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모든 원자는 어떤 방식으로 자기장에 반응하지만 핵을 둘러싼 원자의 구성에 따라 다르게 반응합니다. 이 구성에 따라 요소는 반자성, 상자성 또는 강자성 일 수 있습니다. 반자성 요소 (실제로 어느 정도)는 자기장에 의해 약하게 반발되는 반면, 상자성 요소는 약하게 끌어 당겨 자화 될 수 있습니다. 강자성 재료는 또한 자화 될 수 있지만, 상자성 요소와 달리 자화는 영구적이다. 상자성 (paramagnetism)과 강자성 (ferromagnetism) 둘다는 자성 (diamagnetism)보다 더 강하므로, 상자성 (paramagnetism) 또는 강자성 (ferromagnetism)을 나타내는 요소들은 더 이상 반자성이 아니다.
실온에서는 강자성이 거의 없습니다. 여기에는 철 (Fe), 니켈 (Ni), 코발트 (Co), 가돌리늄 (Gd) 및 과학자들이 최근에 발견 한대로 루테늄 (Ru)이 포함됩니다. 이러한 금속을 자기장에 노출시켜 영구 자석을 만들 수 있습니다. 상자성 원자 목록이 훨씬 길다. 상자성 요소는 자계가있을 때 자성이되지만, 자계를 제거하자마자 자기 특성을 잃게됩니다. 이 거동의 이유는 외부 궤도 쉘에 하나 이상의 짝을 이루지 않은 전자가 존재하기 때문입니다.
상자성 대 반자성 요소
지난 200 년 동안 과학에서 가장 중요한 발견 중 하나는 전기와 자기의 상호 연결성입니다. 모든 원자는 음으로 하전 된 전자 구름을 가지고 있기 때문에 자기 특성에 대한 가능성이 있지만, 강자성, 상자성 또는 정 자기의 표시 여부는 구성에 따라 다릅니다. 이를 이해하기 위해서는 전자가 핵 주위에서 어떤 궤도를 차지할 것인지를 결정하는 방법을 이해해야합니다.
전자는 스핀 (spin)이라고 불리는 품질을 가지고 있는데, 회전 방향으로 시각화 할 수 있지만 그보다 복잡합니다. 전자는 "스핀 업"(시계 방향 회전으로 시각화 할 수 있음) 또는 "스핀 다운"(시계 반대 방향)을 가질 수 있습니다. 그들은 쉘이라고 불리는 핵으로부터 엄밀하게 정의 된 거리에서 점점 더 스스로를 배열하고, 각 쉘 내에는 서로 반대의 스핀을 갖는 최대 2 개의 전자가 차지할 수있는 별개의 수의 궤도를 갖는 서브 쉘이 있습니다. 궤도를 차지하는 두 전자는 짝을 이룬다 고한다. 스핀이 취소되고 순 자기 모멘트가 생성되지 않습니다. 반면에 궤도를 차지하는 단일 전자는 짝을 이루지 않아서 순 자기 모멘트를 초래합니다.
반자성 요소는 짝을 이루지 않은 전자가없는 요소입니다. 이 원소들은 자기장에 약하게 반대하는데, 과학자들은 종종 강한 전자석 위에 파이로 라이트 흑연 또는 개구리 (예, 개구리!)와 같은 반자성 물질을 공중 부양함으로써 증명합니다. 상자성 요소는 전자가 짝을 이루지 않는 요소입니다. 그들은 원자에 순 자기 쌍극자 모멘트를 제공하고, 장이 가해지면 원자는 장과 정렬되고 요소는 자성이됩니다. 필드를 제거하면 열 에너지가 개입하여 정렬이 무작위 화되고 자기가 손실됩니다.
요소가 상자성인지 반자성인지 계산
전자는 순 에너지를 최소화하는 방식으로 핵 주위의 껍질을 채 웁니다. 과학자들은 Aufbrau 원리, Hunds Rule 및 Pauli Exclusion Principle로 알려진 세 가지 규칙을 발견했습니다. 이러한 규칙을 적용하면 화학자들은 핵을 둘러싸고있는 각 서브 쉘을 차지하는 전자의 수를 결정할 수 있습니다.
요소가 반자성인지 또는 상자성인지를 결정하기 위해, 가장 바깥 쪽 서브 쉘을 차지하는 원자가 전자를 볼 때만 필요합니다. 최 외곽 서브 쉘에 짝을 이루지 않은 전자가있는 궤도가 포함 된 경우 요소는 상자성입니다. 그렇지 않으면, 그 반자성. 과학자들은 서브 쉘을 s, p, d 및 f로 식별합니다. 전자 구성을 작성할 때, 규칙은 주기율표에서 해당 원소에 선행하는 희가스에 의해 원자가 전자보다 우선합니다. 희귀 가스는 전자 궤도를 완전히 채웠기 때문에 비활성 상태입니다.
예를 들어 마그네슘 (Mg)의 전자 구성은 3 초입니다.2. 최 외곽 서브 쉘에는 두 개의 전자가 포함되어 있지만 쌍을 이루지 않으므로 마그네슘은 상자성입니다. 한편, 아연 (Zn)의 전자 구성은 4s23d10. 외부 껍질에 짝을 이루지 않은 전자가 없으므로 아연은 반자성입니다.
상자성 원자 목록
전자 구성을 작성하여 각 요소의 자기 특성을 계산할 수 있지만 다행히도 그럴 필요는 없습니다. 화학자들은 이미 상자성 요소의 테이블을 만들었습니다. 다음과 같습니다.
상자성 화합물
원자가 결합하여 화합물을 형성 할 때, 이들 화합물 중 일부는 원소와 동일한 이유로 파라 마그 네티즘을 나타낼 수있다. 하나 이상의 짝을 이루지 않은 전자가 화합물 궤도에 존재하면, 화합물은 상자 성일 것이다. 분자 산소 (O)2), 산화철 (FeO) 및 산화 질소 (NO). 산소의 경우, 강한 전자석을 사용하여 이러한 파라 마그 네티즘을 표시 할 수 있습니다. 그러한 자석의 극 사이에 액체 산소를 부으면, 산소 가스 구름을 생성하기 위해 기화 될 때 산소가 극 주위에 모입니다. 액체 질소로 동일한 실험을 시도하십시오 (N2)는 상자성이 아니며 그러한 구름은 형성되지 않습니다.
상자성 화합물 목록을 컴파일하려면 전자 구성을 조사해야합니다. 상자성 특성을 부여하는 외부 원자가 껍질의 짝을 이루지 않은 전자이기 때문에 그러한 전자를 가진 화합물이 목록을 만듭니다. 그러나 이것은 항상 사실이 아닙니다. 산소 분자의 경우, 짝수의 원자가 전자가 있지만, 분자의 전체 에너지 상태를 최소화하기 위해 각각 더 낮은 에너지 상태를 차지한다. 더 높은 궤도의 전자 쌍 대신에, 낮은 궤도에 두 개의 짝이없는 전자가있어서 분자를 상자성으로 만듭니다.