[Summer Steel School 2교시] 과포자(과학 포기자)를 위한 철든 과학 수업

<Summer Steel School> 시간이 돌아왔습니다. 다들 방학 알차게 보내고 있나요?

지난 1교시에 예고한 대로 오늘은 과학 수업을 할 건데요. 과학에 흥미를 잃거나 관심이 없는 과포자(과학 포기자) 학생들을 위해 목정완 과학커뮤니케이터가 일일 선생님이 되어 철이 어떻게 만들어지는지 쉽게 설명해주실 거예요. 자, 어떤 내용이 기다리고 있을지 기대되죠? 목정완 선생님의 이야기를 지금부터 들어볼까요?

여러분 안녕하세요! 과학을 쉽고 재미있게 전달하는 과학커뮤니케이터 목정완입니다.
<Summer Steel School>을 통해 여러분과 만나게 되어 반갑습니다.
오늘은 우리 주변에 많은 철이 과연 어떻게 만들어지는지 과학적으로 재미있게 파헤쳐보려고 해요.
자, 그럼 시작해볼까요?

[알아보기] 철, 무엇으로 어떻게 만들어질까?

여러분이 앉아있는 의자, 주머니에 들어 있는 스마트폰 등, 사실 철(Fe)이 들어있지 않은 물건을 찾는 것이 훨씬 어려울 거예요. 심지어 철은 지금 이 순간에도 우리 몸에 돌고 있는 혈액 안에서 산소를 운반하고 저장하는 역할도 하고 있답니다. 우리 원소주기율표를 한번 볼까요?

▲ 고등학교 화학1 (미래엔) p.84, 85

고등학교 화학1 교과서(미래엔)의 주기율표를 볼게요. 철은 주기율표에서 26번째에 있는 원자번호 26번의 원소로, 기호로는 ‘Fe’라고 표기해요. 라틴어로 철을 ‘ferrum(페럼)’이라 하는데 원소기호 ‘Fe’는 바로 여기서 나왔습니다. 우리가 살고 있는 지구의 무게를 재면 약 35%를 철이 차지하고 있다고 하는데요, 지구의 중심인 핵 역시 녹아있는 철로 이루어져 있습니다.

이렇듯 우리가 사는 지구를 구성하는 중요한 원소인 철은 우리가 일상 생활에서 사용하는 금속의 95% 이상을 차지하고 있기도 해서 없어서는 안되는 필수 원소 중에 하나입니다. 우리가 매 순간 사용하고 있는 철! 처음부터 이 모습은 아니었겠죠? 그 기원을 찾아 오르고 올라가다 보면 밑의 사진과 같이 투박한 모습의 ‘철광석’까지 다다르게 됩니다. 우리가 항상 봐오던 매끈한 철과는 많이 다르게 생겼죠?

▲ Photo © Richard Webb

이 철광석을 바로 쓰기에는 모양도 투박하고, 무엇보다도 철 이외의 불순물들이 너무 많이 들어있기 때문에 그대로 사용할 수 없는데요. 여기서 용광로가 등장하게 됩니다! 우리가 교과서나 TV 등을 통해서 많이 접했던 빨간 쇳물을 만들어내는 것이 바로 용광로예요. 겉에서 볼 때는 그냥 뜨겁게 열을 가해서 쇠를 녹여내는 것 같지만 안을 들여다보면 정교한 장치들이 숨겨져 있어요.

▲ 고등학교 통합과학 (미래엔) p.176

고등학교 통합과학(미래엔) 교과서를 살펴볼까요? 철광석은 용광로에 바로 들어가는 것이 아니라, 용광로에 넣기 좋게 다듬는 과정을 거쳐요. 다듬어진 철광석과 연료로 사용될 코크스는 용광로 안으로 들어가서 차곡차곡 쌓이는데요. 마치 샌드위치를 만들 때처럼 한 겹 한 겹 번갈아 가며 쌓여 무려 ‘40~50층’까지 이룬다는 사실! 이렇게 철광석과 코크스를 잘 쌓이는 사이 용광로 아래에서 아주 강한 열풍을 불어 넣어요.

