원소기호 Fe, 원자번호 26, 원자량 55.847±3, 지각 중의 존재도 5.63%(4위), 안정핵종존재비 Fe=5.84%, Fe=91.68%, Fe=2.17%, Fe=0.31%, 녹는점 1,535℃, 끓는점 2,750℃, 액체의 비중 6.9(1,530℃), 고체의 비중 7.86(20℃), 전자배치 [Ar] 3 4, 주요 산화수 2, 3. 주기율표 8족에 속하는 철족 원소의 하나. 인류가 철을 사용하기 시작한 것은 B.C. 1500년경부터로 여겨진다.

철은 지각(地殼) 중에 가장 다량으로 존재하는 원소의 하나인데, 금속원소로는 알루미늄에 이어 제2위이다.

지구의 내부는 주로 철로 이루어져 있다고 추정되므로 지구 전체로 따지면 그 존재율이 매우 높다.

화학적으로 활성이어서 천연에 홑원소물질로서 존재하는 경우는 거의 없고, 산화물이나 탄산염의 형태로 광상(鑛床)을 이루어 산출된다.

주된 광석은 자철석(磁鐵石, FeO) · 적철석(赤鐵石, FeO) · 갈철석(褐鐵石, FeO · nHO) · 능철석(菱鐵石, FeCO) 등이다.

순수한 철은 특수한 용도로밖에 사용되지 않고 설용의 철은 철과 탄소의 합금이라고 할 수 있는 강(鋼)으로서 제조된다.

공업적인 제조는 두 공정으로 나누어 이루어진다.

먼저 배소(焙燒)한 철광석을 코크스 및 융제(融劑 ; 석회석 · 점토 등)와 함께 고로(高爐 ; 용광로)에 넣고 뜨거운 바람을 불어넣는다.

이 때 노내(爐內)의 반응은 복잡하지만 요점을 화학식으로 나타내면 다음과 같다.

· 일산화탄소의 생성

· 일산화탄소에 의한 환원(노상부, 500~800℃)

· 탄소에 의한 직접환원(노하부, 900~1,200℃)

유리된 철은 융해상태가 되어 노 바닥에 모이고, 광석 중의 규산 성분이나 불순물 등의 융제와 반응해서 슬래그가 되어 철 위에 모인다.

이 단계의 철이 선철(銑鐵)인데, 수 %의 탄소 외에 소량의 규소 · 인 · 황 등이 함유되어있다.

선철은 불순물을 함유하고 있어 단단하지 못하므로, 압연(壓延) · 단조(鍛造)를 할 수 없다.

석회 등을 첨가, 평로(平爐) · 전로(轉爐) · 전기로 속에서 1,500℃ 이상으로 가열 · 융해해 공기를 불어넣으면 탄소나 불순성분은 산화물이 되어 제거된다.

이 제강공정으로 탄소함유량이 1.7%에서 0.03%인 강이 된다.

탄소함유량이 적은 순철(純鐵)을 제조하는 방법에는, 철(II)염 수용액의 전기 분해(탄소 함유량 0.01~0.02%), 펜타카르보닐철의 열분해(0.005~0.0007%) 질산철이나 옥살산철의 열분해에 의한 고순도 산화철의 수소환원(0.0045%) 등이 있다.

〔성질〕 순철은 은백색의 금속이며, 비교적 연하고 상온에서 강자성(强磁性)을 나타낸다.

, , 의 3가지 결정변태가 있는데, 철에서 철로의 전이온도는 906℃(→는 898℃, 변태점이라 한다), 철에서 철로의 전이온도는 1,401℃(변태점)이다.

철은 체심입방(體心入方)구조이고 강자성이다.

769℃(변태점)에서 퀴리점을 갖고, 그 이상의 온도에서는 상자성(常磁性)으로 변한다.

철은 면심(面心)입방구조, 철은 체심입방 구조이고 모두 상자성이다.

철의 화학적 특징의 하나는 산소에 대한 화합력이 큰 점이며, 미세한 분말상태의 철은 자연발화성을 나타낸다.

괴상(槐狀)이나 판상(板狀)의 철은 상온의 건조한 공기 중에서는 변화하지 않지만, 습기가 있으면 점차 녹슬어 수화산화철(F · xO)로 변한다.

건조한 공기 중에서도 150℃ 이상으로 가열하면 산화하는데 이 때 생기는 것은 산화철(Ⅲ) 철(Ⅱ), 곧 사산화삼철(F)로, 이것은 철의 표면을 부동태(不動態)로 만든다.

철은 적열(赤熱)상태에서 수증기와 반응, 사산화삼철을 생성하고, 붉은 산에서는 수소를 발생하며 녹아 칠(Ⅱ)염이 되며, 진한 질산에서는 부동태가 된다.

