철 수세미는 왜 녹슬지 않아요?
스테인리스강과 철의 부식 방지 방법
아이들과 함께 주말 아침에 집밥을 해서 먹고 나서 아이들과 같이 설거지를 하는 어느날 이었다. 냄비 표면이 시커멓게 타서 철 수세미를 이용해서 탄 부분을 제거하려고 했다. 이때, 우성이가 내게 질문을 했다.
“아빠, 그 수세미는 철로 만들었어요?”
“네, 맞아요. 철 수세미라고 해요.”
“아빠, 그런데 이 철 수세미는 왜 녹슬지 않았어요?”
“음…?”
그랬다. 주방에서 설거지하면서 이제껏 철 수세미를 사용해왔지만, 나는 왜 철 수세미가 녹슬지 않는지 생각한 적이 없었다. 그저 설거지를 빨리 마치는 것만 해야 한다 생각했었다. 그래도 아이의 질문에 대답을 해줘야하니 알고 있는 지식을 끄집어 내보았다.
“우성아, 이 철 수세미는 일반적으로 알고 있는 철로 만들어진 것이 아니에요. 이것은 스테인리스 금속으로 만들어져서 녹슬지 않아요.”
“아빠, 스테인리스는 어떻게 녹슬지 않는 것이에요?”
주방에 있는 다양한 스테인리스강정말로 아이들은 내가 알지 못하는 지식과 정보를 물어볼 때가 90% 이상이다. 아니 99%인것 같다. 그럴 때면 ‘대체 나는 30년이 넘는 시간 동안 무엇을 배웠단 말인가?’라는 생각이 들곤 했다. 처음 아이의 이런 질문은 나를 힘들게 만들었다.
하지만 차근차근 아이의 질문에 대답을 해주려고 마음먹고 모르는 것은 모른다고 아는 것은 정확하게 알려주고자 노력을 해왔다. 모르는 것은 책을 찾거나 정보 검색을 통해서 공부하고 다시 아이에게 알려주면서 나 역시 배우고 있다.
여기서 무너질 수 없었다. 아빠가 알고 있는 것을 최대한 끄집어 내보기로 하고 다시 이야기를 이어갔다.
“스테인리스라는 금속은 철이라는 물질에 다른 금속을 섞어서 녹슬지 않게 만드는 합금이에요.”
“합금이라고요? 아! 더할 합에 금속의 금이라는 한자 맞아요? 그럼 어떤 금속을 합친 것이에요?”
“아... 아빠가 알기로는 철에 크롬이라는 금속을 넣은 것으로 아는데, 정확하지는 않아요. 아빠가 한번 확인해볼게요.”
정확하게 알고 있지 않아서 일단 그 순간을 넘어갔다.
“철은 잘 깨지지 않고 강하잖아요. 하지만 철은 산소와 물을 만나면 산화되어 문제가 있어서 오랫동안 사용할 수 없어요. 그래서 녹슬지 않게 부식에 강한 금속인 크롬을 섞어서 크롬이 철의 부식을 방지해 주는 것이에요.”
그렇게 설명을 해주면서 주변의 스테인리스 만들어진 도구를 알려주었고 우리의 호기심 대화는 계속되었다. 그리고 철이 부식하는 원리가 나온 책을 찾아서 함께 읽어보면서 어떻게 부식이 발생하고 방지할 수 있는지 알아보았다.
■ 지식탐구 심화
스테인리스강으로 만들어지 냄비스테인리스강은 어떻게 부식이 되지 않을까?
우리가 흔히 말하는 ‘스뎅’이라고 말하는 것이 스테인리스강이다. 영문은 ‘Stainless Steel’로 stain(얼룩)과 less(없는)의 합성어로 얼룩(녹)이 생기지 않는 금속을 말한다. 즉, 녹슬지 않는 철이라는 뜻이다.
철은 산소와 물을 만나면 녹슬고 부식하는 특성을 가진다. 이런 철의 결점을 보완해서 내식성이 뛰어나게 만든 것이 스테인리스강이다. 이것은 전혀 녹슬지 않는 것은 아니고 부식이 아주 천천히 발생하여 녹슬지 않는 것처럼 보이는 것일 뿐이다.
