大部份過(guò)渡元素的化合物是順磁性的,而且很多我們對(duì)于過(guò)渡金屬化學(xué)的了解是從磁的數(shù)據(jù)中得來(lái)的。因此在詳細(xì)地討論它們的化學(xué)之前,由化學(xué)的觀點(diǎn),來(lái)闡明磁學(xué)的重要事實(shí)和原理是必要的。
宏觀物質(zhì)的全部磁性質(zhì)最終決定于亞原子粒子即電子和核子的電性質(zhì)。因?yàn)楹俗雍秃怂鸬拇判?yīng)是電子的磁效應(yīng)的大約10(-3次方)倍,它們通常對(duì)于有直接化學(xué)意義的磁現(xiàn)象沒(méi)有可以檢測(cè)出的效應(yīng)(但這并不是說(shuō)化學(xué)現(xiàn)象對(duì)于核的磁性沒(méi)有重要的效應(yīng),正是這樣的效應(yīng)造成了核磁共振譜,它對(duì)于化學(xué)家是極有用的工具)。因此我們將集中全部注意于電子的性質(zhì)和由此而來(lái)的物質(zhì)的磁性。我們將看到,在宏觀物質(zhì)的磁性和它的各種組份原子和離子中的未成對(duì)電子的數(shù)目與分布之間有直接的和常常是靈敏的關(guān)系。
定性地說(shuō),有幾類(lèi)磁性;毎一類(lèi)磁性的特征收集在表19-1中。之后我們首先討論順磁性。一個(gè)順磁性物質(zhì)以正比于場(chǎng)強(qiáng)乘場(chǎng)梯度的力被吸引向磁場(chǎng)。順磁性通常是由于物質(zhì)中存在著具有未成對(duì)電子的離子、原子或分子引起的。這些離子、原子或分子當(dāng)沒(méi)有外磁場(chǎng)存在時(shí),都各自具有確定的順磁磁矩。一個(gè)抗磁性物質(zhì)被磁場(chǎng)排斥。所有的物質(zhì)在一定程度上都具有這個(gè)性質(zhì)??勾判孕袨槭怯纱艌?chǎng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的小磁矩引起的,但在沒(méi)有外磁場(chǎng)時(shí)它并不存在。這樣誘導(dǎo)產(chǎn)生的磁矩與外磁場(chǎng)方向相反,所以造成排斥。最后,磁行為還有更復(fù)雜的形式,已知的如鐵磁性和反鐵磁性。還有其它的就不在這里討論了。
表19-1 磁行為的主要類(lèi)型
類(lèi)型 | XM的符號(hào) |
XM的大小(a) (cgs單位) |
XM對(duì)H的關(guān)系 | 來(lái)源 |
抗磁性 | - | 1-500×10(-6次方) | 無(wú)關(guān) | 電子電荷 |
順磁性 | + | 0-10(-2次方) | 無(wú)關(guān) | 單個(gè)原子上的電子的自旋和軌道運(yùn)動(dòng) |
鐵磁性 | + | 10(-2次方)-10(6次方) | 有關(guān) | 單個(gè)原子的磁矩的協(xié) |
反鐵磁性 | + | 0-10(-2次方) | 可能有關(guān) | 同的相互作用 |
a.假定分子量或離子量在50-1000范圍。XM是每摩爾物質(zhì)的磁化率。