Κατάλογος παραμαγνητικών ατόμων

Περιεχόμενο

• Παραμαγνητικά έναντι διαμαγνητικών στοιχείων
• Υπολογισμός του εάν ένα στοιχείο είναι παραμαγνητικό ή διαμαγνητικό
• Μια λίστα παραμαγνητικών ατόμων
• Παραμαγνητικές Ενώσεις

Όλα τα άτομα αποκρίνονται με κάποιο τρόπο στα μαγνητικά πεδία, αλλά ανταποκρίνονται διαφορετικά ανάλογα με τη διαμόρφωση των ατόμων που περιβάλλουν τον πυρήνα. Ανάλογα με αυτή τη διαμόρφωση, ένα στοιχείο μπορεί να είναι διαμαγνητικό, παραμαγνητικό ή σιδηρομαγνητικό. Τα στοιχεία που είναι διαμαγνητικά - τα οποία στην πραγματικότητα είναι όλα αυτά, σε ένα βαθμό - απωθούνται ελαφρά από ένα μαγνητικό πεδίο, ενώ τα παραμαγνητικά στοιχεία έλκονται ασθενώς και μπορούν να γίνουν μαγνητισμένα. Τα σιδηρομαγνητικά υλικά έχουν επίσης τη δυνατότητα να γίνουν μαγνητισμένα, αλλά σε αντίθεση με τα παραμαγνητικά στοιχεία, η μαγνήτιση είναι μόνιμη. Τόσο ο παραμαγνητισμός όσο και ο σιδηρομαγνητισμός είναι ισχυρότεροι από τον διαμαγνητισμό, επομένως τα στοιχεία που εμφανίζουν είτε παραμαγνητισμό είτε σιδηρομαγνητισμό δεν είναι πλέον διαμαγνητικά.

Μόνο μερικά στοιχεία είναι σιδηρομαγνητικά σε θερμοκρασία δωματίου. Περιλαμβάνουν σίδηρο (Fe), νικέλιο (Ni), κοβάλτιο (Co), γαδολίνιο (Gd) και - όπως πρόσφατα ανακάλυψαν οι επιστήμονες - ρουθήνιο (Ru). Μπορείτε να δημιουργήσετε μόνιμο μαγνήτη με οποιοδήποτε από αυτά τα μέταλλα, εκθέτοντάς το σε μαγνητικό πεδίο. Ο κατάλογος παραμαγνητικών ατόμων είναι πολύ μεγαλύτερος. Ένα παραμαγνητικό στοιχείο γίνεται μαγνητικό με την παρουσία μαγνητικού πεδίου, αλλά χάνει τις μαγνητικές του ιδιότητες αμέσως μόλις αφαιρέσετε το πεδίο. Ο λόγος αυτής της συμπεριφοράς είναι η παρουσία ενός ή περισσότερων μη συζευγμένων ηλεκτρονίων στο εξωτερικό τροχιακό κέλυφος.

Παραμαγνητικά έναντι διαμαγνητικών στοιχείων

Ένα από τα σημαντικότερα ευρήματα στην επιστήμη τα τελευταία 200 χρόνια είναι η διασύνδεση της ηλεκτρικής ενέργειας και του μαγνητισμού. Επειδή κάθε άτομο έχει ένα σύννεφο από αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια, έχει τις δυνατότητες για μαγνητικές ιδιότητες, αλλά αν εμφανίζει φερμαγνητισμό, παραμαγνητισμό ή διαμαγνητισμό εξαρτάται από τη διαμόρφωσή τους. Για να εκτιμήσουμε αυτό, είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε πώς ηλεκτρόνια αποφασίζουν ποιες τροχιές θα καταλάβουν γύρω από τον πυρήνα.

