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반자성 물질은 자석에 끌리는 대신 반발하는 물질입니다. 기술적인 용어로 , 그들은 음의 자화율을 가진 모든 물질입니다. 이러한 물질이 자기장에 의해 반발되는 이유는 이러한 자기장이 각 원자의 핵 주위를 도는 전자에 전류를 유도하여 외부 자기장과 반대 방향으로 내부 자기장을 생성하기 때문입니다. 최종 효과는 두 개의 자석이 같은 극으로 접근할 때와 동일합니다: 척력.
반자성 대 상자성
우주의 모든 물질은 전자를 가지고 있으므로 모두 반자성을 일으킬 수 있습니다. 그러나 모두 반자성인 것은 아닙니다. 그 이유는 반자성(diamagnetism)이 매우 약한 효과이며 원자가 가지고 있는 영구 자기 모멘트에 의해 쉽게 상쇄되기 때문입니다. 따라서 요소에 순 자기장을 생성하는 짝을 이루지 않은 전자가 있으면 반자성을 가립니다. 이러한 이유로 재료는 자기장에 끌리고 상자성이라고 합니다.
반면에 반자성 물질의 경우 원자 내부에 알짜 자기 모멘트가 없습니다. ) 서로를 취소합니다.
간단히 말해서, 상자성은 일부 물질이 자석에 끌리는 이유이고, 상자성이 없는 것은 일부 물질이 자석에 끌리지 않는 이유입니다. 마지막으로, 반자성은 후자가 자석에 의해 반발되는 이유입니다.
흥미롭게도 가장 알려진 반자성 원소(비스무트)를 제외하고는 원자의 전자 구성을 결정하는 것으로 반자성인지 상자성인지 알 수 있습니다.
반자성 요소의 전자 구성
반자성의 핵심은 원자의 전자 구성입니다. 이런 의미에서 원소가 반자성인지 여부를 알고 싶다면 짝을 이루지 않은 전자가 있는지 여부를 확인하기 위해 전자 구성을 결정하기만 하면 됩니다. 그렇다면 상자성(일부 예외 있음)이지만 짝을 이루지 않은 전자가 없으면 반자성입니다.
전자 구성은 양자 역학의 가장 중요한 결과에 대한 매우 단순화된 비전을 나타내며, 원자의 전자가 수준과 하위 수준에 분포되어 있고 이러한 하위 수준 내에 원자 궤도라고 알려진 것이 있음을 확립합니다. . 각 원자 오비탈에는 스핀이 반대인 두 개의 전자만 들어갑니다.
전자 구성에서는 각 전자가 어느 에너지 준위, 하위 준위 및 궤도에 위치하는지 표시됩니다. 스핀은 위쪽 또는 아래쪽 화살표로도 표시됩니다. 같은 오비탈에 있는 두 개의 전자는 스핀이 반대여야 하며 쌍을 이룬다고 합니다.
예
질소에는 7개의 전자가 있으므로 양자 역학의 규칙에 따라 결정되는 전자 구성은 1s 2 2s 2 2p 3 입니다 . 이 전자를 오비탈로 분할하면 다음과 같이 보입니다.
이 전자 구성에서 화살표는 각 전자의 스핀을 나타냅니다. 볼 수 있듯이 1s 및 2s 오비탈에서 전자는 쌍을 이룹니다(상쇄되는 반대 스핀과 쌍을 형성함). 여기에서 고립된 질소 원자는 3개의 짝을 이루지 않은 전자를 소유하기 때문에 상자성이라는 것을 분명히 알 수 있습니다. 그러나 분자 질소에서 두 개의 질소 원자는 각각 세 쌍의 전자 쌍을 형성하는 세 개의 전자를 공유하여 질소를 반자성 분자로 만듭니다.
반자성 요소의 예
네온
네온은 비활성 기체이고 비활성 기체를 특징짓는 것은 모두 채워진 껍질 전자 구성을 가지고 있다는 것입니다. 여기서는 원자가 껍질이 모두 s 및 p 궤도를 완전히 채우고 쌍을 이룬 전자가 모두 있습니다.
네온의 전자 서브쉘 구성은 1s 2 2s 2 2p 6 입니다 . 궤도에서는 다음과 같습니다.
알 수 있듯이 네온(및 모든 희가스)은 짝을 이루지 않은 전자가 없기 때문에 반자성 원소입니다.
마그네슘
이 알칼리 토금속은 총 12개의 전자를 가지고 있으므로 전자 구성은 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 입니다 . 원자가 껍질이 완전히 채워지지는 않았지만 반자성 금속입니다.
나트륨 양이온
금속성 나트륨은 s 오비탈에 짝을 이루지 않은 전자를 가지고 있는(그래서 상자성) 알칼리 금속이지만, 그 전자를 잃고 Na+양이온이 되면 10개의 전자와 네온의 전자배치를 가지는 반자성종이 된다 . .
염화물 음이온
나트륨에서 발생하는 것과 매우 유사한 일이 염소에서 발생하지만 그 반대입니다. 이 경우 중성 염소 원자에는 17개의 전자가 있으며 그 중 하나는 짝을 이루지 않습니다. 그러나 이 할로겐은 쉽게 환원되어 전자를 집어 들고 3pz 오비탈을 채워 아르곤 의 전자 구성을 가진 반자성 종이 됩니다.
물, 나무 및 대부분의 유기 화합물
대부분의 유기 화합물과 물 및 기타 많은 무기 화합물은 스핀 쌍을 이루는 방식으로 화학 결합에서 전자를 결합하기 때문에 반자성입니다. 이러한 이유로 대부분의 생명체는 반자성체입니다. 사실, 충분히 강한 자기장을 가하면 개구리도 공중에 뜨게 할 수 있습니다.
초전도체
초전도체의 가장 큰 특징 중 하나는 전기 저항이 없고 전자가 그 안에서 자유롭게 움직인다는 점입니다. 이러한 이유로 외부 자기장은 내부 전류를 유도할 수 있으며, 이는 강한 반자기 효과를 생성하여 자석 위에 뜨게 합니다.
규칙의 예외: 비스무트
발견된 최초의 반자성 물질이자 전체 주기율표에서 가장 반자성적인 원소가 하나도 아니고 둘도 아닌 세 개의 짝을 이루지 않은 전자를 가지고 있음에도 불구하고 여전히 반자성 상태를 유지하고 있다는 사실이 궁금합니다.
그러나 3개의 짝을 이루지 않은 전자로 인해 알짜 자기 모멘트가 있음에도 불구하고 왜 반자성으로 간주됩니까? 이것은 이 경우 반자성이 상자성을 능가할 수 있기 때문에 이 요소는 사실상 자기장에 의해 반발됩니다.
참조
Paula J.의 Atkins, P.(2014). 앳킨스의 물리화학. 영국 옥스포드: Oxford University Press.
장로리(2008). 물리 화학. (1판.). 뉴욕주 뉴욕시: McGraw Hill.
폴링, L. (2021). 양자 역학 입문: 화학 응용 (초판). 뉴욕주 뉴욕시: McGraw-Hill.
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/Solids/magpr.html 에서 가져온 고체의 자기 특성(sf)
González, JC, Osorio, A., & Bustamante, A. (2009). 초전도 물질의 자화율. 물리학 연구 저널 , 12 (02), 6–14. https://doi.org/10.15381/rif.v12i02.8708
