2015년 9월 18일 금요일

광물과 문명의 진화4; 철

청동에 이어 철의 등장은 문명의 진화에 가속도를 붙게한 인류의 생로운 이정표였다.철이란
소재가 없다면 현대 문명 조차 생각할 수 없다.철은 지구 지각에서 산소,규소,알미늄에 이어 흔한 원소이자 지구 중심의 내핵도 철로 이루어져 있다.그러나 금이나 구리와는 달리 원소철은 아주 드물다.이렇게 유용한 철이란 원소를 선사시대 장인들이 어떻게 찾아내게 되었고 더 나아가 이 우주에 어떻게 등장하게 되었는지 그 태생의 비밀도 함께 풀어 가 보기로 하자.


철의 탄생

137억년전 소위 빅뱅[big bang]이라 불리는 이해할 수 없는 특이한 사건을 통해 우리의 우주는 시작되었다.
사이언스2.0에서.빅뱅이미지
원자가 생겨나고 수소,헬륨을 비롯, 원소라는 가벼운 경원소들이 태어나
우주로 퍼져나가게 되었고 시간이 지나면서 이들이 뭉쳐져 별들이 태어났다.이들 별중에서도 태양보다도 월등히 큰 별들은 내부의 초 고온 고압 환경에서 핵 융합이라는 불이 붙게 되어 최초의 수소가 헬륨으로,수소가 소진되면 헬륨이 핵 융합 원료가 되어 리튬으로
이 같은 핵 융합이 지속되어  원자번호 26인 무거운 철이 생겨나면서 더 이상 핵 융합이 불가능해  별의 운명도 끝이 나게 되었다.철은 거대한 별의 마지막 종착역이자 그 재인 셈이다.3세대 별인 태양 정도의 별 규모로는 철을 만들어 낼 수 없다.거대 별의 마지막 단계인 철이란 재가 되면 초신성[super nova]이라는 대폭발을 통해 초기 원소를 비롯 철은 우주로 다시 퍼져 나가게 되고 이 단계에서 상상할 수 없는 고온과 압력으로 철 보다 더 무거운 중 원소들도 만들어져이 우주를 훨씬 더 다양한 물질 원소로 채웠다.
캡션 daily galaxy news에서.supernova이미지
이 새롭고 다양한 소재를 바탕으로 태양,지구를 비롯한 행성,소행성,혜성등 형제들이 함께 태어나게 되었다.


슈퍼 소재 철의 발견 일기


어느시대를 막론하고 인간의 역사에서 전쟁은 피 할 수 없는 숙명이다.인간의 역사는 도구 발명의 역사이자 재료 발명의 역사라 했다.전쟁의 승패를 결정할 수 있는 중요한 요소가 바로 무기의 수준이다.오늘 날에도 첨단 무기 개발에 국가마다 매달리고 ,국력을 쏟아 붓고 있는 데 ,강자 독식의 옛 시대에서는 강력한 무기 개발에 대한 동기는 대단했을 것이다.
이런 첨단 무기를 위한 소재 개발이 무기 뿐 아니라 문명의 진화에 기여했을 것이다.이미 구리,청동이란 소재를 광석에서 얻을 수 있는 기술을 확보한 장인들은 더 강력하고 풍부한 소재를 찾아 수 없는 시행착오를 거쳤을 것이다.이 과정에 어느 돌 보다도 단단하고 무거운 검은 색 돌 덩어리를 발견하여 두드려 보고 어떻게 해 보려했지만, 여의치 않자 그 동안의 경험을 살려 불을 이용 담금질 하는 과정에서 이용법을 터득하게 되었을 것이다.아마 이 검은 색 단단한 돌 덩어리는 철 운석이었을 것이다.
철 운석으로 빚어 낸 칼등의 무기는 기존의 구리나 청동제 무기와는 비교가 되지 않을 정도의 강력한 무기였을 것이다.실제 순수한 철의 경도는 그 다지 높지 않으나 철과 니켈이 혼재되고 대기권 통과시 고온 열처리된 운석철은 그 어떤 철 합금 보다 더 강할 수 밖에 없다.선사 시대에는 지금 보다는 비교적 많았겠지만,
철 운석은 흔한 것이 아니다.지상에 도달하는 운석중 겨우 5%에 지나지 않으니, 더 이상 자연의 철 운석으로 그 수요를 감당할 수 없게 되어 이전의 금속 재료인 구리,주석,아연,등에서 경험한 탐광,제련,야금 기술을 바탕으로 선사 대장쟁이 장인들은 드디어 철광석을 찾아내고 여기서 철을 뽑아내는 제철법을 익히게 되었을 것이다.이 제철법을 익힌 대장쟁이 장인들은 오늘 날의 기술자 보다는 비교도 안될 정도로 부와 권력도 거머쥔 대단한 실세였을 것이다.


