Zawartość
- Elementy paramagnetyczne vs. diamagnetyczne
- Obliczanie, czy element jest paramagnetyczny czy diamagnetyczny
- Lista atomów paramagnetycznych
- Związki Paramagnetyczne
Wszystkie atomy w pewien sposób reagują na pola magnetyczne, ale reagują różnie w zależności od konfiguracji atomów otaczających jądro. W zależności od tej konfiguracji element może być diamagnetyczny, paramagnetyczny lub ferromagnetyczny. Elementy, które są diamagnetyczne - a właściwie w pewnym stopniu wszystkie - są słabo odpychane przez pole magnetyczne, podczas gdy elementy paramagnetyczne są słabo przyciągane i mogą zostać namagnesowane. Materiały ferromagnetyczne również mają zdolność magnesowania, ale w przeciwieństwie do elementów paramagnetycznych magnetyzacja jest trwała. Zarówno paramagnetyzm, jak i ferromagnetyzm są silniejsze niż diamagnetyzm, więc elementy wykazujące albo paramagnetyzm, albo ferromagnetyzm nie są już diamagnetyczne.
Tylko kilka pierwiastków jest ferromagnetycznych w temperaturze pokojowej. Należą do nich żelazo (Fe), nikiel (Ni), kobalt (Co), gadolin (Gd) i - jak niedawno odkryli naukowcy - ruten (Ru). Możesz stworzyć magnes trwały z dowolnym z tych metali, wystawiając go na działanie pola magnetycznego. Lista atomów paramagnetycznych jest znacznie dłuższa. Element paramagnetyczny staje się magnetyczny w obecności pola magnetycznego, ale traci swoje właściwości magnetyczne, gdy tylko usuniesz pole. Przyczyną tego zachowania jest obecność jednego lub więcej niesparowanych elektronów w zewnętrznej powłoce orbitalnej.
Elementy paramagnetyczne vs. diamagnetyczne
Jednym z najważniejszych odkryć w nauce w ciągu ostatnich 200 lat jest wzajemne powiązanie elektryczności i magnetyzmu. Ponieważ każdy atom ma chmurę ujemnie naładowanych elektronów, ma potencjał właściwości magnetycznych, ale to, czy wykazuje ferromagnetyzm, paramagnetyzm czy diamagnetyzm, zależy od ich konfiguracji. Aby to docenić, konieczne jest zrozumienie, w jaki sposób elektrony decydują, które orbity zajmują wokół jądra.
Elektrony mają jakość zwaną spinem, którą można zwizualizować jako kierunek obrotu, chociaż jest ona bardziej skomplikowana. Elektrony mogą mieć „spin-up” (który można wizualizować jako obrót zgodnie z ruchem wskazówek zegara) lub „spin-down” (przeciwnie do ruchu wskazówek zegara). Układają się one w rosnących, ściśle określonych odległościach od jądra zwanego skorupami, aw każdej skorupie znajdują się podpowłoki, które mają dyskretną liczbę orbitali, które mogą być zajęte przez maksymalnie dwa elektrony, z których każdy ma przeciwny spin. Mówi się, że dwa elektrony zajmujące orbitę są sparowane. Ich obroty zostają anulowane i nie powodują momentu magnetycznego netto. Z drugiej strony pojedynczy elektron zajmujący orbitę jest niesparowany i powoduje moment magnetyczny netto.
Elementy diamagnetyczne to te bez niesparowanych elektronów. Elementy te słabo przeciwstawiają się polu magnetycznemu, które naukowcy często demonstrują, lewitując materiał diamagnetyczny, taki jak grafit pirolityczny lub żaba (tak, żaba!) Nad silnym elektromagnesem. Elementy paramagnetyczne to takie, które mają niesparowane elektrony. Nadają atomowi moment dipolowy magnetyczny netto, a gdy przyłożone zostanie pole, atomy wyrównują się z polem, a element staje się magnetyczny. Po usunięciu pola energia termiczna interweniuje w celu losowego wyrównania, a magnetyzm zostaje utracony.
Obliczanie, czy element jest paramagnetyczny czy diamagnetyczny
Elektrony wypełniają skorupy wokół jądra w sposób, który minimalizuje energię netto. Naukowcy odkryli trzy reguły, którymi się kierują, znane jako Zasada Aufbrau, Zasada Hundsa i Zasada Wykluczenia Pauliego. Stosując te reguły, chemicy mogą określić, ile elektronów zajmuje każdą z podpowłok otaczających jądro.
Aby ustalić, czy element jest diamagnetyczny czy paramagnetyczny, konieczne jest jedynie przyjrzenie się elektronom walencyjnym, które zajmują najbardziej zewnętrzną powłokę wewnętrzną. Jeśli najbardziej zewnętrzna podpowłoka zawiera orbitale z niesparowanymi elektronami, pierwiastek jest paramagnetyczny. W przeciwnym razie jego diamagnetyczna. Naukowcy identyfikują podpowłoki jako s, p, d i f. Podczas zapisywania konfiguracji elektronów konwencja poprzedza elektrony walencyjne gazem szlachetnym, który poprzedza dany pierwiastek w układzie okresowym. Gazy szlachetne mają całkowicie wypełnione orbitale elektronowe, dlatego są obojętne.
Na przykład konfiguracja elektronów dla magnezu (Mg) wynosi 3s2. Zewnętrzna podpowłoka zawiera dwa elektrony, ale są one niesparowane, więc magnez jest paramagnetyczny. Z drugiej strony konfiguracja elektronowa cynku (Zn) wynosi 4s23d10. W swojej zewnętrznej powłoce nie ma niesparowanych elektronów, więc cynk jest diamagnetyczny.
Lista atomów paramagnetycznych
Możesz obliczyć właściwości magnetyczne każdego elementu, zapisując ich konfiguracje elektronowe, ale na szczęście nie musisz. Chemicy stworzyli już tabelę elementów paramagnetycznych. Są to:
Związki Paramagnetyczne
Gdy atomy łączą się, tworząc związki, niektóre z tych związków mogą również wykazywać paramagnetyzm z tego samego powodu, co pierwiastki. Jeśli jeden lub więcej niesparowanych elektronów istnieje na orbitach związków, związek będzie paramagnetyczny. Przykłady obejmują tlen cząsteczkowy (O2), tlenek żelaza (FeO) i tlenek azotu (NO). W przypadku tlenu możliwe jest wyświetlenie tego paramagnetyzmu za pomocą silnego elektromagnesu. Jeśli wylejesz ciekły tlen między biegunami takiego magnesu, tlen gromadzi się wokół biegunów, gdy paruje, tworząc chmurę gazowego tlenu. Spróbuj tego samego eksperymentu z ciekłym azotem (N2), który nie jest paramagnetyczny i żadna taka chmura nie powstanie.
Jeśli chcesz skompilować listę związków paramagnetycznych, musisz zbadać konfiguracje elektronów. Ponieważ są to niesparowane elektrony w zewnętrznych powłokach walencyjnych, które nadają właściwości paramagnetyczne, związki z takimi elektronami powinny znaleźć się na liście. Jednak nie zawsze tak jest. W przypadku cząsteczki tlenu istnieje parzysta liczba elektronów walencyjnych, ale każdy z nich zajmuje niższy stan energetyczny, aby zminimalizować ogólny stan energetyczny cząsteczki. Zamiast pary elektronów na wyższym orbicie znajdują się dwa niesparowane elektrony na niższych orbitach, co czyni cząsteczkę paramagnetyczną.