Contenu
- Éléments paramagnétiques et diamagnétiques
- Calculer si un élément est paramagnétique ou diamagnétique
- Une liste d'atomes paramagnétiques
- Composés paramagnétiques
Tous les atomes répondent d'une certaine manière aux champs magnétiques, mais ils répondent différemment selon la configuration des atomes entourant le noyau. Selon cette configuration, un élément peut être diamagnétique, paramagnétique ou ferromagnétique. Les éléments diamagnétiques, c'est-à-dire tous dans une certaine mesure, sont faiblement repoussés par un champ magnétique, tandis que les éléments paramagnétiques sont faiblement attirés et peuvent devenir magnétisés. Les matériaux ferromagnétiques ont également la capacité de devenir magnétisés, mais contrairement aux éléments paramagnétiques, la magnétisation est permanente. Le paramagnétisme et le ferromagnétisme sont tous deux plus puissants que le diamagnétisme, de sorte que les éléments présentant soit un paramagnétisme, soit un ferromagnétisme ne sont plus diamagnétiques.
Seuls quelques éléments sont ferromagnétiques à la température ambiante. Ils comprennent le fer (Fe), le nickel (Ni), le cobalt (Co), le gadolinium (Gd) et - comme l'ont récemment découvert des scientifiques - le ruthénium (Ru). Vous pouvez créer un aimant permanent avec l’un de ces métaux en l’exposant à un champ magnétique. La liste des atomes paramagnétiques est beaucoup plus longue. Un élément paramagnétique devient magnétique en présence d'un champ magnétique, mais il perd ses propriétés magnétiques dès que vous supprimez le champ. La raison de ce comportement est la présence d'un ou plusieurs électrons non appariés dans la coque orbitale externe.
Éléments paramagnétiques et diamagnétiques
L’une des découvertes scientifiques les plus importantes des 200 dernières années est l’interdépendance de l’électricité et du magnétisme. Parce que chaque atome a un nuage d’électrons chargés négativement, il a un potentiel de propriétés magnétiques, mais qu’il présente un ferromagnétisme, un paramagnétisme ou un diamagnétisme dépend de leur configuration. Pour apprécier cela, il est nécessaire de comprendre comment les électrons décident des orbites à occuper autour du noyau.
Les électrons ont une qualité appelée spin, que vous pouvez visualiser comme un sens de rotation, bien que ce soit plus compliqué que cela. Les électrons peuvent avoir un "spin-up" (que vous pouvez visualiser comme une rotation dans le sens des aiguilles d'une montre) ou un "spin-down" (dans le sens inverse des aiguilles d'une montre). Ils se rangent à des distances croissantes et strictement définies du noyau, appelées coquilles, et à l'intérieur de chaque coquille se trouvent des sous-coquilles comportant un nombre discret d'orbitales pouvant être occupées par un maximum de deux électrons, chacun ayant une rotation opposée. On dit que deux électrons occupant une orbitale sont appariés. Leurs tours s'annulent et ils ne créent aucun moment magnétique net. En revanche, un seul électron occupant une orbitale est non apparié et il en résulte un moment magnétique net.
Les éléments diamagnétiques sont ceux sans électrons non appariés. Ces éléments s'opposent faiblement à un champ magnétique, ce que les scientifiques démontrent souvent en faisant léviter un matériau diamagnétique, tel qu'un graphite pyrolitique ou une grenouille (oui, une grenouille!) Sur un électroaimant puissant. Les éléments paramagnétiques sont ceux qui ont des électrons non appariés. Ils donnent à l'atome un moment dipolaire magnétique net, et lorsqu'un champ est appliqué, les atomes s'alignent sur le champ et l'élément devient magnétique. Lorsque vous supprimez le champ, l'énergie thermique intervient pour randomiser l'alignement et le magnétisme est perdu.
Calculer si un élément est paramagnétique ou diamagnétique
Les électrons remplissent les coques autour du noyau de manière à minimiser l'énergie nette. Les scientifiques ont découvert trois règles qu’ils respectent lorsqu'ils s’appliquent de la sorte: principe d’Aufbrau, règle de Hunds et principe d’exclusion de Pauli. En appliquant ces règles, les chimistes peuvent déterminer le nombre d'électrons occupant chacune des sous-couches entourant un noyau.
Pour déterminer si un élément est diamagnétique ou paramagnétique, il suffit de regarder les électrons de valence, qui occupent le sous-shell le plus à l'extérieur. Si le sous-shell le plus à l'extérieur contient des orbitales avec des électrons non appariés, l'élément est paramagnétique. Sinon, c'est diamagnétique. Les scientifiques identifient les sous-coquilles comme étant s, p, d et f. Lors de l'écriture de la configuration électronique, la convention est de faire précéder les électrons de valence du gaz rare qui précède l'élément en question dans le tableau périodique. Les gaz nobles ont des orbitales électroniques complètement remplies, raison pour laquelle ils sont inertes.
Par exemple, la configuration électronique pour le magnésium (Mg) est de 3 s2. La sous-coque la plus externe contient deux électrons, mais ils ne sont pas appariés, donc le magnésium est paramagnétique. Par contre, la configuration électronique du zinc (Zn) est de 4 s23d10. Il n'y a pas d'électrons non appariés dans sa couche externe, donc le zinc est diamagnétique.
Une liste d'atomes paramagnétiques
Vous pouvez calculer les propriétés magnétiques de chaque élément en écrivant leurs configurations électroniques, mais heureusement, vous n'y êtes pas obligé. Les chimistes ont déjà créé un tableau d'éléments paramagnétiques. Ils sont comme suit:
Composés paramagnétiques
Lorsque les atomes se combinent pour former des composés, certains de ces composés peuvent également présenter un paramagnétisme pour la même raison que les éléments. S'il existe un ou plusieurs électrons non appariés dans les composés orbitaux, le composé sera paramagnétique. Les exemples incluent l'oxygène moléculaire (O2), oxyde de fer (FeO) et oxyde nitrique (NO). Dans le cas de l'oxygène, il est possible d'afficher ce paramagnétisme à l'aide d'un électroaimant puissant. Si vous versez de l'oxygène liquide entre les pôles d'un tel aimant, l'oxygène s'accumule autour des pôles au fur et à mesure qu'il se vaporise pour créer un nuage de gaz oxygène. Essayez la même expérience avec de l'azote liquide (N2), qui n'est pas paramagnétique, et aucun tel nuage ne se formera.
Si vous souhaitez établir une liste de composés paramagnétiques, vous devez examiner les configurations électroniques. Parce que ce sont les électrons non appariés dans les couches de valence extérieures qui confèrent des qualités paramagnétiques, les composés avec de tels électrons devraient figurer sur la liste. Ce n'est pas toujours vrai, cependant. Dans le cas de la molécule d'oxygène, il existe un nombre pair d'électrons de valence, mais ils occupent chacun un état d'énergie plus faible afin de minimiser l'état d'énergie global de la molécule. Au lieu d'une paire d'électrons dans une orbitale supérieure, il existe deux électrons non appariés dans des orbitales inférieures, ce qui rend la molécule paramagnétique.