Was ist Diamagnetismus? Definition und Beispiele

Diamagnetische Substanzen sind solche, die von Magneten nicht angezogen, sondern abgestoßen werden. Technisch gesehen sind das all jene Stoffe, die eine negative magnetische Suszeptibilität besitzen. Der Grund, warum diese Substanzen von Magnetfeldern abgestoßen werden, liegt darin, dass diese Felder einen Strom in den Elektronen induzieren, die sich um den Kern jedes Atoms drehen, wodurch ein internes Magnetfeld in entgegengesetzter Richtung zum externen Feld erzeugt wird. Der Endeffekt ist derselbe, als wenn sich zwei Magnete mit demselben Pol nähern: Abstoßung.

Diamagnetismus vs. Paramagnetismus

Alle Substanzen im Universum haben Elektronen, also können sie alle Diamagnetismus erzeugen. Allerdings sind nicht alle diamagnetisch. Der Grund für diese Tatsache ist, dass Diamagnetismus ein sehr schwacher Effekt ist und ihm leicht durch jedes permanente magnetische Moment entgegengewirkt wird, das das Atom besitzt. Wenn also ein Element ungepaarte Elektronen hat, die ein Nettomagnetfeld erzeugen, maskiert es den Diamagnetismus. Aus diesem Grund wird das Material von Magnetfeldern angezogen und als paramagnetisch bezeichnet.

Bei diamagnetischen Substanzen hingegen gibt es kein magnetisches Nettomoment innerhalb des Atoms, da diese Substanzen eine elektronische Konfiguration ohne ungepaarte Elektronen haben und in der alle Magnetfelder, die durch die Rotation jedes Elektrons (sein Spin ) heben sich gegenseitig auf.

Einfach ausgedrückt ist Paramagnetismus der Grund, warum einige Substanzen von Magneten angezogen werden, während das Fehlen von Paramagnetismus der Grund ist, warum einige Substanzen nicht von Magneten angezogen werden; schließlich ist Diamagnetismus der Grund, warum letztere von Magneten abgestoßen werden.

Mit Ausnahme einiger Fälle, unter denen seltsamerweise das diamagnetischste bekannte Element (Wismut) ist, reicht die Bestimmung der elektronischen Konfiguration eines Atoms aus, um zu wissen, ob es diamagnetisch oder paramagnetisch sein wird.

Die elektronische Konfiguration diamagnetischer Elemente

Das Herzstück des Diamagnetismus ist die elektronische Konfiguration von Atomen. Wenn Sie in diesem Sinne wissen möchten, ob ein Element diamagnetisch ist oder nicht, müssen Sie lediglich seine elektronische Konfiguration bestimmen, um zu sehen, ob es ungepaarte Elektronen hat oder nicht. Wenn dies der Fall ist, ist es paramagnetisch (mit einigen Ausnahmen), aber wenn es keine ungepaarten Elektronen enthält, ist es diamagnetisch.

Die elektronische Konfiguration stellt eine sehr vereinfachte Vision der wichtigsten Ergebnisse der Quantenmechanik dar, die besagt, dass die Elektronen in den Atomen in Ebenen und Unterebenen verteilt sind und dass sich innerhalb dieser Unterebenen sogenannte Atomorbitale befinden. In jedes Atomorbital passen nur zwei Elektronen, die entgegengesetzten Spin haben müssen.

In der elektronischen Konfiguration wird angezeigt, in welchem ​​Energieniveau, Unterniveau und Orbital sich jedes Elektron befindet. Seine Drehung wird auch durch einen Aufwärts- oder Abwärtspfeil dargestellt. Zwei Elektronen im selben Orbital müssen entgegengesetzte Spins haben und werden als gepaart bezeichnet.

Beispiel

Stickstoff hat 7 Elektronen, daher ist seine elektronische Konfiguration, bestimmt nach den Regeln der Quantenmechanik, 1s ² 2s ² 2p ³ . Durch die Aufteilung dieser Elektronen in Orbitale sieht es so aus:

In dieser elektronischen Konfiguration repräsentieren die Pfeile den Spin jedes Elektrons. Wie zu sehen ist, sind die Elektronen in den 1s- und 2s-Orbitalen gepaart (sie bilden ein Paar mit entgegengesetzten Spins, die sich aufheben). Hier ist deutlich zu erkennen, dass ein isoliertes Stickstoffatom paramagnetisch wäre, da es drei ungepaarte Elektronen besäße. In molekularem Stickstoff teilen sich die beiden Stickstoffatome jedoch drei Elektronen, die jeweils drei gepaarte Elektronenpaare bilden, was Stickstoff zu einem diamagnetischen Molekül macht.

