Основные закономерности изменения магнитных свойств простых веществ в Периодической системе элементов

 

 

П.С. Кирей¹

 

 

¹ ОП Европейского университета в г. Николаеве, а/я 562, Николаев 54031, Украина

E-mail: kpskps@km.ru

 

По знаку молярной магнитной восприимчивости χ_m простые вещества можно классифицировать следующим образом:

1.      Парамагнетики (χ_m > 0, включая ферро- и антиферромагнетики) – 51 элемент;

2.      Диамагнетики (χ_m < 0) – 31 элемент;

3.      Магнитоамфотерные элементы (элементы, у которых разные аллотропные и полиморфные модификации имеют разные знаки χ_m при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении) – 3 элемента (углерод, кислород, олово).

4.      Магнито-неидентифицированные элементы (простые вещества, у которых величина и знак χ_m неизвестны вследствие их высокой химической или радиационной активности, очень малой величины периода полураспада или синтезированных в очень малых количествах) - 25 элементов.

К магнито-неидентифицированным элементам относятся  фтор, четыре элемента 6-го периода (прометий, полоний, астат и радон) и большинство элементов 7-го периода (известна величина χ_m лишь для 4-х элементов-актиноидов: тория, урана, плутония и америция). Если исходить из общих физических представлений и измерений магнитных моментов ионов в соединениях, то фтор, полоний, астат и радон следует отнести к диамагнетикам, а прометий – к парамагнетикам.  

Диамагнитные элементы преобладают в коротких периодах периодической системы, а парамагнитные – в длинных. Распределение диа- и парамагнетиков в длинных периодах полностью идентично: во всех периодах содержится одинаковое количество диамагнитных элементов (N_d = 8) в конце каждого периода, а количество парамагнитных элементов в начале каждого периода составляет N_p = N - N_d, где N – общее число элементов в периоде.

Количественный анализ закономерностей изменения величины χ_m в Периодической системе показывает, что, начиная с 4-го периода, наблюдается периодичность изменения магнитных свойств простых веществ по периодам таблицы Д.И. Менделеева [1, 2]. При этом магнитные свойства лантаноидов и актиноидов имеют свои индивидуальные черты и не подчиняются периодической закономерности. Магнитоупорядоченные вещества (хром, марганец, железо, кобальт, никель) также выпадают из общих закономерностей.

Количественный анализ изменения величины χ_m в Периодической системе затрудняется тем обстоятельством, что данные о величине χ_m, приведенные в разных источниках [3 - 7], противоречат друг другу и в некоторых случаях отличаются на порядки. Для получения достоверных значений величины χ_m проводилось её усреднение по значениям, приведенным в разных источниках, при этом отбрасывались те значения, которые в несколько раз отличались от аналогичных величин из других источников.

Основной тенденцией изменения величины χ_m от атомного номера Z в пределах групп является её монотонное убывание, близкое к линейному (для групп 3 – 12, 16 - 18), а для групп 1, 2, 13 – 15 данная зависимость носит более сложный характер. Линейный характер функции χ_m = f(Z) для групп 3 – 12, 16 - 18 даёт основание для экстраполяции данных зависимостей в трансвисмутовую область и интерполяции в случае фтора. Функция χ_m = f(Z) для актиноидов также с высокой степенью точности  аппроксимируется линейной зависимостью, что позволяет получить неизвестные значения χ_m для протактиния и нептуния методом интерполяции.

В таблице представлены результаты линейной аппроксимации зависимости χ_m от атомного номера Z (χ_m = К₁Z + К₂) по группам Периодической системы. В 1-й колонке указан номер группы для развёрнутой Периодической системы; во 2-й – количество известных значений χ_m (точек) в пределах данной группы; в 3-й и 4-й – коэффициенты аппроксимирующей зависимости; в 5-й – величина достоверности аппроксимации; в 6-й – название элемента данной группы, для которого значение χ_m определяется методом экстраполяции или интерполяции; в 7-й – атомный номер элемента, указанного в 6-й колонке; в 8-й - величина χ_m для элемента, указанного в 6-й колонке.

 

Таблица. Результаты линейной аппроксимации зависимости χ_m от атомного номера Z по группам Периодической системы элементов Д.И. Менделеева.

* - значение |χ_m| для данного элемента близко к значению |χ_m| для висмута.

** - значение |χ_m| для данного элемента превышает значение |χ_m| для висмута.

 

Так как для элементов 6 – 10 групп аппроксимирующие зависимости были построены всего по двум точкам (без учёта магнитоупорядоченных веществ), то полученные для них результаты во многом можно рассматривать как гипотетические. Среди данных элементов имеются два элемента (с атомными номерами 157 и 160), у которых значение |χ_m| значительно превышает значение |χ_m| для висмута, которое в настоящее время является рекордным для диамагнитных простых веществ. Ещё у двух элементов (с атомными номерами 121 и 167) значения |χ_m| близки к значению |χ_m| для висмута.

Анализ полученных результатов показывает, что в 7-м и 8-м периодах нарушается закономерность, наблюдаемая в 4 – 6 периодах, согласно которой элементы 3 – 10 групп являются парамагнетиками. В 7-м периоде актиний, борий, хассий, мейтнерий и дармштадтий обладают диамагнитными свойствами, а в 8-м периоде все элементы 3 – 10 групп являются диамагнетиками. Таким образом, в 7-м и 8-м периодах должно наблюдаться «размывание периодичности» магнитных свойств простых веществ. Данный вывод логично дополняет гипотезу о «размывании периодичности» физико-химических свойств элементов, выдвинутую в работе [8]. Причём, как и в работе [8], переходными элементами при переходе от областей периодической таблицы с чётко выраженной периодичностью к областям с размытой периодичностью, являются актиний и элемент с Z = 121.

С точки зрения прикладного применения простых веществ в качестве дисперсной фазы для магнитных жидкостей представляют интерес только вещества с магнитным упорядочением, самым перспективным из которых является магнитный углерод (фуллерен), а также его магнитные производные

 

Литература:

1.      Кирей П.С. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева и магнитные свойства простых веществ // 9-й Международный симпозиум «Высокочистые металлические и полупроводниковые материалы»: Сборник докладов. – Харьков: ННЦ ХФТИ, 2003. – С. 61 – 67.

2.      Кирей П.С. Изучение магнитных свойств простых веществ в техническом ВУЗе // Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях (СЛАВПРОМ): Материалы 3-й международной Промышленной конференции. – Киев, 2003. – С. 129 - 131.

3.      Эмсли Дж. Элементы: Пер. с англ. – М.: Мир, 1993.

4.      Вонсовский С.В. Магнетизм. – М.: Наука, 1971.

5.      Таблицы физических величин: Справочник. Под ред. акад. И.К. Кикоина. – М.: Атомиздат, 1976.

6.      Боровик Е.С., Мильнер А.С. Лекции по магнетизму. – Харьков, изд-во ХГУ, 1966.

7.      Савицкий Е.М., Терехова В.Ф. Металловедение редкоземельных металлов. – М.: Наука, 1975.

8.      Трифонов Д.Н. Тяжёлые элементы и периодическая система // Периодический закон и строение атома: Сборник статей. – М.: Атомиздат, 1971. – С. 204 – 238.