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Tema 2: Propiedades magnéticas de las especies químicas.

Imán y virutas de hierro.


Nitrógeno u oxígeno líquido???.


Tren de levitación magnética.


Aleaciones (NITINOL).


A) Importancia del magnetismo en química:

Magnetoquímica:

Estudio de las propiedades magnéticas a nivel macroscópico que se originan por la presencia de capas electrónicas incompletas.


Existen relaciones directas y sensibles entre las

propiedades magnéticas de la materia y el número y

distribución de los electrones.

Sistemas d y f principalmente.

Tema 2:

Propiedades magnéticas de las especies químicas.


.- Es una herramienta física.

B) Características del magnetismo:

.- Es de origen electrónico. Se debe a la presencia de los momentos angulares.

.- Es una característica presente en los elementos y en los iones d y f.

.- Se manifiesta principalmente como: paramagnetismo, diamagnetismo,ferromagnetismo y antiferromagnetismo en la materia.

.- Los resultados magnéticos del estudio de complejos son útiles para establecer detalles de estructura electrónica y estereoquímica.

Ej:


C) Conceptos fundamentales:

.- Magnetones de Bohr.

Los momentos magnéticos se expresan en magnetones de Bohr:

mc

ehMB

41

e = carga del electrón, h = constante de Planck,

m = masa del electrón en reposo, c = velocidad de la luz.

los valores son: 1 MB = 9.279 x 10-21 erg.gauss-1 (cgs)

1 MB = 9.279 x 10-24 J.T-1 (SI)


.- Susceptibilidad magnética (m) y permeabilidad (B/H).

Cuando una sustancia se coloca en un campo magnético de fuerza (H), la inducción magnética o la densidad de flujo magnético (B) dentro de la muestra se define por:

B = H + 4M (cgs), B = o (H + M) (SI)

donde:

M = es la intensidad de la magnetización o el momento dipolar inducido por unidad de volumen y esta dado según:

M = m . H

m = susceptibilidad magnética por unidad de volumen.


o = permeabilidad del vacío, sus valores son:

o = 4 x 10-7 NA2

o = 4 x 10-7 C-2S2m-1

Sí B = H + 4M, entonces: B/H = permeabilidad, queda que:

B/H = 1 + 4M/H B/H = 1 + 4m

La permeabilidad B/H representa la relación entre la densidad de las líneas de campo en la sustancia y la densidad de estas líneas en ausencia de la muestra.


En general resulta más conveniente discutir las susceptibilidades magnéticasen base al peso y no al volumen. Por lo cual se emplean las relaciones siguientes:

d

m

ahora = susceptibilidad por gramo y d = densidad en g/cm3


además:

. M = M susceptibilidad molar

M = peso molecular

M debe corregirse para obtener Mcorr , siendo la magnitud más

apropiada para elaborar conclusiones sobre estructura electrónica.


D) Paramagnetismo y origen de los momentos paramagnéticos:

Características.

m es positivo.

Provoca un aumento en la intensidad del campo magnético.

En un campo magnético no homogéneo se mueve hacia el campomás fuerte.

Es permanente.

Depende de la temperatura y no de la intensidad del campo magnético.

Se manifiesta en átomos, iónes o moléculas con electrones no apareados.


Representación:


Sí el electrón se considera como un imán, los momentos magnéticos debidosal spin (s) y según la mecánica cuántica pueden calcularse:

)1()( SSgMBsg = constante giromagnética o factor g. g = 2.00023 2.00

Momentos magnéticos debidos

solo al spin

# e- no

apareados

S S

1 1/2 1.73

2 1 2.83

3 3/2 3.87

4 2 4.90

5 5/2 5.92

6 3 6.93

7 7/2 7.94


Cuando la contribución del momento angular orbital es significativa, el cálculo teórico toma en cuenta:

)1()1(4)( LLSSMBLS


Momentos magnéticos observados y calculados para algunos iones demetales de transición.

ión # cuánticos del

estado

fundamental

S L

Símbolo

R-SS

(MB)

S + L

(MB)

Momentos

observados

(MB)

V4+ 1/2 2 2D 1.73 3.00 1.7 – 1.8

Cu2+ 1/2 2 2D 1.73 3.00 1.7 – 2.2

V3+ 1 3 3F 2.83 4.47 2.6 – 2.8

Ni2+ 1 3 3F 2.83 4.47 2.8 – 4.0

Cr3+ 3/2 3 4F 3.87 5.20 3.8

Co2+ 3/2 3 4F 3.87 5.20 4.1 – 5.2

Fe2+ 2 2 5D 4.90 5.48 5.1 – 5.5

Co3+ 2 2 5D 4.90 5.48 5.4

Mn2+ 5/2 0 6S 5.92 5.92 5.9

Fe3+ 5/2 0 6S 5.92 5.92 5.9


E) Diamagnetismo:

Características.

m es negativa.

Provoca una disminución en la intensidad del campo magnético dentro de la muestra.

En un campo magnético no homogéneo se mueve hacia el campomás débil.

No depende de la temperatura

Se manifiesta en átomos, iónes o moléculas con electronesapareados.


F) Momentos magnéticos a partir de las susceptibilidades magnéticas:

Mcorr

Toma en cuenta la contribución diamagnética y el paramagnetismo independiente de la temperatura (PIT).


Pierre Curie demostró que la susceptibilidad paramagnéticadepende inversamente de la temperatura y que frecuentementeobedece la ecuación:

T

Ccorr

M Ley de Curie

C = Constante de Curie, T = temp. absoluta.

donde:

K

NC

3

2

N = número de avogadro, K = constante de Boltzmann, = momento magnético.


de manera que:

TcorrMeffefectivo 84.2

El experimento se hace de la manera siguiente:


Muchas son las sustancias que siguen la ley de Curie:

T

Ccorr

M C

Tcorr

M

1


en otras la recta no pasa por el origen:


entonces queda el momento magnético:

)(84.2 Tcorr

M

G) Ferromagnetismo y antiferromagnetismo:

Es una clase de paramagnetismo con una tendencia complicada conla temperatura y la intensidad del campo.


Representación:


En la situación ferromagnética, una forma de ver la extraña dependencia con la magnitud del campo se manifiesta por la presencia de histéresis.

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