44
pai»Ha :H O B "I C A •'i 9. iuna 1^95 Opr-je*. UNIVERZITET U NOVOM SADU PRIRODNO-MATEMATICKI FAKULTET INSTTTUT ZA FIZIKU &poj ISPITIVANJE NEKIH FIZICKffl KARAKTERISTIKA TVRDIH RASTVORA IZOMORFNIH JEDINJENJA ALUMINUUMAI HROMA -diplomski rad- Mentor: DrAgneSKapor Jasmina BaSic Novi Sad, 1995.

Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

  • Upload
    lamlien

  • View
    251

  • Download
    4

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

pai»Ha:H O B "I C A

•'i 9. i u n a 1 95Opr-je*.

UNIVERZITET U NOVOM SADUPRIRODNO-MATEMATICKI FAKULTET

INSTTTUT ZA FIZIKU

&poj

ISPITIVANJE NEKIH FIZICKffl KARAKTERISTIKATVRDIH RASTVORA IZOMORFNIH JEDINJENJA

ALUMINUUMAI HROMA

-diplomski rad-

Mentor:DrAgneSKapor Jasmina BaSic

Novi Sad, 1995.

Page 2: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Ovaj diplomski radje raden u Laboratoriji za strukturnu analizu kristalaInstitute zafiziku, Prirodno-maiematickog fakuUeta u Novom Sadu,

Zahvaljujem se mentoru dr Agnes' Kapor, redovnom profesoru Prirodno~matematickog fakulteta na svestranoj pomoci pri izradi diplomskog rada, kao iasistentu Srdanu Rakicu i ostalim clanovima u Laboratoriji.

Page 3: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

SADR2AJ:

U V O D 2

Poglavtje 1.

1. OPSTE KARAKTERISTIKE TVRDIH

RASTVORA .3

1.1 PRINCIPIOBRA2OVANJA TVRDIH RASTVORA 61.1.1TVRDIRASTVORZAMENE 61.1.2 TVRDIRASTVOR U^AOVANJA (TNTERSTTCUALNT) 71.1.3 TVRDI RASTVOR ODBLJANJA (ODUZIMANJA) 81.1.4 SUPERSTRUCTURE 8

1.2 UTICAJ RAZMERE JON A NA TVRDE RASTVORE NEOGRANI&ENERASTVORLJIVOST1 9

Pogiavlje 2,

2. IZOMORFIZAM 11

2.1 IZOMORFIZAM Cr(H2O)6(NO})sx 3H2O i Al(H2O)6WOih * JfyO 12

Pogiavlje 3.

3. ODREDIVANJE GUSTINE KRISTALA 14Poglavtje 4.

4. EKSPERIMENTALNI REZULTATI 15

4.1 ODREDIVANJE GUSTINE 15

Pogiavlje 5.

5. MAGNETNE OSOBINE MATERUALA 17

5.1 UVOD 17

5.2MAGNETICIUMAGNETNOMPOLJU 19

5.3 MAGNETNE OSOBINE RASTVORA 22

5.4 EKSPERIMENTALNE METODE ZA ODREDIVANJE MAGNETNESUSCEPTIBILNOSTI 245.4.1 FARADEY-cvaMETODA 24

5.5DIJAMAGNETNAKOREKCUA 27Pogiavlje 6.

6. EKSPERIMENTALNI REZULTATI 28Poglavtje 7.

7. ZAKLJU£AK 37Prilozi

8. PRILOZI 38

8.1 PROSTORNIRASPORED ATOMA UELEMENTARNOJ CELTJI KRISTALA 388.1.1 Prilogl 388.1.2 PrilogZ 39

LTTERATURA

It I

Page 4: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Uvod

UVOD

U ovom radu su proucavani tvrdi rastvori koji su dobijeni mesanjemizomorfnih jedinjenja Cr(H2O)6(NO3)3 x 3H2O i A1(H2O)6(NO3)3 x 3H2O urazlicitim masenim odnosima. Ispitivani su neki fizicki parametri koji suizracunati ili izmereni raznim eksperimentalnim metodama.