Τα ηλεκτρόνια έχουν μια ποιότητα που ονομάζεται περιστροφή, την οποία μπορείτε να απεικονίσετε ως κατεύθυνση περιστροφής, αν και πιο περίπλοκη από αυτό. Τα ηλεκτρόνια μπορούν να έχουν "spin-up" (που μπορείτε να απεικονίσετε ως δεξιόστροφη περιστροφή) ή "spin-down" (αριστερόστροφα). Τακτοποιούν τον εαυτό τους σε αυξανόμενες, αυστηρά καθορισμένες αποστάσεις από τον πυρήνα που ονομάζονται κελύφη, και μέσα σε κάθε κέλυφος υπάρχουν υποστυλώματα που έχουν ένα διακριτό αριθμό τροχιακών που μπορούν να καταληφθούν από ένα μέγιστο από δύο ηλεκτρόνια, το καθένα με αντίστροφη περιστροφή. Δύο ηλεκτρόνια που καταλαμβάνουν ένα τροχιακό λέγεται ότι είναι ζευγαρωμένα. Οι περιστροφές τους ακυρώνουν και δεν δημιουργούν καθόλου μαγνητική ροπή. Ένα μόνο ηλεκτρόνιο που καταλαμβάνει ένα τροχιακό, από την άλλη πλευρά, δεν είναι συνδεδεμένο, και έχει ως αποτέλεσμα μια καθαρή μαγνητική ροπή.

Τα διαμαγνητικά στοιχεία είναι εκείνα που δεν έχουν μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια. Αυτά τα στοιχεία αδύναμα αντιτίθενται σε ένα μαγνητικό πεδίο, το οποίο οι επιστήμονες συχνά επιδεικνύουν διεύρνοντας ένα διαμαγνητικό υλικό, όπως ο πυρολιθικός γραφίτης ή ένας βάτραχος (ναι, ένας βάτραχος!) Πάνω από έναν ισχυρό ηλεκτρομαγνήτη. Τα παραμαγνητικά στοιχεία είναι αυτά που έχουν μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια. Δίνουν στο άτομο μια καθαρή στιγμή μαγνητικού διπόλου και όταν εφαρμόζεται ένα πεδίο, τα άτομα ευθυγραμμίζονται με το πεδίο και το στοιχείο γίνεται μαγνητικό. Όταν αφαιρείτε το πεδίο, η θερμική ενέργεια παρεμβαίνει για να τυχαίνει την ευθυγράμμιση και ο μαγνητισμός χάνεται.

Υπολογισμός του εάν ένα στοιχείο είναι παραμαγνητικό ή διαμαγνητικό

Τα ηλεκτρόνια γεμίζουν κοχύλια γύρω από τον πυρήνα κατά τρόπο που ελαχιστοποιεί την καθαρή ενέργεια. Οι επιστήμονες ανακάλυψαν τρεις κανόνες που ακολουθούν όταν το κάνουν αυτό, γνωστό ως Αρχή Aufbrau, Κανόνας Hunds και Αρχή Αποκλεισμού Pauli. Εφαρμόζοντας αυτούς τους κανόνες, οι χημικοί μπορούν να καθορίσουν πόσες ηλεκτρόνες καταλαμβάνουν κάθε ένα από τα υποκείμενα που περιβάλλουν έναν πυρήνα.

Για να προσδιορίσουμε αν ένα στοιχείο είναι διαμαγνητικό ή παραμαγνητικό, είναι απαραίτητο μόνο να εξετάσουμε τα ηλεκτρόνια σθένους, τα οποία είναι αυτά που καταλαμβάνουν το εξώτατο υποκείμενο. Εάν το εξώτατο υποκώγιο περιέχει τροχιακά με μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια, το στοιχείο είναι παραμαγνητικό. Διαφορετικά, το διαμαγνητικό του. Οι επιστήμονες προσδιορίζουν τα υποστυλώματα ως s, p, d και f. Κατά τη σύνταξη της διάταξης ηλεκτρονίων, η σύμβαση πρέπει να προηγείται των ηλεκτρονίων σθένους από το ευγενές αέριο που προηγείται του εν λόγω στοιχείου στον περιοδικό πίνακα. Τα ευγενή αέρια έχουν γεμίσει πλήρως τα τροχιακά ηλεκτρονίων, γι 'αυτό είναι αδρανή.

