الفصل الثالث الخواص المغناطيسية للعناصر الإنتقالية ومركباتها

1. الفصل الثالث • الخواص المغناطيسية للعناصر الإنتقالية ومركباتها كثير من مركبات العناصر الإنتقالية تعتبر مركبات بارا مغناطيسية ، وكثير من المعلومات عن كيمياء العناصر الانتقالية أمكن استنتاجها من الخواص المغناطيسية لهذه المركبات. وهناك أربعة أنواع من السلوك المغناطيسي وهي: الدايا مغناطيسية ، والبار مغناطيسية ، و الفيرو مغناطيسية ومضادة الفيرو مغناطيسية. 1- المواد البارا مغناطيسية:المادة البارا مغناطيسية هي المادة التي تنجذب إلى المجال المغناطيسي ، فحينما يطبق المجال المغناطيسي على مادة بارا مغناطيسية فإن قابلية الأقطاب المغناطيسية في المادة تمكنها من أن تتجه في اتجاه المجال المغناطيسي ويحدث السلوك البارا مغناطيسي نتيجة وجود إلكترونات غير مزدوجة في الأيونات أو الذرات أو الجزيئات، حيث يكون هناك عزم بارا مغناطيسي في غياب مجال مغناطيسي خارجي. • 2- المواد الدايا مغناطيسية: يحدث السلوك الدايا مغناطيسي في المركبات التي لا تحتوي علي الكترونات مفردة بل تكون كل الكتروناتها في حالة ازدواجية وأصل الخاصية الدايامغناطيسية هو الحركة المدارية لالكترونات الأغلفة المشبعة حول النواة والتي تستحدث نتيجة تسليط مجال مغناطيسي مؤثر على المادة إذ إن المجال المغناطيسي الخارجي يحدث تغيرا في حركة الالكترونات وبالتالي إحداث تغير في العزوم المغناطيسية لتلك الالكترونات، وهذه العزوم تكون معاكسة للمجال المغناطيسي المطبق, ومن هنا يحدث التنافر بين الماده وبين المجال المطبق.

2. وفيما يلي سوف نستعرض بشئ من التفصيل الأنواع الأربعة للسلوك المغناطيسي: 1) السلوك البارا مغناطيسي: تحكم الإلكترونات السلوك المغناطيسي للمواد وذلك بطريقتين. (أ)الطريقة الأولى هي أن كل إلكترون يعتبر مغناطيسياً في حد ذاته. حيث أن الإلكترون يعتبر كرة صغيرة مشحونة بشحنة سالبة تدور حول محورها ، ومن المعروف من وجهة نظرية الميكانيكا الكلاسيكية أن دوران مثل هذه الشحنة ينتج عزم مغناطيسي. (ب) الطريقة الثانية هي أن دوران الإلكترون حول النواة سوف ينتج عنه أيضاً عزم مغناطيسي تماماً كما يفعل التيار الكهربي المار في سلك ملفوف ومن هنا نجد أن الخواص المغناطيسية لأي ذرة أو أيون ما هي إلا محصلة لهاتين الخاصيتين ، أي إلى "العزم المغزلي" و"العزم المداري" للإلكترون. ويعبر عن العزوم المغناطيسية للذرات والأيونات والجزيئات في العادة بوحدات "بور ماجنتون" وتختصر B.M.. ويعرف البور ماجنتون بالثوابت الأساسية كما في المعادلة التالية:

3. 1 B.M. = eh/4mc ………………………. (1) حيث e هي الشحنة الإلكترون ، h ثابت بلانك،m كتلة الإلكترون ، cهي سرعة الضوء. ولا يعبر هذا عن عزم إلكترون واحد حيث أن العلاقة (طبقاً لنظرية الكم) أكثر تعقيداً. ويعطي العزم المغناطيسي ،s ، للإلكترون الواحد بالمعادلة التالية: s (in B.M.) = g√ s(s+1) ……………….. (2) • حيث S تعبر عن عن قيمة عدد الكم المغزلي ، g عامل يسمى "العامل g". والكمية √ s(s+1) تعبر عن العزم الزاوي للإلكترون ، وبذلك تعبر g عن النسبة بين العزم المغناطيسي إلى العزم الزاوي ، حيث أنها أحياناً تسمى بـ "النسبة الجيرومغناطيسية". وبالنسبة للإلكترون الحر فإن g لها قيمة 2.0023 والتي تؤخذ على أنها 2.00 لمعظم الأغراض. فاذا احتوت الذرة علي الكترون مفرد واحد فان: s = 2√(+1) = √ 3 = 1.73 B.M. وهكذا فإن أي ذرة أو أيون أو جزئ يحتوي على إلكترون منفرد(كمثال ClO2 , Cu2+ , H) يجب أن يكون له عزم مغناطيسي يساوي 1.73 بور ماجنيتون ، وذلك يكون باعتبار غزل الإلكترون حول نفسه وهذه القيمة قد تزداد أو تتناقص عند اشتراك العزم المداري للإلكترون في العزم المغناطيسي له.

