고 가단성이 있으며 진주와 비슷한 광택 때문에 펄라이트라고 불린다.
  • 마르텐사이트: 급속 냉각 시에는 층상 구조가 형성될 시간이 없어 단단하고 깨지기 쉬운 마르텐사이트가 생성된다. 이후 강철을 중간 온도로 재가열하는 템퍼링 과정을 통해 펄라이트와 마르텐사이트의 비율을 조절하여 원하는 기계적 성질을 얻을 수 있다. 최종 제품은 탄소 함량 0.8% 미만에서는 펄라이트-αFe 혼합물, 0.8% 이상에서는 펄라이트-시멘타이트 혼합물이다.
  • 회주철: 탄소가 흑연의 미세한 조각 형태로 존재한다. 날카로운 흑연 조각이 응력 집중 지점으로 작용하여 재료를 깨지기 쉽게 만든다.[110]
  • 연성 주철: 회주철에 미량의 마그네슘을 첨가하여 흑연의 모양을 구형 또는 결절 형태로 바꾼 것이다. 응력 집중을 줄여 재료의 인성과 강도를 크게 향상시킨다.[110]
  • 단철: 0.25% 미만의 탄소를 함유하지만, 섬유질 특성을 부여하는 다량의 슬래그를 포함한다.[109] 강철보다 내식성이 뛰어나지만, 저렴하고 널리 사용되는 연강으로 거의 완전히 대체되었다.
  • 탄소강: 2.0% 이하의 탄소[111]와 소량의 망가니즈, 황, 인, 규소를 함유한다.
  • 합금강: 다양한 양의 탄소와 함께 크롬, 바나듐, 몰리브덴, 니켈, 텅스텐 등 다른 금속을 함유한다. 합금 원소 첨가로 비용이 상승하므로 일반적으로 특수한 용도로 사용된다.
  • 스테인리스강: 가장 흔한 합금강 중 하나이다. 부식에 강하고 강도가 높으며 외관이 아름답고 비교적 저렴하여 액체나 기체를 통과시키는 파이프, 액체나 분체를 저장하는 탱크나 캔, 싱크대, 건축 자재, 냄비, 칼 등의 생활용품, 가전제품, 철도 차량, 자동차 부품, 산업 로봇 등 거의 모든 분야에서 널리 이용된다.
  • HSLA강 (고강도 저합금강): 최근 철강 야금학의 발전으로 개발된 강종으로, 미량의 합금 원소를 첨가하여 최소한의 비용으로 높은 강도와 우수한 인성을 얻는다.[111][112][113]
  • 고순도 합금: 전해철 합금과 같이 원소 구성 순도가 높은 합금은 연성, 인장 강도, 인성, 피로 강도, 내열성 및 내식성 등 특정 특성이 특별히 향상된다.


철은 석기 시대, 청동기 시대에 이어 철기 시대를 열며 인류 문명의 기초를 다진 중요한 재료이다. 저렴하고 구하기 쉬우며 가공이 비교적 용이하여 오늘날에도 가장 중요하고 흔하게 사용되는 금속 원소 중 하나이다. 특히 산업 혁명 이후 그 중요성이 더욱 커져 "산업의 쌀" 또는 "'''철은 국가다'''"라고 불릴 정도로 철강 생산량은 국력의 지표가 되었다. 이 때문에 철강 산업은 정부의 지원을 많이 받았고, 제2차 세계 대전 이후 세계 경제 발전에 큰 영향을 미쳤다. 현재 공업적으로 생산되는 금속의 대부분은 철강이며, 철을 포함하지 않는 금속은 비철금속으로 분류된다.

철에 탄소를 비롯한 합금 원소를 첨가하여 만든 강은 탄소량이나 열처리 등을 통해 경도를 조절할 수 있어 매우 활용도가 높은 소재이다. 강은 예로부터 칼의 소재로 사용되었으며, 대부분의 기계는 철강을 주요 소재로 한다. 또한 철강은 철도 레일의 소재가 되며, 철근, 철골, 강널말뚝 등으로 건축물이나 토목 구조물의 구조용 부재로 대량 소비된다.

