Innehåll
- Paramagnetiska kontra diamagnetiska element
- Beräknar om ett element är paramagnetiskt eller diamagnetiskt
- En lista över paramagnetiska atomer
- Paramagnetiska föreningar
Alla atomer svarar på något sätt på magnetfält, men de svarar olika beroende på konfigurationen av atomerna som omger kärnan. Beroende på denna konfiguration kan ett element vara diamagnetiskt, paramagnetiskt eller ferromagnetiskt. Element som är diamagnetiska - vilket faktiskt är alla till viss del - avvisas svagt av ett magnetfält, medan paramagnetiska element dras svagt och kan bli magnetiserade. Ferromagnetiska material har också förmågan att bli magnetiserade, men till skillnad från paramagnetiska element är magnetiseringen permanent. Både paramagnetism och ferromagnetism är starkare än diamagnetism, så element som uppvisar antingen paramagnetism eller ferromagnetism är inte längre diamagnetiska.
Endast ett fåtal element är ferromagnetiska vid rumstemperatur. De inkluderar järn (Fe), nickel (Ni), kobolt (Co), gadolinium (Gd) och - som forskare nyligen upptäckte - rutenium (Ru). Du kan skapa en permanent magnet med någon av dessa metaller genom att exponera den för ett magnetfält. Listan över paramagnetiska atomer är mycket längre. Ett paramagnetiskt element blir magnetiskt i närvaro av ett magnetfält, men det förlorar sina magnetiska egenskaper så snart du tar bort fältet. Anledningen till detta beteende är förekomsten av en eller flera oparade elektroner i det yttre omloppsbotten.
Paramagnetiska kontra diamagnetiska element
En av de viktigaste upptäckterna inom vetenskapen under de senaste 200 åren är elektricitet och magnetism samtrafik. Eftersom varje atom har ett moln av negativt laddade elektroner har den potentialen för magnetiska egenskaper, men huruvida den visar ferromagnetism, paramagnetism eller diamagnetism beror på deras konfiguration. För att uppskatta detta är det nödvändigt att förstå hur elektroner bestämmer vilka banor som ska upptas runt kärnan.
Elektronerna har en kvalitet som kallas spin, som du kan visualisera som rotationsriktning, även om den är mer komplicerad än så. Elektroner kan ha "spin-up" (som du kan visualisera som medurs rotation) eller "spin-down" (moturs). De ordnar sig på ökande, strikt definierade avstånd från kärnan som kallas skal, och inom varje skal finns underskal som har ett diskret antal orbitaler som kan upptas av högst två elektroner, var och en med motsatt snurr. Två elektroner som upptar en kretslopp sägs vara parade. Deras snurr avbryter och de skapar inget magnetiskt nätmoment. En enda elektron som upptar en kretslopp är å andra sidan oparad, och den resulterar i ett magnetiskt nettomoment.
Diamagnetiska element är sådana som saknar par utan elektroner. Dessa element motsätter sig svagt ett magnetfält, som forskare ofta visar genom att levitera ett diamagnetiskt material, såsom pyrolitisk grafit eller en groda (ja, en groda!) Över en stark elektromagnet. Paramagnetiska element är de som har oparade elektroner. De ger atomen ett nettomagnetiskt dipolmoment, och när ett fält appliceras justeras atomerna med fältet och elementet blir magnetiskt. När du tar bort fältet ingriper termisk energi för att slumpmässigt justera och magnetismen går förlorad.
Beräknar om ett element är paramagnetiskt eller diamagnetiskt
Elektroner fyller skal runt kärnan på ett sätt som minimerar nettenergin. Forskare har upptäckt tre regler som de följer när de gör detta, känd som Aufbrau-principen, Hunds Rule och Pauli-uteslutningsprincipen. Genom att använda dessa regler kan kemister bestämma hur många elektroner som upptar varje delskal som omger en kärna.
För att bestämma om ett element är diamagnetiskt eller paramagnetiskt, är det bara nödvändigt att titta på valenselektronerna, som är de som upptar det yttersta underskalet. Om det yttersta underskalet innehåller orbitaler med oparade elektroner är elementet paramagnetiskt. Annars dess diamagnetiska. Forskare identifierar underskal som s, p, d och f. När man skriver elektronkonfiguration är konventionen att föregå valenselektronerna med den ädelgasen som föregår det aktuella elementet i den periodiska tabellen. Ädelgaser har helt fyllda elektroniska orbitaler, varför de är inerta.
Till exempel är elektronkonfigurationen för magnesium (Mg) 3s2. Det yttersta underskalet innehåller två elektroner, men de är oparade, så magnesium är paramagnetiskt. Å andra sidan är zink (Zn) elektronkonfiguration 4s23d10. Det har inga oparade elektroner i sitt yttre skal, så zink är diamagnetiskt.
En lista över paramagnetiska atomer
Du kan beräkna magnetiska egenskaper för varje element genom att skriva ut deras elektronkonfigurationer, men lyckligtvis behöver du inte. Kemister har redan skapat en tabell med paramagnetiska element. De är som följer:
Paramagnetiska föreningar
När atomer kombineras för att bilda föreningar kan vissa av dessa föreningar också uppvisa paramagnetism av samma skäl som element gör. Om en eller flera oparade elektron finns i föreningarnas orbitaler, kommer föreningen att vara paramagnetisk. Exempel inkluderar molekylärt syre (O2), järnoxid (FeO) och kväveoxid (NO). När det gäller syre är det möjligt att visa denna paramagnetism med hjälp av en stark elektromagnet. Om du häller flytande syre mellan polerna i en sådan magnet, kommer syret att samlas runt polerna när det förångas för att skapa ett moln av syrgas. Prova samma experiment med flytande kväve (N2), vilket inte är paramagnetiskt, och inget sådant moln kommer att bildas.
Om du ville sammanställa en lista över paramagnetiska föreningar skulle du behöva undersöka elektronkonfigurationer. Eftersom det är de oparade elektronerna i den yttre valensskal som ger paramagnetiska egenskaper, kan föreningar med sådana elektroner göra listan. Men detta är inte alltid sant. När det gäller syremolekylen finns det ett jämnt antal valenselektroner, men de upptar var och en ett lägre energitillstånd för att minimera molekylens totala energitillstånd. I stället för ett elektronpar i ett högre omloppsbana finns det två oparade elektroner i lägre orbitaler, vilket gör molekylen paramagnetisk.