O que é diamagnetismo? Definição e exemplos

Substâncias diamagnéticas são aquelas que ao invés de serem atraídas por ímãs são repelidas por eles. Em termos técnicos , são todas aquelas substâncias que possuem suscetibilidade magnética negativa. A razão pela qual essas substâncias são repelidas por campos magnéticos é que esses campos induzem uma corrente nos elétrons que giram em torno do núcleo de cada átomo, o que gera um campo magnético interno na direção oposta ao campo externo. O efeito final é o mesmo de quando dois ímãs são aproximados pelo mesmo pólo: repulsão.

Diamagnetismo vs. Paramagnetismo

Todas as substâncias no universo têm elétrons, então todas podem gerar diamagnetismo. No entanto, nem todos são diamagnéticos. A razão por trás desse fato é que o diamagnetismo é um efeito muito fraco e é facilmente neutralizado por qualquer momento magnético permanente que o átomo possua. Assim, quando um elemento possui elétrons desemparelhados que geram um campo magnético líquido, ele mascara o diamagnetismo. Por esta razão, o material é atraído por campos magnéticos e é chamado de paramagnético.

No caso das substâncias diamagnéticas, por outro lado, não há momento magnético líquido dentro do átomo, porque essas substâncias têm uma configuração eletrônica sem elétrons desemparelhados, e na qual todos os campos magnéticos gerados pela rotação de cada elétron (seu spin ) cancelam-se mutuamente.

Simplificando, o paramagnetismo é a razão pela qual algumas substâncias são atraídas por ímãs, enquanto a ausência de paramagnetismo é a razão pela qual algumas substâncias não são atraídas por ímãs; finalmente, o diamagnetismo é a razão pela qual estes últimos são repelidos por ímãs.

Com exceção de alguns casos entre os quais está, curiosamente, o elemento mais diamagnético conhecido (bismuto), basta determinar a configuração eletrônica de um átomo para saber se ele será diamagnético ou paramagnético.

A configuração eletrônica de elementos diamagnéticos

No coração do diamagnetismo está a configuração eletrônica dos átomos. Nesse sentido, se você quiser saber se um elemento é diamagnético ou não, basta determinar sua configuração eletrônica para ver se ele possui elétrons desemparelhados ou não. Se tiver, será paramagnético (com algumas exceções), mas se não tiver elétrons desemparelhados, será diamagnético.

A configuração eletrônica representa uma visão muito simplificada dos resultados mais importantes da mecânica quântica, que estabelece que os elétrons nos átomos estão distribuídos em níveis e subníveis, e que dentro desses subníveis estão os chamados orbitais atômicos. . Dentro de cada orbital atômico cabem apenas dois elétrons, que devem ter spins opostos.

Na configuração eletrônica, é indicado em qual nível de energia, subnível e orbital cada elétron está localizado. Seu giro também é representado por uma seta para cima ou para baixo. Dois elétrons no mesmo orbital devem ter spins opostos e são ditos emparelhados.

Exemplo

O nitrogênio tem 7 elétrons, então sua configuração eletrônica, determinada seguindo as regras da mecânica quântica, é 1s ² 2s ² 2p ³ . Ao particionar esses elétrons em orbitais, fica assim:

Nesta configuração eletrônica, as setas representam o spin de cada elétron. Como pode ser visto, nos orbitais 1s e 2s os elétrons estão emparelhados (eles formam um par com spins opostos que se cancelam). Aqui pode ser visto claramente que um átomo de nitrogênio isolado seria paramagnético, pois possuiria três elétrons desemparelhados. No entanto, no nitrogênio molecular, os dois átomos de nitrogênio compartilham três elétrons, cada um formando três pares de elétrons emparelhados, tornando o nitrogênio uma molécula diamagnética.

Exemplos de elementos diamagnéticos

Néon

O néon é um gás nobre, e algo que caracteriza os gases nobres é que todos eles têm uma configuração eletrônica de camada preenchida na qual sua camada de valência tem todos os orbitais s e p totalmente ocupados e todos os seus elétrons emparelhados.

A configuração do subshell eletrônico do neon é 1s ² 2s ² 2p ⁶ . Em orbitais seria:

Como pode ser visto, o neon (assim como todos os gases nobres) é um elemento diamagnético, pois não possui elétrons desemparelhados.

Magnésio

Este metal alcalino terroso tem um total de 12 elétrons, então sua configuração eletrônica é 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² . Embora sua camada de valência não esteja completamente preenchida, é um metal diamagnético.

cátion sódio

O sódio metálico é um metal alcalino que possui um elétron desemparelhado em um orbital s (por isso é paramagnético), porém, quando perde esse elétron e se torna o cátion Na+, torna-se uma espécie diamagnética com 10 elétrons e a configuração eletrônica ^do néon .

ânion cloreto

Algo muito parecido com o que acontece com o sódio acontece com o cloro, mas ao contrário. Nesse caso, o átomo de cloro neutro tem 17 elétrons, um dos quais não emparelhado. No entanto, este halogênio é facilmente reduzido, pegando um elétron e preenchendo o orbital 3p _z para se tornar uma espécie diamagnética com a configuração eletrônica do argônio.

Água, madeira e a maioria dos compostos orgânicos

A maioria dos compostos orgânicos, bem como a água e muitos outros compostos inorgânicos, são diamagnéticos, uma vez que combinam seus elétrons em ligações químicas de uma maneira que emparelha seus spins. Por esta razão, a maioria dos seres vivos são diamagnéticos. Na verdade, aplicando um campo magnético forte o suficiente, você pode até levitar um sapo.

supercondutores

Uma das características mais notáveis ​​dos supercondutores é que eles não têm resistência elétrica e seus elétrons se movem livremente dentro deles. Por esta razão, um campo magnético externo é capaz de induzir uma corrente interna, que gera um forte efeito diamagnético que os faz flutuar sobre o imã.

A exceção à regra: Bismuto

É curioso saber que o primeiro material diamagnético a ser descoberto, e também o elemento mais diamagnético de toda a tabela periódica, não tem um, nem dois, mas três elétrons desemparelhados , e mesmo assim continua sendo diamagnético.

Mas por que é considerado diamagnético, apesar de ter um momento magnético líquido devido aos seus três elétrons desemparelhados? Isto porque, neste caso, o diamagnetismo é capaz de exceder (e de longe) o paramagnetismo, pelo que este elemento é, com efeito, repelido por campos magnéticos.

Referências

Atkins, P., de Paula J. (2014). Físico-Química de Atkins. Oxford, Reino Unido: Oxford University Press.

Chang, R. (2008). QUÍMICA FÍSICA. (1ª ed.). Cidade de Nova York, Nova York: McGraw Hill.

Pauling, L. (2021). Introdução à Mecânica Quântica: Com Aplicações à Química (Primeira Edição). Cidade de Nova York, Nova York: McGraw-Hill.

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González, JC, Osorio, A., & Bustamante, A. (2009). A suscetibilidade magnética em materiais supercondutores. Physics Research Journal , 12 (02), 6–14. https://doi.org/10.15381/rif.v12i02.8708