철에 탄소와 다양한 미량 금속을 첨가하여 다양한 특성을 가진 합금강을 만들 수 있다. 공구강은 고체 재료 중 강도 증폭 능력이 뛰어나고 초경합금보다 굽힘 강도가 높아, 불변형 특성이 중요하고 가공 형상의 자유도가 요구되는 금형에 많이 사용된다. 금속 재료 중 열팽창 계수가 가장 낮은 인바나, 가장 강력한 보자력을 가진 자성 재료(네오디뮴 자석)도 철을 함유한 합금이다. 그 외에도 철 화합물은 잉크나 물감 등의 안료로 사용되는데, 적색 안료인 벤가라나 청색 안료인 프러시안 블루 등이 대표적이다. 전통적인 용도 외에도 철은 전리 방사선으로부터 보호하는 데 사용되기도 한다. 다른 전통적인 보호 재료인 납보다 가볍지만 기계적으로 훨씬 강하다.[114]

철과 강철의 주요 단점은 순수한 철과 대부분의 합금이 보호되지 않으면 심각하게 녹이 슨다는 점이다. 이로 인한 비용은 세계 경제의 1% 이상에 달하는 것으로 추정된다. 녹을 방지하기 위해 페인트칠, 용융 아연 도금, 부동태화, 플라스틱 코팅, 청열처리 등의 방법이 사용된다. 이는 물과 산소를 차단하거나 음극 방호를 통해 철을 보호하는 원리이다. 철의 녹 발생 메커니즘은 다음과 같다.

:음극: 3 O2 + 6 H2O + 12 e− → 12 OH−

:양극: 4 Fe → 4 Fe2+ + 8 e−; 4 Fe2+ → 4 Fe3+ + 4 e−

:전체: 4 Fe + 3 O2 + 6 H2O → 4 Fe3+ + 12 OH− → 4 Fe(OH)3 또는 4 FeO(OH) + 4 H2O

녹 형성을 촉진하는 전해질은 도시 지역에서는 대기 중 이산화황이 철과 반응하여 생성되는 황산 철(II)이고, 해안 지역에서는 대기 중의 염 입자이다.

철은 강한 자성을 가지고 있어 불연성 폐기물로부터 쉽게 회수할 수 있으며, 재활용률도 높다. 고철로 회수된 철은 전기로에서 다시 철강 제품으로 재생산된다.

6. 3. 기타

루시용의 황토길. 황토는 철 산화물을 포함하여 붉은색을 띤다.


황토처럼 미세하게 빻은 산화 철(III)이나 수산화 산화 철(III)을 포함한 흙은 선사 시대부터 노란색, 붉은색, 갈색 안료로 사용되었다.[40] 화성 표면의 특징적인 붉은색 역시 산화 철이 풍부한 레골리스에서 비롯된 것이다.[43]

철은 강한 자성을 띠므로 다른 물질과 쉽게 분리하여 회수할 수 있어 재활용률이 높다. 고철로 회수된 철은 전기로에서 녹여 다시 철강 제품으로 만들어진다.

다른 많은 금속과 달리 철은 수은과 아말감을 형성하지 않는다. 이러한 특성 때문에 수은은 보통 철로 만든 표준 용기(76파운드, 약 34kg)에 담아 거래한다.[53]

국제 자원 패널의 사회 내 금속 재고 보고서에 따르면, 사회에서 사용되는 철의 전 세계 재고는 1인당 2,200kg이다. 선진국은 1인당 7,000–14,000 kg, 개발도상국은 1인당 2,000kg으로 차이가 있다.[46]

해양 과학 연구를 통해 고대 바다에서 철이 해양 생물과 기후에 미친 역할이 밝혀지고 있다.[47]

7. 생체 내 역할

생명체에는 철이 필수적이다.[3][122][123] 철-황 클러스터는 널리 퍼져 있으며, 생물학적 질소 고정을 담당하는 효소인 질소 고정 효소에도 포함되어 있다. 철을 함유한 단백질은 주로 산소의 수송, 저장 및 사용에 관여하며,[3] 전자 전달 과정에서도 중요한 역할을 한다.

헴 B의 단순화된 구조; 단백질에는 추가적인 리간드가 Fe에 부착되어 있다.


