Лайнус Полінг, Пітер Полінг — Хімія
Фарадей виявив, що в більшості речовин, уміщених у магнітне поле, виникає магнітний момент, протилежний напрямку поля. Такі речовини називають діамагнітними. Речовини, в яких виникає магнітний момент, паралельний полю, називають парамагнітними (або феромагнітними, якщо вони мають високу намагнічуваність у слабких полях і їхня намагніченість досягає сталого значення зі збільшенням сили поля).
На зразок діамагнітної речовини, уміщений у неоднорідне магнітне поле, діє сила, яка прагне виштовхнути його в ділянку слабшого поля. Зразок парамагнітної речовини втягується в ділянку сильнішого поля.
Діамагнетизм пояснюється тим, що накладення магнітного поля викликає рух електронів в атомі або в одноатомному іоні в такому напрямку, який призводить до виникнення магнітного диполя з орієнтацією проти напрямку поля. Цей діамагнітний ефект притаманний усім речовинам.
Магнітна сприйнятливість діамагнітної або парамагнітної речовини визначається рівнянням
M=χH,
де M — питомий індукований момент, віднесений до одиниці об'єму (Mv), одиниці маси (Mm) або до одного моля (Mmol) речовини, χ — магнітна сприйнятливість (відповідно χv, χm, або χmol) і H — сила магнітного поля.
П'єр Кюрі 1895 р. показав, що парамагнітна сприйнятливість сильно залежить від температури й для багатьох речовин обернено пропорційна абсолютній температурі. Рівняння, що виражає цю залежність,
$\chi_{mol} = \frac{C_{mol}}{T}+D,$
називають законом Кюрі, а величину Cmol , що входить до нього, називають мольною сталою Кюрі; D виражає діамагнітний внесок (він звичайно від'ємний).
Перший член цього рівняння можна розрахувати на основі принципу Больцмана, допустивши, що дана речовина містить постійні магнітні дипольні моменти, здатні орієнтуватися в магнітному полі. Такий теоретичний розрахунок виконав французький учений Поль Ланжевен 1905 р. Він вивів рівняння
$C_{mol} = \frac{N\mu^{2}}{3k},$
в якому μ — величина дипольного магнітного моменту в розрахунку на один атом або молекулу.
Це рівняння дає змогу розрахувати значення магнітних моментів за експериментальною магнітною сприйнятливістю парамагнітних речовин, виміряною в деякому інтервалі температур. На підставі одержаних значень можна визначити число неспарених електронів у молекулах речовин.
Вправи
5.1. Сформулюйте періодичний закон.
5.2. Хто і коли запропонував періодичний закон і періодичну таблицю?
5.3. Скільки груп і скільки періодів у періодичній таблиці?
5.4. Не дивлячись на періодичну таблицю, але пам'ятаючи число елементів у кожному періоді (2, 8, 8, 18, 18, 32), визначте, які елементи мають атомні номери 9, 10, 11, 17, 19, 35, 37, 64.
5.5. Накресліть схему періодичної таблиці і впишіть у неї з пам'яті символи й атомні номери перших вісімнадцяти елементів, а також решти лужних металів, галогенів і аргоноїдів.
5.6. Шляхом екстраполяції з використанням даних, наведених у табл. 5.2, передбачте наближені значення атомної маси, температури плавлення і температури кипіння елемента 118. Якими хімічними властивостями він має володіти?
5.7. Де вперше було виявлено Гелій? Яке основне джерело цього елемента нині?
5.8. Які передбачення можна зробити щодо формули, кольору, розчинності, смаку і температури плавлення сполуки, що утворюється внаслідок реакції між хлором і елементом 119?
5.9. Назвіть найважливіші металічні властивості. У якій частині періодичної таблиці розташовані елементи з металічними властивостями?
5.10. Які з перелічених нижче елементів є металами, металоїдами, неметалами: Калій, Арсен, Алюміній, Ксенон, Бром, Силіцій, Фосфор?
5.11. Неон, аргон, криптон і ксенон утворюють кристали кубічної найщільнішої упаковки (підрозд. 2.4), причому a дорівнює відповідно 452, 543, 559 і 618 пм. Яким значенням густини відповідають ці довжини ребра елементарної кубічної комірки?
5.12. Які значення ефективних атомних радіусів Неону, Аргону, Криптону і Ксенону, обчислені на підставі інформації, що міститься в попередньому прикладі?
5.13. Що таке орбіталь? Чим відрізняються різні орбіталі?
5.14. Що таке спін електрона і в чому полягає принцип заборони Паулі?
5.15. Які літери вживають замість цифр для позначення головних квантових чисел?
5.16. Скільки підоболонок має оболонка з головним квантовим числом n? Якими літерами позначаються підоболонки?
5.17. а) Напишіть з пам'яті електронно-крапкові символи атомів у нормальному стані для елементів від Натрію до Аргону, що мають від 1 до 8 електронів у зовнішній оболонці.
б) Які електрони цих атомів не позначаються крапками?
5.18. Лужні метали I групи періодичної таблиці — Li, Na, K, Rb, Cs і Fr. Їхні атомні номери — 3, 11, 49 або 19 (на думку редакції сайту), 37, 55 і 87 відповідно. Чим відрізняється їхня електронна структура від електронної структури аргоноїдів, що передують їм у періодичній таблиці?
5.19. Напишіть електронно-крапкові символи для лужних металів.
5.20. а) Яка електронна конфігурація Флуору? (Зверніться до рис. 5.6 і покажіть усі дев'ять електронів. Не забудьте, що в даній підоболонці є три 2p-орбіталі.)
б) Скільки електронних пар в атомі Флуору? Які орбіталі вони займають?
в) Скільки в атомі Флуору неспарених електронів? Яку орбіталь займає такий; електрон?
5.21. а) Які електронні конфігурації Берилію і Бору (рис. 5.6)?
б) Якій електронно-крапковій схемі вони відповідають?
в) Які електронно-крапкові символи для цих атомів звичайно застосовують хіміки? (Вони показують багато неспарених електронів.)
5.22. Запишіть електронну конфігурацію елемента з Z=103, що показує всі 103 електрони. До якої орбіталі можна віднести останній електрон? Чому?
5.23. Орбіта Бора для атома Гідрогену в нормальному стані має радіус 53,0 пм. Чому дорівнює радіус орбіти для першого збудженого стану з n=2 і орбіти з n=3?
5.24. У підрозд. 5.8 зазначалося, що перша зміна струму, який виникає при потраплянні електронів на пластину в експерименті Франка — Герца з атомарним воднем, відбувається тоді, коли прискорювальний потенціал досягає 10,2 В. Якій зміні головного квантового числа електрона в атомі Гідрогену відповідає це збудження? За якого потенціалу відзначається наступний збуджений стан? [Відповідь: від n= 1 до n=2; 12,09 В.]
5.25. Як можна експериментально визначити число неспарених електронів в атомі?