תוֹכֶן
- אלמנטים פרגמנטיים לעומת דימגנטיים
- חישוב אם אלמנט הוא פרמגנטי או דיאמנטי
- רשימת אטומים פרמגנטיים
- תרכובות פרמגנטיות
כל האטומים מגיבים בדרך כלשהי לשדות מגנטיים, אך הם מגיבים בצורה שונה בהתאם לתצורת האטומים המקיפים את הגרעין. בהתאם לתצורה זו, אלמנט יכול להיות diamagnetic, paramagnetic או ferromagnetic. אלמנטים שהם יהלומים מגנטיים - שהם למעשה כולם, במידה מסוימת - מופעלים בצורה חלשה על ידי שדה מגנטי, ואילו אלמנטים פרמגנטיים נמשכים בצורה חלשה ויכולים להפוך למגנט. לחומרים פרומגנטיים יש גם את היכולת להפוך לממגנט, אך בניגוד לאלמנטים פרמגנטיים, המגנטציה היא קבועה. גם פרמגנטיות וגם פרומגנטיות חזקות יותר מהפרזנטציה, כך שאלמנטים המציגים פרמגנטיות או פרומגנטיות כבר אינם יהלומים מגנטיים.
רק כמה אלמנטים פרומגנטיים בטמפרטורת החדר. הם כוללים ברזל (Fe), ניקל (Ni), קובלט (Co), גאדוליניום (אלוקים) וכפי שגילו מדענים לאחרונה - רותניום (Ru). אתה יכול ליצור מגנט קבוע עם כל אחת מהמתכות האלה על ידי חשיפתו לשדה מגנטי. רשימת האטומים הפרמגנטיים ארוכה בהרבה. אלמנט פרמגנטי הופך למגנטי בנוכחות שדה מגנטי, אך הוא מאבד את תכונותיו המגנטיות ברגע שמסירים את השדה. הסיבה להתנהגות זו היא נוכחותם של אלקטרונים אחד או יותר ללא זיווג במעטפת האורביטאלית החיצונית.
אלמנטים פרגמנטיים לעומת דימגנטיים
אחת התגליות החשובות ביותר במדע במהלך 200 השנים האחרונות היא קשרי הגומלין בין חשמל ומגנטיות. מכיוון שלכל אטום יש ענן של אלקטרונים טעונים באופן שלילי, יש לו פוטנציאל לתכונות מגנטיות, אך אם הוא מציג פרומגנטיות, פרמגנטיות או דיאמגנטיות תלוי בתצורתם. כדי להעריך זאת, יש צורך להבין כיצד אלקטרונים מחליטים אילו מסלול יתפוס סביב הגרעין.
לאלקטרונים יש איכות שנקראת ספין, שתוכלו לדמיין ככיוון של סיבוב, אם כי היא מסובכת יותר מזה. באלקטרונים יכול להיות "ספין-אפ" (שאתה יכול לדמיין כסיבוב עם כיוון השעון) או "ספין-למטה" (נגד כיוון השעון). הם מסדרים את עצמם במרחקים הולכים וגדלים ומוגדרים בקפדנות מהגרעין הנקרא פגזים, ובתוך כל קליפה יש מעטפות משנה שיש להן מספר נפרד של אורביטלים שיכולים לתפוס מקסימום שני אלקטרונים, שלכל אחד מהם יש ספין הפוך. אומרים כי שני אלקטרונים הכובשים מסלול הם מזווגים. הספינים שלהם מבטלים והם לא יוצרים שום רגע מגנטי נטו. לעומת זאת, אלקטרון בודד הכובש מסלול אינו מותאם, והוא אכן גורם לרגע מגנטי נטו.
אלמנטים יהלומים מגנטיים הם אלה ללא אלקטרונים ללא זיווג. אלמנטים אלה מתנגדים באופן חלש לשדה מגנטי, אותו מדגימים מדענים לרוב על ידי ריחוף של חומר diamagnetic, כגון גרפיט פירוליטי או צפרדע (כן, צפרדע!) מעל אלקטרומגנט חזק. אלמנטים פרמגנטיים הם אלה שיש להם אלקטרונים לא מותאמים. הם נותנים לאטום רגע דיפול מגנטי נטו, וכאשר מוחלים שדה, האטומים מתיישרים עם השדה, והיסוד הופך להיות מגנטי. כשאתה מסיר את השדה, האנרגיה התרמית מתערבת בכדי לאזן את היישור, והמגנטיות הולכת לאיבוד.