고등 생물에서 발견되는 대표적인 철 함유 단백질로는 헤모글로빈, 미오글로빈, 시토크롬(고가 철 참조), 카탈라아제 등이 있다.[3][124] 평균적인 성인 인체에는 약 4g의 철이 있으며, 이 중 약 4분의 3이 헤모글로빈에 존재한다. 인체는 헤모글로빈을 재활용하여 철 함량을 일정하게 유지한다.[125]

가장 잘 알려진 생물학적 철 분자는 헴 단백질이다. 헤모글로빈은 적혈구에 존재하며 폐에서 근육으로 산소를 운반하는 역할을 한다. 근육에서는 미오글로빈이 산소를 받아 저장했다가 포도당 대사에 사용한다.[3] 헤모글로빈은 산소뿐만 아니라 대사 과정에서 생성된 이산화 탄소와 결합하여 폐로 운반하는 역할도 한다 (주로 중탄산염 형태로). 헤모글로빈의 헴 그룹 중심에 있는 Fe2+ 이온은 산소와 결합하지 않았을 때(디옥시헤모글로빈) 고스핀 상태로 존재하며, 포르피린 고리 평면 위에 약간 돌출되어 있다. 산소 분자가 결합하면 Fe2+ 이온은 저스핀 상태로 바뀌고 크기가 작아져 포르피린 고리 안으로 들어가며, 이 구조 변화는 다른 서브유닛(subunit)의 산소 친화도를 높이는 협동 효과를 유발한다. 이러한 협동 효과 덕분에 헤모글로빈은 산소 농도가 높은 폐에서는 산소와 잘 결합하고, 산소 농도가 낮은 조직에서는 산소를 효율적으로 방출할 수 있다. 반면, 헴 그룹이 하나뿐인 미오글로빈은 이러한 협동 효과가 없어 헤모글로빈보다 산소 친화력이 더 높다. 보어 효과에 따라 이산화 탄소 농도가 높으면 헤모글로빈의 산소 친화력은 감소한다.



일산화 탄소(CO)는 산소보다 훨씬 강하게 헤모글로빈에 결합하여 카르복시헤모글로빈을 형성하며, 이는 산소 운반 능력을 심각하게 저해하여 독성을 나타낸다. 시안화물 역시 시토크롬 a와 같은 전자 전달 단백질 기능을 방해하여 독성을 나타낸다.

시토크롬 단백질 역시 헴 그룹을 가지며, 포도당의 산화 과정에서 전자를 전달하는 역할을 한다. 이 과정에서 철 이온은 +2와 +3 산화 상태를 오가며 전자를 전달하고, 단계적으로 에너지를 방출하여 아데노신 삼인산(ATP) 생성에 기여한다.

헴 단백질 외에도 철-황 단백질은 전자 전달에 중요한 역할을 한다. 이 단백질들은 1개에서 8개까지의 철 원자를 포함하며, 철 원자는 황 원자들과 사면체 형태로 결합하고 있다. 대표적인 예로는 루브레독신과 페레독신이 있다.

인체 내에서 철의 흡수와 저장은 정밀하게 조절된다.[3][130] 트랜스페린 단백질은 십이지장에서 흡수된 철 이온(Fe3+)과 강하게 결합하여 혈류를 통해 필요한 세포로 운반한다.[3][131] 골수 등에서는 트랜스페린으로부터 전달받은 철을 페리틴 형태로 저장했다가 헤모글로빈 합성에 사용한다.

철은 생명 유지에 필수적인 많은 효소의 구성 성분이기도 하다. 예를 들어 카탈라아제,[132] 리폭시게나아제,[133] 그리고 철 대사 조절에 관여하는 IRE-BP[134] 등이 철을 함유하고 있다.

미생물의 성장에도 철이 필요하며, 일부 미생물은 철(II)을 산화시키거나 철(III)을 환원시켜 에너지를 얻는다.[126] 호기성 환경에서 철(III)은 용해도가 낮기 때문에, 많은 미생물은 시데로포어와 같은 킬레이트화 물질을 분비하여 철을 효율적으로 흡수한다.[127][128][129]

해양 생태계에서도 철은 필수적인 역할을 하며, 특히 식물성 플랑크톤의 성장을 제한하는 영양소로 작용할 수 있다.[173][174] 철은 강물 유입이나 대기를 통해 바다로 공급되며, 해류 혼합 및 생물학적 재활용을 통해 순환한다.[176] 특히 북극 해빙은 겨울철에 철을 저장했다가 여름에 녹으면서 방출하여 철 분포에 영향을 미친다.[177] 철의 화학적 형태 변화는 해양 1차 생산자의 철 이용 가능성에 영향을 준다.[178][179]

