ХИМИЧЕСКАЯ ПРИРОДA МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ

АННОТАЦИЯ

На примере минерала магнетита, являющегося основным компонентом магнитного вулканического песка, проведен кванто-химический анализ природы парамагнитных свойств с применением метода молекулярных орбиталей.

ABSTRACT

Using the example of the mineral magnetite, which is the main component of magnetic volcanic sand, a quantum chemical analysis of the nature of paramagnetic properties using the method of molecular orbitals was carried out.

Ключевые слова: магнитный песок, магнетит, метод молекулярных орбиталей, связывающая орбиталь, несвязывающая орбиталь, разрыхляющая орбиталь.

Keywords: magnetic sand, magnetite, method of molecular orbitals, binding orbital, binding orbital, loosening orbital.

Магнитные свойства являются одними из важнейших характеристик веществ, а магнитное взаимодействие  - одним из фундаментальных сил во вселенной. Понимание химической природы магнитных свойств позволяет не только эффективно использовать материалы с магнитными свойствами, но и создавать новые материалы с нужными характеристиками [2]. Магнитные свойства веществ зависят от их структуры и элементного состава, так как каждая заряженная частица внутри вещества обладает собственным магнитным моментом - спином.

В технике разделяют вещества на парамагнетики, диамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики [1]. Самыми сложными по структуре являются ферримагнетики – это кристаллические вещества, магнитная структура которых представлена несколькими подрешетками с признаками самопроизвольного магнитного упорядочивания, при этом каждая отдельная часть имеет ненулевой результирующий магнитный момент.

На основании этого целью настоящей работы мы выбрали исследование магнитной природы магнитного песка с острова Сахалин. Отобранная средняя проба массой 114 граммов была посеяна через  крупное сито для удаления крупного мусора, затем в магнитном поле сильного неодимового магнита было произведено разделение на магнитную и немагнитную компоненту. Обнаружили, что магнитная часть составляет 93,86%, основной состав которой представлен смешанным оксидом железа – Fe₃O₄. Данное химическое соединение интересно еще и тем, что имеет кристаллическую структуру, в узлах решетки которой чередуются железо и кислород, причем железо двух- и трехвалентное – FeO ∙ Fe₂O₃. Таким образом, одна стехиометрическая единица вещества содержит 24% Fe(II), 48% Fe(III) и 28% О, то есть почти четверть вещества представлена атомом в промежуточной степени окисления, другая четверть – в низшей степени окисления и почти половина в состоянии высшей степени окисления.

Для оценки величины результирующего магнитного момента в кластере Fe₃O₄ был использован метод молекулярных орбиталей, химическая основа которого позволяет на базе теории квантовой физики оценить магнитную силу вещества. Метод молекулярных орбиталей (линейной комбинации атомных орбиталей) основан на том, что при образовании химических связей орбитали валентного энергетического уровня отдельных атомов образуют обобществленные молекулярные орбитали (рисунок 1).

Рисунок 1. Электронная конфигурация Fe и O

В образовании Fe₃O₄ участвуют 18 атомных орбиталей Fe, 16 атомных орбиталей О, на которых размещены 48 электронов. Таким образом в образовании всей структуры примут участие 16 связывающих, 16 разрыхляющих и 2 несвязывающие орбитали. По принципу наименьшей энергии, согласно запрету Паули и в соответствии с правилом Хунда электроны займут 16 связывающих и 2 несвязывающие орбитали в спаренном виде, остальные 12 электронов разместятся на разрыхляющих орбиталях. Наличие неспаренных электронов на разрыхляющих орбиталях доказывает магнитные свойства вещества.

При помощи метода молекулярных орбиталей мы способны определить количество незаполненных орбиталей и число неспаренных электронов на разрыхляющих орбиталях. Исходя из этих данных, мы можем сделать выводы о магнитных свойствах вещества и их силе. Таким образом, были изучены магнитные свойства магнетита как основного компонент вулканического песка. Произведена попытка объяснения силы магнитного поля с позиций метода молекулярных орбиталей.

Список литературы:

1. Курников Ю.А., Кравченко С.Н., Орлюк М.И. Магнитный песок: новый взгляд на перспективы практического использования // Геология и полезные ископаемые мирового океана, 2005. – С. 111 – 120.
2. Харламов Е.В., Шарапов Р.Р., Шаптала В.Г., Шаптала В.В. Агрегат для получения строительных материалов из отвалов горно-обогатительных комбинатов КМА // Вестник Белгородского государственного технического университета им. В.Г. Шухова, 2013. - №3. – С. 82-85.