Qu’est-ce que le diamagnétisme ? Définition et exemples

Les substances diamagnétiques sont celles qui, au lieu d’être attirées par les aimants, sont repoussées par eux. En termes techniques , ce sont toutes ces substances qui ont une susceptibilité magnétique négative. La raison pour laquelle ces substances sont repoussées par les champs magnétiques est que ces champs induisent un courant dans les électrons tournant autour du noyau de chaque atome, ce qui génère un champ magnétique interne dans la direction opposée au champ externe. L’effet final est le même que lorsque deux aimants sont approchés par le même pôle : la répulsion.

Diamagnétisme vs paramagnétisme

Toutes les substances de l’univers ont des électrons, elles peuvent donc toutes générer du diamagnétisme. Cependant, tous ne sont pas diamagnétiques. La raison derrière ce fait est que le diamagnétisme est un effet très faible, et il est facilement contrecarré par tout moment magnétique permanent que possède l’atome. Ainsi, lorsqu’un élément a des électrons non appariés qui génèrent un champ magnétique net, il masque le diamagnétisme. Pour cette raison, le matériau est attiré par les champs magnétiques et est appelé paramagnétique.

Dans le cas des substances diamagnétiques, en revanche, il n’y a pas de moment magnétique net à l’intérieur de l’atome, car ces substances ont une configuration électronique sans électrons non appariés, et dans laquelle tous les champs magnétiques générés par la rotation de chaque électron (son spin ) s’annulent.

En termes simples, le paramagnétisme est la raison pour laquelle certaines substances sont attirées par les aimants, tandis que l’absence de paramagnétisme est la raison pour laquelle certaines substances ne sont pas attirées par les aimants. enfin, le diamagnétisme est la raison pour laquelle ces derniers sont repoussés par les aimants.

A l’exception de quelques cas parmi lesquels figure, curieusement, l’élément le plus diamagnétique connu (le bismuth), il suffit de déterminer la configuration électronique d’un atome pour savoir s’il sera diamagnétique ou paramagnétique.

La configuration électronique des éléments diamagnétiques

Au cœur du diamagnétisme se trouve la configuration électronique des atomes. En ce sens, si vous voulez savoir si un élément est diamagnétique ou non, il suffit de déterminer sa configuration électronique pour voir s’il possède ou non des électrons non appariés. Si c’est le cas, il sera paramagnétique (à quelques exceptions près), mais s’il n’a pas d’électrons non appariés, il sera diamagnétique.

La configuration électronique représente une vision très simplifiée des résultats les plus importants de la mécanique quantique, qui établit que les électrons dans les atomes sont répartis en niveaux et sous-niveaux, et qu’à l’intérieur de ces sous-niveaux se trouvent ce que l’on appelle les orbitales atomiques. . Dans chaque orbitale atomique, seuls deux électrons s’adaptent, qui doivent avoir des spins opposés.

Dans la configuration électronique, il est indiqué dans quel niveau d’énergie, sous-niveau et orbitale se trouve chaque électron. Son spin est également représenté par une flèche vers le haut ou vers le bas. Deux électrons dans la même orbitale doivent avoir des spins opposés et sont dits appariés.

Exemple

L’azote a 7 électrons, donc sa configuration électronique, déterminée selon les règles de la mécanique quantique, est 1s ² 2s ² 2p ³ . En divisant ces électrons en orbitales, cela ressemble à ceci :

Dans cette configuration électronique, les flèches représentent le spin de chaque électron. Comme on peut le voir, dans les orbitales 1s et 2s, les électrons sont appariés (ils forment une paire avec des spins opposés qui s’annulent). Ici, on voit clairement qu’un atome d’azote isolé serait paramagnétique, puisqu’il posséderait trois électrons non appariés. Cependant, dans l’azote moléculaire, les deux atomes d’azote partagent trois électrons formant chacun trois paires d’électrons appariés, faisant de l’azote une molécule diamagnétique.

Exemples d’éléments diamagnétiques

Néon

Le néon est un gaz rare, et quelque chose qui caractérise les gaz nobles est qu’ils ont tous une configuration électronique à coque remplie dans laquelle leur coque de valence a toutes les orbitales s et p entièrement occupées et tous leurs électrons appariés.

La configuration de la sous-couche électronique du néon est 1s ² 2s ² 2p ⁶ . En orbitales, ce serait:

Comme on peut le voir, le néon (ainsi que tous les gaz nobles) est un élément diamagnétique puisqu’il n’a pas d’électrons non appariés.

Magnésium

Ce métal alcalino-terreux a un total de 12 électrons, sa configuration électronique est donc 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² . Bien que sa coquille de valence ne soit pas complètement remplie, c’est un métal diamagnétique.

cation sodium

Le sodium métallique est un métal alcalin qui a un électron non apparié dans une orbitale s (il est donc paramagnétique), cependant, lorsqu’il perd cet électron et devient le cation Na +, il devient une espèce diamagnétique avec 10 électrons et la configuration électronique ^du néon .

Anion chlorure

Quelque chose de très similaire à ce qui se passe avec le sodium se produit avec le chlore, mais en sens inverse. Dans ce cas, l’atome de chlore neutre a 17 électrons, dont l’un est non apparié. Cependant, cet halogène est facilement réduit, ramassant un électron et remplissant l’ orbitale _z 3p pour devenir une espèce diamagnétique avec la configuration électronique de l’argon.

L’eau, le bois et la plupart des composés organiques

La plupart des composés organiques ainsi que l’eau et de nombreux autres composés inorganiques sont diamagnétiques car ils combinent leurs électrons dans des liaisons chimiques d’une manière qui associe leurs spins. Pour cette raison, la plupart des êtres vivants sont diamagnétiques. En fait, en appliquant un champ magnétique suffisamment puissant, vous pouvez même faire léviter une grenouille.

supraconducteurs

L’une des caractéristiques les plus notables des supraconducteurs est qu’ils n’ont pas de résistance électrique et que leurs électrons se déplacent librement à l’intérieur. Pour cette raison, un champ magnétique externe est capable d’induire un courant interne, qui génère un fort effet diamagnétique qui les fait flotter au-dessus de l’aimant.

L’exception à la règle : le bismuth

Il est curieux de savoir que le premier matériau diamagnétique découvert, et aussi l’élément le plus diamagnétique de tout le tableau périodique, n’a pas un, pas deux, mais trois électrons non appariés , et pourtant il continue d’être diamagnétique.

Mais pourquoi est-il considéré comme diamagnétique, malgré un moment magnétique net dû à ses trois électrons non appariés ? En effet, dans ce cas, le diamagnétisme est capable de dépasser (et de loin) le paramagnétisme, donc cet élément est, en effet, repoussé par les champs magnétiques.

Les références

Atkins, P., d’après Paula J. (2014). Chimie physique d’Atkins. Oxford, Royaume-Uni : Oxford University Press.

En ligneChang, R. (2008). CHIMIE PHYSIQUE. (1ère éd.). New York, New York : McGraw Hill.

En lignePauling, L. (2021). Introduction à la mécanique quantique : avec des applications à la chimie (première édition). New York, New York : McGraw-Hill.

Propriétés magnétiques des solides (sf) Extrait de http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/Solids/magpr.html

González, JC, Osorio, A., & Bustamante, A. (2009). La susceptibilité magnétique dans les matériaux supraconducteurs. Journal de recherche en physique , 12 (02), 6–14. https://doi.org/10.15381/rif.v12i02.8708