QUÍM 3 - Propriedades magnéticas e ressonância do spin eletrônico

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Propriedades magnéticas e 
ressonância do spin eletrônico 
Química Inorgânica A 
Prof. Hemerson Nascimento 
Cálculo das energias dos orbitais do hidrogênio por Schrödinger, 
um grande avanço para a teoria atômica. 
Em 1925, Samuel Goudsmit e George Uhlenbeck propõem uma 
explicação para as pequenas diferenças na frequência calculada. 
O elétron assume dois estados de spin possíveis, paralelo e 
antiparalelo, associados ao número quântico [magnético] de 
spin (s ou ms) que assume os valores de +1/2 ou -1/2. 
Spin do elétron 
Experimento de Stern-Gerlach 
Resposta da matéria aos campos magnéticos excitantes externos. 
A matéria desenvolve um campo magnético próprio, cuja 
intensidade e orientação dependem tanto do campo externo 
excitante quanto das propriedades do material de composição. 
 
 
 Onde: 
 
 
 
De outra forma, 𝐵𝑚 é o vetor de magnetização do material (𝑀), 
dado em A/m, que expressa o seu momento de dipolo magnético. 
Magnetização 
𝐵 = 𝐵0 + 𝐵𝑚 
𝐵0 é a indução magnética gerada pela corrente 𝐼 . 
𝐵𝑚 é a indução magnética gerada material magnético. 
A magnetização 𝑀 é proporcional a intensidade do campo 
magnético e pode ser expressa em função da susceptibilidade 
magnética (χ), capacidade de um material se magnetizar quando 
exposto a um campo, ou da permeabilidade magnética (μr). 
 
Em escala atômica, a magnetização é gerada pelo movimento 
orbital dos elétrons (translação); pelo spin dos elétrons e; pelo spin 
do núcleo dos átomos (mais fracamente). 
Interpretação atômica da magnetização 
A magnitude do momento do dipolo magnético devido ao 
movimento de translação do elétron é o Magnéton de Böhr 
(mB), que pode ser positivo ou negativo, de acordo com o spin. 
 
Distribuição eletrônica do Ferro: 
 
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 
 
Distribuição no subnível 3d: 
 
 
 
Os quatro elétrons desemparelhados do último subnível do átomo 
de ferro dão a ele um momento de dipolo magnético de 4mB. 
Interpretação atômica da magnetização 
Os elétrons 
desemparelhados 
contribuem para a 
natureza 
magnética dos 
metais de 
transição, 
definindo as suas 
propriedades. 
Interpretação atômica da magnetização 
Os materiais podem assumir os seguintes comportamentos com 
base no comportamento dos momentos magnéticos sob a ação de 
um campo magnético externo: 
Propriedades magnéticas 
Materiais 
magnéticos 
Momento de 
dipolo induzido 
Momento de 
dipolo permanente 
Diamagnetismo 
 
 
 
 
Paramagnetismo 
Ferromagnetismo 
Ferrimagnetismo 
Antiferromagnetismo 
Substâncias diamagnéticas, quando submetidas a um campo 
magnético, tendem a se afastar, pois tem seus ímãs elementares 
orientados no sentido contrário ao sentido do campo magnético 
aplicado, produzindo um campo magnético próprio em oposição. 
 
O diamagnetismo está presente em todos os materiais, não 
dependendo da presença de elétrons desemparelhados, mas é 
dominante em materiais como prata, cobre, ouro, silício, níquel, 
chumbo, bismuto e nos gases nobres, nos quais 
M < 0, logo, χ < 0 e μr < 1. 
 
 O diamagnetismo ocorre em substâncias formadas por átomos, 
íons ou moléculas sem elétrons desemparelhados. 
Diamagnetismo 
Estas substâncias — dentre as quais alumínio, cromo, lítio, 
platina, plástico, madeira e óleo — tem baixa susceptibilidade 
magnética (χ) e o alinhamento dos dipolos desaparece 
logo que o campo é removido. 
 
