Liste over paramagnetiske atomer

Indhold

• Paramagnetiske vs. diamagnetiske elementer
• Beregning af om et element er paramagnetisk eller diamagnetisk
• En liste over paramagnetiske atomer
• Paramagnetiske forbindelser

Alle atomer reagerer på en eller anden måde på magnetiske felter, men de reagerer forskelligt afhængigt af konfigurationen af ​​atomerne omkring kernen. Afhængig af denne konfiguration kan et element være diamagnetisk, paramagnetisk eller ferromagnetisk. Elementer, der er diamagnetiske - som faktisk alle er til en grad - frastøttes svagt af et magnetfelt, mens paramagnetiske elementer tiltrækkes svagt og kan blive magnetiserede. Ferromagnetiske materialer har også evnen til at blive magnetiserede, men i modsætning til paramagnetiske elementer er magnetiseringen permanent. Både paramagnetisme og ferromagnetisme er stærkere end diamagnetisme, så elementer, der udviser enten paramagnetisme eller ferromagnetisme, er ikke længere diamagnetiske.

Kun få elementer er ferromagnetiske ved stuetemperatur. De inkluderer jern (Fe), nikkel (Ni), kobolt (Co), gadolinium (Gd) og - som forskere for nylig har opdaget - ruthenium (Ru). Du kan fremstille en permanent magnet med et hvilket som helst af disse metaller ved at udsætte den for et magnetfelt. Listen over paramagnetiske atomer er meget længere. Et paramagnetisk element bliver magnetisk i nærvær af et magnetfelt, men det mister sine magnetiske egenskaber, så snart du fjerner feltet. Årsagen til denne opførsel er tilstedeværelsen af ​​en eller flere parrede elektroner i den ydre orbitalskal.

Paramagnetiske vs. diamagnetiske elementer

En af de vigtigste opdagelser inden for videnskab i løbet af de sidste 200 år er sammenkoblingen af ​​elektricitet og magnetisme. Fordi hvert atom har en sky af negativt ladede elektroner, har det potentialet for magnetiske egenskaber, men hvorvidt det viser ferromagnetisme, paramagnetisme eller diamagnetisme afhænger af deres konfiguration. For at forstå dette er det nødvendigt at forstå, hvordan elektroner bestemmer, hvilke kredsløb der skal optages omkring kernen.

Elektronerne har en kvalitet kaldet spin, som du kan visualisere som rotationsretning, selvom det er mere kompliceret end det. Elektroner kan have "spin-up" (som du kan visualisere med uret) eller "spin-down" (mod uret). De arrangerer sig med stigende, strengt definerede afstande fra kernen, der kaldes skaller, og inden for hver skal er underskaller, der har et diskret antal orbitaler, der maksimalt kan optages af to elektroner, der hver har modsat drejning. To elektroner, der optager en orbital, siges at være parret. Deres spins annulleres, og de skaber ikke et netto magnetisk moment. En enkelt elektron, der optager en orbital, er på den anden side uparret, og det resulterer i et netto magnetisk øjeblik.

Diamagnetiske elementer er de uden elektriske parret. Disse elementer er svagt imod et magnetfelt, som forskere ofte demonstrerer ved at opløfte et diamagnetisk materiale, såsom pyrolitisk grafit eller en frø (ja, en frø!) Over en stærk elektromagnet. Paramagnetiske elementer er dem, der har uparrede elektroner. De giver atomet et netto magnetisk dipolmoment, og når et felt påføres, justeres atomerne med feltet, og elementet bliver magnetisk. Når du fjerner marken, griber termisk energi ind for at randomisere justeringen, og magnetismen går tabt.

Beregning af om et element er paramagnetisk eller diamagnetisk

Elektroner fylder skaller rundt om kernen på en måde, der minimerer nettoenergi. Forskere har opdaget tre regler, som de følger, når de gør dette, kendt som Aufbrau-princippet, Hunds Rule og Pauli-ekskluderingsprincippet. Ved anvendelse af disse regler kan kemikere bestemme, hvor mange elektroner der optager hver af underskalene, der omgiver en kerne.

For at bestemme, om et element er diamagnetisk eller paramagnetisk, er det kun nødvendigt at se på valenselektroner, som er dem, der optager det yderste underskal. Hvis den yderste underskal indeholder orbitaler med uparrede elektroner, er elementet paramagnetisk. Ellers er det diamagnetisk. Forskere identificerer underskalene som s, p, d og f. Når man skriver elektronkonfiguration, er konventionen at gå foran valenselektronerne med den ædel gas, der går forud for det pågældende element i den periodiske tabel. Ædelgasser har fuldstændigt fyldt elektroniske orbitaler, hvorfor de er inerte.

For eksempel er elektronkonfigurationen for magnesium (Mg) 3s². Den yderste underskal indeholder to elektroner, men de er uparrede, så magnesium er paramagnetisk. På den anden side er elektronkonfigurationen af ​​zink (Zn) 4s²3d¹⁰. Det har ingen uparrede elektroner i sin ydre skal, så zink er diamagnetisk.

En liste over paramagnetiske atomer

Du kunne beregne de magnetiske egenskaber for hvert element ved at skrive deres elektronkonfigurationer, men heldigvis behøver du ikke. Kemikere har allerede oprettet en tabel med paramagnetiske elementer. De er som følger:

Paramagnetiske forbindelser

Når atomer kombineres for at danne forbindelser, kan nogle af disse forbindelser også udvise paramagnetisme af den samme grund, som elementer gør. Hvis der findes en eller flere uparrede elektron i forbindelserne orbitaler, vil forbindelsen være paramagnetisk. Eksempler inkluderer molekylært oxygen (O₂), jernoxid (FeO) og nitrogenoxid (NO). I tilfælde af ilt er det muligt at vise denne paramagnetisme ved hjælp af en stærk elektromagnet. Hvis du hælder flydende ilt mellem polerne i en sådan magnet, samler iltet sig rundt om polerne, når det fordamper for at skabe en sky af iltgas. Prøv det samme eksperiment med flydende nitrogen (N₂), som ikke er paramagnetisk, og ingen sådan sky dannes.

Hvis du ønskede at udarbejde en liste over paramagnetiske forbindelser, skulle du undersøge elektronkonfigurationer. Fordi det er de uparrede elektroner i den ydre valensskaller, der giver paramagnetiske kvaliteter, bør forbindelser med sådanne elektroner fremstille listen. Dette er dog ikke altid sandt. For iltmolekylet er der et jævnt antal valenselektroner, men de optager hver en lavere energitilstand for at minimere molekylets samlede energitilstand. I stedet for et elektronpar i en højere orbital er der to uparrede elektroner i lavere orbitaler, hvilket gør molekylet paramagnetisk.