한편, 바다 홍합이 바위에 강하게 부착할 수 있는 능력은 단백질이 풍부한 큐티클 내의 유기금속 철 결합 덕분이다. 연구에 따르면 철의 존재는 부착 구조물의 탄성 계수, 인장 강도, 강성을 크게 증가시키는 것으로 나타났다.[136]

7. 1. 필수 영양소

사람의 몸에는 약 3~4g 정도의 철이 들어 있으며, 이는 혈액 속에서 산소를 운반하는 헤모글로빈을 만드는 데 꼭 필요한 무기질이다. 철은 또한 근육의 근색소(미오글로빈) 합성에 사용되어 근육 활동에 필요한 에너지를 생성하는 데 도움을 준다. 특히 사춘기에는 근육량이 늘어나면서 철 필요량이 증가하므로 충분한 섭취가 중요하다.

철은 세로토닌, 에피네프린, 도파민, 노르에피네프린과 같은 뇌 신경전달물질의 보조인자로도 작용한다. 철분이 부족하면 이러한 호르몬 생성이 줄어들어 정신 건강에 부정적인 영향을 줄 수 있다.

철이 풍부한 식품은 다음과 같다.

철이 풍부한 식품
식품군예시
동물성 식품간, 달걀 노른자, 살코기, 붉은 고기, 굴, 가금류, 생선
식물성 식품진한 녹색 채소, 해조류, 노란콩, 콩, 잎채소, 물냉이, 두부, 당밀[3]
강화 식품철분 강화 빵, 철분 강화 아침 시리얼[3][137]



철의 체내 흡수율은 비교적 낮아, 건강한 성인의 경우 섭취한 철의 약 10% 정도만 흡수된다. 비타민 C를 함께 섭취하면 식물성 식품에 함유된 철의 흡수율을 높일 수 있다. 일단 몸에 흡수된 철은 혈액 손실이 없는 한 대부분 재사용되며 잘 배설되지 않는다.

철이 부족하면 쉽게 피로를 느끼고, 성장이 늦어지며, 숨이 차는 증상과 함께 빈혈이 나타날 수 있다. 사춘기에는 성장 발달에 문제가 생기고 생리 기능에도 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다.

반대로 철분을 과다 섭취하면 부작용이 발생할 수 있다. 과도한 철은 세포를 손상시키고 내분비 기관의 기능을 저하시킬 수 있다. 초기에는 간세포 손상으로 시작하여 심장, 췌장 등 다른 장기에도 영향을 줄 수 있으며, 면역 기능을 억제할 수도 있다. 육류를 통한 철분 과다 섭취는 대장암 발병 위험을 높이는 요인 중 하나로 지적되기도 한다. 적정 농도의 5배만 초과해도 치명적인 부작용이 발생할 수 있으므로 주의가 필요하다.

식이 보충제로 섭취하는 철은 주로 푸마르산철(II) 형태로 제공되지만, 황산철(II)도 가격이 저렴하고 흡수율이 비슷하다.[119] 원소 철(환원 철)은 아침 시리얼이나 강화 밀가루 등에 첨가되기도 하지만, 흡수 효율은 황산철에 비해 1/3에서 2/3 수준이다.[138] 철은 아미노산과 킬레이트화되었을 때 체내 이용률이 가장 높으며[139], 이러한 형태의 철분 보충제도 이용 가능하다. 가장 일반적인 아미노산 킬레이트 철 보충제는 글리신과 결합한 철 글리시네이트이다.[140]

7. 2. 섭취 및 흡수

사람의 몸에는 총 3~4g 정도의 철이 있으며, 이는 작은 못 하나 정도의 양이다. 철은 혈액 내 산소 운반을 담당하는 헤모글로빈 생성에 필수적인 무기질이다. 또한, 근육의 근색소 합성에 사용되어 근육 활동에 필요한 에너지를 생성하는 데 도움을 준다. 특히 사춘기에는 근육량이 늘어나면서 철 필요량이 증가하므로 충분한 섭취가 중요하다. 철은 세로토닌, 에피네프린, 도파민, 노르에피네프린과 같은 뇌의 신경 신호 전달 호르몬(신경전달물질) 합성에 보조인자로 작용한다. 철이 부족하면 이러한 호르몬 생성이 줄어들어 정신 건강에 부정적인 영향을 줄 수 있다.