Cilj ovog rada je utvrdivanje zavisnosti dobijenih fizickih parametara odprocentualnog sadrzaja jednog izomorfnog jedinjenja u drugom.

U prvoj fazi rada su pravljeni tvrdi rastvori i to tako sto su uzorcimrvljeni u prah, zatim mesani u odredenim masenim odnosima i rastvoreni uvodi iz koje su lagano iskristalisani pri normalnim uslovima (sobna tem-peratura i atmosferski pritisak).

Sledeci korak sadrzao je eksperimentalno odredivanje gustine dobijenihtvrdih rastvora i utvrdivanje zavisnosti gustine od procentualnog sadzajamesanih jedinjenja.

Drugi deo se bazirao na eksperimentalnim metodama za proucavanjemagnetnih osobina matenjala koje su neophodne za odredivanje magnetnogsusceptibiliteta, kao i velicine magnetnog momenta na sobnoj temperaturi.

S obzkom da su tvrdi rastvori sadrzavali paramagnetni jon Cr3+ idijamagnetni jon A13+ u razlicitim odnosima ovaj materijal se mogao tretiratii kao razblazeni magnetik opste formule (Crx(Al)1.x)(H2O)6 (NO3)3 x 3H2Ogde je x = 0, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0. U torn smislu je merena magnetnasusceptibilnost x, u funkciji koncentracije x (x = f(x)).

II I

Page 5: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavlje 1.

1. OPSTE KARAKTERISTIKE TVRDIHRASTVORA

Tvrdim rastvorom, mi ustvari nazivamo smesu kristaia tj. homogenufizicku smesu dve ill vise supstance koje se nalaze u kristainom stanju. Svakojkomponenti rastvora odgovara odredena hemijska formula, a stehiometrijskiodnos komponenata rastvora se izrazava razlomkom i menja se prakticno ubilo kojim granicama. Ovi rastvori su analogni tecnim rastvorima.

Na primer: h vodenbg rastvora koji sadrzi KCl i KBr kristalisu fizickihomogeni smesani kristalici koji sadrze jone K*, Cf, Br. JC zauzima u strukturitih kristaia vrhove i centre povrsine kubne elementarne celije, dok Cf i Bfsredine povrsine i centre celije (struktura tipa NaCl) pri cemu se anjonirasporeduju statisticki. Kolicinski odnos Br i Cl razlikuje se u odnosu napocetni sastav soli u vodenom rastvoru. Analogno kako se obrazuju tvrdirastvori, tako se dobijaju i statisticki neodredene supstance kod kojih se vrsizamena jednog atorna metala sa atomima drugih.

Pri obrazovanju tvrdiii rastvora od supstanci javljaju se razna ograni-cenja, a sva su prvenstveno usmerena na dimenzije i formu zamenjujucihatoma (odnosno jona).

Po Goldsmitu, jonski kristali obrazuju tvrde rastvore samo ako seradijusi medusobno menjajudih jona ne razlikuju vise od 15%, iako su impolarizacione karakteristike vrlo bliske. Pri ve<5iin razlikama u razmeramajona obrazuje se smesa od kristaia ogranicene mesanosti. To znaci da ukristalu komponente A odredeni broj jona moze biti zamenjeno jonimakomponente B i obratno. Takve rastvore nazivamo tvrdim rastvorima saogranicenom rastvorljivosdu komponenti.

Ako dve ill vise komponenti obrazuju stalnu smesu kristaia, takverastvore zovemo tvrdi rastvori sa neogranicenom rastvorljivo§co kom-ponenti. U tim rastvorima sastavne komponente mozemo mesati u neogra-nicenim odnosima.

