Paramagnetismo: momento di spin, sostanze paramagnetiche

Il paramagnetismo è la proprietà che hanno alcune sostanze quando sono immerse in un campo magnetico esterno.

Ciascun elettrone in un atomo, ha un momento angolare di spin e un momento angolare orbitale (tranne il caso di un elettrone che occupi un orbitale s a cui non è associato un momento angolare orbitale).

Momento angolare di spin

Poiché l’elettrone è una particella con carica elettrica, ai momenti angolare di spin e orbitale sono associati rispettivamente un momento magnetico di spin e un momento magnetico orbitale.

Quando in un atomo sono presenti più elettroni, il momento angolare di spin di ciascuna coppia di elettroni con spin antiparalleli è: + ½ h/2π – ½ h/2π = 0. Quindi è nullo il loro momento magnetico di spin così come lo è quello orbitale. Quindi un atomo polielettronico isolato, quando ha uno o più elettroni spaiati ha anche un momento elettronico permanente. Esso  è la risultante del momento magnetico di spin e di quello orbitale.

Un tale atomo si comporta come un dipolo magnetico infinitesimo. In un atomo polielettronico un livello o un sottolivello completamente riempito non contribuisce al momento magnetico dell’atomo. Perciò negli elementi del blocco s e p del sistema periodico, il momento di spin, quando esiste, deriva dalla presenza di elettroni spaiati nel livello più esterno.

Gli atomi isolati degli elementi alcalini hanno una configurazione elettronica ns¹ . Unitamente agli atomi degli elementi che hanno un numero dispari di elettroni come H, N, gli alogeni ecc., hanno sempre un momento magnetico di spin.  Non mostrano momento magnetico di spin gli atomi dei gas nobili che hanno una configurazione elettronica esterna ns², np^6.

I gas nobili sono quindi sostanze diamagnetiche.

In un insieme costituito di atomi gassosi che non interagiscono tra loro e ciascuno dei quali si comporti come un dipolo magnetico come, ad esempio, atomi di sodio allo stato gassoso ad alta temperatura, l’agitazione termica fa sì che i dipoli magnetici associati a ciascun atomo siano reciprocamente orientati in maniera casuale e, di conseguenza la sostanza gassosa non abbia un momento magnetico complessivo.

Il gas nel suo insieme non ha quindi un momento magnetico risultante pur essendo costituito da atomi ciascuno dei quali possiede un momento magnetico permanente. Se questa  sostanza  è posta in un campo magnetico, i dipoli magnetici atomici tendono ad allinearsi parallelamente al campo magnetico esterno. L’agitazione termica tuttavia  contrasta questo fenomeno .  Come risultato di questi due fattori competitivi, agitazione termica e linee di forza del campo, la sostanza nel suo complesso assume un momento magnetico complessivo. Esso   aumenta all’aumentare dell’intensità del campo e che diminuisce all’aumentare della temperatura.

Sostanze paramagnetiche

Da quanto detto risulta che per sostanza paramagnetica si intende una serie di dipoli infinitesimi reciprocamente orientati in maniera statistica in assenza di campo magnetico esterno

 

Un campo magnetico esterno non ha alcun influsso, almeno in prima approssimazione, sul momento magnetico di ciascuno di questi dipoli. Esso influenza la loro reciproca orientazione e, quindi,  momento risultante della sostanza. Il momento magnetico di ciascun atomo non è originato da un campo magnetico esterno. Esso tuttavia può essere svelato solo quando la sostanza paramagnetica è posta in un campo magnetico esterno. Esso, infatti, esso dà origine a un momento macroscopico non nullo.

Il fatto che un atomo abbia una configurazione elettronica dello stato fondamentale con uno o più elettroni spaiati, non implica che un insieme di questi atomi, ciascuno dei quali ha un proprio momento magnetico di spin, legati tra loro per formare una molecola debba possedere ancora elettroni spaiati.

Di regola, infatti, quando gli atomi si uniscono tra loro per formare una molecola gli elettroni spaiati del livello più esterno di ciascun atomo si dispongono a spin antiparallelo con gli elettroni spaiati degli atomi contigui formando legami covalenti. Quindi le molecole, non avendo elettroni spaiati risultano diamagnetiche. Molecole che hanno un numero dispari di elettroni hanno un momento magnetico di spin: esempi sono costituiti da NO, NO₂, ClO₂ .

A parte poche eccezioni i composti degli elementi dei blocchi s e p del sistema periodico sono tutti diamagnetici. Analogamente lo sono le loro sostanze elementari tranne i metalli del I e II gruppo che mostrano un debole paramagnetismo. Solo il berillio appartenente al 2° gruppo è diamagnetico.