산화 철

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1. 개요

산화 철은 철(II) 또는 철(III)의 형태로 존재하며, 뷔스타이트, 자철석, 적철석 등이 있다. 산화 철은 철 금속과 합금의 전구체이며, 안료, 자기 녹음 테이프, 세라믹 소재, 의료용 조영제, 기록 매체 등 다양한 용도로 사용된다. 금속 철은 산화되어 다양한 철의 산화물을 생성하며, 이를 철녹이라고 한다.

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산화 철
개요
사산화 삼철의 단위 세포
화학식	FeO (제일철 산화물), Fe₂O₃ (제이철 산화물), Fe₃O₄ (사산화 삼철)
몰 질량	71.8444(4) g/mol (FeO), 159.6882(6) g/mol (Fe₂O₃), 231.5328(10) g/mol (Fe₃O₄)
융점	1,370 °C (2,500 °F; 1,640 K) (FeO), 1,565 °C (2,849 °F; 1,838 K) (Fe₂O₃)
끓는점	3,414 °C (6,177 °F; 3,687 K) (Fe₂O₃)
밀도	5.78 g/cm3 (FeO), 5.24 g/cm3 (Fe₂O₃), 5.18 g/cm3 (Fe₃O₄)
성질
굴절률 (nD)	2.260 (Fe₂O₃)
관련 화합물
기타 음이온	수산화 철(III)
위험성
GHS 그림 문자	해당 사항 없음
GHS 신호어	해당 사항 없음
GHS 유해 문구	해당 사항 없음
GHS 예방 조치 문구	해당 사항 없음
구조
결정 구조	입방정계 (FeO), 마름모정계 (Fe₂O₃), 입방정계 (Fe₃O₄)
화학적 성질
용해도	물에 불용성
관련 산화물
산화 망간	MnO
산화 코발트	CoO

2. 화학량론

산화 철은 철의 산화 상태에 따라 다양한 화학량론적 조성을 가진다. 크게 Fe^II, Fe^III, 그리고 Fe^II와 Fe^III가 혼합된 산화물로 나눌 수 있다.

산화 상태	화학식	이름	비고
Fe^II	FeO	산화 철(II)	뷔스타이트
Fe^II 및 Fe^III 혼합	Fe₃O₄	산화 철(II,III)	자철석
	Fe₄O₅		^[24]
	Fe₅O₆		^[25]
	Fe₅O₇		^[26]
	Fe₂₅O₃₂
	Fe₁₃O₁₉		^[27]
Fe^III	Fe₂O₃	산화 철(III)	α-Fe₂O₃ (적철석)
			β-Fe₂O₃
			γ-Fe₂O₃ (마그헤마이트)
			ε-Fe₂O₃

2. 1. 산화물

석회석 코어 샘플의 녹색 및 적갈색 얼룩은 각각 Fe²⁺ 및 Fe³⁺의 산화물/수산화물에 해당한다.

산화철은 철(II) (Fe(II)) 또는 철(III) (Fe(III)) 또는 둘 다의 형태로 존재하며, 팔면체 또는 사면체 배위 기하학을 갖는다. 지구 표면에서 중요한 산화물은 몇 가지에 불과하며, 특히 뷔스타이트, 자철석, 적철석이 있다.

Fe^II의 산화물
* FeO: 산화 철(II), 뷔스타이트
Fe^II와 Fe^III의 혼합 산화물
* Fe₃O₄: 산화 철(II,III), 자철석
* Fe₄O₅^[24]
* Fe₅O₆^[25]
* Fe₅O₇^[26]
* Fe₂₅O₃₂
*Fe₁₃O₁₉^[27]
Fe^III의 산화물
* Fe₂O₃: 산화 철(III)
** α-Fe₂O₃: 알파상, 적철석
** β-Fe₂O₃: 베타상
** γ-Fe₂O₃: 감마상, 마그헤마이트
** ε-Fe₂O₃: 엡실론상

2. 2. 산화수산화물

침철석 (α-FeOOH)
아카가네이테 (β-FeOOH)
레피도크로사이트 (γ-FeOOH)
페록시하이트 (δ-FeOOH)
페리하이드라이트 (Fe₅HO₈·4H₂O)
고압 황철석 구조 FeOOH
녹청 (Fe^III_xFe^II_y(OH)_3x+2y-z(A^-)_z, 여기서 A^-는 Cl^- 또는 0.5SO₄^2-)

