Магнитохимия

Магнетохимии является филиалом физической химии , которая имеет дело с магнитными свойствами материалов используются или вещества. Он был основан примерно в 1905 году французским физиком Полем Ланжевеном и расширен немецким химиком Вильгельмом Клеммом .

Определение эффектов

Измерение магнитной восприимчивости или магнитного момента позволяет делать выводы об электронных конфигурациях ионов металлов или неметаллических молекул. Магнитохимические эффекты могут быть легко определены по магнитной восприимчивости с помощью весов Гуи . Другие аналогичные методы определения восприимчивости по Квинке или по Фарадею-Кюри также основаны на изменении веса и магнитного поля.

Из-за влияния магнитного поля многие химические вещества показывают ориентацию, которая может быть измерена непосредственно как изменение веса. Можно представить себе отдельные атомы как небольшие элементарные магниты, которые, как и многие маленькие железные опилки, выстраиваются в магнитном поле. В зависимости от класса вещества существует небольшое измеримое взаимодействие с магнитным полем (диамагнетизм), более сильное взаимодействие (парамагнетизм) или очень сильное взаимодействие (ферромагнетизм). Небольшое круговое электрическое движение электрона вокруг собственной оси, вызываемое магнитом, можно рассматривать как идею. Влияние магнита на циркулирующий ток в катушке с током также порождает магнитный дипольный момент, вектор которого перпендикулярен плоскости циркулирующего тока (правило правой руки). Аналогично, с каждым магнитным полем на магнитоактивном веществе вращательное движение создается на каждом элементарном электроне. Если вектор магнитного дипольного момента не совпадает с направленным вектором магнитного поля, происходят вращательные движения элементарных магнитов.

Математически крутящий момент элементарных магнитов описывается векторным произведением магнитного дипольного момента и магнитного поля. В математике векторное произведение обозначает перпендикуляр к плоскости двух векторов и соответствует длине его вектора к площади проекции обоих векторов.

Сила воздействия магнитного поля на вещества может быть определена путем взвешивания. Магнитная восприимчивость - очень важный магнитохимический параметр. Используя неодимовый магнит и точные весы, можно приблизительно определить магнитную восприимчивость с помощью метода Кортеля.

Изменение веса прямо пропорционально изменению силы. Изменение силы, вызванное отдельными магнитохимическими веществами, определяется их восприимчивостью ( ). Это коэффициент пропорциональности без единицы измерения. Однако часто восприимчивость связана с консистенцией вещества (количество молей вещества на кубический метр, молярная восприимчивость ); вещества можно сравнивать только по плотности. ${\ displaystyle \ chi _ {\}}$${\ displaystyle \ chi _ {\ text {m}}}$

Плотность магнитного потока и напряженность магнитного поля связаны следующей зависимостью:

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

${\ displaystyle B}$= плотность магнитного потока (кг с ⁻²  ⋅ A ⁻¹ )

${\ displaystyle H}$= напряженность магнитного поля (А ⋅ м ⁻¹ )

${\ displaystyle \ mu _ {\ text {0}}}$= Константа проницаемости вакуума (1,256 10 ⁻⁸ м ⋅ кг C ⁻² )

Если отрицательный, это диамагнитное вещество; является положительным, то парамагнети-. Очень высокие значения для ферромагнитных веществ. Эти вещества даже в отсутствие магнитного поля обладают намагниченностью. ${\ displaystyle \ chi _ {\ text {m}}}$${\ displaystyle \ chi _ {\ text {m}}}$${\ displaystyle \ chi _ {\ text {m}}}$

Согласно принципу Гуи, парамагнитный образец вставляется между полюсами двух сильных постоянных магнитов. Магнитное поле, противоположное приложенному магнитному полю, создается элементарными магнитами образца. Поскольку сила перпендикулярна приложенному магнитному полю, образец слегка подталкивается вверх. Силовое воздействие можно измерить с помощью шкалы. Если напряженность поля на поверхности образца на входе и выходе определена правильно, восприимчивость вещества может быть определена по весу по формуле:

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

${\ displaystyle H _ {\ text {E}}}$: Напряженность поля при вводе пробы

${\ displaystyle H _ {\ text {A}}}$: Напряженность поля на выходе образца

${\ displaystyle A}$: Площадь однородно толстого образца для испытаний.

определяется.

Это же уравнение справедливо и для исследования веществ с помощью неодимового магнита.

Пара- и диамагнетизм также можно обнаружить в оптической области. Стекло часов (см. Также: кольца Ньютона) заполняется раствором парамагнитного вещества, а стекло часов помещается между остроугольными полюсными наконечниками двух привлекательных постоянных магнитов. Если луч света излучается на образец параллельно полюсным наконечникам, лучи, падающие на вещество, разделяются на два луча и видны на стороне стены, противоположной падающему свету. У диамагнитных веществ пучок лучей сжимается.