철이 풍부하게 함유된 식품은 다음과 같다.

철이 풍부한 식품
종류예시
동물성 식품간, 달걀 노른자, 살코기, 붉은 고기, 굴, 가금류, 생선[3]
식물성 식품진한 녹색 채소, 잎채소, 물냉이, 해조류, 콩, 노란콩, 두부, 당밀[3]
강화 식품철분 강화 빵, 아침 시리얼[3][137]



철의 체내 흡수율은 비교적 낮아, 건강한 성인의 경우 섭취한 철의 약 10% 정도만 흡수된다. 비타민 C를 함께 섭취하면 식물성 식품에 포함된 철의 흡수율을 높일 수 있다. 일단 몸에 흡수된 철은 혈액 손실이 없는 한 대부분 재사용되며 잘 배설되지 않는다.

식이 보충제 형태로 섭취하는 철은 주로 푸마르산철(II) 형태로 제공되지만, 황산철(II)도 가격이 저렴하고 흡수율은 비슷하다.[119] 원소 철 또는 환원 철은 아침 시리얼이나 강화 밀가루 등에 첨가되기도 하지만, 흡수 효율은 황산철에 비해 3분의 1에서 3분의 2 수준으로 낮다.[138] 철은 아미노산과 킬레이트화되었을 때 체내 이용률이 가장 높으며[139], 이러한 형태의 철분 보충제도 시판되고 있다. 가장 흔하게 사용되는 아미노산은 글리신으로, 철 글리시네이트 보충제 생산에 주로 쓰인다.[140]

철이 부족하면 쉽게 피로를 느끼고, 성장이 지연되며, 숨이 차고, 빈혈 증상이 나타날 수 있다. 특히 사춘기에는 성장 발달과 생리 기능에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 반면, 철분을 과다 섭취할 경우 세포 손상이나 내분비기관 기능 저하와 같은 부작용이 발생할 수 있다. 과도한 철분 섭취는 초기에 간세포 손상을 유발하고, 이후 심장이나 췌장 등 다른 기관에도 영향을 줄 수 있으며, 면역 기능을 억제할 수도 있다. 육류를 과다 섭취할 경우 대장암 발병 위험이 증가하는 이유 중 하나로 고기에 포함된 많은 양의 철분이 지목되기도 한다. 적정 농도의 5배를 초과하는 철분 섭취는 치명적인 부작용을 일으킬 수 있다.

7. 3. 결핍 및 과잉

철 결핍은 세계에서 가장 흔한 영양 결핍이다.[3][148][149][150] 철 손실이 식이 섭취로 적절히 보충되지 않으면, 잠재성 철 결핍 상태가 발생하며, 시간이 지나 치료되지 않으면 적혈구 수가 부족하고 헤모글로빈 양이 부족한 철 결핍성 빈혈로 이어진다.[151] 어린이, 폐경기 이전 여성(가임기 여성) 및 식단이 부실한 사람들이 이 질환에 가장 취약하다. 철 결핍성 빈혈의 대부분의 경우 경미하지만, 치료하지 않을 경우 빠르거나 불규칙한 심장 박동, 임신 중 합병증, 영유아 및 어린이의 성장 지연과 같은 문제를 일으킬 수 있다.[152]

뇌는 혈액-뇌 장벽을 통한 철의 느린 수송 때문에 급성 철 결핍에는 저항하지만,[153] 장기간의 영양 철 결핍은 시간이 지남에 따라 뇌 철 농도를 감소시킬 것으로 의심된다.[154][155] 뇌에서 철은 산소 수송, 미엘린 합성, 미토콘드리아 호흡, 신경 전달 물질 합성 및 대사의 보조 인자 역할을 한다.[156] 영양 철 결핍 동물 모델 연구에서는 파킨슨병 및 헌팅턴병에서 보이는 것과 유사한 생체 분자적 변화가 보고되었다.[157][158] 그러나 뇌의 연령 관련 철 축적 또한 파킨슨병 발병과 관련이 있다.[159] 일부 연구에서는 낮은 시상 철분 수치가 ADHD의 병태 생리에 역할을 할 수 있다고 시사했다.[168] 일부 연구자들은 철분 보충이 특히 장애의 부주의형에서 효과적일 수 있음을 발견했지만,[169] 2012년의 한 연구에서는 그러한 상관 관계가 발견되지 않는 등[170] 논란의 여지가 있다.

