[함께 읽는 과학도서] 천천히 곱씹으며 느리게 읽기 <지구의 짧은 역사> 2부

“ p.121 대기의 화학적 과정이 지구의 황 순환에 주된 역할을 하다가, 그 이후에는 중단되었음을 알려준다. pp.123~124 그러나 빛은 있지만 산소가 없다면, 다른 전자의 원천도 이용할 수 있게 된다. 수소 기체, 썩은 달걀 냄새를 풍기는 황화수소, 용액 상태의 철 이온 등이 그렇다. pp.125~126 당신과 나는 산소를 써서 유기분자를 분해하는 호흡을 하지만, 일부 세균은 황산이온이나 산화철 같은 화합물을 써서도 호흡할 수 있다. 즉 동물이 식물이 생산한 산소를 이용하는 호흡을 하여 유기분자를 다시 이산화탄소로 바꾸는 것처럼, 이런 세균은 광합성 세균이 황화수소, 용해된 철 같은 화합물에서 얻은 전자를 써서 생산한 분자를 무산소 호흡을 통해 분해한다. 이런 식으로 햇빛이 들지만 산소가 없는 환경에서 탄소 순환은 철 및 황의 순환과 연결된다. 그러니 지구의 유년기는 최초의 철기 시대였다고도 할 수 있다. 탄소 순환이 산소가 없는 강, 호수, 바다에서 철의 생물학적 순환과 긴밀하게 얽혀 있던 시대였다. ”

“ 이 당시의 철에는 탄소가 조금씩 들어 있었다. 연료로 쓰인 숯에서 나오는 탄소가 용광로에서 녹은 철광석과 섞였기 때문이다. 중국의 용광로에서 만들어진 무쇠는 탄소 함유량이 약 4%로 꽤 높은 편에 속했다. 기술자는 이 무쇠를 다른 용광로에서 다시 녹인 뒤 형틀에 부어 원하는 도구로 만들었다. 청동기를 제작할 때에는 그릇의 개수만큼 따로따로 주조해야 했지만, 철을 만들 때에는 여러 개의 형틀에 쇳물을 부어 한꺼번에 생산할 수 있었다. 탄소가 많이 들어 있는 철은 매우 단단해서 주조하기가 좋지만, 그만큼 부서지기도 쉬웠다. 게다가 일단 굳고 나면 망치로 구부리기가 힘들어서 원하는 모양을 만들기가 쉽지 않았다. 이런 경우, 녹인 철을 900~1000°C에서 하루나 이틀쯤 놓아두었다가 주조하면 한결 다루기가 쉬웠다. 녹은 철 속의 탄소가 산소와 결합하여 기체로 배출되기 때문이었다. 이런 방식으로 보습 같은 농기구를 제작하려면 주조가 끝난 뒤에 날을 더욱 날카롭게 매만져야 했다. ”

“ 진나라가 주도했던 제철 산업의 초기에는, 철광석과 목재가 풍부한 산에다 민간 업자가 대규모 막사를 세우고 제철 공장을 운영했다. 그러나 기원전 1세기 무렵, 한나라는 관리에게 주물 공장의 운영을 맡겨서 철 생산을 직접 통제하기 시작했다. 그리고 도시의 변두리에 용광로를 갖춘 철공소를 50군데쯤 세워서 철물을 제작·보급했다. 촌락의 대장장이는 용광로에서 나온 무쇠를 받아 탄소 함유량이 적은 단철(軟鐵)로 만들었다. 그리하여 끝을 날카롭게 벼리어야 하는 칼 같은 철물을 제작했다. 선철을 단철로 만들려면, 먼저 선철 덩어리를 부순 다음 가열하여 탄소 함유량을 0.1% 정도로 낮추어야 했다. 이렇게 단철로 강철을 만들었다. 강철은 유연하면서도 단단해서 검 같은 물건을 만들기에 알맞았다. 숯으로 단철을 가열하여 탄소 함유량을 다시 0.5~1.0%로 높이면 강철이 되었다. 고대 중국의 대장장이가 보유했던 핵심 기술이 바로 여기에 있었다. 강철을 불에 달군 다음 두드려서 늘인 후 다시 찬물에 넣는 담금질과 강철 심을 탄소 함유량이 서로 다른 두 강철 사이에 놓고 구부려 접착시키는 작업을 반복하여, 고품질의 검과 칼을 제조했던 것이다. ”