Намагничиваемость может быть определена на основе напряженности магнитного поля магнита, удельной плотности наполненного вещества и изменения веса. Парамагнитные вещества имеют тенденцию мигрировать в область высокой напряженности поля (например, в случае двух круглых магнитов в центре круга), диамагнитные вещества мигрируют в область низкой напряженности поля (например, в случае двух круглых магнитов к краям круга). Парамагнетизм зависит от температуры, диамагнетизм - нет.

причины

Причина восприимчивости кроется в отдельных электронах вокруг атомного ядра. Чтобы понять эффект, можно предположить в качестве модели, что неспаренные электроны вращаются по круговой траектории вокруг атомного ядра, подобно катушке с током, и тем самым создают магнитное поле. Если одиночные вращения отменяются , d. ЧАС. Если каждая электронная орбиталя молекулы или атома заполнена двумя электронами в противоположных направлениях (например, в случае благородных газов или благородных газов, подобных ионам Na ⁺ , Ca ²⁺ , Cl ^- ), вещество не имеет электронного спина и является диамагнитным. Диамагнитная восприимчивость всегда отрицательна и значительно меньше (коэффициент: 0,01-0,1), чем парамагнитная восприимчивость. В парамагнитных веществах есть неспаренные электроны. Используя таблицы электронных конфигураций элементов или орбитальную теорию молекул, можно определить количество неспаренных электронов (например, один для атома водорода, четыре для Fe ^II и два для Cu ^II ) и магнитный момент ( например, для группа металлического железа или в случае лантаноидов ) через спиновое соотношение

${\ Displaystyle м = {\ гидроразрыва {1} {\ sqrt {п \ cdot (п + 2)}}}}$

вычислять.

Измерения

Структурные вопросы, такие как степень окисления или тип связи, можно прояснить с помощью магнитохимических измерений . FeSO ₄ и [Fe (H ₂ O) ₄ ] Cl _{2 имеют} магнитный момент прибл. 5,2  мкм _B , тогда как K ₄ [Fe (CN) ₆ ] и Fe (CO) _{5 имеют} магнитный момент , равный нулю. В то время как первый имеет ионную структуру между катионом и лигандом, последний имеет сильно поляризованную связь.

Полученные результаты

• В неорганической химии магнитохимия внесла важный вклад в развитие теории поля лигандов и понимание металлического состояния.
• В органической химии магнитохимические измерения используются для демонстрации процессов полимеризации (постепенное исчезновение двойных связей можно продемонстрировать магнитохимически), для измерения аромата и органических радикалов.
• Помимо диа- и парамагнитных веществ, существуют также вещества, проявляющие ферромагнитные , антиферромагнитные или ферримагнитные свойства. При воздействии магнитного поля намагниченность резко увеличивается или они сами становятся постоянными магнитами.
• С помощью магнитохимии можно было заложить важные теоретические основы ЯМР-спектроскопии . Однако восприимчивость сердечника в 10 ^{4 раз ниже,} чем диамагнитная восприимчивость, так что чувствительность сердечника не может быть доказана путем взвешивания.

литература

• Магнитохимия. В: Отто-Альбрехт Ноймюллер (Ред.): Römpps Chemie-Lexikon. Том 2: Cm-G. Издание 8-е исправленное и дополненное. Franckh'sche Verlagshandlung, Штутгарт 1981, ISBN 3-440-04512-9 .
• А. Ф. Холлеман , Э. Виберг , Н. Виберг : Учебник неорганической химии . 91-е - 100-е, улучшенное и значительно расширенное издание. Вальтер де Грюйтер, Берлин 1985, ISBN 3-11-007511-3 , стр. 983-995.
• Хайко Lueken : МАГНЕТОХИМИЯ . Б. Г. Тойбнер, Штутгарт / Лейпциг, 1999, ISBN 3-519-03530-8 .
• Аларих Вайс, Гельмут Витте: Магнитохимия . Verlag Chemie, Weinheim 1973, ISBN 3-527-25398-X .
• Адольф Кортель: Демонстрация парамагнетизма с электронными весами . В: Журнал химического образования. Том 75, январь 1998 г., стр.61.

Индивидуальные доказательства

1. ↑ Адольф Кортель: Демонстрация парамагнетизма с помощью электронных весов. В: Журнал химического образования. Том 75, январь 1998 г., с. 61.
2. ↑ Кевин К. де Берг, Кеннет Дж. Чепмен: Определение магнитных моментов комплексов переходных металлов с использованием редкоземельных магнитов. В: Журнал химического образования. Vol. 78, May 2001, p. 670 ff.
3. ↑ Чарльз Рич Таймс, Патриция К. Рафф: Демонстрация и измерение относительной молярной магнитной восприимчивости с использованием неодимового магнита. В: Журнал химического образования. Том 81, август 2004 г., стр. 1155.
4. ^ Фриц Войт: Магнетизм. В: Артур Фридрих (Ред.): Справочник по экспериментальной школьной физике. Часть 6: Теория электричества I. Aulis Verlag Deubner & Co., Кельн, 1964, DNB 456881778 , стр. 210.