반대로, 철 섭취는 인체에 의해 엄격하게 조절되며, 인체는 철을 배설하는 조절된 생리적 수단을 가지고 있지 않다. 따라서 철 농도 관리는 주로 섭취 조절을 통해 이루어진다.[160] 철 섭취 조절은 일부 사람들의 경우 유전적 결함으로 인해 손상될 수 있는데, 이는 포유류에서 철이 순환계로 유입되는 것을 조절하는 주요 인자인 헵시딘의 비정상적으로 낮은 수치를 초래한다.[161] 이러한 사람들의 경우 과도한 철 섭취는 의학적으로 혈색소 침착증으로 알려진 철 과다 질환을 유발할 수 있다.[3] 많은 사람들은 진단되지 않은 철 과다 유전적 감수성을 가지고 있으며, 이 문제에 대한 가족력을 알지 못하는 경우가 많다. 이러한 이유로 사람들은 철 결핍으로 진단받고 의사와 상담하지 않는 한 철 보충제를 복용하지 않아야 한다. 혈색소 침착증은 백인의 모든 대사 질환의 0.3~0.8%를 차지하는 것으로 추정된다.[162]

섭취된 철의 과다 복용은 혈액 내 자유 철 농도를 과도하게 높일 수 있다. 혈중 자유 철 이온의 높은 농도는 과산화물과 반응하여 활성 산소를 생성하며, 이는 DNA, 단백질, 지질 및 기타 세포 구성 요소를 손상시킬 수 있다. 철 독성은 세포 내에 자유 철이 존재할 때 발생하며, 이는 일반적으로 철 농도가 철과 결합하는 단백질인 트랜스페린의 가용량을 초과할 때 발생한다. 인체 위장관 세포의 손상 또한 철 흡수 조절 기능을 저해하여 혈중 농도를 더욱 증가시킬 수 있다. 철은 일반적으로 심장, 간 및 기타 부위의 세포를 손상시켜 혼수, 대사성 산증, 쇼크, 간 부전, 응고병증, 장기 손상 및 사망과 같은 부작용을 유발한다.[165] 사람은 체질량 킬로그램당 20mg이 넘는 철을 섭취하면 철 독성을 경험할 수 있으며, 킬로그램당 60mg은 치사량으로 간주된다.[163] 철 과다 섭취는 종종 성인용으로 만들어진 다량의 황산 제일철 정제를 어린이가 복용하여 발생하며, 6세 미만 어린이의 가장 흔한 독성 사망 원인 중 하나이다.[163] 식이 섭취 기준 (DRI)은 성인의 허용 상한 섭취량(UL)을 45mg/일로 설정한다. 14세 미만 어린이의 경우 UL은 40mg/일이다.[164]

철 독성의 의학적 관리는 복잡하며, 신체에서 과도한 철과 결합하여 배출을 돕는 킬레이션 제제인 데페록사민 사용을 포함할 수 있다.[165][166][167]

철의 역할은 비병리학적 과정에서 널리 존재하기 때문에 암 방어에 있어서 "양날의 검"으로 묘사될 수 있다.[171] 화학 요법을 받는 사람들은 철 결핍과 빈혈이 발생할 수 있는데, 이때 정맥 내 철분 요법이 철분 수치를 회복시키는 데 사용된다.[172] 반면, 붉은 고기의 과다 섭취로 인해 발생할 수 있는 철 과부하[3]는 특히 대장암의 경우, 종양 성장을 촉진하고 암 발병 민감도를 높일 수 있다.[172]

7. 4. 섭취 권장량 및 상한 섭취량

2001년 미국 의학 연구소(Institute of Medicine, IOM)는 철에 대한 추정 평균 필요량(Estimated Average Requirement, EAR)과 권장 영양 섭취량(Recommended Dietary Allowance, RDA)을 업데이트했다.[3] EAR은 특정 연령 및 성별 그룹 인구의 절반이 필요로 하는 영양소의 양을 의미하며, RDA는 거의 모든(97~98%) 건강한 개인의 영양 요구량을 충족시키기 위해 설정된 일일 섭취 수준이다.