Na primer: K2SO£r2 (S04)3 x 24H2O i KySO^l^SO^ x 24H20 zatimLMn?O4 iNaMnPO4,Cr(H2OkW03)3x3H2O i Al(H2O)6(N03)3 x3H2Oitd.

Iz zasi<5enog vodenog rastvora koji predstavlja smesu tih komponentikristalise homogeni kristal, dok fizicka svojsrva (gustina, boja) zavise isklju-civo od kolicinskog odnosa ovih komponenti u rastvoru.

Stvaranje tvrdih rastvora sa neogranicenom uzajamnom rastvorljivos6ise objasnjava bliskim jonskim radijusima. Tako da bezbojni kristali A1(H2O)6

(NO3)3 x 3H2O (A13+- 0.057 nm) obrazuju tvrde rastvore sa neogranicenomrastvorljivoSc'u s tamno zelenim kristalima Cr(H2O)6(NO3) x 3H2O(Cr3+- 0.064 nm), razlika u jonskim radijusima iznosi w 11%, Boja dobijenihtvrdih rastvora nastala mesanjem kristaia (komponenti) zavisi od procentnogodnosa obeju soli.

Page 6: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavlje 1.

Na slican nacin MgSO4 x 7H2O obrazuje tvrde rastvore sa NiSO4 xx 7H2O (Mg2+- 0.078 nm, Ni2+- 0.078 nm), takode KCI i KBr gde su radijusianjona medusobno bliski (Cl - 0.181 nm, Br~- 0.196 nm), tako da razlikaiznosi 8.3% dok kod KCI i KI ta razlika dostize 21% (CF- 0.181 nm,T- 0.220 nm), tako da je za takav tip tvrdih rastvora karakteristicna ogra-nicena rastvorljivost.

Jak uticaj na stvaranje tvrdih rastvora ima polarizacija jona (aktivna ilipasivna). Joni bliski po dimenzijama sa razlicitim karakterom polarizacijenisu skloni izomorfnim zamenama.

Na primer: Na* (0.09.8 nm 5.1 eV), (V (0.098 rim 7.7eV) ne zamenjujujedan drugog u kristalografskoj strukturi iako su im jonski radijusi isti, has zbogjakog polarizacionog dejstva bakra sto daje hemijskoj vezi delimicno kovalentnikarakter.

Tako u sistemu LiCl - NaCl - H>O se ne stvara tvrd rastvor (Na+- 0.098nm, U+- 0.068 nm), dok u slozenijem sistemu LiMnPO4 - NaMnPO4 - H2O,taj par jona ipak izomorfno zamenjuju jedan drugog.

Pri medusobnoj zameni jona razlikujemo dva slucaja:

1) izovalentne izomorfne zamene2) heterovalentne izomorfne zamene

1. U prvom smcaju dolazi do zamene jednako valentnih jona.

Na primer: u tvrdom rastvoru od komponenti (Al(H20)6(N03)3 x. 3H20 iCr(H20)6 (NO3)33H20 - Cr3+ iAt** zamenjuju jedan drugog).

2. U drugom slucaju medusobno se menjaju joni razlicitih valencL

Na primer: tvrd rastvor NaAlSifts i CaAl2Si208 Si*+ (0.039 nm) zamenjenje sa Af" (0.057 nm), a Na* (0.098 nm) zamenjen je sa Ca* (0.106 nm).

Pri zameni jona sa razlicitim valencama zbir pozitivnih naelektrisanjamora biti jednak zbira negativnih naelektrisanja.

Pri niskim temperaturama mogudnost stvaranja tvrdih rastvora saneogranicenom rastvorljivosc'u opada.

