Какво е диамагнетизъм? Определение и примери

Artículo revisado y aprobado por nuestro equipo editorial, siguiendo los criterios de redacción y edición de YuBrain.

Диамагнитните вещества са тези, които вместо да бъдат привлечени от магнитите, се отблъскват от тях. От техническа гледна точка те са всички тези вещества, които имат отрицателна магнитна чувствителност. Причината, поради която тези вещества се отблъскват от магнитни полета, е, че тези полета индуцират ток в електроните, въртящи се около ядрото на всеки атом, което генерира вътрешно магнитно поле в посока, обратна на външното поле. Крайният ефект е същият като когато два магнита се доближат от един и същи полюс: отблъскване.

Диамагнетизъм срещу парамагнетизъм

Всички вещества във Вселената имат електрони, така че всички те могат да генерират диамагнетизъм. Не всички обаче са диамагнитни. Причината зад този факт е, че диамагнетизмът е много слаб ефект и лесно се противодейства от всеки постоянен магнитен момент, който атомът притежава. По този начин, когато даден елемент има несдвоени електрони, които генерират нетно магнитно поле, той маскира диамагнетизма. Поради тази причина материалът се привлича от магнитни полета и се нарича парамагнитен.

В случая на диамагнитни вещества, от друга страна, няма нетен магнитен момент вътре в атома, тъй като тези вещества имат електронна конфигурация без несдвоени електрони и в която всички магнитни полета, генерирани от въртенето на всеки електрон (неговото въртене ) взаимно се отменят.

Казано по-просто, парамагнетизмът е причината някои вещества да се привличат към магнитите, докато липсата на парамагнетизъм е причината някои вещества да не се привличат към магнитите; накрая, диамагнетизмът е причината, поради която последните се отблъскват от магнитите.

С изключение на някои случаи, сред които, любопитно, е най-диамагнитният познат елемент (бисмут), определянето на електронната конфигурация на атома е достатъчно, за да се знае дали той ще бъде диамагнитен или парамагнитен.

Електронна конфигурация на диамагнитни елементи

В основата на диамагнетизма е електронната конфигурация на атомите. В този смисъл, ако искате да знаете дали даден елемент е диамагнитен или не, всичко, което трябва да направите, е да определите неговата електронна конфигурация, за да видите дали има несдвоени електрони или не. Ако го направи, той ще бъде парамагнитен (с няколко изключения), но ако няма несдвоени електрони, ще бъде диамагнитен.

Електронната конфигурация представлява много опростена визия на най-важните резултати от квантовата механика, която установява, че електроните в атомите са разпределени на нива и поднива и че в рамките на тези поднива са това, което е известно като атомни орбитали. Във всяка атомна орбитала се побират само два електрона, които трябва да имат противоположни завъртания.

В електронната конфигурация е посочено на кое енергийно ниво, подниво и орбитала се намира всеки електрон. Завъртането му също е представено със стрелка нагоре или надолу. Два електрона в една и съща орбитала трябва да имат противоположни спинове и се казва, че са сдвоени.

Пример

Азотът има 7 електрона, така че неговата електронна конфигурация, определена съгласно правилата на квантовата механика, е 1s 2 2s 2 2p 3 . Чрез разделянето на тези електрони на орбитали, това изглежда така:

Конфигурация на азота, показваща, че той не е диамагнитен, а парамагнитен
Електронна конфигурация на азот в основно състояние

В тази електронна конфигурация стрелките представляват въртенето на всеки електрон. Както може да се види, в 1s и 2s орбиталите електроните са сдвоени (те образуват двойка с противоположни спинове, които се анулират). Тук може ясно да се види, че изолиран азотен атом би бил парамагнитен, тъй като би притежавал три несдвоени електрона. Въпреки това, в молекулярния азот двата азотни атома споделят три електрона, всеки от които образува три сдвоени електронни двойки, което прави азота диамагнитна молекула.

Примери за диамагнитни елементи

Неон

Неонът е благороден газ и нещо, което характеризира благородните газове е, че всички те имат електронна конфигурация със запълнена обвивка, в която тяхната валентна обвивка има всички s и p орбитали напълно заети и всички техни сдвоени електрони.

Неонът е диамагнитен газ

Конфигурацията на електронната подобвивка на неона е 1s 2 2s 2 2p 6 . В орбиталите ще бъде:

конфигурация на неон, диамагнитен газ

Както може да се види, неонът (както и всички благородни газове) е диамагнитен елемент, тъй като няма несдвоени електрони.

Магнезий

Този алкалоземен метал има общо 12 електрона, така че неговата електронна конфигурация е 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 . Въпреки че валентната му обвивка не е напълно запълнена, тя е диамагнитен метал.

натриев катион

Металният натрий е алкален метал, който има несдвоен електрон в s орбитала (така че е парамагнитен), но когато загуби този електрон и стане Na + катион, той става диамагнитен вид с 10 електрона и електронната конфигурация на неона .

Хлориден анион

Нещо много подобно на това, което се случва с натрия, се случва и с хлора, но обратното. В този случай неутралния хлорен атом има 17 електрона, един от които е несдвоен. Въпреки това, този халоген лесно се редуцира, прихващайки електрон и запълвайки 3p z орбиталата , за да се превърне в диамагнитен вид с електронна конфигурация на аргон.

Вода, дърво и повечето органични съединения

Повечето органични съединения, както и водата и много други неорганични съединения са диамагнитни, тъй като те комбинират своите електрони в химични връзки по начин, който сдвоява техните завъртания. Поради тази причина повечето живи същества са диамагнетични. Всъщност, като приложите достатъчно силно магнитно поле, можете дори да левитирате жаба.

свръхпроводници

Една от най-забележителните характеристики на свръхпроводниците е, че те нямат електрическо съпротивление и техните електрони се движат свободно в тях. Поради тази причина външното магнитно поле е способно да индуцира вътрешен ток, който генерира силен диамагнитен ефект, който ги кара да плават върху магнита.

Изключение от правилото: Бисмут

Любопитно е да се знае, че първият открит диамагнитен материал, а също и най-диамагнитният елемент в цялата периодична таблица, има не един, не два, а три несдвоени електрона и въпреки това продължава да бъде диамагнетичен.

диамагнетизъм в бисмут

Но защо се смята за диамагнитно, въпреки че има нетен магнитен момент поради трите си несдвоени електрона? Това е така, защото в този случай диамагнетизмът е в състояние да надхвърли (и далеч) парамагнетизма, така че този елемент на практика се отблъсква от магнитни полета.

Препратки

Atkins, P., от Paula J. (2014). Физикохимия на Аткинс. Оксфорд, Обединено кралство: Oxford University Press.

Чанг, Р. (2008). ФИЗИКОХИМИЯ. (1-во издание). Ню Йорк, Ню Йорк: McGraw Hill.

Полинг, Л. (2021). Въведение в квантовата механика: с приложения в химията (първо издание). Ню Йорк, Ню Йорк: McGraw-Hill.

Магнитни свойства на твърдите тела (sf) Извлечено от http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/Solids/magpr.html

González, JC, Osorio, A., & Bustamante, A. (2009). Магнитната чувствителност на свръхпроводящите материали. Physics Research Journal , 12 (02), 6–14. https://doi.org/10.15381/rif.v12i02.8708

mm
Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

Artículos relacionados