Beispiele für diamagnetische Elemente

Neon

Neon ist ein Edelgas, und etwas, das Edelgase charakterisiert, ist, dass sie alle eine elektronische Konfiguration mit gefüllter Schale haben, in der ihre Valenzschale alle s- und p-Orbitale vollständig besetzt und alle ihre gepaarten Elektronen hat.

Die elektronische Subshell-Konfiguration von Neon ist 1s ² 2s ² 2p ⁶ . In Orbitalen wäre es:

Wie man sieht, ist Neon (sowie alle Edelgase) ein diamagnetisches Element, da es keine ungepaarten Elektronen hat.

Magnesium

Dieses Erdalkalimetall hat insgesamt 12 Elektronen, seine elektronische Konfiguration ist also 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² . Obwohl seine Valenzschale nicht vollständig gefüllt ist, ist es ein diamagnetisches Metall.

Natriumkation

Metallisches Natrium ist ein Alkalimetall, das ein ungepaartes Elektron in einem s-Orbital hat (es ist also paramagnetisch). Wenn es jedoch dieses Elektron verliert und zum Na + -Kation wird, wird es zu einer diamagnetischen Spezies mit 10 Elektronen und der Elektronenkonfiguration ^von Neon .

Chlorid-Anion

Etwas sehr ähnliches wie mit Natrium passiert mit Chlor, aber umgekehrt. In diesem Fall hat das neutrale Chloratom 17 Elektronen, von denen eines ungepaart ist. Dieses Halogen wird jedoch leicht reduziert, nimmt ein Elektron auf und füllt das 3p _z -Orbital , um eine diamagnetische Spezies mit der Elektronenkonfiguration von Argon zu werden.

Wasser, Holz und die meisten organischen Verbindungen

Die meisten organischen Verbindungen sowie Wasser und viele andere anorganische Verbindungen sind diamagnetisch, da sie ihre Elektronen in chemischen Bindungen so verbinden, dass ihre Spins gepaart werden. Aus diesem Grund sind die meisten Lebewesen diamagnetisch. Indem Sie ein ausreichend starkes Magnetfeld anlegen, können Sie sogar einen Frosch zum Schweben bringen.

Supraleiter

Eine der bemerkenswertesten Eigenschaften von Supraleitern ist, dass sie keinen elektrischen Widerstand haben und ihre Elektronen sich frei in ihnen bewegen. Aus diesem Grund kann ein externes Magnetfeld einen internen Strom induzieren, der einen starken diamagnetischen Effekt erzeugt, der sie auf dem Magneten schweben lässt.

Die Ausnahme von der Regel: Wismut

Es ist merkwürdig zu wissen, dass das erste entdeckte diamagnetische Material und auch das diamagnetischste Element im gesamten Periodensystem nicht ein, nicht zwei, sondern drei ungepaarte Elektronen hat und dennoch weiterhin diamagnetisch ist.

Aber warum wird es als diamagnetisch betrachtet, obwohl es aufgrund seiner drei ungepaarten Elektronen ein magnetisches Nettomoment hat? Dies liegt daran, dass Diamagnetismus in diesem Fall den Paramagnetismus (und bei weitem) übertreffen kann, sodass dieses Element tatsächlich von Magnetfeldern abgestoßen wird.

Verweise

Atkins, P., von Paula J. (2014). Atkins‘ Physikalische Chemie. Oxford, Vereinigtes Königreich: Oxford University Press.

Chang, R. (2008). PHYSIKALISCHE CHEMIE. (1. Aufl.). New York City, New York: McGraw-Hügel.

Pauling, L. (2021). Einführung in die Quantenmechanik: Mit Anwendungen in der Chemie (Erstausgabe). New York City, New York: McGraw-Hill.

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