NaCl i KCI na 650 °C obrazuju homogeni, providni i bezbojni tvrdirastvor bez obzira na dosta veliku razliku u dimenzijama jona (Na+- 0.098nm), K+- 0.133 nm). Pri niskim temperaturama od istih komponenti javlja seraslojavanje, pri cemu se obrazuje agregat sitnih neprovidnih mlecno - belihkristala NaCl i KCI. Proces raslojavanja u prirodi je vrlo cest i susrec"e se unalazistima sulfida i oksida. Tako se i tvrdi rastvor nastao od FeTiO3 i Fe3O4

pri niskim temperaturama raslojava, pri cemu nastaje iperit i magnetitGvozde u meteoritima obrazuje tvrdi rastvor sa niklom, dok pri niskimtemperaturama dolazi do raslojavanja na listove.

Pojava raslojavanja igra veliku ulogu pri objasnjavanju geneze minerala,a takode i u metalurgiji gde je veoma vazno dobijanje fizicko-homogenihtvrdih rastvora.

Ill II

Page 7: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavlje 1.

Tako i najrasprostranjenija grupa minerala koja postoji u Zemljinojkori, a to su pirokseni, liskuni ltd, ne predstavljaju nista drugo do tvrderastvore nastale u rezultatu heterovalentne zamene.

Fresman je uocio odredenu zakonitost vezanu za heterovalentnu izo-morfnu zamenu, koja pokazuje da najvecu sposobnost ka toj vrsti zameneimaju element! koji se nalaze u periodnom sistemu na dijagonalamapovucenim iz levog gornjeg u desni donji ugao. Ti joni imaju gotovo jednakedimenzije. Tako se ostvaruje heterovalentna zamena Li+ i Mg +, Na+ i Ca2+,Ca2+ i Y3+, Mg2+ i Sc3+, Sc3+ i Zr4+.

Danas je ocigledno da se tvrdi rastvori ne obrazuju samo u slucajuizotipa, vec" i homeotipa, a cak sta vise i pri heterotipiji.

Postoji jako mnogo primera obrazovanja tvrdih rastvora spajanjemAgCl - NaCI, KC1 - KBr, NaBr - NaCI itd.

Izostrukturna jedinjenja koja se jako razlikuju po dimenzijama jonaobicno ne daju tvrde rastvore. U vreme kristalizacije kod tih materija izopsteg rastvora ill rastopa taloze se dve razlicite kristalografske faze i takvostanje se naziva entektickim.

Ima i drugih primera obrazovanja tvrdih rastvora jedinjenja sa razlicitimtipom strukture KCI (tip NaCI) - TICI (tip CsCI), CsCI - RbCI (tip NaCI),CsCI - KCI (tipNaCI), Lil (tip NaCI) - Agl (tip cinksulfid sfalerit) itd

Poseban slucaj obrazovanja tvrdih rastvora je iz materija s razlicitimtipom strukture, taj prces povezan je sa tzv. izopolimorfizmom. On nastajekada jedna od materija koja obrazuje tvrd rastvor postoji u obliku nekolikopoHmorfnih modifikacija i rastvara odredenu kolicinu druge komponente bezpromene sopstvene strukture.

Izodimorfizam se pojavljuje u krajnjem slucaju, kada jedna od dvematerije koja obrazuje tvrdi rastvor ima dve polimorfne modifikacije.

6esto nestabilna forma jednog sjedinitelja ima kristalografsku strukturudrugog. A negde cak obe materije imaju polimorfne i nestabilne modifikacijei svaka od njih moze da kristalise u strukturi tipa stabilne modifikacije drugematerije. Primerom izodimorfizma moze se uzeti smesa kristaJa Ni i Co.

Pri sobnoj temperaturi oni imaju razlicite strukture, dok pri visokimtemperaturama kobalt prelazi u polimorfnu modifikaciju karakteristicnuzanikl.

Page 8: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavlje 1.

1.1 PRINCIPIOBRAZOVANJA TVRDIH RASTVORA

Po nacinu popunjavanja pozicija (mcsta) u kristalografskoj strukturirazlikujemo cetiri osnovna tipa tvrdih rastvora.

1.1.1 TVRDIRASTVOR ZAMENE

Tvrdi rastvor zamene - nastaje kada atomi ili joni jednog elementazamcnjuju u kristalnoj strukturi atome ili jone drugog elementa.