“ 철은 우리 사회의 뼈대이다. 다리와 건물을 짓고, 강화 콘크리트를 만들고, 자동차를 생산하고, 데이터센터를 건설한다. 인류는 이미 수천 년 전에 철로 도구와 장비를 만들었는데 그건 오늘날에도 마찬가지다. 고속철도가 다니는 철길, 시리콘 칩에 패턴을 식각하는 첨단기계의 프레임도 철로 만들어진다. 철만큼 강도, 내구성, 가용성을 모두 갖춘 유용한 금속은 없다. ....... 실제로 철은 어디에나 존재한다. 심지어 우리 몸을 흐르는 적혈구 속에도 있다. 지구의 핵을 구성하는 주요 원소이고, 지각을 구성하는 두 번째로 많은 원소이다(알루미늄이 지각의 8퍼센트, 철이 5퍼센트이다). 해마다 지표면을 파고 폭파해서 퍼올리는 물질들의 순위를 살펴보자. 모래와 자갈이 430억 톤, 석유와 가스가 81억 톤, 석탄이 77억 톤, 철광석이 31억 톤이다. 다른 물질과 마찬가지로, 철에 대한 욕구는 줄어들 기미를 보이지 않는다. 팬데믹 사태로 2020년에는 잠깐 하락했었으나 2021년 전 세계 철광석 생산량은 사상 최고치를 기록했다. ”

“ 철과 강철은 어떻게 다를까 대부분의 철은 강철steel로 가공된다. 강철이라는 이름이 붙긴 했지만, 본질적으로는 단순히 철의 여러 종류 중 하나일 뿐이다. 철의 종류를 판가름하는 단서는 탄소 함량이다. 철이라는 스펙트럼의 한 극단에는 주철cast iron 혹은 선철pig iron이 있다. 선철의 영문명 '피그 아이언'은 쇳물을 거푸집에 붓는 모양이 어미의 젖을 먹고 있는 새끼 돼지들을 닮아서 붙은 이름이다. 선철은 탄소 함량이 3~4퍼센트로, 부서지기 쉬운 금속이다. 철 스펙트럼의 반대쪽 극단에는 연철wrought iron이 있다. 연철은 망치로 두드려서 펼 수 있을 정도로 부드러운 성질을 갖고 있으며, 극소량의 탄소를 함유한 매우 순수한 금속이다. 선철과 연철의 중간에는 강철이 있다. 강철은 일반적으로 2퍼센트 미만의 탄소 함량을 보인다. 아조우스탈 제철소에서 생산하기도 했던 연강mild steel은 대부분 탄소 함량이 1퍼센트 미만이다. 이제 우리는 재료과학의 경이로움 덕분에 탄소 함량의 미세한 차이가 어떻게 그토록 커다란 차이를 만들어내는지 잘 안다. 강철의 경우, 탄소 원자들이 철 원자들 사이에 가지런히 자리 잡아서 단단하고도 요지부동인 격자를 만든다. 탄소가 너무 많으면 격자 구조가 불완전해서 금속이 쉽게 부서진다. 주철이 그런 경우다. 반대로 탄소가 너무 적으면 큰 저항 없이도 철 원자들이 서로 미끄러질 수 있다. 연철의 경우 그렇다. 일반적인 상식과 다르게, 철은 '거의' 순수해야지 '완전히' 순수해서는 안 된다. ”