2. 3. 수산화물

괴테광 (α-FeOOH)
아카가네광 (β-FeOOH)
레피도크로사이트 (γ-FeOOH)
페록시하이트 (δ-FeOOH)
페리하이드라이트 (Fe₅HO₈ · 4 H₂O 근사, 또는 5 Fe₂O₃ · 9 H₂O, FeOOH · 0.4 H₂O로 더 잘 재구성됨)
고압 황철석 구조 FeOOH^[7] 일단 탈수 반응이 시작되면, 이 상은 FeO₂H_''x'' (0 < ''x'' < 1)을 형성할 수 있다.^[8]
녹청 (FeFeOH_{3''x'' + ''y'' − ''z''} (A⁻)_''z'' 여기서 A⁻는 Cl⁻ 또는 0.5)
수산화 철(II) (Fe(OH)₂)
수산화 철(III) (버날라이트) (Fe(OH)₃)

3. 열팽창

산화 철의 열팽창 계수
산화 철	열팽창 계수 (× 10⁻⁶ °C⁻¹)
Fe₂O₃	14.9^[28]
Fe₃O₄	>9.2^[28]
FeO	12.1^[28]

4. 반응

고로 및 관련 공장에서 산화 철은 금속으로 변환된다. 전형적인 환원제는 다양한 형태의 탄소이다. 대표적인 반응은 산화철(III)으로 시작한다.^[9]

4. 1. 자연에서

철은 많은 유기체에서 페리틴 형태로 저장되는데, 이는 가용화 단백질 덮개에 싸인 산화철이다.^[10]

''Shewanella oneidensis'', ''Geobacter sulfurreducens'' 및 ''Geobacter metallireducens''를 포함한 금속 환원 세균 종은 산화철을 전자 수용체로 사용한다.^[11]

4. 2. 산업적 반응

고로 및 관련 공장에서 산화 철은 금속으로 변환된다. 전형적인 환원제는 다양한 형태의 탄소이다. 대표적인 반응은 산화철(III)으로 시작한다.^[9]

: 2 Fe₂O₃ + 3 C → 4 Fe + 3 CO₂

5. 용도

거의 모든 철광석은 산화물이므로, 산화철은 철 금속과 그 많은 합금의 중요한 전구체이다. 산화철은 안료, 자성체 등 다양한 용도로 사용된다.

산화철은 도자기나 세라믹의 유약(철유)에 사용되어 발색을 돕는다. 소성 시 산소의 양에 따라 색이 달라진다. 또한, 안료로도 이용되며, 일본에서는 벤가라라고 불린다. 황토나 시에나, 앰버와 같은 고전적인 안료도 산화철을 주성분으로 하며, 라스코 동굴 벽화 등 선사 시대 예술에도 사용되었다.

철 안료는 화장품에도 널리 사용되며, 비독성, 내습성, 변색 방지 기능이 있다. 식품 첨가물로는 유럽에서 E 번호 E172로, 일본에서는 삼이산화철 등으로 불리며 착색료로 이용된다.^[18]^[19]^[20]

자철석은 철제 공구의 피복(흑염)에 이용되어 금속 부식을 방지하고 외관을 개선한다.^[21] 적철석은 방청 도료에 이용된다. 의료 분야에서는 자기 공명 영상(MRI)의 조영제로 사용되며, 자기 매체의 자성체로도 이용된다. 컴팩트 카세트의 노멀 포지션 테이프, 자기 카드, 자기 디스크, 비디오 테이프 등에 사용된다.

5. 1. 안료

산화철은 다양한 색상(검정, 빨강, 노랑)을 띠는 중요한 안료이다. 저렴하고, 색상이 강하며, 무독성이라는 장점이 있다.^[12] 산화철은 일본에서 종종 벤가라라는 명칭으로 사용된다. 천연 산화철 안료는 황토(오커, Ochre)라고 불리기도 하며, 이 외에도 생 또는 구운 시에나나 앰버와 같은 많은 고전적인 안료가 존재한다. 이러한 안료는 라스코 동굴의 벽화 등 초기 선사 시대 예술에 사용된 이후로 계속 사용되어 왔다.