U rastvoru pri zameni uzajamno rastvorljivi atomi moraju imati jednak(ili blizak) tip hemijske veze. Po pravilu su uvek u tim rastvonma strukturaitipovi rastvorene materije i rastvaraca identicni. Ako su jedinjenja izostruk-turna, pojam rastvorljivosti gubi smisao. Parametri elementame <5elijekristalne strukture (a, b, c, a, fi, y) takvih tvrdih rastvora su Hnearae funkcijehcmijskog sastava pomesanih komponenti A i B, kao sto se na slici mozevideti.

a

U legurama metala paramctri elementarnc dclije kristala se mcnjajulinearno s promcnom sastava tvrdog rastvora (pravilo Vegarda). Odstupanjaod tog pravila nc iznosi vise od nckoliko proccnata.

Gustina tvrdih rastvora zamene i njihova opticka svojstva su takodelinearnc funkcije sastava, sto omogucuje bcz hemijske analizc uz pomo6fizickih mctoda (npr. optickm) odrcdivanjc proccntnog odnosa komponenti.

Page 9: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavlje 1.

1.1.2 TVRDI RASTVOR UBACIVANJA (ESTERSTICUALNI)

Tvrdi rastvor ubacivanja (intersticijalni) - joni, atomi ili molckuli rastvo-rene materije zamenjuju slobodna mesta u kristalnoj strukturi rastvaraca. Utorn slucaju i u tvrdom rastvoru pojmovi rastvoritelj i rastvorena materijasacuvali su svoje znaccnje. Potreba da tip hcmijske veze budc identican ovdenije obavczna.

Najcesc'e te rastvorc obrazuju atomi razliciti po dimenzijama. (Slika 2.)

SlikaZ.

Najtipicniji primer je austenit (y - Fe, C), tvrdi rastvor ugljenika i y - mo-difikacije Fe. Ovakvi tvrdi rastvori imaju znacaj u tehnici, i to su prvenstvenolegure sa visokom tvrdocom i visokom temperaturom topljenja.

Postoji niz intersticijalnih tvrdih rastvora u kojima atomi nemetala,rastvorenih u metalu zauzimaju sva slobodna mesta u metalnoj strukturi.

U torn slucaju molski odnos komponenti se izrazava celim brojevimakao i u hemijskim jedinjenjima.

Rastvore ubacivanja ne susrecemo samo u sistemu sa metalima, ve6 i uraznim drugim sistemima.

Na primer: u strukturi zeolita (hidratisani silikati ili aluminosilikatiprvenstveno natrijuma i kalcijuma), gde j'e rastvoritelj zeolit, a rastvorenamaterija voda, ciji molekuli se nalaze u strukturnim supljinama zeolita.

Ill II

Page 10: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavlje 1.

1.1-3 TVRDI RASTVOR ODBIJANJA (ODUZBVfANJA)

Tvrdi rastvori odbijanja (oduzimanja) - nastaju nepopunjavanjcm struk-turnih pozicija atoma ili jona u proccsu obrazovanja smese kristala. Ovakvimprimerom moze se uzeti sistem Li?Cl2 - MgCI2. U kristalnoj strukturi CI2, dvaLi izomorfho su zamenjena s jednim Mg~+, a kao rezultat toga obrazuje sejedna oktaederska supljina

o o o o o• • • •o o o o• • • •

o o o oVoVo

oVoVoSIika3.

