Кратко — магнитные свойства определяются наличием неспаренных электронов: парные электроны дают нулевой суммарный спин и вызывают лишь слабую диамагнитную реакцию (индуцированное поле, противоположное внешнему), а неспаренные электроны создают ненулевой магнитный момент и ведут к парамагнетизму (ориентация моментов вдоль поля).
Формула для спин‑только эффективного магнитного момента:
$${\mu }_{\mathrm{eff}}=\sqrt{n(n+2)}{\mu }_B,$$ где $n$ — число неспаренных электронов, ${\mu }_B$ — магнетон Бора.
Связь с молекулярной структурой описывает теория молекулярных орбиталей: заполнение орбиталей (особенно антисвязных ${\pi }^{\ast }$ и ${\sigma }^{\ast }$) определяет, есть ли неспаренные электроны и какова кратность связи. Формула для порядкового числа связи:
$$\text{bond order}=\frac{N_{\mathrm{bonding}}-N_{\mathrm{antibonding}}}{2}.$$
Примеры.
1) Кислород ${\mathrm{O}}_2$ (16 электронов на молекулу). MO‑заполнение (упрощённо):
$$({\sigma }_{2s}{)}^2({\sigma }_{2s}^{\ast }{)}^2({\sigma }_{2p_z}{)}^2({\pi }_{2p_x}{)}^2({\pi }_{2p_y}{)}^2({\pi }_{2p_x}^{\ast }{)}^1({\pi }_{2p_y}^{\ast }{)}^1.$$ Здесь две вырожденные орбитали ${\pi }^{\ast }$ содержат по одному электрону → $n=2$ неспаренных электронов, поэтому ${\mathrm{O}}_2$ парамагнитен. Порядок связи:
$$\text{bond order}=\frac{8-4}{2}=2.$$
2) Азот ${\mathrm{N}}_2$ (14 электронов). MO‑заполнение:
$$({\sigma }_{2s}{)}^2({\sigma }_{2s}^{\ast }{)}^2({\pi }_{2p_x}{)}^2({\pi }_{2p_y}{)}^2({\sigma }_{2p_z}{)}^2.$$ Все электроны спарены → $n=0$, ${\mathrm{N}}_2$ диамагнитен. Порядок связи:
$$\text{bond order}=\frac{8-2}{2}=3.$$
Вывод: при увеличении числа неспаренных электронов растёт парамагнитный вклад (и эффективный магнитный момент по формуле выше); наличие неспаренных электронов в антисвязных орбиталях также снижает порядок связи по сравнению с полностью парной конфигурацией.