Все атомы так или иначе реагируют на магнитные поля, но реагируют по-разному в зависимости от конфигурации атомов, окружающих ядро. В зависимости от этой конфигурации элемент может быть диамагнитным, парамагнитным или ферромагнитным. Диамагнитные элементы, которые в некоторой степени фактически являются всеми ими, слабо отталкиваются магнитным полем, тогда как парамагнитные элементы слабо притягиваются и могут намагничиваться. Ферромагнитные материалы также обладают способностью намагничиваться, но в отличие от парамагнитных элементов, намагниченность является постоянной. И парамагнетизм, и ферромагнетизм сильнее, чем диамагнетизм, поэтому элементы, которые проявляют либо парамагнетизм, либо ферромагнетизм, больше не являются диамагнитами. Только несколько элементов являются ферромагнитными при комнатной температуре. Они включают железо (Fe), никель (Ni), кобальт (Co), гадолиний (Gd) и, как недавно обнаружили ученые, рутений (Ru). Вы можете сделать постоянный магнит с любым из этих металлов, подвергая его воздействию магнитного поля. Список парамагнитных атомов намного длиннее. Парамагнитный элемент становится магнитным в присутствии магнитного поля, но он теряет свои магнитные свойства, как только вы удаляете поле. Причиной такого поведения является наличие одного или нескольких неспаренных электронов во внешней орбитальной оболочке.
Одним из наиболее важных открытий в науке за последние 200 лет является взаимосвязь электричества и магнетизма. Поскольку у каждого атома есть облако отрицательно заряженных электронов, у него есть потенциал для магнитных свойств, но от того, будет ли он отображать ферромагнетизм, парамагнетизм или диамагнетизм, зависит их конфигурация. Чтобы оценить это, необходимо понять, как электроны решают, какие орбиты занять вокруг ядра. У электронов есть качество, называемое вращением, которое вы можете визуализировать как направление вращения, хотя оно более сложное, чем это. Электроны могут иметь «раскрутку» (которую вы можете визуализировать как вращение по часовой стрелке) или «раскрутку» (против часовой стрелки). Они располагаются на растущих, строго определенных расстояниях от ядра, называемого оболочками, и внутри каждой оболочки находятся подоболочки с дискретным числом орбиталей, которые могут быть заняты максимум двумя электронами, каждый из которых имеет противоположный спин. Два электрона, занимающие орбиталь, называются парными. Их вращения отменяются, и они не создают чистого магнитного момента. С другой стороны, один электрон, занимающий орбиталь, является неспаренным, и это приводит к суммарному магнитному моменту. Диамагнитные элементы - это те, у которых нет неспаренных электронов. Эти элементы слабо противодействуют магнитному полю, которое ученые часто демонстрируют, левитируя диамагнитный материал, такой как пиролитический графит или лягушка (да, лягушка!), Над сильным электромагнитом. Парамагнитные элементы - это те, которые имеют неспаренные электроны. Они дают атому чистый магнитный дипольный момент, и когда поле приложено, атомы выравниваются с полем, и элемент становится магнитным. Когда вы удаляете поле, тепловая энергия вмешивается, чтобы рандомизировать выравнивание, и магнетизм теряется. Электроны заполняют оболочки вокруг ядра таким образом, чтобы минимизировать чистую энергию. Ученые обнаружили три правила, которым они следуют при этом, известные как принцип Ауфбрау, правило Хунда и принцип исключения Паули. Применяя эти правила, химики могут определить, сколько электронов занимает каждая из оболочек, окружающих ядро. Чтобы определить, является ли элемент диамагнитным или парамагнитным, необходимо только посмотреть на валентные электроны, которые занимают самую внешнюю подоболочку. Если внешняя подоболочка содержит орбитали с неспаренными электронами, элемент является парамагнитным. В противном случае это диамагнит. Ученые идентифицируют подоболочки как s, p, d и f. При написании конфигурации электронов принято, что валентные электроны должны предшествовать благородному газу, который предшествует рассматриваемому элементу в периодической таблице. Благородные газы имеют полностью заполненные электронные орбитали, поэтому они инертны. Например, электронная конфигурация для магния (Mg) составляет [Ne] 3s2. Внешняя подоболочка содержит два электрона, но они непарные, поэтому магний является парамагнитным. С другой стороны, электронная конфигурация цинка (Zn) имеет вид [Ar] 4s23d10. В его внешней оболочке нет неспаренных электронов, поэтому цинк является диамагнитным. Список парамагнитных атомов Вы можете рассчитать магнитные свойства каждого элемента, записав их электронные конфигурации, но, к счастью, вам это не нужно. Химики уже создали таблицу парамагнитных элементов. Они заключаются в следующем: Литий (Li) Парамагнитные Соединения Когда атомы объединяются, образуя соединения, некоторые из этих соединений могут также проявлять парамагнетизм по той же причине, что и элементы. Если на орбиталях соединения существует один или несколько неспаренных электронов, соединение будет парамагнитным. Примеры включают молекулярный кислород (O2), оксид железа (FeO) и оксид азота (NO). В случае с кислородом этот парамагнетизм можно отобразить с помощью сильного электромагнита. Если вы наливаете жидкий кислород между полюсами такого магнита, кислород будет накапливаться вокруг полюсов, поскольку он испаряется, создавая облако газообразного кислорода. Попробуйте тот же эксперимент с жидким азотом (N2), который не является парамагнитным, и такое облако не образуется. Если вы хотите составить список парамагнитных соединений, вам придется изучить электронные конфигурации. Поскольку именно неспаренные электроны во внешних валентных оболочках придают парамагнитные качества, соединения с такими электронами могли бы составить список. Хотя это не всегда так. В случае молекулы кислорода существует четное число валентных электронов, но каждый из них занимает более низкое энергетическое состояние, чтобы минимизировать общее энергетическое состояние молекулы. Вместо пары электронов на более высокой орбитали, есть два неспаренных электрона на более низких орбиталях, что делает молекулу парамагнитной. | |
| Просмотров: 6289 | |