철은 변신이 가능한 재주꾼

 오늘 날에도 여러 분야에 가장 널리 사용되는 금속 소재는 단연 철이다.건축물의 구조재로,
교량의 구조재,비행기를 제외한  각종 운송 수단 즉 선박,기차,승용차의 기본 소재로 산업용은 물론 일상 생활 용품에서도 단연코 가장 많이 사용되는 소재다. 값이 싸고 풍부한 소재이기 때문이기도 하지만 그 특성이 탁월한 소재이기 때문이다.충격에도 강하고 ,주조성도 좋고 박판,후판 ,철사,빔등 어떤 형태의 용도이든 잘 소화해 내는 재료이다.단지 문제라면 쉽게 녹이 쓰는 문제와 타 금속 소재에 비해 무겁다는 정도이다.그래서 무게가 중요한 비행기 소재로는 애초 부터 제외 되었다.원소 기호 26인 철은 화학적으로 안정적 전자수인 18을 넘는 8개의 전자 주개 원소인 데,8개를 동시에 받아 줄 전자 받개 원소는 없어,오히려 무척 융통성이 많은 원소이다.그래서 전자 2개를 내어 주고 +2Fe 이온이나,3개를 내어 주고 +3Fe이온으로 다양한 원소와 결합할 수 있기 때문이다.지각에서는 자연철은 귀하지만 타 원소와는 달리 금속 결합이 쉽게될 수 있는 장점을 갖고 있기 때문에 ,지구 내부 핵중 외핵은 액체 철로 되었고 내핵은 고체 철로 될 수 있었다.[금속화된 철은 무겁기 때문에 내부로 가라 앉게 되었다.].순수철은 단단하지 않고 녹도 잘 쓸지만 다양한 원소와의 합금으로 이런 결점들을 다 해결할 수 있다.제철 과정에서[코크스 나 숯].탄소의 함량 조절을 통해 다양한 특성으로 변화 시킬 수 있고.또 열처리 방법에 의해 그 강도도 조절할 수 있어 공구나 칼등 내구성을 요구하는 소재로도 변신 할 수 있다.단지 최대 약점인 산화에 의한 녹 발생은 구리나 알미늄등은 산화가 되어 막이 형성되면 더 치밀한 보호막이 형성되어 더 이상의 부식이 일어나는 것을 막아 주는 데 비해 ,철은 산화되면 그 산화물 자체의 부피가 원소재인 철 보다 커져 보호막 역활을 하지 못하고 본 소지에서 벗겨져 나가  지속적으로 산화가 계속되는 문제가 있다.그러나 이런 문제 역시 니켈등과의 합금으로 스테인레스강이라는 녹 쓸지 않는 소재로 변신도 할 수 있다.한 마디로 상황에 맞춰 변신이 가능한 재주꾼이다.


다양한 모습의 철 내포 광물들


1.침철석[goethite]
침상결정이 방사형으로 구를 이룬 것.민자연사 소장

표면에 무지개색 훈색 표본.민자연사 소장

2.적철석[hematite]
자철석이 적철석으로 치환.민자연사소장

어란상.민자연사 소장

적철석이 내포된 자수정[붉은색은 내포된 적철석 때문].민자연사 소장

3.황철석[pyrite];일명 fool's gold
황철석위에 수정 결정.민자연사 소장

황철석으로 치환된 암모나이트 화석.민자연사 소장

4.능철석[siderite]
인회석과 공생한 능철석.민자연사 소장

능철석 볼.민자연사 소장

위 사진으로 소개한 몇 가지 외에도 보석 처럼 아름다운 철 내포 광물도 있고 철이 내포된 광물의 모습은 ,변신의 재주꾼 덕택에 다양한 쓰임새에 못지 않게 정말 다양하다.
이번 글로서 광물과 문명의 진화 시리즈는 끝을 맺는다.









댓글 4개 :


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