Magnetoquímica

A magnetoquímica é um ramo da físico-química que trata das propriedades magnéticas dos materiais ou substâncias empregados. Foi fundada por volta de 1905 pelo físico francês Paul Langevin e ampliada pelo químico alemão Wilhelm Klemm .

Determinação dos efeitos

A medição da susceptibilidade magnética ou do momento magnético permite tirar conclusões sobre as configurações eletrônicas de íons metálicos ou moléculas não metálicas. Os efeitos magnetoquímicos podem ser determinados de maneira simples através da susceptibilidade magnética com uma balança de Gouy . Outros métodos semelhantes de determinação da suscetibilidade de acordo com Quincke ou de acordo com Faraday-Curie também são baseados na mudança de peso e campo magnético.

Devido à influência de um campo magnético, muitas substâncias químicas apresentam uma orientação que pode ser medida diretamente como uma mudança no peso. Pode-se visualizar os átomos individuais como pequenos ímãs elementares que - como muitas pequenas limalhas de ferro - se alinham em um campo magnético. Dependendo da classe da substância, há uma pequena interação mensurável com o campo magnético (diamagnetismo), uma interação mais forte (paramagnetismo) ou uma interação muito forte (ferromagnetismo). Um pequeno movimento elétrico circular de um elétron em torno de seu próprio eixo, que é induzido por um ímã, pode ser considerado uma ideia. A influência de um ímã em uma corrente circulante, em uma bobina por onde flui a corrente, também gera um momento de dipolo magnético cujo vetor é perpendicular ao plano da corrente circulante (regra da mão direita). Analogamente, com cada campo magnético em uma substância magneticamente ativa, um movimento rotativo é gerado em cada elétron elementar. Se o vetor do momento dipolar magnético não coincidir com o vetor direcional do campo magnético, ocorrem movimentos giroscópicos dos ímãs elementares.

Matematicamente, o torque de ímãs elementares é descrito pelo produto vetorial do momento de dipolo magnético e o campo magnético. Em matemática, o produto vetorial indica a perpendicular a um plano de dois vetores e corresponde ao comprimento de seu vetor à área projetada de ambos os vetores.

A intensidade da influência de um campo magnético nas substâncias pode ser determinada por pesagem. A susceptibilidade magnética é um parâmetro magnetoquímico muito importante. Usando um ímã de neodímio e um equilíbrio preciso, a suscetibilidade magnética pode ser aproximadamente determinada usando o método Cortel.

A mudança no peso é diretamente proporcional à mudança na força. A mudança na força causada por substâncias magnetoquímicas individuais é especificada com a susceptibilidade específica da substância ( ). Este é um fator de proporcionalidade sem unidade. Freqüentemente, porém, a suscetibilidade está relacionada à consistência da substância (número de moles de substância por metro cúbico, suscetibilidade molar ); as substâncias só podem ser comparadas por referência à densidade. ${\ displaystyle \ chi _ {\}}$${\ displaystyle \ chi _ {\ text {m}}}$

A densidade do fluxo magnético e a intensidade do campo magnético estão ligados através da seguinte relação:

${\ displaystyle B = \ mu _ {\ text {0}} \ cdot H \ cdot (1+ \ chi _ {\ text {m}})}$

${\ displaystyle B}$= densidade de fluxo magnético (kg ⋅ s ⁻²  ⋅ A ⁻¹ )

${\ displaystyle H}$= força do campo magnético (A ⋅ m ⁻¹ )

${\ displaystyle \ mu _ {\ text {0}}}$= Constante de permeabilidade do vácuo (1.256 ⋅ 10 ⁻⁸ m ⋅ kg ⋅ C ⁻² )

Se negativo, é uma substância diamagnética; é positivo, é uma substância paramagnética. Valores muito altos para são substâncias ferromagnéticas. Essas substâncias têm magnetização na ausência de um campo magnético. ${\ displaystyle \ chi _ {\ text {m}}}$${\ displaystyle \ chi _ {\ text {m}}}$${\ displaystyle \ chi _ {\ text {m}}}$

De acordo com o princípio de Gouy, uma amostra paramagnética é inserida entre os pólos de dois fortes ímãs permanentes. Um campo magnético oposto ao campo magnético aplicado é induzido pelos ímãs elementares da amostra. Como a força é perpendicular ao campo magnético aplicado, a amostra é empurrada ligeiramente para cima. O efeito da força pode ser medido usando uma escala. Se a intensidade do campo na superfície da amostra na entrada e saída for determinada corretamente, a suscetibilidade da substância pode ser determinada pelo peso com a equação:

${\ displaystyle F = 0 {,} 5 \ cdot (\ chi _ {\ text {m}} - \ chi _ {\ text {a}}) \ cdot A \ cdot \ mu _ {\ text {0}} (H _ {\ text {E}} ^ {2} -H _ {\ text {A}} ^ {2})}$

${\ displaystyle H _ {\ text {E}}}$: Força do campo na entrada da amostra

${\ displaystyle H _ {\ text {A}}}$: Força do campo na saída da amostra

${\ displaystyle A}$: Área de uma amostra de teste uniformemente espessa

seja determinado.

A mesma equação também é válida para a investigação de substâncias usando um ímã de neodímio.

Para- e diamagnetismo também podem ser detectados na área óptica. Um vidro de relógio (veja também: os anéis de Newton) é preenchido com uma solução de uma substância paramagnética e o vidro de relógio é colocado entre as peças polares de ângulo agudo de dois atraentes ímãs permanentes. Se um feixe de luz é irradiado para a amostra paralelo às peças polares, os feixes que atingem a substância são separados em dois feixes de raios e são visíveis no lado da parede oposta à luz incidente. Com substâncias diamagnéticas, o feixe de raios é comprimido.

