Tabla de Contenidos
Diamagnetiske stoffer er dem, der i stedet for at blive tiltrukket af magneter frastødes af dem. I tekniske termer er de alle de stoffer, der har en negativ magnetisk modtagelighed. Grunden til, at disse stoffer frastødes af magnetiske felter, er, at disse felter inducerer en strøm i elektronerne, der kredser omkring kernen i hvert atom, som genererer et indre magnetfelt i modsat retning af det ydre felt. Den endelige effekt er den samme, som når to magneter nærmes af den samme pol: frastødning.
Diamagnetisme vs. Paramagnetisme
Alle stoffer i universet har elektroner, så de kan alle generere diamagnetisme. Det er dog ikke alle, der er diamagnetiske. Årsagen bag dette faktum er, at diamagnetisme er en meget svag effekt, og den kan let modvirkes af ethvert permanent magnetisk moment, som atomet besidder. Når et grundstof har uparrede elektroner, der genererer et netto magnetfelt, maskerer det diamagnetisme. Af denne grund tiltrækkes materialet af magnetiske felter og kaldes paramagnetisk.
I tilfælde af diamagnetiske stoffer er der på den anden side ikke noget netto magnetisk moment inde i atomet, fordi disse stoffer har en elektronisk konfiguration uden uparrede elektroner, og hvor alle de magnetiske felter, der genereres af hver elektrons rotation (dens spin ) annullere hinanden.
Enkelt sagt er paramagnetisme årsagen til, at nogle stoffer tiltrækkes af magneter, mens fraværet af paramagnetisme er årsagen til, at nogle stoffer ikke tiltrækkes af magneter; endelig er diamagnetisme grunden til, at sidstnævnte afvises af magneter.
Med undtagelse af nogle tilfælde, blandt hvilke det mærkeligt nok er det mest diamagnetiske element kendt (vismut), er det nok at bestemme den elektroniske konfiguration af et atom til at vide, om det vil være diamagnetisk eller paramagnetisk.
Den elektroniske konfiguration af diamagnetiske elementer
I hjertet af diamagnetisme er den elektroniske konfiguration af atomer. I denne forstand, hvis du vil vide, om et element er diamagnetisk eller ej, skal du blot bestemme dets elektroniske konfiguration for at se, om det har uparrede elektroner eller ej. Hvis den gør det, vil den være paramagnetisk (med nogle undtagelser), men hvis den ikke har nogen uparrede elektroner, vil den være diamagnetisk.
Den elektroniske konfiguration repræsenterer en meget forenklet vision af kvantemekanikkens vigtigste resultater, som fastslår, at elektronerne i atomerne er fordelt i niveauer og underniveauer, og at der inden for disse underniveauer er det, der er kendt som atomorbitaler. . Inden for hver atomorbital passer kun to elektroner, som skal have modsatte spins.
I den elektroniske konfiguration er det angivet i hvilket energiniveau, subniveau og orbital hver elektron er placeret. Dens spin er også repræsenteret af en pil op eller ned. To elektroner i samme orbital skal have modsatte spin og siges at være parret.
Eksempel
Nitrogen har 7 elektroner, så dets elektroniske konfiguration, bestemt efter kvantemekanikkens regler, er 1s 2 2s 2 2p 3 . Ved at opdele disse elektroner i orbitaler ser det sådan ud:
I denne elektroniske konfiguration repræsenterer pilene hver elektrons spin. Som det kan ses, er elektronerne i 1s og 2s orbitaler parret (de danner et par med modsatte spins, der annullerer). Her kan det tydeligt ses, at et isoleret nitrogenatom ville være paramagnetisk, da det ville have tre uparrede elektroner. Men i molekylært nitrogen deler de to nitrogenatomer tre elektroner, der hver danner tre parrede elektronpar, hvilket gør nitrogen til et diamagnetisk molekyle.
Eksempler på diamagnetiske elementer
Neon
Neon er en ædelgas, og noget der kendetegner ædelgasser er, at de alle har en fyldt skal elektronisk konfiguration, hvor deres valensskal har alle s og p orbitaler fuldt optaget og alle deres parrede elektroner.
Den elektroniske subshell-konfiguration af neon er 1s 2 2s 2 2p 6 . I orbitaler ville det være:
Som det kan ses, er neon (såvel som alle ædelgasser) et diamagnetisk element, da det ikke har uparrede elektroner.
Magnesium
Dette jordalkalimetal har i alt 12 elektroner, så dets elektroniske konfiguration er 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 . Selvom dens valensskal ikke er helt fyldt, er det et diamagnetisk metal.
natriumkation
Metallisk natrium er et alkalimetal, der har en uparret elektron i en s orbital (så den er paramagnetisk), men når den mister den elektron og bliver til Na + kationen, bliver den en diamagnetisk art med 10 elektroner og elektronkonfigurationen af neon .
Kloridanion
Noget meget lig det, der sker med natrium, sker med klor, men omvendt. I dette tilfælde har det neutrale kloratom 17 elektroner, hvoraf den ene er uparret. Imidlertid reduceres dette halogen let, idet det opsamler en elektron og fylder 3p z orbitalen for at blive en diamagnetisk art med elektronkonfigurationen af argon.
Vand, træ og de fleste organiske forbindelser
De fleste organiske forbindelser såvel som vand og mange andre uorganiske forbindelser er diamagnetiske, da de kombinerer deres elektroner i kemiske bindinger på en måde, der parrer deres spins. Af denne grund er de fleste levende væsener diamagnetiske. Faktisk, ved at anvende et stærkt nok magnetfelt, kan du endda levitere en frø.
superledere
En af de mest bemærkelsesværdige egenskaber ved superledere er, at de ikke har nogen elektrisk modstand, og deres elektroner bevæger sig frit i dem. Af denne grund er et eksternt magnetfelt i stand til at inducere en intern strøm, som genererer en stærk diamagnetisk effekt, der får dem til at svæve oven på magneten.
Undtagelsen fra reglen: Bismuth
Det er mærkeligt at vide, at det første diamagnetiske materiale, der blev opdaget, og også det mest diamagnetiske element i hele det periodiske system, ikke har én, ikke to, men tre uparrede elektroner , og alligevel fortsætter det med at være diamagnetisk.
Men hvorfor betragtes det som diamagnetisk, på trods af at det har et netto magnetisk moment på grund af dets tre uparrede elektroner? Dette skyldes, at diamagnetisme i dette tilfælde er i stand til at overskride (og langt) paramagnetismen, så dette element bliver i realiteten frastødt af magnetiske felter.
Referencer
Atkins, P., fra Paula J. (2014). Atkins’ Fysisk Kemi. Oxford, Storbritannien: Oxford University Press.
Chang, R. (2008). FYSISK KEMI. (1. udg.). New York City, New York: McGraw Hill.
Pauling, L. (2021). Introduktion til kvantemekanik: med applikationer til kemi (første udgave). New York City, New York: McGraw-Hill.
Magnetic Properties of Solids (sf) Hentet fra http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/Solids/magpr.html
González, JC, Osorio, A., & Bustamante, A. (2009). Den magnetiske følsomhed i superledende materialer. Physics Research Journal , 12 (02), 6-14. https://doi.org/10.15381/rif.v12i02.8708