 O alinhamento diminui com o aumento da temperatura. 
Paramagnetismo 
Substâncias paramagnéticas possuem elétrons 
desemparelhados que, na presença de um campo 
magnético, sofrem um pequeno grau de 
alinhamento, criando um ímã permanente fraco. 
Nas substâncias ferromagnéticas, as regiões dos spins alinhados, 
chamadas de domínios, permanecem mesmo após o fim da 
exposição a um campo magnético — magnetismo remanscente. 
 
O ferromagnetismo é muito mais forte do que o paramagnetismo, 
por isso elementos como ferro, cobalto e níquel (assim como suas 
ligas) são utilizados na fabricação de imãs permanentes e para 
recobrir fitas cassete e discos de computador. 
 
 Possuem elevada susceptibilidade magnética (χ >> 1) e 
imantam com muita facilidade. 
Ferromagnetismo 
Fenômeno físico que produz um alinhamento de todos os 
momentos magnéticos de uma amostra na mesma direção, mas 
não no mesmo sentido, criando resultantes que se anulam em 
parte — a magnetização espontânea não é anulada por completa 
devido à diferença nas intensidades. 
Ferrimagnetismo 
Entre as substâncias ferrimagnéticas 
estão as ferrites, magnetites, e alguns 
óxidos metálicos com altíssima 
resistividade e utilizadas em 
transformadores de alta frequência. 
O antiferromagnetismo resulta do alinhamento em sentidos 
opostos (antiparalelo) dos dipolos magnéticos de mesma 
intensidade dos átomos ou íons de modo que a resultante é nula. 
Antiferromagnetismo 
Materiais antiferromagnéticos, 
como o manganês, o cromo e o 
óxido de manganês 
apresentam χ = 0. 
Em resumo 
(a) Diamagnetismo e Paramagnetismo; (b) Ferromagnetismo; (c) 
Antiferromagnetismo; (d) Ferrimagnetismo 
Ressonância do spin eletrônico 
A espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica, EPR 
(do inglês electron paramagnetic resonance), ou de ressonância 
de spin eletrônico é uma técnica espectroscópica que detecta 
espécies contendo elétrons desemparelhados (paramagnéticas). 
 
“Dentre o vasto campo de aplicação das técnicas de ressonância 
paramagnética eletrônica, pode-se destacar a determinação de 
propriedades estruturais em sistemas complexos, investigação de 
dinâmica molecular em soluções e sólidos, caracterização seletiva de 
centros redox-ativos em proteínas e estudo de cinética de reações 
químicas.” (RIBEIRO, 2002, p. 1) 
 
A teoria é análoga à da RMN, ocorrendo excitação dos spins dos 
elétrons, ao invés dos spins dos núcleos atómicos. 
Espectro experimental de ressonância paramagnética eletrônica (EPR) da uma 
amostra de 40mg de esmalte dental irradiado com 45Gy à temperatura ambiente 
Estrutura dos complexos heptanucleares formados pela coordenação de 6 grupos 
pentacianoferrato, pentaaminrutênio ou Ru(EDTA) aos nitrogênios periféricos 
do complexo multi-ponte tridimensional tris(bipirizina)rutênio(II). 
Referências 
ATKINS, Peter; JONES, Loretta. Princípios de Química: questionando a vida 
moderna e o meio ambiente. 3 ed. Porto Alegre, RS: Bookman, 2006. 968p. 
Tradução de: Ricardo Bicca Alencastro. 
KOTZ, J.C. e cols. Química Geral I e Reações Químicas – tradução da 5ª 
edição norte-americana. São Paulo, SP: Pioneira Thonson Learning, 2005. 672p. 
LEE, J. D. Química inorgânica não tão concisa. São Paulo, SP: E. Blücher, 
2008. 527 p. 
RIBEIRO, G. A. P. As propriedades magnéticas da matéria: um primeiro contato. 
Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 22, n. 3, p. 299-305, set. 2000. 
RIBEIRO, R. R. Espectroscopia de ressonância paramagnética 
eletrônica de onda contínua e pulsada em poli(o-metoxianilina). 
Dissertação (Mestrado), São Carlos, SP: Instituto de Física de São Carlos, 
Universidade de São Paulo (USP), 2002, 90p.