Magnetoquímica

Els orbitales d dels metals de transició participen en la majoria dels estudis magnetoquímicos.

La magnetoquímica és la branca de la química que es dedica a la síntesis i l'estudi de les substàncies de propietats magnètiques interessants. El magnetisme molecular, entés com camp d'estudi i no com fenomen, és la part de la magnetoquímica i de la física de l'estat sòlit que s'ocupa de sistemes moleculars. La magnetoquímica i el magnetisme molecular combinen mides experimentals com la magnetometría en hamiltonianos model per a racionalisar les propietats magnètiques de diferent sistemes, buscant una aproximació a les seues estructures electròniques en el cas de ions o molècules, o a les seues bandes en el cas dels sòlits estesos.

Evolució històrica

El camp d'interés i estudi de la magnetoquímica ha evolucionat en el temps. Històricament, solament els composts en ordenament magnètic exhibien fenomens lo prou intensos com per a ser cridaners. Per tant, els primers composts magnéticamente interessants eren típicament sòlits inorgànics, metalés com el ferro, o òxits metàlics com la magnetita, als que és difícil fer modificacions químiques controlades.

Paul Langevin, que va oferir una teoria exitosa per a explicar l'orige microscòpic del paramagnetisme i diamagnetisme.

A finals de el XVIII i principis de el XIX, els estudis previs al començ de la magnetoquímica com tal es llimitaven a l'estudi dels efectes dels camps magnètics sobre les reaccions químiques, análogamente a l'electroquímica (o, salvant les distàncies, la termoquímica i la fotoquímica). Es considera que l'inici de la magnetoquímica tal i com es coneix hui va tindre lloc al voltant de 1905 pel físic francés Paul Langevin, que va desenrollar un model microscòpic per a explicar el diamagnetisme i el paramagnetisme que se seguix estudiant hui en dia, mentres que el químic alemà Wilhelm Klemm va participar de forma decisiva en completar les bases de la disciplina.

El desenroll de métodos físics per a obtindre informació magnètica precisa, ben termodinàmics, com el magnetómetro —en la balança de Gouy a principis de el XX— ben espectroscópicos com la resonància d'espin electrònic, ya a mitan de sigle, va ser crucial per al progrés de la disciplina. També a principis de el XX es varen fer les mides sobre composts diamagnéticos que varen permetre la confecció de les taules de Pascal, que encara s'usen ocasionalment per a corregir mides de susceptibilitat. Des del punt de vista teòric, es varen desenrollar el hamiltoniano model de bescanvi d'Heisenberg-Dirac-van Vleck i l'equació de van Vleck. Estes són dos ferramentes fonamentals per a la racionalisació de les propietats de paramagnetos senzills. La primera introduïx el bescanvi magnètic com un paràmetro, el signe del qual definix el caràcter ferro- o antiferromagnético de l'interacció i el valor absolut de la qual és directament proporcional a la diferència d'energia entre els diferents nivells magnètics. La segona permet calcular la susceptibilitat magnètica per a qualsevol temperatura de forma senzilla si es coneixen les diferències d'energia i el valor del moment magnètic dels diferents nivells magnètics. El progressiu alvanç en la comprensió de la mecànica quàntica va permetre el desenroll de models predictius, com les regles de Goodenough-Kanamori que relacionen el caràcter de l'interacció magnètica depenent de l'omplit dels orbitales participants.

Un científic al que s'ha atribuït el protagonisme en l'evolució de la disciplina des de la magnetoquímica fins al magnetisme molecular durant les últimes décades de el XX va ser Olivier Kahn, fins al punt que existix una medalla bianual a científics jóvens dedicada a la seua memòria, entregada per Magmanet, una ret de grups d'investigació europeus. En la cultura hispana són destacables les contribucions a l'estudi del paramagnetisme per part de Blas Cabrera, a principis de el XX.

Sistema d'unitats

Per a llegir adequadament la lliteratura del camp de la magnetoquímica, especialment les obres menys recents, és important tindre en conte certes diferències entre les convencions d'esta disciplina i el sistema internacional (SI), lo que fa aconsellable comprovar les fòrmules en un cuidadós anàlisis dimensional. En particular, històricament s'han mesclat diferents versions del sistema cegesimal en el SI, de manera que per eixemple en algunes fòrmules s'omet la permeabilidad del buit que en el SI té el valor

${\mu }_0=4\pi \times 10^{-7}$kg m s^-2A^-2

mentres que en cegesimal és l'unitat, mantenint les mateixes magnituts físiques. Un cas en el que açò crea especial confusió és la definició de la magnetisació, que pot ser presentada en cegesimal com

$\overrightarrow{B}=\overrightarrow{H}+\overrightarrow{M}$

La permeabilidad que s'omet en la fòrmula pot estar multiplicant solament a $\overrightarrow{H}$ —de manera que $\overrightarrow{B}$ i $\overrightarrow{M}$) són magnituts similars— o a ($\overrightarrow{H}+\overrightarrow{M}$) —de manera que $\overrightarrow{H}$ i $\overrightarrow{M}$ són magnituts similars—, i diferents grups han usat diferents convencions. Pel mateix motiu, és comú la confusió entre Gauss, l'unitat de la densitat de fluix magnètic $\overrightarrow{B}$ i Oersted, l'antiga unitat de l'intensitat de camp magnètic $\overrightarrow{H}$.

Diamagnetisme

El fenomen del diamagnetisme és omnipresent en la magnetoquímica: tots els materials experimenten una contribució diamagnética, en independència de que tinguen lloc o no atres fenomens que puguen dominar el seu comportament magnètic. Açò deriva directament del fet de que tots els parells d'electrons en espin oposts contribuïxen débilment al diamagnetisme, i la gran majoria d'electrons en tots els elements i composts s'acoplen per parells pel principi d'exclusió de Pauli. D'esta forma, els parells d'electrons somesos a un camp extern es mouen de manera que el camp magnètic que generen s'opon a eixe camp extern. Açò disminuïx la magnetisació en el sí del material i genera una desestabilisació energètica que depén de l'intensitat del camp, o, en la pràctica, una repulsió front a les zones en camps magnètics intensos.

Este comportament és lo que es coneix com a diamagnetisme, un fenomen similar al dels dielèctrics front al camp elèctric. Per eixemple, l'aigua pura és diamagnética, com lo són el nitrogen de l'aire i l'ix comú. El diamagnetisme generalment passa a ser una mera correcció menor quan existixen moments magnètics electrònics en el material, l'interacció del qual en el camp magnètic és molt més intensa, com s'explica a continuació.