Tartalom
- Paramágneses és a diatomágneses elemek
- Annak kiszámítása, hogy az elem paramágneses vagy diamagnetikus-e
- A paramágneses atomok listája
- Paramágneses vegyületek
Minden atom valamilyen módon reagál a mágneses mezőkre, de a atommag körülvevő atomok konfigurációjától függően eltérően reagálnak. Ettől a konfigurációtól függően az elem lehet diamagnetikus, paramágneses vagy ferromágneses. A diamagnetikus elemeket - amelyek bizonyos fokig valójában mindegyikük - gyengén taszítják a mágneses mezők, míg a paramágneses elemek gyengén vonzódnak és mágnesezhetővé válhatnak. A ferromágneses anyagok is képesek mágnesezni, de a paramágneses elemekkel ellentétben a mágnesezés állandó. A paramagnetizmus és a ferromagnetizmus is erősebb, mint a diamagnetizmus, tehát az olyan elemek, amelyek paramagnetizmust vagy ferromagnetizmust mutatnak, már nem diamagnetikusak.
Csak néhány elem ferromágneses szobahőmérsékleten. Ide tartoznak a vas (Fe), a nikkel (Ni), a kobalt (Co), a gadolinium (Gd) és - amint a tudósok nemrégiben felfedezték - a ruténium (Ru). Állandó mágnest készíthet ezeknek a fémeknek a bármelyikével, ha mágneses teret tesz ki. A paramágneses atomok felsorolása sokkal hosszabb. A paramágneses elem mágneses mező jelenlétében mágnesessé válik, de elveszíti mágneses tulajdonságait, amint eltávolítja a mezőt. Ennek a viselkedésnek az oka egy vagy több páratlan elektron jelenléte a külső orbitális héjában.
Paramágneses és a diatomágneses elemek
A tudomány egyik legfontosabb felfedezése az elmúlt 200 évben a villamos energia és a mágnesesség összekapcsoltsága. Mivel minden atom negatív töltésű elektronok felhővel rendelkezik, megvan a lehetősége a mágneses tulajdonságokra, ám ezek konfigurációjától függ, hogy ferromágneses, paramagnetikus vagy diamagnetikus-e. Ennek megértéséhez meg kell értenünk, hogy az elektronok miként döntenek arról, hogy melyik pálya elfoglalja a mag körül.
Az elektronok spin néven szerepelnek, amelyet forgásirányként láthatunk, bár ennél bonyolultabb. Az elektronok lehetnek "centrifugálás" (amelyet az óramutató járásával megegyező irányban forgathatunk) vagy "centrifugálás" (az óramutató járásával ellentétes irányban) lehet. Rendezik magukat növekvő, szigorúan meghatározott távolságra a magtól, az úgynevezett héjoktól, és mindegyik héjon belül olyan subhellák vannak, amelyeknek diszkrét számú pályája van, amelyet legfeljebb két elektron elfoglalhat, mindegyik ellentétes spinnel. Azt mondják, hogy két, az orbitális helyet foglaló elektron párosul. Forogásuk megszakad, és nem hoznak létre hálómágneses nyomatékot. Másrészt az egyetlen, az orbita elfoglaló elektron pár nélkül van, és ez nettó mágneses nyomatékot eredményez.
A diamagnetikai elemek nem tartalmaznak páratlan elektronokat. Ezek az elemek gyengén szembeszállnak a mágneses mezővel, amelyet a tudósok gyakran demonstrálnak olyan diamagnetikai anyag, mint például pirolitos grafit vagy béka (igen, egy béka!) Levegőzésével egy erős elektromágnesen. A paramágneses elemek azok, amelyek páratlan elektronokkal rendelkeznek. Adnak az atomnak nettó mágneses dipól-pillanatot, és amikor egy mezőt alkalmaznak, az atomok igazodnak a mezőhöz, és az elem mágnesesvé válik. A mező eltávolításakor a hőenergia beavatkozik, hogy véletlenszerűvé tegye az igazítást, és a mágnesesség elveszik.
Annak kiszámítása, hogy az elem paramágneses vagy diamagnetikus-e
Az elektronok úgy töltik meg a magokat a héjat, hogy minimalizálják a nettó energiát. A tudósok felfedezték három szabályt, amelyet ennek követésekor követnek, az úgynevezett Aufbrau elv, a Hunds Rule és a Pauli kizárási elv. E szabályok alkalmazásával a vegyészek meg tudják határozni, hogy hány elektron elfoglalja az egyes magokat körülvevő alhéjak mindegyikét.
Annak meghatározására, hogy egy elem diamagnetikus vagy paramagnetikus - csak a valencia elektronokra kell nézni, amelyek azok, amelyek a legkülső alsó héjat foglalják el. Ha a legkülső subhell párosítatlan elektronokkal rendelkező pályákat tartalmaz, az elem paramágneses. Egyébként diamagnetikus. A tudósok az alhéjakat s, p, d és f azonosítják. Az elektronkonfiguráció írásakor az a szabály, hogy a vegyérték-elektronokat megelőzi a nemesgáz, amely megelőzi a kérdéses elemet a periódusos táblázatban. A nemesgázok teljesen kitöltötték az elektronpályákat, ezért inertek.
Például a magnézium (Mg) elektronkonfigurációja 3s2. A legkülső subhell két elektronot tartalmaz, de ezek párok nélkül vannak, tehát a magnézium paramágneses. Másrészt a cink (Zn) elektronkonfigurációja 4s23d10. A külső héjában nincs páratlan elektron, tehát a cink diamagnetikus.
A paramágneses atomok listája
Az egyes elemek mágneses tulajdonságait kiszámíthatja az elektronkonfiguráció kiírásával, de szerencsére nem kell. A kémikusok már létrehoztak egy paramágneses elemek tábláját. Ezek a következők:
Paramágneses vegyületek
Amikor az atomok vegyületekké alakulnak, ezeknek a vegyületeknek egy része ugyanabból az okból mutathat paramagnetizmust, mint az elemek. Ha egy vagy több páratlan elektron létezik a vegyületek körpályáin, akkor a vegyület paramágneses lesz. Példaként említjük a molekuláris oxigént (O2), vas-oxid (FeO) és salétrom-oxid (NO). Az oxigén esetében ezt a paramagnetizmust erős elektromágnes segítségével lehet megjeleníteni. Ha folyékony oxigént öntenek egy ilyen mágnes pólusai közé, akkor az oxigén összegyűl a pólusok körül, miközben elpárolog, és így oxigéngáz-felhő képződik. Próbáld ki ugyanezt a kísérletet folyékony nitrogénnel (N2), amely nem paramágneses, és ilyen felhő nem képződik.
Ha egy paramágneses vegyületek listáját szeretné összeállítani, meg kell vizsgálnia az elektronkonfigurációkat. Mivel a párosítatlan elektronok a külső valenciahéjban paramagnetikus tulajdonságokat mutatnak, az ilyen elektronokkal rendelkező vegyületek elkészíthetik a listát. Ez azonban nem mindig igaz. Az oxigénmolekula esetében páros számú valencia-elektron létezik, de ezek mindegyike alacsonyabb energiaállapotot foglal el, hogy minimalizálja a molekula általános energiaállapotát. Egy magasabb pályán egy elektronpár helyett az alsó pályákon két páratlan elektron van, ami a molekulát paramágnesesvé teszi.