산화철은 화장품 분야에도 널리 사용되며, 비독성이며 내습성을 가지고 변색되지 않는 것으로 알려져 있다. 화장품에 사용되는 등급의 산화철 안료는 원료의 산화철(II), 산화철(III)의 원말을 포함하지 않도록 합성적으로 제조된다. 일반적으로 산화철(II)계 안료는 흑색이고, 산화철(III)계 안료는 적색 또는 녹슨색이다.

산화철은 유럽에서 E 번호 E172로 갈색 색상을 내는 착색료로 이용되고 있다.^[18] 일본에서도 산화철(III) (Fe₂O₃)이 삼이산화철 등으로 불리며, 적곤약과 바나나의 과병에만 사용할 수 있는 착색료로 이용되고 있다.^[19]^[20]

5. 2. 화장품

철 안료는 화장품 분야에도 널리 사용되며, 비독성이며 내습성을 가지고 변색되지 않는 것으로 알려져 있다. 화장품에 사용되는 등급의 산화철 안료는 원료의 산화철(II), 산화철(III)의 원말을 포함하지 않도록 합성적으로 제조된다.^[18] 그리고 산화철 안료에 천연 유래 불순물이 포함되는 것은 일반적인 일이다. 일반적으로 산화철(II)계 안료는 흑색이고, 산화철(III)계 안료는 적색 또는 녹슨색이다 (산화물 이외의 철의 화합물은 다른 색을 나타낸다).^[19]^[20]

5. 3. 식품 첨가물

유럽에서는 E 번호 E172로 갈색 색상을 내는 착색료로 이용되고 있다^[18]. 일본에서도 산화철(III) (Fe₂O₃)이 삼이산화철 등으로 불리며, 적곤약과 바나나의 과병에만 사용할 수 있는 착색료로 이용되고 있다^[19]^[20].

5. 4. 도료

산화철은 철제 공구의 피복(흑염)에 이용되는 흑색 산화물인 자철석을 포함한다.^[21] 이 처리는 금속 부식을 방지하고 보기 좋은 외관을 제공한다. MIO(micaceous iron oxide)라고 불리는 등급의 적철석은 에펠탑과 같은 구조물의 방청 도료에 사용된다.

5. 5. 의료

산화철은 자기 공명 영상(MRI)의 조영제로 이용되며, 프로톤의 완화 시간(T1, T2, T2*)을 단축시킨다. 초상자성 조영제는 자철석(Fe₃O₄) 또는 마그헤마타이트(γ-Fe₂O₃)의 물에 불용성인 결정성 자성체 핵으로 구성되며, 자성체 핵의 직경은 4~10나노미터이다. 이 결정 핵은 덱스트란이나 전분 유도체로 덮여 있는 경우가 많으며, 이를 포함한 입자 크기는 수화된 입자의 직경을 넘는다. USPIO(Ultrasmall Superparamagnetic Iron Oxide) 나노 입자의 경우, 핵은 하나씩 내포되어 있으며, 수화된 입자의 직경은 50나노미터 이하이다.

5. 6. 기록 매체

자기 매체에 자성체로 이용되고 있다. 컴팩트 카세트에 산화 철을 사용한 것은 TYPE1 노멀 포지션 테이프라고 불리며, 일반적이고 보급된 것 중 하나이다. 산화 철만으로는 고역의 성능을 낼 수 없거나, 히스 노이즈가 남기 때문에 코발트를 첨가하여 음질 향상을 꾀한 고성능 노멀 테이프도 과거에는 생산되었다. 오디오 테이프 외에도 자기 카드, 자기 디스크, 비디오 테이프 등에 이용되고 있다.

5. 7. 기타

산화 철은 도자기나 세라믹용 소재로 널리 사용된다. 유약(철유)에도 사용되며, 많은 금속 산화물과 마찬가지로 고온에서 소결시켜 유약을 발색시킨다. 철을 포함하는 유약의 특징으로, 소성 시 산소가 충분한 산화적 분위기였는지, 산소가 부족한 환원적 분위기였는지에 따라 발색이 (예를 들어, 엿색과 청색처럼) 전혀 다르다는 점이 있다.

