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Las sustancias diamagnéticas son aquellas que que en lugar de ser atraídas por los imanes son repelidas por ellos. En términos técnicos, son todas aquellas sustancias que tengan una susceptibilidad magnética negativa. La razón por la que estas sustancias son repelidas por los campos magnéticos es que dichos campos inducen una corriente en los electrones que giran en torno al núcleo de cada átomo, lo cual genera un campo magnético interno en la dirección opuesta al campo externo. El efecto final es el mismo que cuando se acercan dos imanes por el mismo polo: repulsión.
El diamagnetismo versus el paramagnetismo
Todas las sustancias en el universo tienen electrones, por lo que todas pueden generar diamagnetismo. Sin embargo, no todas son diamagnéticas. La razón detrás de este hecho es que el diamagnetismo es un efecto muy débil, y lo contrarresta fácilmente cualquier momento magnético permanente que posea el átomo. Así, cuando un elemento tiene electrones desapareados que generan un campo magnético neto, este enmascara al diamagnetismo. Por esta razón, el material es atraído por los campos magnéticos y se denomina paramagnético.
En el caso de las sustancias diamagnéticas, en cambio, no existe un momento magnético neto dentro del átomo, porque estas sustancias poseen una configuración electrónica sin electrones desapareados, y en la que todos los campos magnéticos generados por la rotación de cada electrón (su espín) se cancelan entre sí.
En pocas palabras, el paramagnetismo es la razón por la que algunas sustancias son atraídas hacia los imanes, mientras que la ausencia de paramagnetismo es la razón por la que algunas sustancias no son atraídas a los imanes; finalmente, el diamagnetismo es la razón por la cual estas últimas son repelidas por los imanes.
A excepción de algunos casos entre los que se encuentra, curiosamente, el elemento más diamagnético que se conoce (el bismuto), determinar la configuración electrónica de un átomo es suficiente para saber si será diamagnético o paramagnético.
La configuración electrónica de los elementos diamagnéticos
En el corazón del diamagnetismo está la configuración electrónica de los átomos. En este sentido, si se quiere saber si un elemento es diamagnético o no, lo único que hay que hacer es determinar su configuración electrónica para ver si tiene o no electrones desapareados. Si si los tiene, será paramagnético (con algunas excepciones), pero si nó tiene electrones desapareados, será diamagnético.
La configuración electrónica representa una visión muy simplificada de los resultados más importantes de la mecánica cuántica, la cual establece que los electrones en los átomos se encuentran distribuidos en niveles y subniveles, y que dentro de estos subniveles se encuentran lo que se conocen como orbitales atómicos. Dentro de cada orbital atómico solo caben dos electrones los cuales deben tener espines opuestos.
En la configuración electrónica, se indica en qué nivel de energía, subnivel y orbital se encuentra cada electrón. También se representa su espín con una flecha hacia arriba o hacia abajo. Dos electrones en el mismo orbital deben tener espines opuestos y se dice que están apareados.
Ejemplo
El nitrógeno posee 7 electrones, por lo que su configuración electrónica, determinada siguiendo las reglas de la mecánica cuántica, es 1s2 2s2 2p3. Al repartir estos electrones en orbitales, se ve así:
En esta configuración electrónica, las flechas representan el espín de cada electrón. Como se puede ver, en los orbitales 1s y 2s los electrones se encuentran apareados (forman una pareja con espines opuestos que se cancelan). Aquí se puede ver claramente que un átomo de nitrógeno aislado sería paramagnético, ya que poseería tres electrones desapareados. Sin embargo, en el nitrógeno molecular los dos átomos de nitrógeno comparten tres electrones cada uno formando tres parejas de electrones apareados, lo que convierte al nitrógeno en una molécula diamagnética.
Ejemplos de elementos diamagnéticos
Neón
El neón es un gas noble, y algo que caracteriza a los gases nobles es que todos poseen una configuración electrónica de capa llena en la que su capa de valencia tiene todos los orbitales s y p completamente ocupados y todos sus electrones apareados.
La configuración electrónica en subniveles del neón es 1s2 2s2 2p6 . En orbitales sería:
Como se puede ver, el neón (así como todos los gases nobles) es un elemento diamagnético ya que no posee electrones desapareados.
Magnesio
Este metal alcalinotérreo posee, en total 12 electrones, por lo que su configuración electrónica es 1s2 2s2 2p6 3s2. A pesar de que no tiene completamente llena su capa de valencia, es un metal diamagnético.
El catión sodio
El sodio metálico es un metal alcalino que posee un electrón desapareado en un orbital s (por lo que es paramagnético), sin embargo, al perder dicho electrón y convertirse en el catión Na+, se convierte en una especie diamagnética con 10 electrones y la configuración electrónica del neón.
El anión cloruro
Con el cloro sucede algo muy similar a lo que sucede con el sodio, pero a la inversa. En este caso, el átomo de cloro neutro posee 17 electrones, uno de los cuales está desapareado. Sin embargo, este halógeno fácilmente se reduce, captando un electrón y llenando el orbital 3pz para convertirse en una especie diamagnética con la configuración electrónica del argón.
El agua, la madera y la mayoría de compuestos orgánicos
La mayor parte de los compuestos orgánicos así como el agua y muchos otros compuestos inorgánicos son diamagnéticos ya que combinan sus electrones en enlaces químicos de forma que aparean sus espines. Por esta razón, la mayor parte de seres vivos somos diamagnéticos. De hecho, al aplicar un campo magnético lo suficientemente fuerte, se puede incluso hacer levitar a una rana.
Los superconductores
Una de las características más notables de los superconductores es que no tienen resistencia eléctrica y sus electrones se mueven libremente en su interior. Por esta razón, un campo magnético externo es capaz de inducir una corriente interna, lo que genera un fuerte efecto diamagnético que los hace flotar encima del imán.
La excepción a la regla: El Bismuto
Es curioso saber que el primer material diamagnético que se descubrió, y además el elemento más diamagnético de toda la tabla periódica no posee uno, ni dos, sino tres electrones desapareados, y sin embargo, sigue siendo diamagnético.
Pero, ¿por qué se considera diamagnético, a pesar de poseer un momento magnético neto debido a sus tres electrones desapareados? Esto se debe a que, en este caso, el diamagnetismo es capaz de superar (y con creces) el paramagnetismo, por lo que este elemento es, en efecto, repelido por los campos magnéticos.
Referencias
Atkins, P., de Paula J. (2014). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford, United Kingdom: Oxford University Press.
Chang, R. (2008). FISICOQUIMICA. (1ra ed.). New York City, New York: McGraw Hill.
Pauling, L. (2021). Introduction to Quantum Mechanics: With Applications to Chemistry (First Edition). Ney York City, New York: McGraw-Hill.
Propiedades magnéticas de los sólidos (s.f.) Recuperado de http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/Solids/magpr.html
González, J. C., Osorio, A., & Bustamante, A. (2009). La susceptibilidad magnética en materiales superconductores. Revista de Investigación de Física, 12(02), 6–14. https://doi.org/10.15381/rif.v12i02.8708
