철(Fe)는 왜 안정한 물질인가요??
'철이 물질 중에서 가장 안정한 물질이다.'라는 말을 들었던 기억이 있는데
이 말이 왜 나오게 되었는지
이해하기 쉽게 알려주세요.
안녕하세요. 김석진 과학전문가입니다.
잘못알고계신것같습니다. 철은 가장안정한 물질이 아닙니다. (금이 산화를 일으키지않기때문에 더안정하다고 볼수있죠?)
그러나 철은 그 안정하다고 말하는 주관적인 요소에 의해서, 다소 안정한 물질일 수 있습니다.
철은 일반적으로 적은 수의 산소와 고체 상태의 칼륨과 일부 유기 기질과 같은 산화물을 포함하고 있습니다. 이러한 산화물은 철을 안정한 물질로 만듭니다. 철은 일반적으로 내식성이 좋기 때문에, 철이 산화되기 전까지는 일반적으로 산화를 일으키지 않습니다. 그러나, 철은 산화가 일어날 수 있는 조건에 의해 산화될 수 있습니다. 예를 들어, 철은 연기, 산소, 이산화탄소 등의 공기중에 있을 때 산화될 수 있습니다.
안녕하세요. 김계민 과학전문가입니다.
일반적으로 자연에서 발견되는 철의 산화수는 2+와 3+입니다.
이 둘은 이름도 달라, Fe2+/철(II) 이온은 ferrous, Fe3+/철(III) 이온은 ferric이라 부르기도 합니다. 신기하게도, Fe2+의 경우는 물에 잘 녹으며, Fe3+는 물에 잘 녹지 않고 더 안정한 것으로 알려져 있습니다. 그렇게 철(III) 이온이 더 안정하기에, 수용액 조건에서 Fe2+ → Fe3+ + e-의 산화 과정은 자발적(spontaneous) 화학 반응으로 알려져 있습니다 (Fe3+(aq) + e- ⇌ Fe2+(aq)의 반응에서 E0=+0.77V).
이렇게 수용액에서 전자를 내놓기 쉽고, 산소와 결합할 수 있기 때문에 미토콘드리아의 전자전달계의 철-황 클러스터(iron-sulfur cluster), 헤모글로빈, CYP450효소 등에서 찾아볼 수 있는 헴(heme) 등, 여러 생명의 물질에서 철이 유용하게 쓰이고 있습니다.
이 안정성의 차이는 오비탈의 전자 배치에서 그 원인을 찾아볼 수 있습니다.
완전 혹은 절반이 채워졌을 때의 오비탈의 전자 배치는, 다른 전자 배치보다 대칭성(symmetry)을 더 확보하였으며, 같은 스핀의 전자들이 같은 부껍질(subshell)의 오비탈 내에서 교차될 때 방출되는 교환 에너지(exchange energy)가 크므로, 더 안정합니다. 따라서 절반이 채워진 전자 배치의 안정성으로 철(III) 이온이 철(II) 이온보다 더 안정적인 것으로 알려져 있습니다.