Tabla de Contenidos
Substancje diamagnetyczne to takie, które zamiast być przyciągane przez magnesy, są przez nie odpychane. Z technicznego punktu widzenia są to wszystkie substancje, które mają ujemną podatność magnetyczną. Powodem, dla którego substancje te są odpychane przez pola magnetyczne, jest to, że pola te indukują prąd w elektronach krążących wokół jądra każdego atomu, co generuje wewnętrzne pole magnetyczne o kierunku przeciwnym do pola zewnętrznego. Efekt końcowy jest taki sam, jak w przypadku zbliżenia dwóch magnesów przez ten sam biegun: odpychanie.
Diamagnetyzm a paramagnetyzm
Wszystkie substancje we wszechświecie mają elektrony, więc wszystkie mogą generować diamagnetyzm. Jednak nie wszystkie są diamagnetyczne. Powodem tego faktu jest to, że diamagnetyzm jest bardzo słabym efektem i łatwo można mu przeciwdziałać dowolnym stałym momentem magnetycznym, jaki posiada atom. Tak więc, gdy pierwiastek ma niesparowane elektrony, które generują pole magnetyczne netto, maskuje diamagnetyzm. Z tego powodu materiał jest przyciągany przez pola magnetyczne i nazywany jest paramagnetykiem.
Z drugiej strony w przypadku substancji diamagnetycznych wewnątrz atomu nie ma wypadkowego momentu magnetycznego, ponieważ substancje te mają konfigurację elektronową bez niesparowanych elektronów i w której wszystkie pola magnetyczne generowane przez rotację każdego elektronu (jego spinu ) znoszą się nawzajem.
Mówiąc najprościej, paramagnetyzm jest powodem, dla którego niektóre substancje są przyciągane przez magnesy, podczas gdy brak paramagnetyzmu jest powodem, dla którego niektóre substancje nie są przyciągane przez magnesy; wreszcie diamagnetyzm jest powodem, dla którego te ostatnie są odpychane przez magnesy.
Z wyjątkiem niektórych przypadków, do których, co ciekawe, należy najbardziej znany pierwiastek diamagnetyczny (bizmut), określenie konfiguracji elektronowej atomu wystarczy, aby wiedzieć, czy będzie on diamagnetyczny czy paramagnetyczny.
Konfiguracja elektronowa elementów diamagnetycznych
Sercem diamagnetyzmu jest elektroniczna konfiguracja atomów. W tym sensie, jeśli chcesz wiedzieć, czy element jest diamagnetyczny, czy nie, wystarczy określić jego konfigurację elektronową, aby zobaczyć, czy ma niesparowane elektrony, czy nie. Jeśli tak, będzie paramagnetyczny (z kilkoma wyjątkami), ale jeśli nie ma niesparowanych elektronów, będzie diamagnetyczny.
Konfiguracja elektronowa przedstawia bardzo uproszczoną wizję najważniejszych wyników mechaniki kwantowej, która stwierdza, że elektrony w atomach są rozmieszczone na poziomach i podpoziomach, a wewnątrz tych podpoziomów znajdują się tak zwane orbitale atomowe. W każdym orbicie atomowym mieszczą się tylko dwa elektrony, które muszą mieć przeciwne spiny.
W konfiguracji elektronicznej wskazane jest, na jakim poziomie energetycznym, podpoziomie i orbicie znajduje się każdy elektron. Jego obrót jest również reprezentowany przez strzałkę w górę lub w dół. Dwa elektrony na tym samym orbicie muszą mieć przeciwne spiny i mówi się, że są sparowane.
Przykład
Azot ma 7 elektronów, więc jego konfiguracja elektronowa, wyznaczona zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej, wynosi 1s 2 2s 2 2p 3 . Dzieląc te elektrony na orbitale, wygląda to tak:
W tej konfiguracji elektronowej strzałki przedstawiają spin każdego elektronu. Jak widać, na orbitalach 1s i 2s elektrony są sparowane (tworzą parę o przeciwnych spinach, które się znoszą). Tutaj wyraźnie widać, że izolowany atom azotu byłby paramagnetyczny, ponieważ miałby trzy niesparowane elektrony. Jednak w azocie cząsteczkowym dwa atomy azotu dzielą po trzy elektrony, z których każdy tworzy trzy sparowane pary elektronów, co czyni azot cząsteczką diamagnetyczną.
