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.
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.
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!
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:
- Ashcroft N.W., Mermin N.D., Solid State Physics, Harcourt, 1976
- Shimada H., Yasuoka T., Mitsuzawa S., Observation of paramagnetic property of oxygen by simple method - A simple experiment for college chemistry and physics courses, Journal of Chemical Education, 1990, 67(1), str. 63
- Selwood P.W., Magnetism and molecular structure, Journal of Chemical Education, 1942, 19(4), str. 181
Marek Ples