Magnetochemie

Magnetochemie is 'n tak van die chemie wat hom besig hou met die magnetiese eienskappe van chemiese verbindings.

Hoewel die koolstofverbindings wat die onderwerp van die organiese chemie is, ook interessante magnetiese eienskappe kan besit wat bestudeer word, is die magnetochemie hoofsaaklik 'n tak van die anorganiese chemie en veral van die fisiese chemie van die oorgangsmetale en die lantaniede. Dit hang saam met die feit dat d-elektrone en f-elektrone kleiner wisselwerkings met buuratome ondergaan as s- of p-elektrone, waardeur hulle dikwels meer ongepaarde elektronespins kan behou. Hierdie ongepaarde spins veroorsaak 'n verskeidenheid van magnetiese eienskappe, soos ferromagnetisme, ferrimagnetisme, antiferromagnetisme, paramagnetisme en diamagnetisme.

Die vraag of spins gepaard raak of ongepaard bly word dikwels aangedui met die begrip spintoestand.

Susseptibiliteit

'n Belangrike metode om die magnetiese eienskappe van 'n stof te bestudeer is om sy magnetiese susseptibiliteit of vatbaarheid $\chi$ te meet. Hierdie grootheid is gedefinieer as die eweredigheidskonstante tussen die magnetiese veld H en die magnetisasie M wat dit opwek:

$M=\chi H$

Daar is verskeie instrumente wat hiervoor gebruik kan word; die bekendste is die Faraday-balans, wat 'n inhomogene magnetiese veld H gebruik wat 'n lineêre veldgradiënt ${\frac {\partial H}{\partial x}}$ besit. Die krag waarmee 'n monster in hierdie inhomogene veld aangetrek word is:

$f=m\chi H{\frac {\partial H}{\partial x}}$ (m=monster se massa;)

Hierdie krag vergroot die skynbare gewig van die monster en dit word soos 'n gewig bepaal. Gewoonlik word die susseptibiliteit $\chi (T)$ as funksie van die temperatuur bepaal, dikwels vanaf kriogene temperature soos 77 K (kookpunt van N₂) of selfs 4,2 K (kookpunt van He). Dit vereis egter 'n toestel waarin die temperatuur van die monster in 'n Dewar-kriostaat gereël word.

Die susseptibiliteit word gewoonlik per mol van die bestudeerde stof uitgedruk: die molêre susseptibiliteit $\chi _{M}$

Diamagnetiese afstoting

Hout is diamagneties en indien dit aan 'n magnetiese veld blootgestel word wat sterk genoeg is, word dit afgestoot.

Die hoofartikel vir hierdie afdeling is: Diamagnetisme.

Diamagnete word deur 'n magnetiese veld afgestoot en die waarde van $\chi _{M}$ is dus negatief. Hierdie effek is taamlik swak en die waarde is klein. Alle materiale vertoon diamagnetiese afstoting, hoewel dit dikwels deur ander magnetiese effekte oorskadu word.

Stowwe wat geen ongepaarde elektronspins bevat is net diamagneties en hulle diamagnetiese susseptibiliteit word hoofsaaklik deur die totale aantal elektrone bepaal.

'n Goeie voorbeeld is die alkane C_nH_2n+2:

$\chi _{diamagm}(n)=-4,80-11,56.n[10^{-6}cgs-emu]$

Magnetiese aantrekking

Aaantrekking deur 'n magnetiese veld kan optree indien die materiaal ongepaarde elektrone bevat. Dit lewer 'n positiewe bydrae tot die susseptibiliteit wat die negatiewe afstotende bydrae volledig kan oorskadu. Hoe groot die aantrekking is hang egter van 'n groot aantal faktore af.

Paramagnetisme

Die hoofartikel vir hierdie afdeling is: Paramagnetisme.

Die eenvoudigste geval is wanneer die ongepaarde spins in die materiaal onafhanklik van mekaar op die magnetiese veld reageer. In hierdie geval sal die susseptibiliteit Curie se wet volg:

$\chi _{mol}={\frac {C_{mol}}{T}}$

Die konstante $C_{mol}$ word die Curie-konstante genoem. Sy grootte word bepaal deur die aantal ongepaarde spins N in die materiaal en die grootte van die elektronspin S saam met die baanmoment L.

Die sipn-baankoppeling tussen die twee kwantumgetalle L en S kan in die benadering van Russel-Saunders in 'n kwantumgetal J saamgevat word:

$J=L+S$

Die Curie-konstante word in hierdie benadering:

$C_{mol}={\frac {N}{3Vk}}{g_{L}}^{2}{\mu _{B}}^{2}J(J+1)={\frac {N}{3Vk}}{\mu _{eff}}^{2}$

Vir die 3d-elemente is die invloed van die spin-baankoppeling nie so groot nie en kan die faktor ${g_{L}}^{2}J(J+1)$ deur die spin only-waarde ${g}^{2}S(S+1)$ benader word. Die Russel-Saunders-benadering werk goed vir 4d-, 5d- en vroeë 4f-elemente.

Die grootte van die effektiewe moment $\mu _{eff}$ kan baie van ioon tot ioon verskil, soos in hierdie tabel blyk:

Ioon	elektrone	[J L S]	$g_{L}[J(J+1)]^{1/2}$	$2[S(S+1)]^{1/2}$	$\mu _{eff}$
V4+	1	[2 3 1]	1,55	1,73	1,80
Cr2+	4	[0 2 2]	0	4,90	4,80
Fe2+	6	[4 2 2]	6,70	4,90	5,40
Ni2+	8	[4 3 1]	5,59	2,83	3,20
Pr3+	1	[4 5 1]	3,62	2,83	3,50
Eu3+	6	[0 3 3]	0	6,90	3,40
Tb3+	8	[6 3 3]	9,72	6,90	9,50
Ho3+	10	[8 6 2]	10,6	4,90	10,4

Verwysings

.