Weird Science

O paramagnetyzmie chlorku kobaltu(II)

Nie tylko żelazo

Wszy­scy znamy magne­tyczne wła­ści­wo­ści żelaza. Należy ono do klasy sub­stan­cji zwa­nych fer­ro­ma­gne­ty­kami. Sub­stan­cje takie wyka­zują wła­sne, spon­ta­niczne nama­gne­so­wa­nie. Fer­ro­ma­gne­tyzm jest jedną z naj­sil­niej­szych postaci magne­ty­zmu i jest odpo­wie­dzialny za więk­szość magne­tycz­nych zacho­wań spo­ty­ka­nych w życiu codzien­nym. Oprócz żelaza fer­ro­ma­gne­ty­kami są także: kobalt, nikiel oraz w niższych tem­pe­ra­tu­rach rów­nież gado­lin, terb, dys­proz, holm i erb. Oprócz pier­wiast­ków wła­ści­wo­ści takie wyka­zuje także wiele sto­pów i związ­ków che­micz­nych.

Oprócz fer­ro­ma­gne­ty­zmu ist­nieją też inne oddzia­ły­wa­nia magne­tyczne, jed­nym z nich jest para­ma­gne­tyzm. Ter­mi­nem tym nazy­wamy zja­wi­sko magne­so­wa­nia się ciała w zew­nętrz­nym polu magne­tycz­nym w kie­runku zgod­nym z kie­run­kiem pola zew­nętrz­nego. Para­ma­gne­tyk jest przy­ciągany przez magnes, jed­nak znacz­nie sła­biej niż fer­ro­ma­gne­tyk.

Ist­nieje wiele para­ma­gne­ty­ków, na przy­kład: cie­kły tlen, sód, pla­tyna, tle­nek azotu(II), hem, glin. Oddzia­ły­wa­nia para­ma­gne­tyczne są jed­nak z reguły bar­dzo słabe i trudno je zaob­ser­wo­wać bez odpo­wied­niego sprzętu. Uwod­niony chlo­rek kobaltu(II) jed­nak wyka­zuje sto­sun­kowo silny efekt, co pozwoli nam na zapo­zna­nie się z tym zja­wi­skiem.

Doświad­cze­nie

Potrze­bu­jemy soli kobaltu, kon­kret­nie hek­sa­hy­dratu chlorku kobaltu(II) CoCl2·6H2O. Związek ten ma postać ciem­no­czer­wo­nych krysz­ta­łów widocz­nych poni­żej.

Ilustracja: uwodniony chlorek kobaltu(II)

uwodniony chlorek kobaltu(II)

Ostrze­że­nie: Chlo­rek kobaltu(II) CoCl2 ma dzia­ła­nie rako­twór­cze! Należy bezw­zględ­nie uni­kać zanie­czysz­cze­nia oczu lub skóry! Autor nie bie­rze jakiej­kol­wiek odpo­wie­dzial­no­ści za wszel­kie mogące pow­stać szkody. Robisz to na wła­sne ryzyko!

Potrze­bu­jemy także magnesu; naj­lep­szy będzie nie­wielki magne­sik neo­dy­mowy.

Ilustracja: magnes neodymowy

magnes neodymowy

Wybie­ramy kilka nie­wiel­kich krysz­ta­łów CoCl2·6H2O i zbli­ża­jąc magnes spraw­dzamy, czy będą z nim oddzia­ły­wać w jakiś spo­sób. Efekt można zoba­czyć na moim fil­mie:

Krysz­tały sub­stan­cji nie mającej nic wspól­nego z żela­zem zostają wyraźnie przy­ciągnięte do magnesu!

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Wyja­śnie­nie

Para­ma­gne­tyki posia­dają co najm­niej jeden nie­spa­ro­wany elek­tron, co skut­kuje zew­nętrz­nym momen­tem magne­tycz­nym dla danego atomu. Bez zew­nętrz­nego pola magne­tycz­nego wek­tory ele­men­tar­nych momen­tów magne­tycz­nych są roz­ło­żone cha­o­tycz­nie w całej objęto­ści mate­riału, co pro­wa­dzi do zero­wego wypad­ko­wego momentu dla całego ciała.

Przy­czyną para­ma­gne­ty­zmu jest porząd­ko­wa­nie się spi­nów elek­tro­nów ciała zgod­nie z liniami zew­nętrz­nego pola magne­tycz­nego, czemu oczy­wi­ście prze­ciw­dzia­łają drga­nia cieplne cząste­czek. W niskich tem­pe­ra­tu­rach i w sil­nych polach magne­tycz­nych docho­dzi do upo­rząd­ko­wa­nia nie­mal wszyst­kich dipoli magne­tycz­nych elek­tro­nów, w wyniku czego ich momenty sumują się i możemy zaob­ser­wo­wać zew­nętrzny moment magne­tyczny.

Prze­ni­kal­ność magne­tyczna μ dla para­ma­gne­ty­ków jest tylko tro­chę więk­sza od jed­no­ści, co zna­czy, że nie­znacz­nie wzmac­niają one zew­nętrzne pole magne­tyczne.

Należy zazna­czyć, że para­ma­gne­tyk bez zew­nętrz­nego pola magne­tycz­nego nie wyka­zuje żad­nych wła­ści­wo­ści magne­tycz­nych. Spra­wia to, że nie może on zostać trwale nama­gne­so­wany, w prze­ci­wieńs­twie do fer­ro­ma­gne­ty­ków. Innym rodza­jem oddzia­ły­wa­nia magne­tycz­nego jest dia­ma­gne­tyzm.

Życzę miłej i pou­cza­jącej zabawy:)

Lite­ra­tura dodat­kowa:

Marek Ples

Aa