1.1.4 SUPERSTRUKTURE

Superstrukture - su oblik tvrdih rastvora koji se najcesce javlja medulegurama metala. One spadaju u uredene tvrde rastvore zamene u kojima semolskL odnos komponenti izrazava priblizno celim brojem. Superstrukture seobrazuje pri sporom hladenju rastvora sa statisticki ncuredenim polozajematoma. Pri snizavanju temperature dolazi do premestanja atoma elcmenta,koji cini tvrdi rastvor, na odrcdene strukturne pozicije. Primer: AuCu, AuCI3

itd.Na uzajamnu rastvorljivost metala (mesanje) osim geometrijskog faktora

(bliskc razmerc atoma), veliki uticaj ima i valcntni faktor - razlika valentnostielemenata, koji obrazuju sisitem, a takode i hemijska priroda atoma. Sto jeriSe elektronegatiniija jedna od komponenti i riSe elektropozidynqadroga, to je ve£a yeroyatno^a obrazoyanja henUjskog jedinjenja a netvrdog rastyora.

8

It I!

Page 11: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavlje 1.

1.2 UTICAJ RAZMERE JON A NA TVRDE RASTVORENEOGRANICENE RASTVORLJIVOSTI

Faktori koji predstavljaju glavni uticaj na obrazovanje bilo kojeg tvrdograstvora, a samim tim i tvrdih rastvora nastalih u procesu neogranicenogsjedinjavanja, su velicina radijusa zamenjuju£ih jona, a takode i njihovoponasanje u procesu polarizacije.

Medu halogenidima jednovalentni metali koji relativno slabo pokazujusposobnost polarizacije spadaju hloridov i fluoridov jon (minimalne razmereanjona). U torn slucaju faktor koji odreduje stvaranje tvrdih rastvora jestevelicina jonskih radijusa (analogno razmeri raolekula u molekulskomkristalu).

Sventoslavski predpostavlja da objasnjenje za binarni sistem ogranicenemesanosti nalazi svoj odraz u slucaju dvokomponentnih jonskih sistema kojinemaju dovoljno jaku jonsku polarizaciju.

Postoji odredena zakonitost vezana za dimenzije jona: pri maloj razlici urazmeri izomorfno zamenjujuc'm jona, tvrdi rastvori stabilni su duze naniskim temperaturama, a pri nesto vecoj razlici u razmerama jona dolazi doraslojavanja.

Ova zakonitost vazi i u slucaju kada se razlikuje dimenzije anjona.Za seriju dvokomponentnih sistema primedena je jos jedna druga

osobina, zajednicka stvaranju jedinjenja medu komponentama. U sistemukoji obrazuje komponenta A s nizom komponenti B^ 83, B3,... a koji imaju skomponentom A zajednicki anjon (katjon), za razlicte katjone (anjone),rastuda razlika jonskih radijusa katjona (anjona) odgovara prelazu od stalnihtvrdih rastvora preko tvrdih s povedanjem oblasti nemesanja ka idealnimeutekticlrim tvrdim rastvorima.

Pri znacajnoj razlici jonskih radijusa obrazuju se dvojake soli.Odstupanje od gore opisanih zakonitosti pokazuje jaka jonska polari-

zacija. Njen uticaj na obrazovanje tvrdih rastvora moze se ispitati na osnovuseme Sventoslavskog. Kao sto je gore pokazano ta sema vredi i za binarnisistem neogranicene mesanosti u kojima se ne ispoljava jonska polarizacija ilise ispoljava u neznatnom stepenu.

Kao primer je obrazovanje tvrdih rastvora Agl sa Lil, Cul, Nal - sajodidima metala, koji pripadaju prvoj grupi Periodnog sistema saglasnoGoldsmitu Ag+ pokazuje jako polarizaciono dejstvo na vedi anjon joda, kaorezultat toga rastojanja izmedu centara Ag+, T je manje od samih jonskihradijusa. Zato Ag+ pri obrazovanju tvrdih rastvora Agl sa drugim jodidimatezi da njegovi jonski radijusi budu manji. Tako da jon srebra zamenjujeznacajno manji jon litijuma i bakra u tvrdim rastvorima i ne zamenjuje jonnatrijuma, iako je jon Na+ po razmerama bUzi njemu od jona Li+ ili Cu+.

