Einführung in die Chemie

Begriffe

• paramagnetischMaterialien, die von einem extern angelegten Magnetfeld angezogen werden und interne, induzierte Magnetfelder in Richtung des angelegten Magnetfeldes bilden.
• diamagnetischMaterialien, die ein induziertes Magnetfeld in einer Richtung entgegengesetzt zu einem extern angelegten Magnetfeld erzeugen und daher von dem angelegten Magnetfeld abgestoßen werden.
• LanthanoideJedes der 14 Seltenerd-Elemente von Cer (oder von Lanthan) bis Lutetium im Periodensystem. Da ihre äußersten Orbitale leer sind, haben sie eine sehr ähnliche Chemie. Unter ihnen befinden sich die Aktiniden.
• QuantenzahlEine von bestimmten ganzen oder halben Zahlen, die den Zustand eines quantenmechanischen Systems (z.B. ein Elektron in einem Atom) angeben.
• MRTMagnetresonanztomographie, ein medizinisches Bildgebungsverfahren, das in der Radiologie verwendet wird, um die Anatomie und Physiologie des Körpers sowohl bei Gesundheit als auch bei Krankheit zu untersuchen.

Diamagnetismus

Immer wenn sich zwei Elektronen das gleiche Orbital teilen, müssen ihre Spinquantenzahlen unterschiedlich sein. Mit anderen Worten, eines der Elektronen muss „spin-up“ sein, mit m_s = +\frac{1}{2}, während das andere Elektron „spin-down“ ist, mit m_s = -\frac{1}{2}. Dies ist wichtig, wenn es um die Bestimmung des Gesamtspins in einem Elektronenorbital geht. Um zu entscheiden, ob sich die Spins der Elektronen aufheben, addiert man ihre Spin-Quantenzahlen zusammen. Immer dann, wenn zwei Elektronen in einem Orbital gepaart sind oder ihr Gesamtspin 0 ist, nennt man sie diamagnetische Elektronen.

Stellen Sie sich die Spins als im und gegen den Uhrzeigersinn vor. Wenn ein Spin im Uhrzeigersinn und der andere gegen den Uhrzeigersinn ist, dann gleichen sich die beiden Spinrichtungen aus und es gibt keine Restrotation mehr. Beachten Sie, was dies alles in Bezug auf die Elektronen bedeutet, die sich ein Orbital teilen: Da Elektronen im gleichen Orbital immer entgegengesetzte Werte für ihre Spinquantenzahlen (ms) haben, werden sie sich am Ende immer gegenseitig aufheben. Mit anderen Worten, es gibt keinen Restspin in einem Orbital, das zwei Elektronen enthält.

Der Elektronenspin ist sehr wichtig für die Bestimmung der magnetischen Eigenschaften eines Atoms. Wenn alle Elektronen in einem Atom gepaart sind und ihr Orbital mit einem anderen Elektron teilen, dann ist der Gesamtspin in jedem Orbital null und das Atom ist diamagnetisch. Diamagnetische Atome werden von einem Magnetfeld nicht angezogen, sondern eher leicht abgestoßen.

Paramagnetismus

Elektronen, die sich allein in einem Orbital befinden, nennt man paramagnetische Elektronen. Erinnern Sie sich daran, dass, wenn ein Elektron allein in einem Orbital ist, das Orbital einen Nettospin hat, weil der Spin des einsamen Elektrons nicht ausgelöscht wird. Wenn auch nur ein Orbital einen Nettospin hat, hat das gesamte Atom einen Nettospin. Daher gilt ein Atom als paramagnetisch, wenn es mindestens ein paramagnetisches Elektron enthält. Mit anderen Worten, ein Atom könnte 10 gepaarte (diamagnetische) Elektronen haben, aber solange es auch ein ungepaartes (paramagnetisches) Elektron hat, wird es immer noch als paramagnetisches Atom betrachtet.

Genauso wie diamagnetische Atome von einem Magnetfeld leicht abgestoßen werden, werden paramagnetische Atome leicht von einem Magnetfeld angezogen. Die paramagnetischen Eigenschaften sind auf die Neuausrichtung der Elektronenbahnen durch das äußere Magnetfeld zurückzuführen. Paramagnete behalten in Abwesenheit eines extern angelegten Magnetfeldes keine Magnetisierung bei, da die thermische Bewegung die Spinorientierungen zufällig verändert. Stärkere magnetische Effekte werden typischerweise nur beobachtet, wenn d- oder f-Elektronen beteiligt sind. Die Größe des magnetischen Moments an einem Lanthanid-Atom kann recht groß sein, da es im Fall von Gadolinium(III) bis zu sieben ungepaarte Elektronen tragen kann (daher seine Verwendung in der MRT).