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Magnetochemie

Die Magnetochemie ist ein Teilgebiet der Physikalischen Chemie; sie untersucht die magnetischen Eigenschaften von Werkstoffen oder Substanzen. Sie wurde um 1905 von dem französischen Chemiker Paul Langevin (1872-1946) begründet und von dem deutschen Chemiker Wilhelm Klemm (Chemiker) (1896-1985) weiter ausgebaut. Mittels Messung der magnetischen Suszeptibilität bzw. des magnetischen Moments werden Rückschlüsse auf die Elektronenkonfigurationen von Metallionen oder nichtmetallischen Molekülen gezogen.

In einfacher Weise können magnetochemische Effekte über die magnetische Suszeptibilität mittels einer sogenannten Gouyschen Waage bestimmt werden. Es gibt auch andere ähnliche Bestimmungsverfahren der Suszeptibilität (Methoden nach Quincke oder nach Faraday-Curie), die auch auf der Gewichts- und Magnetfeldänderung basieren. In abgewandelter und vereinfachter Form (für paramagnetische Substanzen) kann man auch mit einer genauen Waage (Ablesegenauigkeit: mindestens 1 mg) auf die ein Neodymmagnet mit Luftpolster- oder Plastikunterlage - und der dadurch einen größeren Abstand zu elektronischen Bauteilen der Waage erhält - gelegt wird und ein Stativ mit Klemme in das ein Präparategläschen mit der zu untersuchenden Substanz befestigt wird, die magnetische Suszeptibilität grob bestimmen. Das Präparategläschen soll dabei sehr dicht über dem Neodymmagneten angebracht werden, diesen jedoch nicht berühren. Je nach chemischer Substanz werden nun verschiedene Gewichtsänderungen registriert. Anhand der magnetischen Feldstärke des Magneten, der spezifischen Dichte der eingefüllten Substanz und der Gewichtsänderung läßt sich die Magnetisierbarkeit bestimmen. Paramagnetischen Substanzen haben das Bestreben in das Gebiet hoher Feldstärken (beispielsweise bei zwei Rundmagneten in den Kreismittelpunkt) zu wandern, diamagnetische Stoffe wandern in das Gebiet niedriger Feldstärken (beispielsweise bei zwei Rundmagneten zu den Rändern des Kreises). Der Paramagnetismus ist temperaturabhängig, der Diamagnetismus ist nicht temperaturabhängig.

Die Ursache der Suszeptibilität liegt in den Einzelelektronen um den Atomkern. Um den Effekt zu verstehen, kann man modellmäßig annehmen, dass sich ungepaarte Elektronen auf einer Kreisbahn um den Atomkernen drehen, ähnlich wie bei einer stromdurchflossenen Spule, und dabei ein Magnetfeld erzeugen. Heben sich die Einzelspins auf, d.h. sind die Elektronenorbitale des Moleküls oder Atoms mit jeweils zwei Elektronen gegensinnig aufgefüllt (z.B. bei Edelgasen, bzw. edelgasähnliche Ionen Na+, Ca++, Cl-), so hat die Substanz keinen Elektronenspin und ist diamagnetisch. Die diamagnetische Suszeptibilität ist stets negativ und deutlich kleiner (Faktor: 0,01 - 0,1) als die paramagnetische Suszeptibilität. Bei paramagnetischen Stoffen gibt es ungepaarte Elektronen. Anhand von Tabellenwerken über die Elektronenkonfigurationen von Elementen oder über die Orbitaltheorie von Molekülen kann in der Regel die Zahl der ungepaarten Elektronen bestimmt werden (z.B. beim Wasserstoffatom 1, beim Fe(+II) 4, Cu(+II) 2 ungepaarte Elektronen und das magnetische Moment (beispielsweise bei der Eisenmetallgruppe oder bei der Lanthanidengruppe über die Spin-Beziehung m=(n*(n+2))-0,5) berechnet werden.

Durch magnetochemische Messungen können Strukturprobleme wie Ermittlung der Oxidationszahl, Art der Bindung in der Chemie geklärt werden. So haben FeSO4 und [Fe(H2O)4]Cl2 ein magnetisches Moment von ca. 5,2 µB, hingegen K4[Fe(CN)6] und Fe(CO)5 ein magnetisches Moment von Null. Während bei den ersteren eine ionische Struktur zwischen Kation und Liganden vorliegt, ist bei den letzteren eine stark polarisierte Bindung vorhanden.

In der Anorganischen Chemie hat die Magnetochemie einen wichtige Beiträge zur Entwicklung Ligandenfeldtheorie sowie der Entwicklung des Metallzustandes geleistet. In der Organischen Chemie dienen magnetochemische Messungen zum Nachweis von Polymerisationsvorgängen (das allmähliche Verschwinden von Doppelbindungen ist magnetochemisch nachweisbar), zur Messung von Aromazität und von organischen Radikalen.

Neben dem Dia- und Paramagnetismus gibt es noch Stoffe, die ferromagnetisches, antiferromagnetisches oder ferrimagnetisches Verhalten zeigen. Bei Einwirkung eines Magnetfeldes nimmt bei ihnen die Magnetisierung stark zu bzw. sie werden selbst zu Permanentmagneten.


Literatur

Dr. Otto Albrecht Neumüller: Römpps Chemie-Lexikon, Achte Auflage, Franckh´sche Verlagshandlung, Stuttgart 1981, Band 2, Stichwort: Magnetochemie. ISBN 3-440-04510-2

Holleman-Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 81-90. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin 1976, S.891 ff. ISBN 3-11-005962-2

Heiko Lueken, Magnetochemie, B. G. Teubner, Stuttgart, Leipzig 1999. ISBN 3-519-03530-8

Prof. Alarich Weiss, Prof. Helmut Witte: Magnetochemie, Verlag Chemie, Weinheim 1973, ISBN 3-527-25398-X

Adolf Cortel: Demonstration on Paramagnetism with an Electronic Balance, Journal of Chemical Education Vol 75, January 1998, S. 61