그런데 이 열풍에 들어 있는 산소(O₂)가 코크스(C)와 반응을 하면서 다시 한번 열을 방출하게 되는데요. 이 과정을 통해서 용광로 내부 온도는 마그마보다도 훨씬 뜨거워져요. 최대 2,300℃ 까지도 올라가게 된답니다.

▲ 고등학교 화학1 (미래엔) p.180

고등학교 화학1(미래엔) 시간에 배우는 것처럼, 철광석은 자연상태에서 철이 산소와 결합해 있는 산화철(Fe₂O₃)의 형태가 되고, 이 산화철이 산소와 코크스의 반응물인 일산화탄소(CO)와 만나면서 산소를 떼어내고 순수한 철(Fe) 상태가 됩니다. 이렇게 순수해진 철은 녹아서 용광로 밑으로 떨어지게 되는데, 요 녀석들이 바로 우리가 많이 봐온 시뻘건 쇳물이에요.

그런데 용광로는 이렇게 세밀하고 다양한 과정들이 동시에 일어나는 장소이기 때문에, 주기적으로 점검을 해줘야 해요. 그러기 위해서는 용광로에 뜨거운 열풍을 넣어주던 것을 잠시 쉬는 과정(휴풍)이 필요합니다. 휴풍을 하게 되면, 늘 바람이 계속 들어오기 때문에 높아졌던 용광로 내부의 압력이 낮아지는 상황이 생기게 됩니다.

용광로의 윗부분에는 철광석, 코크스 등이 반응하면서 생기는 다양한 가스들이 있게 되는데, 내부 압력이 낮아지면 용광로 밖에서 안으로 공기가 유입될 가능성이 커져요. 그러면 자칫 폭발이 일어날 수 있게 되기 때문에 수증기 등을 넣어서 압력을 높게 유지하게 됩니다. 그런 과정에서 일정한 압력을 유지하기 위해 블리더(bleeder)라는 밸브를 열어서 5분가량 내부 가스들을 내보내기도 하는데요. 이때 배출되는 기체의 양은 사실상 미미해서 자동차 십여 대가 하루 운행하는 정도라고 하니, 용광로 근로자분들의 안전을 생각한다면 꼭 필요한 과정이라고 할 수 있겠죠?

[심화학습] 일상 속의 철

그렇다면 용광로에서 만들어진 철이 곧바로 우리의 일상생활에 쓰이게 되는 걸까요? 우리 주변에서 쉽게 볼 수 있는 철사나 철근, 포크는 다 철로 만들어졌는데, 모양도 색깔도 그리고 강한 정도도 서로 다르지 않나요? 철광석에서 쇳물로 재탄생한 후, 철이 우리 손에 들어오기 전까지 뭔가 특별한 일들이 벌어지는 것이 분명합니다. 제가 직접 그 비밀을 파헤쳐 볼게요!

보통 ‘철’이라고 하면 순수한 철(Fe)을 떠올리게 되는데요. 사실 100% 순수한 철은 만들기도 굉장히 어려울 뿐 아니라, 다양한 용도로 사용되기가 어렵습니다. 순수한 철은 우리가 일반적으로 생각하는 철에 비해서 훨씬 물러서 위의 그림처럼 옆으로 밀거나 하는 힘에 약하거든요. 그래서 철 원자들 사이사이에 탄소를 넣어서 단단하게 만들거나 또 다른 금속들을 섞어서 합금을 만들어 사용하곤 합니다.

여러 금속을 철과 함께 섞으면 본래 철이 지니지 못했던 여러 특성이 새롭게 생기기도 하는데요. 그렇다면 우리는 철과 어떤 성분을 섞어 합금을 만들어 사용하고 있을까요?