; 안료

: 산화 철은 안료로도 이용되며, 일본에서는 종종 벤가라라는 명칭으로 사용된다. 천연 산화 철 안료는 황토(오커, Ochre)라고 불리기도 하며, 이 외에도 생 또는 구운 시에나나 앰버와 같은 많은 고전적인 안료가 존재한다. 이러한 안료는 라스코 동굴의 벽화 등 초기 선사 시대 예술에 사용된 이후로 계속 사용되어 왔으며, 산화 철(III)이 주성분이다.

; 화장품

: 철 안료는 화장품 분야에도 널리 사용되며, 비독성이며 내습성을 가지고 변색되지 않는 것으로 알려져 있다. 화장품에 사용되는 등급의 산화 철 안료는 원료의 산화 철(II), 산화 철(III)의 원말을 포함하지 않도록 합성적으로 제조된다. 그리고 산화 철 안료에 천연 유래 불순물이 포함되는 것은 일반적인 일이다. 일반적으로 산화 철(II)계 안료는 흑색이고, 산화 철(III)계 안료는 적색 또는 녹슨색이다 (산화물 이외의 철의 화합물은 다른 색을 나타낸다).

; 식품 첨가물

: 유럽에서는 E 번호 E172로 갈색 색상을 내는 착색료로 이용되고 있다^[18]. 일본에서도 산화 철(III) (Fe₂O₃)이 삼이산화철 등으로 불리며, 적곤약과 바나나의 과병에만 사용할 수 있는 착색료로 이용되고 있다^[19]^[20].

; 도료

: (흑색 산화물이라고 불리는) 자철석은 철제 공구의 피복 (흑염)에 이용된다^[21]. 이 처리를 통해 금속 부식을 방지하고, 보기 좋은 외관을 부여한다. MIO (micaceous iron oxide)라고 불리는 등급의 적철석은 (많은 다리와 에펠탑 등) 방청 도료에 이용된다.

; 의료

: 산화 철은 자기 공명 영상의 조영제로도 이용되며, 프로톤의 완화 시간 (T1, T2 그리고 T2*)을 단축시킨다. 초상자성 조영제는 자철석 (Fe₃O₄) 또는 마그헤마타이트 (γ-Fe₂O₃)의, 물에 불용성인 결정성 자성체 핵으로 구성되며, 자성체 핵의 직경은 4~10나노미터이다. 이 결정 핵은 덱스트란이나 전분의 유도체로 덮여 있는 경우가 많으며, 그것을 포함하여 입자 크기는 수화된 입자의 직경을 넘는다. USPIO (Ultrasmall Superparamagnetic Iron Oxide) 나노 입자의 경우, 핵은 하나씩 내포되어 있으며, 수화된 입자의 직경은 50나노미터 이하이다.

; 기록 매체

: 자성체로서 자기 매체에 이용되고 있다. 컴팩트 카세트에 산화 철을 사용한 것은 TYPE1 노멀 포지션 테이프라고 불리며, 일반적이고 보급된 것 중 하나이다. 산화 철만으로는 고역의 성능을 낼 수 없거나, 히스 노이즈가 남기 때문에 코발트를 첨가하여 음질 향상을 꾀한 고성능 노멀 테이프도 과거에는 생산되었다. 오디오 테이프 외에도 자기 카드, 자기 디스크, 비디오 테이프 등에 이용되고 있다.

6. 철녹

금속 철이 산소와 반응하여 생기는 '''산화 철'''에는 수산화 철, 옥시수산화 철 등 16종이 알려져 있다.^[15] 철은 보통 여러 산화 철 화합물이 섞인 형태로 산화되며, 이들은 준안정 상태에 있어 가열하면 조성이 변하기도 한다.

철은 알루미늄, 티타늄처럼 암석에 풍부하게 들어있어, 산화 철 광석에서 철을 얻는 것은 어렵지 않다.