חישוב אם אלמנט הוא פרמגנטי או דיאמנטי
אלקטרונים ממלאים קונכיות סביב הגרעין באופן שממזער אנרגיה נטו. מדענים גילו שלושה כללים שהם פועלים בעת ביצועם, הידועים כעקרון עופרברה, כלל הרגלים ועיקרון ההדרה של פאולי. בהחלת כללים אלה, כימאים יכולים לקבוע כמה אלקטרונים תופסים כל אחת מקליפות המשנה המקיפות גרעין.
כדי לקבוע אם אלמנט הוא diamagnetic או paramagnetic, זה נחוץ רק כדי להסתכל על האלקטרונים הערכיות, שהם אלה התופסים את מעטפת המשנה החיצונית ביותר. אם מעטפת המשנה החיצונית ביותר מכילה אורביטלים עם אלקטרונים לא צמודים, האלמנט פרמגנטי. אחרת, היהלומני שלה. מדענים מזהים את מעטפות המשנה כ- s, p, d ו- f. בעת כתיבת תצורת אלקטרונים, האמנה היא להקדים את האלקטרונים הערכיים על ידי הגז האצילי שקדם לאלמנט המדובר בטבלה המחזורית. גזים אצילים מילאו אורביטלים אלקטרוניים לחלוטין, וזו הסיבה שהם אינרטיים.
לדוגמה, תצורת האלקטרונים למגנזיום (מג) היא 3S2. מעטפת המשנה החיצונית ביותר מכילה שני אלקטרונים, אך הם אינם מותאמים, כך שמגנזיום הוא פרמגנטי. מצד שני, תצורת האלקטרונים של אבץ (Zn) היא 4s23d10. אין לו אלקטרונים לא מזווגים במעטפת החיצונית שלו, ולכן האבץ הוא מגנטי.
רשימת אטומים פרמגנטיים
אתה יכול לחשב את התכונות המגנטיות של כל אלמנט על ידי כתיבת תצורות האלקטרונים שלהם, אך למרבה המזל אתה לא צריך. כימאים כבר יצרו טבלה של אלמנטים פרמגנטיים. הם כדלקמן:
תרכובות פרמגנטיות
כאשר אטומים מתחברים ליצירת תרכובות, חלק מאותם תרכובות יכולים גם להפגין פרמגנטיות מאותה סיבה שגורמים לה. אם קיים אלקטרון אחד או יותר ללא זיווג בתרכובות האורביטליות, המתחם יהיה פרמגנטי. דוגמאות לכך כוללות חמצן מולקולרי (O2), תחמוצת ברזל (FeO) ותחמוצת החנקן (NO). במקרה של חמצן, ניתן להציג פרמגנטיות זו באמצעות אלקטרומגנט חזק. אם תשפכו חמצן נוזלי בין הקטבים של מגנט כזה, החמצן יתאסף סביב הקטבים כשהוא יתנדף ליצירת ענן של גז חמצן. נסה את אותו ניסוי עם חנקן נוזלי (N2), שאינו פרמגנטי, ואף ענן כזה לא יווצר.
אם רצית לערוך רשימת תרכובות פרמגנטיות, היית צריך לבחון תצורות אלקטרונים. מכיוון שאלקטרונים לא צמודים בקליפות הערך החיצוני המעניקים איכויות פרמגנטיות, תרכובות עם אלקטרונים כאלה צריכות להפוך את הרשימה. עם זאת, זה לא תמיד נכון. במקרה של מולקולת החמצן, ישנם מספר שווה של אלקטרונים ערכיים, אך כל אחד מהם תופס מצב אנרגיה נמוך יותר כדי למזער את מצב האנרגיה הכולל של המולקולה. במקום זוג אלקטרונים במסלול גבוה יותר, ישנם שני אלקטרונים לא צמודים באורביטלים נמוכים יותר, מה שהופך את המולקולה לפרמגנטית.