Elenco di atomi paramagnetici

Contenuto

• Elementi paramagnetici e diamagnetici
• Calcolare se un elemento è paramagnetico o diamagnetico
• Un elenco di atomi paramagnetici
• Composti paramagnetici

Tutti gli atomi rispondono in qualche modo ai campi magnetici, ma rispondono in modo diverso a seconda della configurazione degli atomi che circondano il nucleo. A seconda di questa configurazione, un elemento può essere diamagnetico, paramagnetico o ferromagnetico. Gli elementi che sono diamagnetici - che in realtà sono tutti in una certa misura - sono debolmente respinti da un campo magnetico, mentre gli elementi paramagnetici sono debolmente attratti e possono magnetizzarsi. I materiali ferromagnetici hanno anche la capacità di magnetizzarsi, ma a differenza degli elementi paramagnetici, la magnetizzazione è permanente. Sia il paramagnetismo che il ferromagnetismo sono più forti del diamagnetismo, quindi gli elementi che presentano paramagnetismo o ferromagnetismo non sono più diamagnetici.

Solo pochi elementi sono ferromagnetici a temperatura ambiente. Includono ferro (Fe), nichel (Ni), cobalto (Co), gadolinio (Gd) e - come recentemente scoperto dagli scienziati - rutenio (Ru). Puoi creare un magnete permanente con uno di questi metalli esponendolo a un campo magnetico. L'elenco degli atomi paramagnetici è molto più lungo. Un elemento paramagnetico diventa magnetico in presenza di un campo magnetico, ma perde le sue proprietà magnetiche non appena si rimuove il campo. La ragione di questo comportamento è la presenza di uno o più elettroni spaiati nel guscio orbitale esterno.

Elementi paramagnetici e diamagnetici

Una delle scoperte più importanti della scienza negli ultimi 200 anni è l'interconnessione di elettricità e magnetismo. Poiché ogni atomo ha una nuvola di elettroni carichi negativamente, ha il potenziale per proprietà magnetiche, ma se mostra ferromagnetismo, paramagnetismo o diamagnetismo dipende dalla loro configurazione. Per apprezzarlo, è necessario capire come gli elettroni decidono quali orbite occupare attorno al nucleo.

Gli elettroni hanno una qualità chiamata spin, che puoi visualizzare come senso di rotazione, sebbene sia più complicato di così. Gli elettroni possono avere "spin-up" (che puoi visualizzare come rotazione oraria) o "spin-down" (antiorario). Si dispongono a distanze crescenti e rigorosamente definite dal nucleo chiamato gusci, e all'interno di ogni guscio vi sono delle conchiglie che hanno un numero discreto di orbitali che possono essere occupate da un massimo di due elettroni, ciascuno con spin opposto. Si dice che due elettroni che occupano un orbitale siano accoppiati. I loro giri si annullano e non creano alcun momento magnetico netto. Un singolo elettrone che occupa un orbitale, invece, è spaiato e provoca un momento magnetico netto.

Gli elementi diamagnetici sono quelli senza elettroni spaiati. Questi elementi si oppongono debolmente a un campo magnetico, che gli scienziati dimostrano spesso levitando un materiale diamagnetico, come la grafite pirolitica o una rana (sì, una rana!) Sopra un forte elettromagnete. Gli elementi paramagnetici sono quelli che hanno elettroni spaiati. Danno all'atomo un momento di dipolo magnetico netto e quando viene applicato un campo, gli atomi si allineano con il campo e l'elemento diventa magnetico. Quando si rimuove il campo, l'energia termica interviene per randomizzare l'allineamento e il magnetismo si perde.

Calcolare se un elemento è paramagnetico o diamagnetico

Gli elettroni riempiono i gusci attorno al nucleo in modo da ridurre al minimo l'energia netta. Gli scienziati hanno scoperto tre regole che seguono nel fare ciò, note come Principio di Aufbrau, Regola di Hunds e Principio di esclusione di Pauli. Applicando queste regole, i chimici possono determinare quanti elettroni occupano ciascuno dei sottotitoli che circondano un nucleo.

Per determinare se un elemento è diamagnetico o paramagnetico, è necessario solo guardare gli elettroni di valenza, che sono quelli che occupano la sottostruttura più esterna. Se la subshell più esterna contiene orbitali con elettroni spaiati, l'elemento è paramagnetico. Altrimenti, è diamagnetico. Gli scienziati identificano i sottotitoli come s, p, d e f. Quando si scrive la configurazione elettronica, la convenzione è quella di precedere gli elettroni di valenza del gas nobile che precede l'elemento in questione nella tavola periodica. I gas nobili hanno orbitali di elettroni completamente riempiti, motivo per cui sono inerti.

Ad esempio, la configurazione elettronica del magnesio (Mg) è 3s². La subshell più esterna contiene due elettroni, ma sono spaiati, quindi il magnesio è paramagnetico. D'altra parte, la configurazione elettronica dello zinco (Zn) è 4s²3d¹⁰. Non ha elettroni spaiati nel suo guscio esterno, quindi lo zinco è diamagnetico.

Un elenco di atomi paramagnetici

È possibile calcolare le proprietà magnetiche di ciascun elemento scrivendo le loro configurazioni elettroniche, ma per fortuna non è necessario. I chimici hanno già creato una tabella di elementi paramagnetici. Sono i seguenti:

Composti paramagnetici

Quando gli atomi si combinano per formare composti, alcuni di questi composti possono anche esibire paramagnetismo per lo stesso motivo per cui gli elementi lo fanno. Se esiste uno o più elettroni spaiati negli orbitali composti, il composto sarà paramagnetico. Gli esempi includono ossigeno molecolare (O₂), ossido di ferro (FeO) e ossido nitrico (NO). Nel caso dell'ossigeno, è possibile visualizzare questo paramagnetismo usando un forte elettromagnete. Se si versa ossigeno liquido tra i poli di un tale magnete, l'ossigeno si accumula attorno ai poli mentre vaporizza per creare una nuvola di ossigeno gassoso. Prova lo stesso esperimento con azoto liquido (N₂), che non è paramagnetico, e non si formerà tale nuvola.

Se si desidera compilare un elenco di composti paramagnetici, è necessario esaminare le configurazioni degli elettroni. Poiché sono gli elettroni spaiati nei gusci di valenza esterna che conferiscono qualità paramagnetiche, i composti con tali elettroni potrebbero fare la lista. Questo non è sempre vero, però. Nel caso della molecola di ossigeno, esiste un numero pari di elettroni di valenza, ma ciascuno di essi occupa uno stato di energia inferiore per ridurre al minimo lo stato di energia complessivo della molecola. Invece di una coppia di elettroni in un orbitale superiore, ci sono due elettroni spaiati in orbitali inferiori, il che rende la molecola paramagnetica.