Diamagnetismo y paramagnetismo: definición y explicación

Introducción

Una de las formas en que puede crear levitación es a través del diamagnetismo. En esta imagen, ves un material artificial llamado carbono pirolítico flotando sobre imanes.

La razón por la que este material levita es porque es diamagnético , lo que significa que el material es repelido por una fuerza magnética externa. Esto es lo opuesto al paramagnetismo , donde los objetos son atraídos por campos magnéticos externos, al igual que la atracción entre un imán y un refrigerador.

En esta lección, examinaremos por qué algunas sustancias son diamagnéticas y otras son paramagnéticas. Aprenderemos más sobre la definición de estos términos y descubriremos lo que te dicen sobre las propiedades de las sustancias.

Configuración electronica

Para comprender el magnetismo en los átomos, debemos revisar las configuraciones de los electrones. Se puede imaginar que los electrones residen en ubicaciones fijas en una estructura atómica conocida como orbitales. Cada orbital puede albergar dos electrones. El número de orbitales en cada átomo depende del átomo y del número total de electrones, que se revisan con mayor detalle en otra lección. Lo simplificaremos imaginando que hay un número fijo de orbitales para cada átomo.

La forma en que los electrones llenan cada orbital se caracteriza por varias leyes. Por ejemplo, la regla de Hund establece que la repulsión menor entre los electrones cargados negativamente hará que entren en orbitales separados del mismo nivel de energía antes de llenar un orbital que ya tiene un electrón.

Debe notar en estos diagramas que los electrones se muestran como flechas que apuntan hacia arriba o hacia abajo. La dirección de esta flecha está directamente relacionada con el giro del electrón. El principio de exclusión de Pauli establece que los electrones que llenan el mismo orbital deben tener espines diferentes porque no hay dos electrones que puedan tener exactamente el mismo número cuántico. Puede pensar en el ‘número cuántico’ como la dirección de un electrón. Debido a que dos electrones están en el mismo orbital, deben girar en direcciones separadas para tener un número cuántico diferente.

Diamagnetismo vs paramagnetismo

Entonces, ¿qué tiene esto que ver con la levitación del material? Resulta que la presencia o ausencia de electrones no apareados en los orbitales les dará propiedades diferentes. Los átomos diamagnéticos no tienen electrones desapareados. Los átomos paramagnéticos tienen electrones desapareados.

Cuando un orbital está lleno de dos electrones que giran en diferentes direcciones, el giro neto total de ese orbital es cero. Cuando el orbital solo tiene un electrón que está girando, tiene un giro neto en esa dirección. Si un átomo tiene solo un electrón desapareado, sigue siendo un átomo paramagnético. Para ser diamagnético, todos los electrones deben estar emparejados.

El emparejamiento, o la falta del mismo, en la estructura atómica es lo que hace que un material se comporte de manera diferente cuando se aplica un campo magnético externo. En las sustancias paramagnéticas, los electrones no apareados pueden alinearse con el campo magnético externo y, por lo tanto, ser atraídos por el campo magnético. Sin embargo, los átomos paramagnéticos no siempre tienen un comportamiento magnético. En cambio, esto es solo en respuesta a la aplicación de un campo magnético externo. Cuando quitas el campo magnético, la realineación de los electrones y el comportamiento magnético desaparecen.

Debido a que los átomos diamagnéticos tienen un giro neto cero y no pueden alinearse con un campo magnético externo, son débilmente repelidos por el campo, que es la causa de que el carbono pirolítico levite por encima de los imanes.

Resumen de la lección

En resumen, el diamagnetismo y el paramagnetismo están relacionados con la cantidad de electrones en un átomo y cómo llenan los orbitales en la configuración electrónica. Según la regla de Hund , la ligera repulsión entre dos electrones cargados negativamente hará que entren en orbitales del mismo nivel de energía antes de entrar en un orbital que ya contiene un electrón. Según el principio de exclusión de Pauli , debido a que dos electrones llenan un orbital, deben tener espines opuestos entre sí. Un átomo que contiene electrones desapareados se conoce como paramagnético , y un átomo con todos los electrones emparejados se conoce como diamagnético .

Los átomos diamagnéticos muestran una débil repulsión a los campos magnéticos externos porque los electrones tienen un giro neto cero y, por lo tanto, no pueden interactuar favorablemente con un campo magnético. Los átomos paramagnéticos mostrarán una atracción débil a los campos magnéticos porque los electrones no apareados se realinean para encontrarse con la fuerza del campo magnético.

Diamagnetismo y paramagnetismo: Glosario de términos

Los resultados del aprendizaje

Después de completar esta lección, el estudiante puede tener como meta:

• Contraste diamagnetismo y paramagnetismo
• Recuerde las propiedades de los átomos diamagnéticos y paramagnéticos.
• Describir la regla de Hund y el principio de exclusión de Pauli
• Discutir el papel de los electrones en el comportamiento magnético.