철(Fe), 필수불가결 : 추출 과정, 산업 적용, 우리 몸에서 역할

강철 파이프

 

 오늘은 철 원소의 세계로 떠나 보려고 합니다. 지구에서 가장 흔한 금속 중 하나이고 가격이 저렴한 원자번호 26인 철은 인간에게서 떼 놓을 수 없는 물질입니다. 철의 추출 과정과 산업에서의 활용, 그리고 우리 몸에서의 역할을 알아보겠습니다.

 

철의 추출 과정

 철은 지각에서 주로 헤마타이트(Fe2O3)와 마그네타이트(Fe3O4)라는 철광석의 형태로 존재하며, 전 세계에 퍼져있습니다. 지질학자들은 철광석이 풍부한 매장량의 위치를 찾기 위해 위성사진 관측, 지상 조사 등 다양한 기술을 활용합니다. 그다음, 많은 양의 철광석을 추출하기 위해 노천 채굴이나 지하 채굴 작업을 진행하는데 굴삭기와 운반 트럭을 포함한 중장비가 필요합니다. 여기서 가공 공장으로 추출된 광석을 운송한 후에는 제련 공정을 거치게 됩니다. 제련은 철을 추출하는 핵심 공정인데, 철광석에서 불순물을 제거하고 사용 가능한 형태로 변환합니다. 광석을 분쇄하고 세척한 후 자성을 이용해 분리하여 철 성분을 농축합니다. 철 농축물에 섭씨 약 1,800도의 고온을 가하면, 철은 고체에서 액체 상태로 상전이를 겪고 용광로 바닥에는 불순물에서 분리된 순수한 쇳물만이 남습니다. 다만, 이렇게 뽑아낸 순수한 철은 그대로 사용되지 못합니다. 마지막으로 정제 공정을 거쳐야 비로소 산업에서 사용할 수 있습니다. 정제는 베세머 공정과 노심 공정 두 가지 주요 방법이 있습니다. 둘 다 철을 가열하고 탄소, 실리콘 및 망간과 같은 불순물을 태워 없애기 위해 적당량의 산소를 주입하는 걸 포함하는 방식입니다. 이 정제를 거쳐서 건설, 제조 및 다양한 기술 혁신에 사용되는 철인 강철이 완성됩니다.

 

철의 산업 적용

 철이 산업에서 널리 사용되는 주요한 이유 중 하나는 놀라운 구조적 복원력에 있습니다. 탄소와 결합된 강철이 되면, 철은 강화된 강도와 내구성을 얻는데, 이러한 변화는 철을 압축과 인장 모두에서 엄청난 압력을 견딜 수 있는 최고의 물질로 만들어 줍니다. 그래서 건설의 중추가 되었으며, 건축물, 교각 및 다양한 기반 시설 프로젝트의 골격을 담당하고 있습니다. 그리고 야금 분야에서 철의 능력은 산업적 성공에 기여하는 또 다른 핵심 요소입니다. 현대의 야금 기술은 불순물과 합금 원소를 정밀하게 제어하면서 고품질의 철과 강철을 생산할 수 있게 합니다. 이 야금 기술은 자동차 제조에서 우주 항공에 이르기까지 산업의 다양한 수요를 충족시키면서 원하는 특성을 가진 맞춤형 재료의 생성을 가능하게 합니다. 또한, 철은 다른 원소와 쉽게 합금할 수 있기 때문에 그 응용 분야가 넓고, 고급 재료 개발의 초석으로 쓰일 수 있습니다. 게다가, 철의 자기적 특성은 전자기학 분야에서 철의 가능성을 보여줍니다. 전기 모터와 발전기에서는 철에 전선의 코일을 감습니다. 이렇게 철이 만드는 자기장은 장치의 효율을 향상해 전기 에너지를 기계적인 힘으로 변환합니다. 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 또한 변압기에는 철의 자기적인 특성을 이용하여 다양한 전압 레벨에서 전력을 효율적으로 전달할 수 있습니다. 이렇게 산업에서 광범위하게 사용되는 철은 다양한 분야에서 요구하는 특성을 만족하는 핵심이라고 할 수 있습니다. 

 

우리 몸에서 철의 역할

 철은 우리 몸에서 혈액의 산소를 운반하는 단백질인 헤모글로빈의 생성에 관여합니다. 철은 헤모글로빈의 중심으로, 폐에 있는 산소 분자와 결합하여 몸의 조직과 기관으로 운반합니다. 이 산소 운반은 세포가 산소와 영양분을 에너지로 전환시키는 세포 호흡에 필수적입니다. 철이 없다면, 산소 전달이 불가능하여, 생명을 유지하는 데 필수적인 에너지 생산을 위태롭게 할 것입니다. 또한, 철은 산소 운반 이외에도 세포 환경으로 영향력을 확장합니다. 철은 세포의 주요 에너지원인 아데노신 삼인산(ATP) 생성에 중요한 전자 운반 체인에 참여합니다. 이 과정은 미토콘드리아 내에서 일어나는데, 여기서 철을 함유한 효소가 전자의 전달을 유도하여 ATP 합성을 촉진시킵니다. 이렇게 철은 세포 기능과 생명을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. 그리고 우리 면역계의 파수꾼 역할에도 철이 빠질 수 없습니다. 앞서 언급했듯이, 철은 면역세포의 성장과 증식에 필수적인 요소이지만 우리 몸은 병원균의 침입을 막기 위해 철의 통제하기도 합니다. 만약 감염이 되면, 미생물의 철을 전략적으로 억제하면서, 미생물이 효과적으로 복제하지 못하도록 막습니다. 침입자의 철에 대한 접근을 막고, 동시에 면역세포의 기능을 지원하는 이중적인 역할을 통해 철이 우리 몸의 방어 체계 내에서 활동하는 방식을 보여줍니다. 그리고 최근 연구 결과에 따르면 철이 인지 기능에 영향을 미쳐, 건강한 뇌를 유지하기 위해 철이 필수적이라고 합니다. 철 결핍은 인지 장애를 유발할 수 있고 기억력, 주의력, 그리고 전반적인 정신 능력에 영향을 미칠 수 있습니다. 철은 신경 전달 물질 합성의 필수적인 요소로서, 신경 세포들 사이의 원활한 의사소통을 가능하게 합니다.