9

Page 12: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavlje 1.

Posebno jak uticaj jonske polarizacije mozemo primetiti u sistemimakoji su stvoreni od komponenti sa dva ili vise katjona. U tim sistemima usledpovecanja razlike u dimenzijama katjona dolazi do brzih prelaza od tvrdihrastvora ka dvojakim solima, a dosta cesto i sa medustanjima.

Eksperimentalni materijali dobijeni od razlicitih autora, dovode dozakljucka da kolicinski odnos komponenti u jedinjenju u znacajnom stepenuzavisi od medusobnog odnosa jonskog radijusa tih komponenti.

U jedinjenjima, obrazovanih od komponenti sa zajednickim anjonima,ali razlicitim katjonima jednake valentnosti postoji slededa zakonitost: Sto jcveda razlika a razmeram'a katjona, to je veci doprinos D sastavu dvoj-nih soli katjona a manjim razmerama.

Odstupanja od gore opisanog pravila su primec'ena u slucaju veoma jakejonske polarizacije. Na primer u sistemu koji obrazuju Agl sa KI.

U binarmrn jedinjenjima, koje obrazuju komponente s istim katjonom, arazlicitim anjonima i postoji pravilo: Sto je veca razlika o razmeri anjona,to veci doprinos n sastavu obrazoynog jedinjenja nnosi manji po raz-meri anjon.

Slicne pojave se javljaju u sistemu koje obrazuje komponenta A saduovalentnim katjonom i nizom komponenti Bj, 83, B3... koje imaju skomponentom A zajednicki anjon i razlicite dvovalentne katjone. Ako jejednovalentni katjon dovoljno velik, tada sto je manji katjon soli dvovalentnihmetala, to vedi broj njih ulazi u sastav soli.

10

i II

Page 13: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavlje 2.

2. IZOMORFIZAM

Mitcerlih je jos 1819 god. ustaiiovio da cetiri razlicite kristalnesupstance imaju jednu te istu spoljasnju forrau i gotovo jednake uglove meduanalognim ravnima. Razlika u velicini uglova je iznosila 2 - 6°. Pojava posto-janja razlicitih jedinjenja jednakih spoljasnjih habitusa, pri gotovo jednakimuglovima medu ravnima naziva se izomorfizmom. Geometrijski se ne mogurazlikovati kristali raznih supstanci koje su medusobno izomorfne, ali se ipakmogu razlikovati po fizickim svojstvima.

Izomorfizam je pojavd. siroko rasprostranjena ne samo medu mineralimavec i medu vestackmi dobijenim kristalnim supstancama.

Mitcerlih je prvenstveno smatrao da je izomorfizam karakteristican zahemijski srodne supstance, Kasnije se ova predpostavka pokazala netacnom,jer je izomorfizam otkriven i kod jedinjenja razlicitih po hemijskom sastavu.

U danasnje vreme smatra se da je jedan od uzroka izomorfizmaizostrukturalnost Jednaka spoljasnja forma izomorfnih kristala se javlja usledidenticne strukture odnosno usled identicnog rasporeda atoma u elemen-tarnoj celiji kristala. Medutim ustanovljeno je da se izomorfizam javlja imedu neizostrukturnim supstancama pa se izostrukturalnost ne moze uzetikao jedini kriterijum izomorfizma. Uslovom ispoljavanja izomorfizma seobicno smatra obrazovanje kristalnih tvrdih rastvora (izomorfne smese). Ustrukturi koja se formira dolazi do zamenjivanja atoma, odnosno jona koji subliski po dimenzijama i svojstvima.