붉은 알칼리에는 녹지 않으나 진한 수산화나트륨에는 고온에서 심하게 침해된다.

철은 화합물 속에서 통상 2 또는 3의 산화수를 취하는데, 유기금속화합물 등에서는 -2, -1, 0, +1등도 볼 수 있고 철산염 등에서는 4의 상태도 나타난다.

선(線)팽창계수 1.15×10/deg(0~100℃), 비열0.11cal/deg · g(0~100℃), 열전도율 0.10~0.15cal/cm · s · deg(상온), 융해열 64cal/g, 비저항(比抵抗) 9.8×10 · cm, 모스굳기 4.5이다.

〔용도〕 선철은 녹는점이 1,100~1,200℃로 비교적 낮아, 가열하면 연화(軟化)하지 않고 녹으므로 주물의 제작에 적합하다.

탄소함유량이 0.6~1.7%인 강은 탄성 · 강도가 모두 커서 단련도 가능하므로 담금질로 경화해 공구 등의 제작에 사용한다.

탄소함유량이 0.6% 이하인 강은 연철(鍊鐵)이라고 하는데, 연하고 강인해 쉽게 단련할 수 있으며, 기계기기의 제작, 건축 · 토목용의 강재, 기타 넓은 용도가 있다.

니켈 · 크롬 · 망간 · 코발트 · 텅스텐 등의 금속을 첨가하면 스테인리스강 · 내열강 · 공구강(工具鋼) · 스프링강 · 자석강 등 특수강이 된다.

탄소함유량이 아주 적은 순철은 트랜스의 철심 등에 사용된다.

〔인체와의 관계〕 인체에는 2~4g의 철이 함유되어 중요한 생리작용을 한다.

인체내 철의 1/2~2/3는혈중의 헤모글로빈에 함유되어 었고, 0.5~1.0g은 저장철(貯藏鐵)로서 간장 · 비장 · 골수에 존재 한다.

그밖에 혈장철(血漿鐵)로서 회전하는 것과 시토크롬 등 각종 효소성분으로서 전신에 존재하는 것이 있다.

① 철의 흡수 : 철의 흡수는 십이지장과 소장의 상부에서 이루어진다.

음식물로 섭취되는 철에는 2가철(Fe)과 3가철(Fe)이 있는데 Fe쪽이 Fe보다 잘 흡수된다.

Fe로서 섭취된 철은 위내의 염산에 의해 환원되어 일부가Fe 바뀌며, 아스코르브산(비타민 C) 등 환원작용이 있는 물질에 의해서도 Fe로 변화된다.

철의 흡수를 저해하는 물질에는 피틴 · 타닌 및 과잉의 인 등이 있다.

이들 물질은 철과결합해 흡수를 저하시킨다.

철의 흡수과정에서 특징적인 것은 그것이 신체의 요구량에 따라 변한다는 점이다.

인체내에 철이 부족한 상태일 때는 흡수율이 높아지고, 철이 충분히 있거나 음식물 속에 다량의 철분이 함유되어 있을 때는 흡수율이 낮아진다.

② 생리작용 : 철의 주된 생리작용은 산화환원작용이다.

철은 체내에서 Fe에서 Fe로. 또한 그 반대로 변화하는데 이 때의 산화나 환원이 생리작용으로 되어있다.

예컨대 혈중의 헤모글로빈은 산소를 몸의 구석구석까지 운반하는데 이 때 헤모글로빈은 철과 산소가 결합된 형태(철이 산화된 상태)이다.

③ 소요량과 결핍증 : 철의 소요량은 성인 기준으로 1일 10~12mg이다.

생리가 있는 여성은 남성이나 생리가 없는 여성보다 1일 2mg 정도 더 많은 양이 소요된다.

철의 1일 배설량은 1~2mg 정도이다. 임신한 여성, 아기에게 젖을 먹이는 여성은 기준량보다 8mg쯤 더 많이 섭취할 필요가 있다.

④ 식사와 철 : 식품 중에 함유된 철에는 헴철(헤모글로빈과 미오글로빈 등의 헴단백질 형태의 것)과 비(非)헴철이 있다.

헴철은 간이나 육류 · 어류에 함유되어 있고 흡수율이 좋다.

시금치 · 브로콜리 등의 녹황색 채소, 달갈노른자위, 유제품(乳製品)에도 많은 철이 함유되어 있지만 비헴철이어서 흡수율이 떨어진다.

따라서 비타민 C와 육류를 함께 섭취하는 등 흡수효율을 높일 필요가 있다.

