Lista de átomos paramagnéticos

Las especies paramagnéticas están en todas partes. En el escenario correcto, y expresada en un tono apropiadamente sombrío, esa frase podría evocar imágenes de extraños invasores alienígenas corriendo como locos por todo el mundo. En cambio, es una declaración básica sobre una cierta cualidad compartida por un conjunto bien definido de partículas en y alrededor de la Tierra, y una definida usando criterios objetivos y fácilmente determinados.

Sin duda ha hecho uso de imanes en su vida, y en la mayoría de los casos que ha operado dentro de un campo magnético no trivial, no se ha dado cuenta. Incluso puede saber que ciertos materiales funcionan como imanes permanentes y que estos pueden atraer metales aunque esos metales no sean aparentemente imanes en sí mismos. ¿O son?

Da la casualidad de que el mundo de la física, específicamente la subdisciplina del electromagnetismo, incluye una variedad de tipos de magnetismo. Uno de estos es paramagnetismo, y es una propiedad que a menudo se verifica fácilmente a la vista, porque los materiales paramagnéticos son atraídos por un campo magnético aplicado externamente. Pero, ¿cómo sucede esto y de dónde vienen los "campos" magnéticos, de todos modos? ¡La oportunidad de aprender todo eso y más debería impulsarlo fuertemente a seguir leyendo!

A finales del 1700, se observó que la aguja de una brújula, que apunta hacia el norte como resultado del campo magnético de la Tierra, puede ser desviada por la presencia de una corriente eléctrica cercana.

Esta es la primera evidencia conocida de que la electricidad y el magnetismo estaban conectados de alguna manera. De hecho, las cargas en movimiento (que es la definición de corriente eléctrica) generan campos magnéticos con "líneas" que dependen de la geometría del circuito eléctrico.

Cuando un cable portador de corriente se enrolla, o se enrolla varias veces, alrededor de ciertos tipos de metal, esto puede inducir la propiedad del magnetismo en estos metales, al menos mientras la corriente está siendo aplicado. Algunos de estos se utilizan en lugares como depósitos de chatarra y son lo suficientemente potentes como para levantar automóviles enteros.

La interacción de la corriente eléctrica y los campos magnéticos es un tema que puede llenar libros de texto completos, pero por ahora, debe saber que la razón por la que algunos materiales responder de manera diferente a los campos magnéticos que otros tiene que ver con las propiedades de los electrones en la capa de energía más alta ("más externa") de los átomos en esos materiales.

Si se coloca una sustancia sólida en un campo magnético aplicado, es de esperar que el comportamiento de las moléculas de la sustancia dependa en cierta medida del estado del material. Eso es un gas, que tiene moléculas que se mueven con bastante libertad, y un líquido, en el que las moléculas permanecen juntas pero son libres de deslizarse unas sobre otras, podría comportarse de manera diferente a un sólido, cuyas moléculas están bloqueadas en su lugar, generalmente en una estructura de tipo rejilla.

Si imagina la estructura cristalina básica de un sólido (y la naturaleza de este patrón repetitivo puede variar de una sustancia a otra), puede imaginar los núcleos de los átomos estar en el centro de los cubos, con los electrones ocupando espacios en el medio, libres para vibrar y, en el caso de los sólidos metálicos, libres para vagar sin cadenas a su padre núcleos.

Cuando los electrones de un sólido convierten la sustancia en un imán permanente o en uno que puede convertirse en un imán de este tipo, la sustancia se llama ferromagnético (del latín ferrum, que significa hierro). Además del hierro, los elementos cobalto, níquel y gadolinio son ferromagnéticos.

Sin embargo, la mayoría de las sustancias exhiben otras respuestas a los campos magnéticos, lo que hace que la mayoría de los átomos sean paramagnéticos o diamagnéticos. Estas propiedades se pueden encontrar en diferentes grados en los mismos materiales, y factores como la temperatura pueden afectar la respuesta de un material a los campos magnéticos aplicados.

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Así es, en términos generales, cómo funcionan entre sí los tres tipos de magnetismo de los que es más probable que oiga hablar en la fiesta de la oficina. Si bien el ferromagnetismo, ya descrito, es un estado de magnetismo permanente, ¿cómo sucede esto y cuáles son las alternativas?

Da la casualidad de que hay cuatro alternativas bien entendidas al ferromagnetismo. El paramagnetismo, nuevamente, es la propiedad de ser atraído por un campo magnético y se aplica a una amplia gama de metales, incluida la mayoría de los refrigeradores modernos. El diamagnetismo es lo contrario, una tendencia a ser repelido por un campo magnético. Todos los materiales presentan cierto grado de diamagnetismo. En ambos casos, críticamente, el material vuelve a su estado anterior cuando se elimina el campo.

• En voz alta, el "ferromagnetismo" y el "paramagnetismo" suenan muy parecidos, así que tenga cuidado al discutir estos temas en su grupo de estudio de física.

Ferrimagnetismo y antiferromagnetismo son tipos de magnetismo menos comunes. Los materiales ferrimagnéticos se comportan de manera muy similar a los materiales ferromagnéticos e incluyen jacobsita y magnetita. La hematita y la troilita son dos compuestos que demuestran antiferromagnetismo, donde no se genera ningún momento magnético.

Los elementos paramagnéticos y las moléculas paramagnéticas comparten un rasgo principal y es tener electrones desapareados. Cuantos más de estos haya, más probable es que el átomo o la molécula muestre paramagnetismo. Esto se debe a que estos electrones se alinean de una manera fija con la orientación de un campo magnético aplicado, creando algo llamado momentos dipolares magnéticos alrededor de cada átomo o molécula.

Si está familiarizado con las reglas de "llenado" de electrones, sabrá que los orbitales dentro de las subcapas pueden contener dos electrones cada uno, y que hay uno de estos para una subcapa s, tres para una subcapa p y cinco para una d subshell. Esto permite una capacidad de dos, seis y 10 electrones en cada subcapa, pero estos se llenarán de modo que cada El orbital contiene solo un electrón durante el mayor tiempo posible hasta que el único electrón tiene que acomodar un vecino.

Esto significa que puede usar la información en una tabla periódica de los elementos para determinar si un material será paramagnético y, felizmente, si será débilmente paramagnético (como en el Cl, que tiene un electrón desapareado) o fuertemente paramagnético (como el platino, que tiene dos electrones desapareados).

Una forma de cuantificar el magnetismo es a través del parámetro llamado Susceptibilidad magnética χ_metro, que es una cantidad adimensional que relaciona la respuesta de un material con un campo magnético aplicado. El óxido de hierro, FeO, tiene un valor muy alto de 720.

Otros materiales considerados fuertemente paramagnéticos incluyen alumbre de amonio y hierro (66), uranio (40), platino (26), tungsteno (6,8), cesio (5,1), aluminio (2,2), litio (1,4) y magnesio (1,2), sodio (0,72) y oxígeno gaseoso (0.19).

Estos valores varían ampliamente y el del gas oxígeno puede parecer modesto, pero algunos materiales paramagnéticos muestran valores mucho más pequeños que los enumerados anteriormente. La mayoría de los sólidos a temperatura ambiente tienen χ_metro valores inferiores a 0,00001, o 1 x 10^-5.

La susceptibilidad, como era de esperar, se da como valor negativo cuando el material es diamagnético. Los ejemplos incluyen amoníaco (−.26) bismuto (−16.6) mercurio (−2.9) y el carbono en el diamante (−2.1).