Για παράδειγμα, η διαμόρφωση ηλεκτρονίων για μαγνήσιο (Mg) είναι 3s². Το εξώτατο υποσύνολο περιέχει δύο ηλεκτρόνια, αλλά είναι μη ζευγαρωμένα, έτσι το μαγνήσιο είναι παραμαγνητικό. Από την άλλη πλευρά, η ηλεκτρονική διαμόρφωση του ψευδαργύρου (Zn) είναι 4s²3d¹⁰. Δεν έχει μη ζευγμένα ηλεκτρόνια στο εξωτερικό κέλυφος του, έτσι ο ψευδάργυρος είναι διαμαγνητικός.

Μια λίστα παραμαγνητικών ατόμων

Θα μπορούσατε να υπολογίσετε τις μαγνητικές ιδιότητες κάθε στοιχείου γράφοντας τις ηλεκτρονικές τους διαμορφώσεις, αλλά ευτυχώς, δεν χρειάζεται. Οι χημικοί έχουν ήδη δημιουργήσει έναν πίνακα παραμαγνητικών στοιχείων. Είναι ως εξής:

Παραμαγνητικές Ενώσεις

Όταν τα άτομα συνδυάζονται για να σχηματίσουν ενώσεις, μερικές από αυτές τις ενώσεις μπορούν επίσης να επιδείξουν παραμαγνητισμό για τον ίδιο λόγο που κάνουν τα στοιχεία. Αν υπάρχει ένα ή περισσότερα μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια στις τροχιακές ενώσεις, η ένωση θα είναι παραμαγνητική. Παραδείγματα περιλαμβάνουν το μοριακό οξυγόνο (Ο₂), οξείδιο σιδήρου (FeO) και νιτρικό οξείδιο (ΝΟ). Στην περίπτωση του οξυγόνου, είναι δυνατόν να εμφανιστεί αυτός ο παραμαγνητισμός χρησιμοποιώντας έναν ισχυρό ηλεκτρομαγνήτη. Εάν ρίχνετε υγρό οξυγόνο μεταξύ των πόλων ενός τέτοιου μαγνήτη, το οξυγόνο θα συγκεντρωθεί γύρω από τους πόλους καθώς εξατμίζεται για να δημιουργήσει ένα νέφος αερίου οξυγόνου. Δοκιμάστε το ίδιο πείραμα με υγρό άζωτο (Ν₂), η οποία δεν είναι παραμαγνητική και δεν θα σχηματιστεί τέτοιο σύννεφο.

Αν θελήσατε να συντάξετε μια λίστα παραμαγνητικών ενώσεων, θα πρέπει να εξετάσετε ηλεκτρονικές διαμορφώσεις. Επειδή τα μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια στα εξωτερικά σφαιρίδια σθένους που προσδίδουν παραμαγνητικές ιδιότητες, ενώσεις με τέτοια ηλεκτρόνια θα μπορούσαν να κάνουν τον κατάλογο. Αυτό δεν είναι πάντα αλήθεια, όμως. Στην περίπτωση του μορίου οξυγόνου, υπάρχει ένας ζυγός αριθμός ηλεκτρόνων σθένους, αλλά καθένας κατέχει κατώτερη ενεργειακή κατάσταση για να ελαχιστοποιήσει τη συνολική ενεργειακή κατάσταση του μορίου. Αντί ενός ζεύγους ηλεκτρονίων σε ένα υψηλότερο τροχιακό, υπάρχουν δύο μη συζευγμένα ηλεκτρόνια στα χαμηλότερα τροχιακά, γεγονός που καθιστά το μόριο παραμαγνητικό.