6. 1. 부동태 피막

금속 철은 산화 환원 전위가 프로톤보다 양(+)이므로, 산성 수용액 중에서는 산화되어 금속 철로부터 Fe²⁺ 이온이 녹아 나오지만, 그것이 산소에 의해 산화됨으로써 다양한 종류의 철의 산화물을 생성하며, 그것들은 철녹으로 알려져 있다. 수용액 중에서는 pH에 의존하여 Fe(OH)₂(녹색)로부터 α-, β-, γ-, δ-옥시수산화철(갈색), 산화철(II,III)까지 다양한 조성을 가진 산화물이 생성된다.^[17]

철 표면의 부동태 피막도 이러한 옥시수산화철이나 산화철(II,III)에 의해 구성된다고 생각되지만, 적열된 철에 수증기를 반응시키는 소둔 처리로 생성되는 흑녹에서는, 산화 피막은 산화철(II,III)이나 산화철(II) 등에 의해 강고한 산화 피막이 형성된다.

6. 2. 흑녹

금속 철은 산화 환원 전위가 프로톤보다 양(+)이므로, 산성 수용액 중에서는 산화되어 금속 철로부터 Fe²⁺ 이온이 녹아 나오지만, 그것이 산소에 의해 산화됨으로써 다양한 종류의 철의 산화물을 생성하며, 그것들은 철녹으로 알려져 있다.^[17]

철 표면의 부동태 피막도 이러한 옥시수산화철이나 산화철(II,III)에 의해 구성된다고 생각되지만, 적열된 철에 수증기를 반응시키는 소둔 처리로 생성되는 흑녹에서는 산화철(II,III)이나 산화철(II) 등에 의해 강고한 산화 피막이 형성된다.

참조

_[1] 서적 The iron oxides: structure, properties, reactions, occurrences and Wiley VCH
_[2] 논문 Discovery of the recoverable high-pressure iron oxide Fe4O5 2011-10
_[3] 논문 Synthesis of Fe5O6
_[4] 논문 Structural complexity of simple Fe2O3 at high pressures and temperatures
_[5] 논문 The crystal structures of Mg2Fe2C4O13, with tetrahedrally coordinated carbon, and Fe13O19, synthesized at deep mantle conditions
_[6] 논문 Interactions near the triple-phase boundaries metal/glass/air in planar solid oxide fuel cells 2017-02
_[7] 논문 The pyrite-type high-pressure form of FeOOH https://www.nature.c[...] 2017
_[8] 논문 Dehydrogenation of goethite in Earth's deep lower mantle
_[9] 간행물 Greenwood&Earnshaw2nd
_[10] 논문 Unity in the Biochemistry of the Iron-Storage Proteins Ferritin and Bacterioferritin
_[11] 논문 Current Production and Metal Oxide Reduction by Shewanella oneidensis MR-1 Wild Type and Mutants 2007-07-20
_[12] 간행물 Pigments, Inorganic, 3. Colored Pigments
_[13] 서적 顔料丸善 1988
_[14] 서적 酸化鉄岩波書店 1999
_[15] 서적 The iron oxides: structure, properties, reactions, occurrences and uses Wiley VCH
_[16] 문서 この時 A^- はCl^- または0.5SO₄^2-である。
_[17] 논문 水溶液中における酸化鉄,オキシ水酸化鉄の生成と物性 https://cir.nii.ac.j[...] 社団法人日本材料学会 1970-06-15
_[18] 웹사이트 欧州食品安全機関(EFSA)、酸化鉄類及び水酸化鉄類(E 172)に関する科学的データを募集 https://www.fsc.go.j[...] 食品安全委員会
_[19] 웹사이트 ＜７＞赤こんにゃく　鉄分たっぷり武将好み https://web.archive.[...] 読売オンライン
_[20] 웹사이트 厚生労働省第10版食品添加物公定書Ｆ使用基準 https://www.mhlw.go.[...]
_[21] 웹사이트 Black Oxide FAQ - EPI - Electrochemical Products, Inc http://www.epi.com/b[...]
_[22] 서적 無機化学培風館 1973
_[23] 서적 無機化学東京化学同人 1978
_[24] 논문 Discovery of the recoverable high-pressure iron oxide Fe4O5 2011-10
_[25] 논문 Synthesis of Fe5O6
_[26] 논문 Structural complexity of simple Fe2O3 at high pressures and temperatures
_[27] 논문 The crystal structures of Mg2Fe2C4O13, with tetrahedrally coordinated carbon, and Fe13O19, synthesized at deep mantle conditions
_[28] 논문 Interactions near the triple-phase boundaries metal/glass/air in planar solid oxide fuel cells 2017-02

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