Съдържание
- Парамагнитни спрямо диамагнитни елементи
- Изчисляване дали елемент е парамагнитен или диамагнетичен
- Списък на парамагнитни атоми
- Парамагнитни съединения
Всички атоми реагират по някакъв начин на магнитни полета, но те реагират различно в зависимост от конфигурацията на атомите, заобикалящи ядрото. В зависимост от тази конфигурация, елементът може да бъде диамагнитен, парамагнитен или феромагнетичен. Елементите, които са диамагнитни - което всъщност е всички до известна степен - слабо се отблъскват от магнитно поле, докато парамагнитните елементи са слабо привлечени и могат да се намагнетизират. Феромагнитните материали също имат способността да се намагнетизират, но за разлика от парамагнитните елементи, намагнитването е постоянно. Както парамагнетизмът, така и феромагнетизмът са по-силни от диамагнетизма, така че елементите, които проявяват или парамагнетизъм, или феромагнетизъм, вече не са диамагнетични.
Само няколко елемента са феромагнитни при стайна температура. Те включват желязо (Fe), никел (Ni), кобалт (Co), гадолиний (Gd) и - както учените откриха наскоро - рутений (Ru). Можете да направите постоянен магнит с някой от тези метали, като го излагате на магнитно поле. Списъкът на парамагнитни атоми е много по-дълъг. Парамагнитният елемент става магнитен в присъствието на магнитно поле, но губи магнитните си свойства веднага щом го премахнете. Причината за това поведение е наличието на един или повече несдвоени електрони във външната орбитална обвивка.
Парамагнитни спрямо диамагнитни елементи
Едно от най-важните открития в науката през последните 200 години е взаимосвързаността на електричеството и магнетизма. Тъй като всеки атом има облак от отрицателно заредени електрони, той има потенциал за магнитни свойства, но дали показва феромагнетизъм, парамагнетизъм или диамагнетизъм зависи от тяхната конфигурация. За да се оцени това, е необходимо да се разбере как електроните решават кои орбити да заемат около ядрото.
Електроните имат качество, наречено спин, което можете да визуализирате като посока на въртене, въпреки че е по-сложно от това. Електроните могат да имат "завъртане нагоре" (което можете да визуализирате като въртене по посока на часовниковата стрелка) или "завъртане надолу" (обратно на часовниковата стрелка). Те се подреждат на нарастващи, строго определени разстояния от ядрото, наречени черупки, а във всяка обвивка са подпочви, които имат дискретен брой орбитали, които могат да бъдат заети от максимум два електрона, всеки от които има противоположен спин. Казват, че два електрона, заети в орбита, са сдвоени. Техните завъртания се отменят и те не създават нетен магнитен момент. От друга страна, единичен електрон, заемащ орбитала, е неспарен и това води до нетен магнитен момент.
Диамагнитните елементи са тези, които нямат несдвоени електрони. Тези елементи слабо се противопоставят на магнитно поле, което учените често демонстрират чрез левитиране на диамагнетичен материал, като пиролитен графит или жаба (да, жаба!) Над силен електромагнит. Парамагнитните елементи са тези, които имат несдвоени електрони. Те дават на атома чист магнитен диполен момент, а когато се приложи поле, атомите се изравняват с полето и елементът става магнитен. Когато премахнете полето, топлинната енергия се намесва, за да рандомизира подравняването и магнетизмът се губи.
Изчисляване дали елемент е парамагнитен или диамагнетичен
Електроните запълват обвивките около ядрото по начин, който свежда до минимум нетната енергия. Учените откриха три правила, които следват при извършване на това, известни като Принципа на Ауфбрау, Правилото на ръцете и Принципа за изключване на Паули. Прилагайки тези правила, химиците могат да определят колко електрони заемат всяка една от субклетките, заобикалящи ядро.
За да се определи дали даден елемент е диамагнетичен или парамагнетичен, е необходимо само да се разгледат валентните електрони, които са тези, които заемат най-външната подземна обвивка. Ако най-външната подпокривка съдържа орбитали с несдвоени електрони, елементът е парамагнитен. В противен случай нейният диамагнетичен. Учените идентифицират подпокритията като s, p, d и f. Когато пишете електронна конфигурация, конвенцията е да предшества валентните електрони от благородния газ, който предхожда въпросния елемент в периодичната таблица. Благородните газове са напълно запълнили електронни орбитали, поради което са инертни.
Например електронната конфигурация за магнезий (Mg) е 3s2, Най-външната подпокривка съдържа два електрона, но те са несдвоени, така че магнезият е парамагнитен. От друга страна, електронната конфигурация на цинк (Zn) е 4s23d10, Той няма несдвоени електрони във външната си обвивка, така че цинкът е диамагнетичен.
Списък на парамагнитни атоми
Можете да изчислите магнитните свойства на всеки елемент, като изпишете техните електронни конфигурации, но за щастие не трябва. Химиците вече са създали таблица с парамагнитни елементи. Те са както следва:
Парамагнитни съединения
Когато атомите се комбинират, за да образуват съединения, някои от тези съединения също могат да проявяват парамагнетизъм по същата причина, както и елементите. Ако в орбиталите на съединенията има един или повече неспарени електрон, съединението ще бъде парамагнитно. Примерите включват молекулен кислород (О2), железен оксид (FeO) и азотен оксид (NO). В случай на кислород е възможно да се покаже този парамагнетизъм, използвайки силен електромагнит. Ако излеете течен кислород между полюсите на такъв магнит, кислородът ще се събира около полюсите, докато се изпарява, за да създаде облак от кислороден газ. Опитайте същия експеримент с течен азот (N2), което не е парамагнитно и няма да се образува такъв облак.
Ако искате да съставите списък на парамагнитни съединения, ще трябва да проучите електронните конфигурации. Тъй като неговите несдвоени електрони във външните валентни обвивки, които дават парамагнитни качества, съединенията с такива електрони биха могли да направят списъка. Това обаче не винаги е вярно. В случая с кислородната молекула има четен брой валентни електрони, но всеки от тях заема по-ниско енергийно състояние, за да сведе до минимум общото енергийно състояние на молекулата. Вместо електронна двойка във по-висока орбитала има два несдвоени електрона в по-ниски орбитали, което прави молекулата парамагнитна.