Przykłady elementów diamagnetycznych
Neon
Neon jest gazem szlachetnym, a cechą charakteryzującą gazy szlachetne jest to, że wszystkie mają konfigurację elektronową z wypełnioną powłoką, w której ich powłoka walencyjna ma w pełni zajęte orbitale s i p oraz wszystkie sparowane elektrony.
Elektroniczna konfiguracja podpowłoki neonu to 1s 2 2s 2 2p 6 . Na orbitalach byłoby to:
Jak widać, neon (podobnie jak wszystkie gazy szlachetne) jest pierwiastkiem diamagnetycznym, ponieważ nie ma niesparowanych elektronów.
Magnez
Ten metal ziem alkalicznych ma łącznie 12 elektronów, więc jego konfiguracja elektronowa to 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 . Chociaż jego powłoka walencyjna nie jest całkowicie wypełniona, jest metalem diamagnetycznym.
kation sodu
Metaliczny sód jest metalem alkalicznym, który ma niesparowany elektron na orbicie s (jest więc paramagnetykiem), jednak kiedy traci ten elektron i staje się kationem Na +, staje się gatunkiem diamagnetycznym z 10 elektronami i konfiguracją elektronową neonu .
Anion chlorkowy
Coś bardzo podobnego do tego, co dzieje się z sodem, dzieje się z chlorem, ale na odwrót. W tym przypadku neutralny atom chloru ma 17 elektronów, z których jeden jest niesparowany. Jednak ten halogen można łatwo zredukować, wychwytując elektron i wypełniając orbital 3p z , aby stać się gatunkiem diamagnetycznym o elektronowej konfiguracji argonu.
Woda, drewno i większość związków organicznych
Większość związków organicznych, a także woda i wiele innych związków nieorganicznych jest diamagnetycznych, ponieważ łączą swoje elektrony w wiązania chemiczne w sposób, który łączy ich spiny w pary. Z tego powodu większość żywych istot jest diamagnetyczna. W rzeczywistości, stosując wystarczająco silne pole magnetyczne, można nawet lewitować żabę.
nadprzewodniki
Jedną z najbardziej godnych uwagi cech nadprzewodników jest to, że nie mają one oporu elektrycznego, a ich elektrony poruszają się w nich swobodnie. Z tego powodu zewnętrzne pole magnetyczne jest w stanie zaindukować wewnętrzny prąd, który generuje silny efekt diamagnetyczny, który powoduje, że unoszą się one na powierzchni magnesu.
Wyjątek od reguły: Bizmut
Ciekawe jest to, że pierwszy odkryty materiał diamagnetyczny, a także najbardziej diamagnetyczny pierwiastek w całym układzie okresowym pierwiastków, ma nie jeden, nie dwa, ale trzy niesparowane elektrony , a mimo to nadal jest diamagnetykiem.
Ale dlaczego jest uważany za diamagnetyk, mimo że ma wypadkowy moment magnetyczny dzięki trzem niesparowanym elektronom? Dzieje się tak, ponieważ w tym przypadku diamagnetyzm jest w stanie przekroczyć (i zdecydowanie) paramagnetyzm, więc ten pierwiastek jest w efekcie odpychany przez pola magnetyczne.
Bibliografia
Atkins, P., z Paula J. (2014). Chemia fizyczna Atkinsa. Oxford, Wielka Brytania: Oxford University Press.
Chang, R. (2008). CHEMIA FIZYCZNA. (wyd. 1). Nowy Jork, Nowy Jork: McGraw Hill.
Pauling, L. (2021). Wprowadzenie do mechaniki kwantowej: z zastosowaniami w chemii (wydanie pierwsze). Nowy Jork, Nowy Jork: McGraw-Hill.
Właściwości magnetyczne ciał stałych (sf) Pobrane z http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/Solids/magpr.html
González, JC, Osorio, A. i Bustamante, A. (2009). Podatność magnetyczna materiałów nadprzewodzących. Fizyka Research Journal , 12 (02), 6–14. https://doi.org/10.15381/rif.v12i02.8708
