Magnetokémia

A magnetochemistry egyik ága a fizikai kémia , hogy foglalkozik a mágneses tulajdonságait anyagok alkalmazott vagy anyagok. 1905 körül alapította Paul Langevin francia fizikus, és kibővítette Wilhelm Klemm német vegyész .

A hatások meghatározása

A mágneses érzékenység vagy a mágneses pillanat mérése lehetővé teszi következtetések levonását a fémionok vagy nemfémes molekulák elektronkonfigurációiról . A magnetokémiai hatások egyszerűen meghatározhatók a mágneses érzékenységen keresztül, a Gouy-egyensúly segítségével . A fogékonyság Quincke vagy Faraday-Curie szerinti más hasonló módszerei szintén a súly és a mágneses tér változásán alapulnak.

A mágneses tér hatása miatt sok kémiai anyag olyan irányt mutat, amely közvetlenül a tömeg változásaként mérhető. Az egyes atomokat kis elemi mágnesként jeleníthetjük meg, amelyek - mint sok kicsi vasreszelék - egy mágneses mezőbe igazodnak. Az anyagosztálytól függően van egy kis mérhető kölcsönhatás a mágneses mezővel (diamagnetizmus), erősebb kölcsönhatás (paramágnesesség) vagy nagyon erős kölcsönhatás (ferromágnesesség). Ötletként feltételezhetjük egy elektron kis körkörös elektromos mozgását a tengelye körül, amelyet mágnes indukál. A mágnes hatása a keringő áramra, egy tekercsre, amelyen keresztül az áram folyik, szintén mágneses dipólus momentumot generál, amelynek vektora merőleges a keringő áram síkjára (jobb oldali szabály). Hasonlóképpen, egy mágnesesen aktív anyag minden mágneses mezőjével minden elemi elektronon rotációs mozgás jön létre. Ha a mágneses dipólus pillanat vektora nem esik egybe a mágneses tér irányvektorával, akkor az elemi mágnesek giroszkópos mozgásai következnek be.

Matematikailag az elemi mágnesek nyomatékát a mágneses dipólus momentum és a mágneses mező vektor szorzata írja le. A matematikában a vektor szorzata két vektor síkjára merőlegest jelöl, és megegyezik a vektor hosszával a két vektor vetített területével.

Méréssel meghatározható a mágneses mező anyagokra gyakorolt ​​hatásának erőssége. A mágneses érzékenység nagyon fontos magnetokémiai paraméter. Egy neodímium mágnes és a finom egyensúlyt, a mágneses szuszceptibilitás nagyjából meghatározható a Cortel módszerrel.

A súlyváltozás egyenesen arányos az erőváltozással. Az egyes magnetokémiai anyagok által okozott erőváltozást az anyagspecifikus érzékenységgel ( ) kell meghatározni. Ez egy arányosság-tényező, egység nélkül. Gyakran azonban az érzékenység összefügg az anyag konzisztenciájával (köbméter anyagmóljainak száma, moláris érzékenység ); az anyagokat csak a sűrűségre hivatkozva lehet összehasonlítani. ${\ displaystyle \ chi _ {\}}$${\ displaystyle \ chi _ {\ text {m}}}$

A mágneses fluxus sűrűségét és a mágneses térerősséget a következő összefüggés kapcsolja össze:

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

${\ displaystyle B}$= mágneses fluxus sűrűsége (kg ⋅ s ⁻²  ⋅ A ⁻¹ )

${\ displaystyle H}$= mágneses térerősség (A ⋅ m ⁻¹ )

${\ displaystyle \ mu _ {\ text {0}}}$= Permeabilitási állandó a vákuum (1,256 ⋅ 10 ^-8 m ⋅ kg ⋅ C ^-2 )

Ha negatív, akkor ez egy diamágneses anyag; ez pozitív, akkor ez egy paramágneses anyag. A ferromágneses anyagok nagyon magas értékei . Ezek az anyagok mágneses tér hiányában még mágnesesek is. ${\ displaystyle \ chi _ {\ text {m}}}$${\ displaystyle \ chi _ {\ text {m}}}$${\ displaystyle \ chi _ {\ text {m}}}$

Gouy elve szerint paramágneses mintát helyeznek két erős állandó mágnes pólusai közé. Az alkalmazott mágneses térrel ellentétes mágneses teret a minta elemi mágnesei indukálják. Mivel az erő merőleges az alkalmazott mágneses mezőre, a mintát kissé felfelé tolják. Az erőhatás mérleg segítségével mérhető. Ha a mintafelület térereje a be- és kilépéskor helyesen van meghatározva, akkor az anyag érzékenységét a tömeg alapján lehet meghatározni az alábbi egyenlettel:

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

${\ displaystyle H _ {\ text {E}}}$: A térerősség a minta belépésekor

${\ displaystyle H _ {\ text {A}}}$: A térerősség a minta kilépésekor

${\ displaystyle A}$: Egyenletesen vastag próbatest területe

légy határozott.

Ugyanez az egyenlet érvényes az anyagok neodímium mágneses vizsgálatára is.

A para- és diamagnetizmus az optikai területen is kimutatható. Az óraüveg (lásd még: Newton gyűrűi) paramágneses anyag oldatával van megtöltve, és az óraüveget két vonzó állandó mágnes hegyesszögű pólusdarabjai közé helyezik. Ha egy fénysugarat sugároznak a mintára a pólusdarabokkal párhuzamosan, az anyagot megütő gerendák két gerendára oszlanak, és a beeső fénnyel szemben a fal oldalán láthatóak. Diamagneses anyagokkal a sugárköteg összenyomódik.

