Zoznam parametrických atómov

Obsah

• Paramagnetické vs. priemerné prvky
• Výpočet, či je prvok paramagnetický alebo diamagnetický
• Zoznam parametrických atómov
• Paramagnetické zlúčeniny

Všetky atómy nejakým spôsobom reagujú na magnetické polia, ale reagujú odlišne v závislosti od konfigurácie atómov obklopujúcich jadro. V závislosti od tejto konfigurácie môže byť prvok diamagnetický, paramagnetický alebo feromagnetický. Prvky, ktoré sú diamagnetické - čo je v skutočnosti všetky do istej miery - sú slabo odpudzované magnetickým poľom, zatiaľ čo paramagnetické prvky sú slabo priťahované a môžu sa zmagnetizovať. Feromagnetické materiály majú tiež schopnosť byť magnetizované, ale na rozdiel od paramagnetických prvkov je magnetizácia trvalá. Paramagnetizmus aj feromagnetizmus sú silnejšie ako diamagnetizmus, takže prvky, ktoré prejavujú paramagnetizmus alebo feromagnetizmus, už nie sú diamagnetické.

Pri izbovej teplote je feromagnetických iba niekoľko prvkov. Zahŕňajú železo (Fe), nikel (Ni), kobalt (Co), gadolínium (Gd) a - ako vedci nedávno objavili - ruténium (Ru). S ktorýmkoľvek z týchto kovov môžete vytvoriť permanentný magnet tým, že ho vystavíte magnetickému poľu. Zoznam paramagnetických atómov je oveľa dlhší. Paramagnetický prvok sa stane magnetickým v prítomnosti magnetického poľa, ale hneď ako odstránite pole, stratí svoje magnetické vlastnosti. Dôvodom tohto správania je prítomnosť jedného alebo viacerých nepárových elektrónov vo vonkajšej orbitálnej schránke.

Paramagnetické vs. priemerné prvky

Jedným z najdôležitejších objavov vo vede za posledných 200 rokov je vzájomné prepojenie elektriny a magnetizmu. Pretože každý atóm má oblak záporne nabitých elektrónov, má potenciál pre magnetické vlastnosti, ale to, či vykazuje feromagnetizmus, paramagnetizmus alebo diamagnetizmus, závisí od ich konfigurácie. Aby sme to ocenili, je potrebné pochopiť, ako sa elektróny rozhodujú, ktoré dráhy obiehajú okolo jadra.

Elektróny majú kvalitu nazývanú spin, ktorú si môžete predstaviť ako smer rotácie, aj keď je zložitejšia ako táto. Elektróny môžu mať "spin-up" (ktoré si môžete predstaviť ako rotáciu v smere hodinových ručičiek) alebo "spin-down" (proti smeru hodinových ručičiek). Usporiadajú sa vo zväčšujúcich sa presne definovaných vzdialenostiach od jadra nazývaného škrupiny a v rámci každej škrupiny sú podškrupiny, ktoré majú diskrétny počet orbitálov, ktoré môžu byť obsadené maximálne dvoma elektrónmi, pričom každý z nich má opačnú rotáciu. Dva elektróny zaberajúce obežnú dráhu sú údajne spárované. Ich otočenie sa zruší a nevytvárajú žiaden čistý magnetický moment. Na druhej strane jediný elektrón, ktorý zaberá orbitál, je nepárový a má za následok čistý magnetický moment.

Diamagnetické prvky sú tie, ktoré neobsahujú nepárové elektróny. Tieto prvky slabo oponujú magnetickému poľu, ktoré vedci často demonštrujú levitáciou diamagnetického materiálu, ako je pyrolitický grafit alebo žaba (áno, žaba!) Nad silným elektromagnetom. Paramagnetické prvky sú tie, ktoré majú nepárové elektróny. Dávajú atómu čistý moment magnetického dipólu a keď sa použije pole, atómy sa zarovnajú s poľom a prvok sa stane magnetickým. Keď pole odstránite, tepelná energia zasiahne do náhodného zarovnania a magnetizmus sa stratí.

Výpočet, či je prvok paramagnetický alebo diamagnetický

Elektróny vyplňujú škrupiny okolo jadra spôsobom, ktorý minimalizuje čistú energiu. Vedci objavili tri pravidlá, ktoré pri tom dodržiavajú, známe ako Aufbrauov princíp, Hundsov princíp a Pauliho vylúčenie. Aplikáciou týchto pravidiel môžu chemici určiť, koľko elektrónov zaberá každú z podškrupín obklopujúcich jadro.

Aby bolo možné určiť, či je prvok diamagnetický alebo paramagnetický, je potrebné sa len pozrieť na valenčné elektróny, ktoré sú tie, ktoré zaberajú najvonkajšiu subshell. Ak vonkajšia škrupina obsahuje obežné dráhy s nepárovými elektrónmi, je prvok paramagnetický. Inak jeho diamagnetický. Vedci identifikujú podškrupiny ako s, p, d a f. Pri písaní konfigurácie elektrónov má konvencia predchádzať valenčným elektrónom vzácnym plynom, ktorý predchádza príslušnému prvku v periodickej tabuľke. Ušľachtilé plyny majú úplne naplnené elektrónové orbitaly, a preto sú inertné.

Napríklad elektrónová konfigurácia horčíka (Mg) je 3 s², Najkrajnejšia podškrupina obsahuje dva elektróny, sú však nepárové, takže horčík je paramagnetický. Na druhej strane elektrónová konfigurácia zinku (Zn) je 4s²3d¹⁰, Vo vonkajšom plášti nemá nespárené elektróny, takže zinok je diamagnetický.

Zoznam parametrických atómov

Magnetické vlastnosti každého prvku by ste mohli vypočítať tak, že napíšete ich konfigurácie elektrónov, ale našťastie to nemusíte. Chemici už vytvorili tabuľku paramagnetických prvkov. Sú to tieto:

Paramagnetické zlúčeniny

Keď sa atómy kombinujú a vytvárajú zlúčeniny, niektoré z týchto zlúčenín môžu tiež vykazovať paramagnetizmus z rovnakého dôvodu, aký majú tieto prvky. Ak v orbitaloch zlúčenín existuje jeden alebo viac nepárových elektrónov, zlúčenina bude paramagnetická. Príklady zahŕňajú molekulárny kyslík (O₂), oxid železitý (FeO) a oxid dusnatý (NO). V prípade kyslíka je možné tento paramagnetizmus zobraziť pomocou silného elektromagnetu. Ak nalejete tekutý kyslík medzi póly takého magnetu, kyslík sa bude zhromažďovať okolo pólov, keď sa vyparí, aby vytvoril oblak plynného kyslíka. Skúste rovnaký experiment s tekutým dusíkom (N₂), ktorá nie je paramagnetická a nebude sa vytvárať žiadny takýto oblak.

Ak by ste chceli zostaviť zoznam paramagnetických zlúčenín, museli by ste preskúmať konfigurácie elektrónov. Pretože jeho nepárové elektróny vo vonkajších valenčných škrupinách, ktoré prepožičiavajú paramagnetické vlastnosti, zoznamy s takýmito elektrónmi tvoria zoznam. To však vždy nie je pravda. V prípade molekuly kyslíka existuje párny valenčný elektrón, ale každý z nich zaujíma stav nižšej energie, aby sa minimalizoval celkový energetický stav molekuly. Namiesto elektrónového páru vo vyššom obežnom obehu existujú dva nepárové elektróny v dolných obežných dráhach, vďaka ktorým je molekula paramagnetická.