Lista de átomos paramagnéticos

Contenido

• Elementos paramagnéticos versus diamagnéticos
• Calcular si un elemento es paramagnético o diamagnético
• Una lista de átomos paramagnéticos
• Compuestos paramagnéticos

Todos los átomos responden de alguna manera a los campos magnéticos, pero responden de manera diferente dependiendo de la configuración de los átomos que rodean el núcleo. Dependiendo de esta configuración, un elemento puede ser diamagnético, paramagnético o ferromagnético. Los elementos que son diamagnéticos, que en realidad son todos, hasta cierto punto, son débilmente repelidos por un campo magnético, mientras que los elementos paramagnéticos se atraen débilmente y pueden magnetizarse. Los materiales ferromagnéticos también tienen la capacidad de magnetizarse, pero a diferencia de los elementos paramagnéticos, la magnetización es permanente. Tanto el paramagnetismo como el ferromagnetismo son más fuertes que el diamagnetismo, por lo que los elementos que muestran paramagnetismo o ferromagnetismo ya no son diamagnéticos.

Solo unos pocos elementos son ferromagnéticos a temperatura ambiente. Incluyen hierro (Fe), níquel (Ni), cobalto (Co), gadolinio (Gd) y, como descubrieron los científicos recientemente, rutenio (Ru). Puede hacer un imán permanente con cualquiera de estos metales exponiéndolo a un campo magnético. La lista de átomos paramagnéticos es mucho más larga. Un elemento paramagnético se vuelve magnético en presencia de un campo magnético, pero pierde sus propiedades magnéticas tan pronto como se elimina el campo. La razón de este comportamiento es la presencia de uno o más electrones no apareados en la capa orbital externa.

Elementos paramagnéticos versus diamagnéticos

Uno de los descubrimientos más importantes en la ciencia durante los últimos 200 años es la interconexión de la electricidad y el magnetismo. Debido a que cada átomo tiene una nube de electrones cargados negativamente, tiene el potencial de propiedades magnéticas, pero si muestra ferromagnetismo, paramagnetismo o diamagnetismo depende de su configuración. Para apreciar esto, es necesario entender cómo los electrones deciden qué órbitas ocupan alrededor del núcleo.

Los electrones tienen una calidad llamada spin, que puedes visualizar como dirección de rotación, aunque es más complicado que eso. Los electrones pueden tener "giro hacia arriba" (que puede visualizar como rotación en sentido horario) o "giro hacia abajo" (en sentido antihorario). Se organizan a distancias crecientes y estrictamente definidas desde el núcleo llamadas capas, y dentro de cada capa hay subcapas que tienen un número discreto de orbitales que pueden estar ocupados por un máximo de dos electrones, cada uno con espín opuesto. Se dice que dos electrones que ocupan un orbital están emparejados. Sus giros se cancelan y no crean un momento magnético neto. Un solo electrón que ocupa un orbital, por otro lado, no está emparejado, y resulta en un momento magnético neto.

Los elementos diamagnéticos son aquellos sin electrones no apareados. Estos elementos se oponen débilmente a un campo magnético, que los científicos a menudo demuestran al levitar un material diamagnético, como el grafito pirolítico o una rana (¡sí, una rana!) Sobre un electroimán fuerte. Los elementos paramagnéticos son aquellos que tienen electrones no apareados. Le dan al átomo un momento dipolar magnético neto, y cuando se aplica un campo, los átomos se alinean con el campo y el elemento se vuelve magnético. Cuando elimina el campo, la energía térmica interviene para aleatorizar la alineación y se pierde el magnetismo.

Calcular si un elemento es paramagnético o diamagnético

Los electrones llenan los depósitos alrededor del núcleo de una manera que minimiza la energía neta. Los científicos han descubierto tres reglas que siguen al hacer esto, conocidas como el Principio de Aufbrau, la Regla de Hunds y el Principio de Exclusión de Pauli. Aplicando estas reglas, los químicos pueden determinar cuántos electrones ocupan cada una de las subcapas que rodean un núcleo.

Para determinar si un elemento es diamagnético o paramagnético, solo es necesario observar los electrones de valencia, que son los que ocupan la subcapa más externa. Si la subcapa más externa contiene orbitales con electrones no apareados, el elemento es paramagnético. De lo contrario, es diamagnético. Los científicos identifican las subcapas como s, p, d y f. Al escribir la configuración electrónica, la convención es preceder a los electrones de valencia por el gas noble que precede al elemento en cuestión en la tabla periódica. Los gases nobles tienen orbitales de electrones completamente llenos, por lo que son inertes.

Por ejemplo, la configuración electrónica para el magnesio (Mg) es 3s². La subshell más externa contiene dos electrones, pero no están emparejados, por lo que el magnesio es paramagnético. Por otro lado, la configuración electrónica del zinc (Zn) es 4s²3d¹⁰. No tiene electrones desapareados en su capa externa, por lo que el zinc es diamagnético.

Una lista de átomos paramagnéticos

Puede calcular las propiedades magnéticas de cada elemento escribiendo sus configuraciones electrónicas, pero afortunadamente, no tiene que hacerlo. Los químicos ya han creado una tabla de elementos paramagnéticos. Son los siguientes:

Compuestos paramagnéticos

Cuando los átomos se combinan para formar compuestos, algunos de esos compuestos también pueden exhibir paramagnetismo por la misma razón que los elementos. Si existe uno o más electrones desapareados en los orbitales compuestos, el compuesto será paramagnético. Los ejemplos incluyen oxígeno molecular (O₂), óxido de hierro (FeO) y óxido nítrico (NO). En el caso del oxígeno, es posible mostrar este paramagnetismo utilizando un electroimán fuerte. Si vierte oxígeno líquido entre los polos de dicho imán, el oxígeno se acumulará alrededor de los polos a medida que se vaporiza para crear una nube de oxígeno gaseoso. Pruebe el mismo experimento con nitrógeno líquido (N₂), que no es paramagnético, y no se formará tal nube.

Si quisiera compilar una lista de compuestos paramagnéticos, tendría que examinar las configuraciones electrónicas. Debido a que son los electrones no apareados en las capas de valencia externas los que otorgan cualidades paramagnéticas, los compuestos con tales electrones deberían estar en la lista. Sin embargo, esto no siempre es cierto. En el caso de la molécula de oxígeno, hay un número par de electrones de valencia, pero cada uno ocupa un estado de energía más bajo para minimizar el estado de energía general de la molécula. En lugar de un par de electrones en un orbital superior, hay dos electrones no apareados en orbitales inferiores, lo que hace que la molécula sea paramagnética.