Фарадей открыл, что в большинстве веществ, помещенных в магнитное поле, возникает магнитный момент, противоположный направлению поля. Такие вещества называют диамагнитными. Вещества, в которых возникает магнитный момент, параллельный полю, называют парамагнитными (или ферромагнитными, если они обладают высокой намагничиваемостью в слабых полях и их намагниченность достигает постоянной величины при увеличении силы поля).
На образец диамагнитного вещества, помещенный в неоднородное магнитное поле, действует сила, которая стремится вытолкнуть его в область более слабого поля. Образец парамагнитного вещества втягивается в область более сильного поля.
Диамагнетизм объясняется тем, что наложение магнитного поля вызывает движение электронов в атоме или в одноатомном ионе в таком направлении, которое приводит к возникновению магнитного диполя с ориентацией против направления поля. Этот диамагнитный эффект присущ всем веществам.
Магнитная восприимчивость диагмагнитного или парамагнитного вещества определяется уравнением
М=χН,
где М — удельный индуцированный момент, отнесенный к единице объема (Mv), единице массы (Мm) или к одному молю (Mmol) вещества, χ — магнитная восприимчивость (соответственно χv, χm, или χmol) и Н — сила магнитного поля.
Пьер Кюри в 1895 г. показал, что парамагнитная восприимчивость сильно зависит от температуры и для многих веществ обратно пропорциональна абсолютной температуре. Уравнение, выражающее эту зависимость,
$\chi_{mol} = \frac{C_{mol}}{T}+D,$
называют законом Кюри, а входящую в него величину Cmol называют мольной константой Кюри; D выражает диамагнитный вклад (он обычно отрицателен).
Первый член этого уравнения можно рассчитать на основе принципа Больцмана при допущении, что данное вещество содержит постоянные магнитные дипольные моменты, способные ориентироваться в магнитном поле. Такой теоретический расчет был выполнен французским ученым Полем Ланжевеном в 1905 г. Он вывел уравнение
$C_{mol} = \frac{N\mu^{2}}{3k},$
в котором μ — величина дипольного магнитного момента в расчете на один атом или молекулу.
Это уравнение позволяет рассчитать значения магнитных моментов по экспериментальной магнитной восприимчивости парамагнитных веществ, измеренной в некотором интервале температур. На основании полученных значений можно определить число неспаренных электронов в молекулах веществ.
Упражнения
5.1. Сформулируйте периодический закон.
5.2. Кто и когда предложил периодический закон и периодическую таблицу?
5.3. Сколько групп и сколько периодов в периодической таблице?
5.4. Не гладя на периодическую таблицу, но помня число элементов в каждом периоде (2, 8, 8, 18, 18, 32), определите, какие элементы имеют атомные номера 9, 10, 11, 17, 19, 35, 37, 64.
5.5. Начертите схему периодической таблицы и впишите в нее по памяти символы и атомные номера первых восемнадцати элементов, а также остальных щелочных металлов, галогенов и аргоноидов.
5.6. Путем экстраполяции с использованием данных, приведенных в табл. 5.2 предскажите приближенные значения атомной массы, температуры плавления и температуры кипения элемента 118. Какими химическими свойствами он должен обладать?
5.7. Где впервые был обнаружен гелий? Какой основной источник этого элемента в настоящее время?
5.8. Какие предсказания можно сделать относительно формулы, цвета, растворимости, вкуса и температуры плавления соединения, которое образуется в результате реакции между хлором и элементом 119?
5.9. Назовите наиболее важные металлические свойства. В какой части периодической таблицы находятся элементы с металлическими свойствами?
5.10. Какие из перечисленных ниже элементов являются металлами, металлоидами, неметаллами: калий, мышьяк, алюминий, ксенон, брам, кремний, фосфор?
5.11. Неон, аргон, криптон и ксенон образуют кристаллы кубической плотнейшей упаковки (разд. 2.4), причем а равно соответственно 452, 543, 559 и 618 пм. Каким значениям плотности отвечают эти длины ребра элементарной кубической ячейки?
5.12. Каковы значения эффективных атомных радиусов неона, аргона, криптона и ксенона, вычисленные на основаии информации, содержащейся в предшествующем примере?
5.13. Что такое орбиталь? Чем отличаются различные орбитали?
5.14. Что такое спин электрона и в чем заключается принцип запрета Паули?
5.15. Какие буквы используют вместо цифр для обозначения главных квантовых: чисел?
5.16. Сколько под оболочек имеет оболочка с главным квантовым числом n? Какими буквами обозначаются подоболочки?
5.17. а) Напишите по памяти электронно-точечные символы атомов в нормальном состоянии для элементов от натрия до аргона, имеющих от 1 до 8 электронов во внешней оболочке.
б) Какие электроны этих атомов не указываются точками?
5.18. Щелочные металлы I группы периодической таблицы — Li, Na, К, Rb, Сs и Fr. Их атомные номера — 3, 11, 49, 37, 55 и 87 соответственно. Чем отличается их электронная структура от электронной структуры аргоноидов, предшествующих им в периодической таблице?
5.19. Напишите электронно-точечные символы для щелочных металлов.
5.20. а) Какова электронная конфигурация фтора? (Обратитесь к рис. 5.6 и покажите все девять электронов. Не забудьте, что в данной подоболочке имеется три 2р-орбитали.)
б) Сколько электронных пар в атоме фтора? Какие орбитали они занимают?
в) Сколько в атоме фтора неспаренных электронов? Какую орбиталь такой; электрон занимает?
5.21. а) Каковы электронные конфигурации бериллия и бора (рис. 5.6)?
б) Какой электронно-точечной схеме они соответствуют?
в) Каковы обычно применяемые химиками электронно-точечные символы для этих атомов? (Они показывают много неспаренных электронов.)
5.22. Запишите электронную конфигурацию элемента с Z=103, показывающую, все 103 электрона. К какой орбитали можно отнести последний электрон? Почему?
5.23. Орбита Бора для атома водорода в нормальном состоянии имеет радиус 53,0 пм. Чему равен радиус орбиты для первого возбужденного состояния с n=2 и орбиты с n=3?
5.24. В разд. 5.8 указывалось, что первое изменение тока, возникающего при попадании электронов на пластину в эксперименте Франка — Герца с атомарным водородом, происходит тогда, когда ускоряющий потенциал достигает 10,2 В. Какому изменению главного квантового числа электрона в атоме водорода соответствует это возбуждение? При каком потенциале отмечается следующее возбужденное состояние? [Ответ: от n= 1 до n=2; 12,09 В.]
5.25. Как можно экспериментально определить число неспаренных электронов в атоме?