〔철의 기술사(技術史)〕 철은 인류의 기술사에서 구리보다 훨씬 늦게 나타났다.

R. F. 타일코트의 《야금(冶金)의 역사》(1979)에는 다음과 같이 적고 있다.

「구리의 제련은 아나톨리아(현재의 터키) 혹은 이란에서 B.C. 6000년경에 발전해, 거기서부터 동서로 퍼져 영국 및 중국에는 B.C. 2000년경에 전해졌다.

한편 철기시대는 B.C. 1500~B.C. 1000년경 역시 아나톨리아에서 개시되어 B.C. 800년경에 유럽에 전해짐으로써 할슈타트 문화(철의 문화)를 이루었다.

중국에는 B.C. 400년경에 전해졌다.」

철은 소아시아 이서(以西), 특히 유럽에서는 중세까지 오랫동안 연철, 곧 반용융의 점성상태의 철로서 제조되었으며 용융 선철(주철)에 대해서는 거의 알려져 있지 않았다.

그러나 중국에서는 이미 기원전부터 용융선철을 제조, 농기구 등을 주조했다.

유럽에서는 14, 15세기에 수차송풍(水車送風)에 의 한 고로법이 출현하고 나서 용융선철을 제조할 수 있게 되었다.

연철과 선철의 차이와 그것이 구분되어 생성되는 과정은 다음과 같다.

제철로의 노내 온도가 높지 않으면, 철광석이 환원되어 만들어지는 철은 탄소를 조금밖에 흡수할 수 없다.

탄소가 적은 철은 녹는점이 높아, 연화(軟化) 해서 점성이 있는 철은 될 수 있지만 용융상태로 되지는 않는다.

이 철에서 철광석의 맥석(脈石) 부분이 녹아 분리된 것이 연철이다.

반대로 노내 온도가 높으면 환원철의 탄소 흡수가 촉진된다.

탄소가 많은 철은 녹는점이 낮아 용융상태가 되어 노에서 흘러나오는데 이것이 선철이다.

수차송풍에 의한 고로는 높은 노내 온도를 가능하게 한 것으로 고로법이 출현하기까지는 중국을 비롯한 동아시아를 제외하고는 연철만 사용되어 왔다.

연철 가운데서 탄소의 함유량이 비교적 높은 것은 이전부터 강(鋼)이라 하고, 다른 것은 단순히 철이라고 구분해 왔다.

고대의 야금사를 보면 철에 탄소를 흡수시켜 강으로 바꾸는 시멘테이션(침투법)의 기술도 개발되었다.

16세기에 이르러 유럽의 라인강 중류 지역에서 고로가 출현했고, 그것이 영국 · 프랑스 · 스위스 등 여러 나라에 전해져 구미의 제철기술이 발달하게 되었으며, 제철 기술의 발달은 그들의 세계지배와 때를 같이하고 있다.

그 때까지 철광석으로 직접 만들었던 연철과 같은 가연성(可燃性)의 철을, 정련로에서 고로의 선철을 용해탈탄(脫炭)해 만들게 됨에 따라 제철은 직접법에서 간접법으로, 1단계법에서 2단계법으로 이행되었다.

고로→정련→노→해머라는 과정의 새로운 제철법으로 철의 대량생산이 가능하게 되었다.

18세기에 이르면 그 때까지 목탄을 연료로 하던 제철에서 석탄을 연료로 하는 제철로의 전환이 이루어지는데, 이것은 산업혁명기의 영국에서 비롯되었다.

이로써 「철의 시대」가 시작된 것이다.

영국을 기점으로 1855년의 H. 베서머의 전로법, 64년의 H. W. 지멘스와 P. E. 마르탱의 평로법, 78년의 S. G. 토머스의 염기성 제강법 등에 의해 용융강을 선철에서 대량생산하는 등 제철의 대혁명이 이루어졌다.

녹지 않는 연철, 녹는 강의 구별이 없어지고 이른바 용강시대(溶鋼時代), 즉 「강의 시대」가 시작된 것이다.

그로부터 제선(고로) · 제강(주로 및 평로) · 압연의 근대 제철방식이 확립되어 철의 생산이 비약적으로 증대했으며, 전기로에 의한 합금강의 제조도 등장했다.

1951년 오스트리아에서 발표된 LD법이라는 순(純)산소전로법이 세계적으로 급속히 보급되어, 공기에 의한 전로법과 평로법은 쇠퇴하기에 이르렀다.

고로 출현 이래 모습을 감추었던 직접법을 부활시켜 연철을 제조하고 이것을 전기로로 용해하는, 즉 고로가 필요 없는 제철법의 시도도 활발히 이루어지고 있다.