▲ 중학교 과학3 (동아출판) p.78(왼) / p.277(오)

합금의 대표적인 예가 스테인리스강이에요. 스테인리스강은 철(Fe)에 니켈(Ni)이나 크롬(Cr)을 섞어서 만들어요. 중학교 3학년 과학 시간에 배우는 것처럼 철이 가지고 있는 단점 중 하나가 쉽게 녹이 슨다는 것인데요. 이 단점을 보완하기 위해서 철에 니켈이나 크롬을 섞으면 바깥쪽 표면에 보호막(산화막)이 생겨서 내부로 녹이 침투하지 않도록 막아주게 된답니다.

스테인리스강처럼 보호막이 없으면 철은 녹이 슬 수밖에 없는데요. 철은 녹이 슬어도 원래의 품질과 특성 그대로 100% 다시 태어날 수 있어요. 그래서 철은 세계에서 가장 많이 재활용되는 친환경소재랍니다. (‘포스코는 에코 드라이버’ 카드뉴스 보기)

<교과서 밖 이야기> 더 단단한 철 만들기!

중세 시대가 배경인 영화나 드라마에서 대장장이가 쇠를 두들기는 장면, 본 적 있죠? 그런데 그건 왜 하는 걸까요? 새로운 금속을 섞어서 합금을 만드는 것 같지도 않은데 말이에요. 사실 합금을 만드는 것 말고도 철이 가진 특성을 바꿔줄 수 있는 방법이 있는데요! 여러분이 영화에서 봤던 담금질도 그중 하나입니다.

▲ 왼쪽은 눈의 결정, 오른쪽은 철의 결정이에요. 쇳물에서 쇠로 굳어지는 과정에서 눈에 보이지 않는 수많은 결정이 생긴답니다.

물이 얼어붙는 것을 상상해볼까요? 물은 왼쪽 사진처럼 아름다운 결정을 만들면서 얼곤 합니다. 온도 그리고 습도에 따라서 결정의 모양과 크기는 다 달라져요. 철의 경우도 비슷합니다. 쇳물에서 쇠로 굳어지는 과정에서 눈에 보이지 않는 수많은 결정이 생기게 되는데요. 이 결정의 모양에 따라서 철의 성질이 달라집니다. 오른쪽 사진처럼 동글동글한 모습의 철은 상대적으로 강하지가 않은데요. 이 철이 높은 강도를 갖게 하기 위해서 쇠망치로 두들기며 담금질을 하는 거예요.

포스코 제철소에서는 망치 대신 큰 롤러들을 이용해서 강한 힘으로 균일하게 철을 밀어주어서 더 높은 품질의 철강 제품들을 만들어내게 됩니다. 이 과정을 압연과정이라고 해요.

자, 지금까지 저와 함께 우리가 매일 사용하는 철이 어떻게 만들어지는지에 대해서 쭉 알아보았어요. 철이 내 곁에 오기까지 이렇게 많은 과정들을 겪고 들어 왔다니 왠지 짠한 마음이 들기도 하는데요. 철은 한 곁에서 묵묵히 애써주는 철에게 고마운 마음을 가져보는 것은 어떨까요?

오늘 준비한 수업은 여기까지입니다. 조만간 저 목정완 과학커뮤니케이터가 새롭고 더욱 재미있는 콘텐츠들로 포스코 뉴스룸에 다시 찾아 올게요. 그럼, 다음에 또 만나요!

목정완 선생님과 함께한 <Summer Steel School> 2교시, 재미 있었나요? 과학 교과서에 나온 내용을 살펴보며 철에 대해 배우는 알찬 시간이었던 것 같은데요! 다음에 이어질 3교시에는 1교시, 2교시에 살펴봤던 내용을 실제로 체험할 수 있는 곳을 소개해드리려고 합니다. 여러분의 즐거운 여름방학을 위해 앞으로도 <Summer Steel School>은 쭉 이어질 테니, 많은 기대 부탁드려요~!