4. هناك بعض العناصر الانتقالية تحتوي على إلكترون أو أثنين أو ثلاثة أو ... إلى سبعة إلكترونات. ومن المعروف أن عدد الكم المغزلي للأيون كله هو (S)، وهو يساوي مجموع أعداد الكم المغزلية للإلكترونات المنفردة s = ) لكل إلكترون(. كمثال في حالة أيون المنجنيز الثنائي والذي يحتوي على خمسة إلكترونات منفردة لذلك فإن S = 5() = 5/2 ، وفي حالة الجادولينيوم الثلاثي لدينا سبعة إلكترونات ، ولذلك فإن S = 7() = 7/2. وبذلك يمكن استخدام معادلة (2) ، حيث يستبدل sبـS لكي نحسب العزم المغناطيسي للإلكترونات المنفردة نتيجة غزل الإلكترونات وهو العزم المسمى بـ "غزل إلكتروني فقط" وذلك لأي ذرة أو أيون بشرط معرفة عدد الكم المغزلي الكلي S. والجدول التالي يوضح الحالات المختلفة للإلكترونات المنفردة وما يقابلها من عزم مغناطيسي "غزل إلكتروني فقط".

5. في المثالين السابقين وهما MnII،GdIII يلاحظ توافق بين العزمين المغناطيسيين لهما وقيم الـ "غزل الإلكتروني فقط" الموضحة في الجدول السابق ولكن في معظم الأحوال تختلف قيم العزوم المغناطيسية عن قيم "الغزل الإلكتروني فقط" ، وفي الغالب تكون أكبر إلى حد ما ، وذلك لأن دوران الإلكترون في مدار حول النواة ينتج مشاركة في العزم الكلي. 2) المواد الدايا مغناطيسية الدايا مغناطيسية هي خاصية لجميع صور المادة ، كل المواد تحتوي على بعض الإلكترونات في مستويات مغلقة. في المستويات المغلقة تتلاشى العزوم المغناطيسية والعزوم المدارية بعضها البعض بحيث لا يكون هناك عزم مغناطيسي ناتج ، وحين يطبق المجال المغناطيسي ينتج عزم مغناطيسي صغير متناسب مع قوة المجال. لكن غزل الإلكترون ليس له مشاركة في هذا العزم حيث تبقى الإلكترونات في هذه المدارات المغلقة في حالة أزواج مع بعضها البعض أي أزواج إلكترونية تغزل في اتجاهين متضادين ().لكن المدارات تميل مستوياتها قليلاً بحيث ينتج عزم مداري صغير معاكس للمجال المطبق ، وبسبب معاكسة هذا العزم للمجال المغناطيسي المطبق نجد أن المواد الديا مغناطيسية تتنافر مع المجال.

6. وحتى إذا كانت هناك ذرة لها عزم مغناطيسي ثابت سوف يكون لها سلوك دايا مغناطيسي في اتجاه معاكس للبارا مغناطيسية الثابتة له وذلك عند وضعه في المجال المغناطيسي بشرط أن تكون الذرة محتوية على مستوى أو أكثر من المستويات المغلقة للإلكترونات.ولذلك فإن البارا مغناطيسية المقاسة لهذه الذرة سوف تكون أقل من البارا مغناطيسية الحقيقية حيث أن بعضها قد تلاشى بالدايا مغناطيسية الناشئة. وحيث أن الدايا مغناطيسية لها قيمة أصغر بكثير من البارا مغناطيسية فإن المواد المحتوية على إلكترونات غير مزدوجة تظهر البارا مغناطيسية كمحصلة نهائية. • بالطبع في حالة المحاليل المخففة جداً للأيونات البارا مغناطيسية حيث تتواجد في مذيب دايا مغناطيسي مثل الماء سوف يكون المحلول دايا مغناطيسي وذلك بسبب النسبة الكبيرة للجزء الدايا مغناطيسي إلى الجزء البارا مغناطيسي. وهناك خاصية مهمة للدايا مغناطيسية وهي أن قيمتها لا تتغير بتغير درجة الحرارة. وذلك لأن العزم الناتج يعتمد فقط على حجم و شكل المدارات في المستويات المغلقة والتي لا تعتمد على درجة الحرارة.

7. الفيرومغناطيسية ومضادة الفيرومغناطيسية المواد الفيرومغناطيسية هي المواد التي لها القدرة على التمغنط مثل الكوبلت والحديد والنيكل. ان السلوك الفيرو مغناطيسية تشبه البارا مغناطيسية للانجذاب للمغناطيس إلا أن انجذاب المواد الفيرو يزيد مليون مرة عن البارا ودائما تحتفظ بخواصها المغناطيسية عند إزالة المجال الخارجي