Introdução
Uma das maneiras pelas quais você pode criar levitação é por meio do diamagnetismo. Nesta imagem, você vê um material feito pelo homem chamado carbono pirolítico flutuando sobre ímãs.
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A razão pela qual este material levita é porque é diamagnético , o que significa que o material é repelido por uma força magnética externa. Isso é o oposto do paramagnetismo , onde os objetos são atraídos por campos magnéticos externos, muito parecido com a atração entre um ímã e uma geladeira.
Nesta lição, vamos examinar por que algumas substâncias são diamagnéticas e outras paramagnéticas. Aprenderemos mais sobre a definição desses termos e descobriremos o que eles dizem sobre as propriedades das substâncias.
Configuração Eletrônica
Para entender o magnetismo nos átomos, devemos revisar as configurações eletrônicas. Os elétrons podem ser imaginados como residindo em locais fixos em uma estrutura atômica conhecida como orbitais. Cada orbital pode acomodar dois elétrons. O número de orbitais em cada átomo depende do átomo e do número total de elétrons, que são revistos com mais detalhes em outra lição. Vamos simplificar imaginando que há um número fixo de orbitais para cada átomo.
A maneira como os elétrons preenchem cada orbital é caracterizada por várias leis. Por exemplo, a regra de Hund afirma que a repulsão menor entre os elétrons carregados negativamente fará com que eles entrem em orbitais separados do mesmo nível de energia antes de preencher um orbital que já contém um elétron.
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Você deve observar nesses diagramas que os elétrons são mostrados como setas apontando para cima ou para baixo. A direção desta seta está diretamente relacionada ao spin do elétron. O Princípio de Exclusão de Pauli afirma que os elétrons que preenchem o mesmo orbital devem ter spins diferentes porque dois elétrons não podem ter exatamente o mesmo número quântico. Você pode pensar em ‘número quântico’ como o endereço de um elétron. Como dois elétrons estão no mesmo orbital, eles devem girar em direções diferentes para ter um número quântico diferente.
Diamagnetismo vs Paramagnetismo
Então, o que isso tem a ver com material levitando? Acontece que a presença ou ausência de elétrons desemparelhados em orbitais lhes dará propriedades diferentes. Os átomos diamagnéticos não têm elétrons desemparelhados. Os átomos paramagnéticos têm elétrons desemparelhados.
Quando um orbital é preenchido com dois elétrons girando em direções diferentes, o spin total desse orbital é zero. Quando o orbital tem apenas um elétron girando, ele tem um spin líquido nessa direção. Se um átomo tem apenas um elétron desemparelhado, ainda é um átomo paramagnético. Para ser diamagnético, todos os elétrons devem estar emparelhados.
O emparelhamento, ou a falta dele, na estrutura atômica é o que faz com que um material se comporte de maneira diferente quando um campo magnético externo é aplicado. Em substâncias paramagnéticas, elétrons desemparelhados podem se alinhar com o campo magnético externo e, assim, serem atraídos para o campo magnético. No entanto, os átomos paramagnéticos nem sempre têm comportamento magnético. Em vez disso, isso ocorre apenas em resposta à aplicação de um campo magnético externo. Quando você remove o campo magnético, o realinhamento dos elétrons e o comportamento magnético desaparecem.
Como os átomos diamagnéticos têm spin líquido zero e não podem se alinhar a um campo magnético externo, eles são fracamente repelidos pelo campo, que é a causa da levitação do carbono pirolítico acima dos ímãs.
Resumo da lição
Em resumo, o diamagnetismo e o paramagnetismo estão relacionados ao número de elétrons em um átomo e como eles preenchem os orbitais na configuração eletrônica. De acordo com a regra de Hund , a leve repulsão entre dois elétrons carregados negativamente fará com que eles entrem em orbitais com o mesmo nível de energia antes de entrarem em um orbital que já contém um elétron. De acordo com o Princípio de Exclusão de Pauli , como dois elétrons preenchem um orbital, eles devem ter spins opostos entre si. Um átomo que contém qualquer elétron desemparelhado é conhecido como paramagnético , e um átomo com todos os elétrons emparelhados é conhecido como diamagnético .
Os átomos diamagnéticos mostram uma repulsão fraca aos campos magnéticos externos porque os elétrons têm spin líquido zero e, portanto, não podem interagir favoravelmente com um campo magnético. Os átomos paramagnéticos mostrarão uma atração fraca aos campos magnéticos porque os elétrons desemparelhados se realinham para enfrentar a força do campo magnético.
Diamagnetismo e paramagnetismo: Glossário de termos
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| Diamagnetismo | objetos com elétrons emparelhados são repelidos por um campo magnético externo |
| Paramagnetismo | objetos com elétrons desemparelhados são atraídos por campos magnéticos externos |
| Regra de Hund | afirma que a repulsão menor entre os elétrons carregados negativamente fará com que eles entrem em orbitais separados do mesmo nível de energia antes de preencher um orbital que já tem um elétron nele |
| Princípio de Exclusão de Pauli | afirma que os elétrons que preenchem o mesmo orbital devem ter spins diferentes porque dois elétrons não podem ter exatamente o mesmo número quântico |
| Átomos diamagnéticos | não tem elétrons desemparelhados |
| Átomos paramagnéticos | têm elétrons desemparelhados |
Resultados de Aprendizagem
Depois de concluir esta lição, o aluno pode definir como objetivo:
- Contraste o diamagnetismo e o paramagnetismo
- Lembre-se das propriedades dos átomos diamagnéticos e paramagnéticos
- Descreva a regra de Hund e o princípio de exclusão de Pauli
- Discuta o papel dos elétrons no comportamento magnético