A magnetizabilidade pode ser determinada com base na intensidade do campo magnético do ímã, na densidade específica da substância preenchida e na mudança de peso. As substâncias paramagnéticas tendem a migrar para a área de intensidades de campo elevadas (por exemplo, no caso de dois ímãs redondos no centro do círculo), as substâncias diamagnéticas migram para a área de intensidades de campo baixas (por exemplo, no caso de dois ímãs redondos para as bordas do círculo). O paramagnetismo depende da temperatura, o diamagnetismo não.

causas

A causa da suscetibilidade está nos elétrons individuais ao redor do núcleo atômico. Para entender o efeito, pode-se usar um modelo para assumir que elétrons desemparelhados giram em um caminho circular em torno do núcleo atômico, semelhante a uma bobina transportadora de corrente e, assim, geram um campo magnético. Se os giros únicos cancelarem , d. H. Se os orbitais de elétrons da molécula ou átomo forem preenchidos com dois elétrons em direções opostas (por exemplo, no caso de gases nobres ou íons semelhantes a gases nobres Na ⁺ , Ca ²⁺ , Cl ^- ), a substância não tem spin eletrônico e é diamagnética. A susceptibilidade diamagnética é sempre negativa e significativamente menor (fator: 0,01-0,1) do que a susceptibilidade paramagnética. Em substâncias paramagnéticas, existem elétrons desemparelhados. Usando tabelas sobre as configurações eletrônicas de elementos ou a teoria orbital de moléculas, o número de elétrons desemparelhados pode ser determinado (por exemplo, um elétron desemparelhado para o átomo de hidrogênio, quatro para Fe ^II e dois elétrons desemparelhados para Cu ^II ) e o momento magnético ( por exemplo, para o grupo de metal de ferro ou no caso dos lantanídeos ) através da relação de spin

${\ displaystyle m = {\ frac {1} {\ sqrt {n \ cdot (n + 2)}}}}$

calcular.

Medidas

Questões estruturais como o número de oxidação ou o tipo de ligação podem ser esclarecidas por meio de medições magnetoquímicas . FeSO ₄ e [Fe (H ₂ O) ₄ ] Cl _{2 têm} um momento magnético de aproximadamente 5,2  µ _B , enquanto K ₄ [Fe (CN) ₆ ] e Fe (CO) _{5 têm} um momento magnético zero. Enquanto o primeiro tem uma estrutura iônica entre o cátion e o ligante, o último tem uma ligação fortemente polarizada.

Resultados

• Na química inorgânica, a magnetoquímica fez contribuições importantes para o desenvolvimento da teoria do campo do ligante e para a compreensão do estado metálico.
• Em química orgânica, as medições magnetoquímicas são usadas para detectar processos de polimerização (o desaparecimento gradual de ligações duplas pode ser detectado magnetoquimicamente), para medir o aroma e os radicais orgânicos.
• Além das substâncias dia e paramagnéticas, também existem substâncias que apresentam comportamento ferromagnético , antiferromagnético ou ferrimagnético . Quando expostos a um campo magnético, a magnetização aumenta drasticamente ou eles próprios se tornam ímãs permanentes.
• Por meio da magnetoquímica, importantes fundamentos teóricos para espectroscopia de RMN puderam ser estabelecidos. No entanto, a suscetibilidade do núcleo é menor por um fator de 10 ^{4 do} que a suscetibilidade diamagnética, de modo que a suscetibilidade do núcleo não pode ser comprovada por pesagem.

literatura

• Magnetoquímica. Em: Otto-Albrecht Neumüller (Ed.): Römpps Chemie-Lexikon. Volume 2: Cm-G. 8ª edição revisada e ampliada. Franckh'sche Verlagshandlung, Stuttgart 1981, ISBN 3-440-04512-9 .
• AF Holleman , E. Wiberg , N. Wiberg : Textbook of Inorganic Chemistry . 91ª - 100ª edição aprimorada e amplamente expandida. Walter de Gruyter, Berlin 1985, ISBN 3-11-007511-3 , pp. 983-995.
• Heiko Lueken : Magnetoquímica . BG Teubner, Stuttgart / Leipzig 1999, ISBN 3-519-03530-8 .
• Alarich Weiss, Helmut Witte: Magnetochemistry . Verlag Chemie, Weinheim 1973, ISBN 3-527-25398-X .
• Adolf Cortel: Demonstration on Paramagnetism with an Electronic Balance. In: Journal of Chemical Education. Vol 75, janeiro de 1998, p. 61.

Evidência individual

1. ↑ Adolf Cortel: Demonstração sobre paramagnetismo com Balança eletrônica. In: Journal of Chemical Education. Vol 75, janeiro de 1998, página 61.
2. ↑ Kevin C. de Berg, Kenneth J. Chapman: Determinação dos Momentos Magnéticos de Complexos de Metal de Transição Usando Ímãs de Terras Raras. In: Journal of Chemical Education. Vol. 78, maio de 2001, p. 670 e seguintes.
3. ↑ Charles Rich times, Patricia K. Ruff: Demonstrando e medindo a suscetibilidade magnética molar relativa usando um ímã de neodímio. In: Journal of Chemical Education. Vol. 81, agosto de 2004, p. 1155.
4. ^ Fritz Voit: Magnetismo. In: Artur Friedrich (Ed.): Handbuch der experimental Schulphysik. Parte 6: Teoria da eletricidade I. Aulis Verlag Deubner & Co., Cologne 1964, DNB 456881778 , p. 210.