A mágnesezhetőség a mágnes mágneses térerőssége, a töltött anyag fajlagos sűrűsége és a súlyváltozás alapján határozható meg. A paramágneses anyagok hajlamosak a nagy térerősség területére vándorolni (pl. Két kör alakú mágnes esetén a kör közepén), a diamágneses anyagok az alacsony térerősségű területekre vándorolnak (például két kerek mágnes esetén a kör széleire). A paramágnesesség hőmérsékletfüggő, a diamagnetizmus nem.

okoz

A fogékonyság oka az atommag körüli egyes elektronokban rejlik. A hatás megértése érdekében modellként feltételezhetjük, hogy a párosítatlan elektronok az atommag körül egy körvezetéken forognak, hasonlóan az áramvezető tekercshez, és ezáltal mágneses teret generálnak. Ha az egyes pörgetések megszakadnak , d. H. ha a molekula vagy az atom elektronpályái egyenként két ellentétes irányú elektronnal vannak feltöltve (például nemesgázok vagy nemesgázszerű Na ⁺ , Ca ²⁺ , Cl ^- ionok esetében ), akkor az anyagnak nincs elektronpörgése és diamagneses. A diamágneses érzékenység mindig negatív és szignifikánsan kisebb (faktor: 0,01-0,1), mint a paramágneses érzékenység. A paramágneses anyagokban párosítatlan elektronok vannak. Az elemek elektronkonfigurációira vagy a molekulák orbitális elméletére vonatkozó táblázatok segítségével meghatározható a párosítatlan elektronok száma (például egy párosítatlan elektron a hidrogénatomra, négy a Fe ^II-re és két párosítatlan elektron a Cu ^II-re ) és a mágneses momentum ( pl . a vasfémcsoport vagy a lantanoidok esetében ) a spin kapcsolaton keresztül

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

számolni.

Mérések

A szerkezeti kérdéseket , például az oxidációs számot vagy a kötés típusát, magnetokémiai mérésekkel lehet tisztázni. FeSO ₄ és [Fe (H ₂ O) ₄ ] CI _{2 van} egy mágneses momentuma kb. 5,2  μ _B , míg a K ₄ [Fe (CN) ₆ ] és Fe (CO) _{5 van} egy mágneses momentuma nulla. Míg az előbbinek ionos szerkezete van a kation és a ligandum között, addig az utóbbiak erősen polarizált kötéssel rendelkeznek.

Eredmények

• A szervetlen kémia területén a magnetokémia jelentősen hozzájárult a ligandum mező elmélet fejlődéséhez és a fémes állapot megértéséhez.
• A szerves kémia során magnetokémiai méréseket alkalmaznak a polimerizációs folyamatok bemutatására (a kettős kötések fokozatos eltűnése magnetokémiai úton kimutatható), az aroma és a szerves gyökök mérésére.
• A dia- és paramágneses anyagok mellett vannak olyan anyagok is, amelyek ferromágneses , antiferromágneses vagy ferrimágneses viselkedést mutatnak. Ha mágneses mezőnek van kitéve, a mágnesesség hirtelen megnő, vagy maguk állandó mágnessé válnak.
• A magnetokémia segítségével fontos elméleti alapokat lehetne megalkotni az NMR spektroszkópia számára . A mag érzékenysége azonban 10 ^4- szeres tényezővel alacsonyabb, mint a diamágneses érzékenység, így a mag érzékenysége nem bizonyítható méréssel.

irodalom

• Magnetokémia. In: Otto-Albrecht Neumüller (Szerk.): Römpps Chemie-Lexikon. 2. kötet: Cm-G. 8. felülvizsgált és kibővített kiadás. Franckh's Verlagshandlung, Stuttgart 1981, ISBN 3-440-04512-9 .
• AF Holleman , E. Wiberg , N. Wiberg : Szervetlen kémia tankönyve . 91. - 100., továbbfejlesztett és nagymértékben kibővített kiadás. Walter de Gruyter, Berlin 1985, ISBN 3-11-007511-3 , 983-995.
• Heiko Lueken : Magnetokémia . BG Teubner, Stuttgart / Leipzig 1999, ISBN 3-519-03530-8 .
• Alarich Weiss, Helmut Witte: Magnetokémia . Verlag Chemie, Weinheim 1973, ISBN 3-527-25398-X .
• Adolf Cortel: Demonstráció a paramágnesességről elektronikus mérleggel. In: Journal of Chemical Education. 75. évfolyam, 1998. január, 61. o.

Egyéni bizonyíték

1. ↑ Adolf Cortel: Demonstráció a paramágnesességről az elektronikus mérleg mellett. In: Journal of Chemical Education. 75. évf., 1998. január, 61. o.
2. ↑ Kevin C. de Berg, Kenneth J. Chapman: Az átmenetifém-komplexek mágneses momentumainak meghatározása ritkaföldfém mágnesek segítségével. In: Journal of Chemical Education. 78. évfolyam, 2001. május, 670. o.
3. ↑ Charles Rich alkalommal, Patricia K. Ruff: demonstrálása és mérése relatív moláris mágneses szuszceptibilitás használata neodímium mágnessel. In: Journal of Chemical Education. 81. évf., 2004. augusztus, 1155. o.
4. ^ Fritz Voit: Mágnesesség. In: Artur Friedrich (Szerk.): Handbuch der experimental Schulphysik. 6. rész: Villamosságelmélet I. Aulis Verlag Deubner & Co., Köln, 1964, DNB 456881778 , 210. o.