미국 의학 연구소(IOM) 철 섭취 기준 (mg/일)[3][141]
구분추정 평균 필요량 (EAR)권장 영양 섭취량 (RDA)상한 섭취량 (UL)
여성
14~18세7.915.045mg
19~50세8.118.0
51세 이상 (폐경 후)5.08.0
임신 중해당 없음27.0
수유 중해당 없음9.0
남성
19세 이상6.08.045mg
어린이
1~3세해당 없음7.040mg (13세 이하)
4~8세해당 없음10.0
9~13세해당 없음8.0



안전과 관련하여 IOM은 상한 섭취량 (Tolerable Upper Intake Level, UL)도 설정하는데, 이는 부작용 위험 없이 매일 섭취할 수 있는 최대 수준을 의미한다. 철의 UL은 성인의 경우 45mg/일, 13세 이하 어린이의 경우 40mg/일로 설정되었다.[141] EAR, RDA, UL 등은 모두 통칭하여 식이 섭취 기준 (Dietary Reference Intakes, DRIs)이라고 한다.[141]

유럽 식품 안전청 (European Food Safety Authority, EFSA)은 이러한 정보를 집합적으로 식이 기준 값(Dietary Reference Values, DRVs)으로 지칭하며, RDA 대신 인구 기준 섭취량(Population Reference Intake, PRI), EAR 대신 평균 필요량(Average Requirement, AR)을 사용한다. 적정 섭취량(Adequate Intake, AI)과 UL은 미국과 동일하게 정의된다.

유럽 식품 안전청(EFSA) 철 섭취 기준 (mg/일)[142]
구분평균 필요량 (AR)인구 기준 섭취량 (PRI)
여성
15~17세해당 없음13
18세 이상 (폐경 전)해당 없음16
폐경 후해당 없음11
임신 및 수유 중해당 없음16
남성
15세 이상해당 없음11
어린이
1~6세해당 없음7
7~11세해당 없음10
12~14세해당 없음11



유럽의 PRI는 임신 중을 제외하고는 미국의 RDA보다 다소 높은 경향이 있다.[142] EFSA는 안전 문제를 검토했지만, 별도의 UL을 설정하지는 않았다.[143]

젖병으로 우유를 먹는 유아는 철분 보충제가 필요할 수 있다.[144] 또한, 잦은 헌혈자는 낮은 철분 수치의 위험이 있어 철분 섭취를 보충하라는 권고를 받기도 한다.[145]

미국의 식품 및 식이 보충제 라벨링에서는 1회 제공량당 함량이 1일 영양소 기준치(% Daily Value, %DV)의 백분율로 표시된다. 철 라벨링의 경우, 1일 영양소 기준치의 100%는 18mg이었으며, 2016년 개정 이후에도 18mg으로 유지되었다.[146][147] 성인 1일 영양소 기준치에 대한 자세한 정보는 참고 1일 섭취량 문서에서 확인할 수 있다.

참조

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[2] 서적 Materials Handbook: A Concise Desktop Reference Springer 2008
[3] 웹사이트 Iron https://lpi.oregonst[...] Micronutrient Information Center, Linus Pauling Institute, Oregon State University, Corvallis, Oregon 2016-04
[4] 간행물 The Structure of Iron in Earth's Inner Core American Association for the Advancement of Science 2010
[5] 간행물 Dynamic stability of Fe under high pressure IOP Publishing 2014
[6] 간행물 Dynamic stability of Fe under high pressure IOP Publishing 2014
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[9] 서적 Mineral Physics Elsevier 2007
[10] 서적 Theory and Calculation of Electric Circuits https://archive.org/[...] McGraw-Hill
[11] 서적 Introduction to Magnetic Materials, 2nd https://books.google[...] Wiley–IEEE
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[16] 간행물 Evidence for live 60Fe in meteorites 2004
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[18] 간행물 The atomic nuclide with the highest mean binding energy 1995-07-01
[19] 간행물 Synthesis of the elements in stars 1957-10-01
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