그럼 스테인리스강은 어떻게 철의 부식을 개선한 것인가?
순수한 철(Fe)에 철보다 화학적으로 산화물을 만들기를 잘하는 원소인 크롬(Cr)은 철보다 더 빠르게 산소와 반응하여 금속 표면에 철 원자와의 접촉성이 좋은 얇은 피막을 생성한다. 이것은 안정적이고 표면에 치밀하게 피막이 형성되어 산소와 철 원자의 접촉을 막아버리기 때문에 철의 산화 반응으로 생기는 녹인 붉은색의 산화철이 생성되는 것을 방지하게 된다.
보통 스테인리스강은 철에 크롬 함량이 12% 이상 들어있고, 크롬의 산화물은 매우 단단하고 철 표면과 밀착성이 좋고 산소의 투과성이 낮고 무색투명한 피막을 형성한다. 또한 외관상으로 매끈하고 광택이 나서 다양한 산업 분야에 사용이 된다.
대표적으로 순수한 철(Fe)에 크롬(Cr)이나 니켈(Ni)를 첨가해서 합금으로 만든다. STS304라는 스테인리스강의 경우에는 크롬(Cr)과 니켈(Ni)이 첨가되어 있고, 보통 18-8이라고 표기가 되있는데 크롬이 18%, 니켈이 8%의 비율의 합금을 의미한다. 스테인리스강을 가공하면 산화크롬층이 떨어져 나가지만 표면 바로 아래에 있는 크롬이 바로 반응해서 산화크롬층을 형성하여 쉽게 녹슬지 않게 되고, 깨끗이 닦으면 다시 깨끗해지는 특성을 가진다.
스테인리스강은 내식성뿐만 아니라 가볍고 내구성이 강하다. 색이 잘 변하지 않고 세균의 번식도 방지해서 다양하게 활용된다. 일상생활에서 가장 많이 볼 수 있는 곳이 주방용품이며, 가전제품, 의료기기와 건축 내외장재, 기계‧자동차‧선박 부품 등 산업 현장에서 다양하게 사용된다.
철의 부식 방지 방법을 아이와 함께 대화했다철의 부식 방지 방법
철의 부식을 방지하려는 방법은 무엇이 있을까? 우선 철이 부식되는 이유를 알면 상대적으로 쉽게 방법을 찾을 수 있다. 철은 산소와 물을 만나게 되면 산화/환원 반응을 거쳐서 산화철이 만들어지면서 녹슨다. 따라서 산소와 물을 차단하는 방법 또는 철보다 반응성이 큰 금속을 사용해서 철이 반응하지 않게 해주면 된다.
▷ 물리적 차단 (물, 산소, 염화이온 등의 접촉 차단)
- 코팅 : 철 표면에 기름칠이나 페인트칠을 해서 철을 보호한다.
- 도금 : 철보다 반응성이 큰 아연(양동이, 지붕함석 등)이나 반응성이 작은 주석(통조림, 캔 등)을 도금해서 철을 보호한다.
▷ 화학적 차단 (음극화 보호)
- 철보다 반응성이 큰 금속을(마그네슘) 연결하거나 부착하여 그 금속이 철보다 먼저 부식되도록 하게 만들어 철을 보호한다. (지하의 철로 만든 탱크, 철교, 수도관 등)
▷ 철의 성질 변화
- 합금 : 철에 크롬(Cr)이나 니켈(Ni) 등의 금속을 혼합하여 철을 보호한다.
<부모 지식 탐구 at home> 매거진은 집과 일상에서 직접 경험한 아이의 호기심과 궁금증에 아빠가 대답하면서 답을 찾아가는 대화와 그에 대한 부모가 알아야 할 지식 등을 담고자 한다. 부모가 모든것을 알아야만 지적 대화를 할 수 있는 것이 아닌 아이와 함께 찾고 배우면서 알아가면서 지적 호기심을 채워가는 방법을 알리고자 글을 쓴다.
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