Definicije izomorfizma su razlicite kod raznih autora. Po Grimu (1922)u slucaju jonskih sjedinjavanja, izomorfnim treba smatrati samo one kristale,koji obrazuju tvrde rastvore i zadovoljavaju slede£a tri uslova:

1. slicnost u pogledu tipa hemijske formuie2. elementarne c'elije kristalnih struktura supstanci koje obrazuju tvrde

rastvore sadrtt isti brojjona (formuUskOijedinica)3. parametri elementarne celije (kristalografske ose i ugtovi) obeju

komponenti bliski su po dimenzijama.Po ovim uslovima kojc dajc Grim izomorfnim treba smatrati samo one

izostrukturnc matcrijc kojc mogu da obrazuju tvrde rastvorc, dok one sup-stance koje obrazuju tvrdc rastvore i nisu po pravilu izostrukturnc (s raznimhemijskim formulama) nc treba razmatrati kao izomorfne. Ncizomorfnim scznaci po Grimu smatraju nc samo ncizostrukturna jedinjenja vcd i izosrruk-turna jedinjenja koja nc obrazuju tvrdc rasrvorc.

11

1 I!

Page 14: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavlje 2.

2.1 IZOMORFIZAM x 3HO is x 3H20

Da su supstance od kojih smo dobijali tvrde rastvore izomorfnepokazala su rentgeno - stnlkturna ispitivanja. Strukture uzoraka su ranijeresene metodom rentgenske difrakcije na monokristalu i kao sto se izslededih vrednosti moze videti u tabeli 1. zadovoljeni su drugi i treci uslovkoje daje Grim sto se tice izostrukturnosti. Iz polozaja atoma u elcmentarnojceliji kristala (tabela 1.) vidi se da su oni skoro identicni u oba jedinjenja,jedino je polozaj atoma hroma u jedinjenju A zamenjen atomom aluminijumau jedinjenju B. Potpuno iste hemijske formule (prilog 1.) tako da je zado-voljen i prvi uslov koji daje Grim koji se tice izostrukturnosti.

Relevantni kristalografskr podaci dati su u tabeli 1, a prostorni rasporedatoma u prilogu 1.

HEMIJSKAFORMULA

Komponenta A

Cr(H20)6 (N03)3 3H20

Komponenta B

A1(H2O)6 (NO3)3 3H20

PARAMBTRIELE3MENTARNECEUJE

a =13.967(1) A

b = 9.6528 (9) A

c = 10.981 (1) A= 95.41°

a =13.892 (2) A

b = 9,607(1) A

c = 10.907 (2) AP = 95.51°

KRISTALOGRAFSKISISTEM

MONOKLJNlCNI MONOKLINI6NI

ZAPREMINAELEMENTARNE

6ELIJEVC[A33

1473.87 1448.9

BROJMOLEKULAUELEMENTARNOJCELIJI Z

PROSTORNAGRUPA

P2l/c P2l/c

RENTGENSKAGUSTINADxtg/cm'3]

Tabek 1.1.802 1.719

12

111 I

Page 15: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavlje 2.

Takode su posmatrane i neke druge fizicke velicine u kojima se mozevideti slicnosti ova dva jedinjenja (tabela 2.)

HEMIJSKAFORMULA

Cr(H20)6 (N03)3 3H20 A1(H20)6(N03)33H20

RELATTVNAMOLEKULARNAMAS A Mr

400.15 375.13

TACKATOPUENJA

Tt[°q73.5 60

RASTVORLJIVOSTPotpuna u hladnoj itoploj vodi, alkoholu

U vodi, acetonu,alkoholu

Tabela 2.

Iz datih podataka moze se videti ne samo slicnost u pogledu hemijskeformule, vec" i u nekim drugim fizickim i hemijskim parametrima sto jos visepotvrduje da su data jedinjenja ne samo izostrukturna vec" i izomorfna.

13

It I

Page 16: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavljc 3.

3. ODREDIVANJE GUSTINE KKISTALA

Od standardnih metoda koje se koriste za odredivanje zapreminskemase kristala, koristili smo metodu piknometra, s obzirom da smo imalidovoljnu kolicinu uzorka. To je vrlo jednostavna metoda, koja u svom radukoristi staklenu bocicu (piknometar) sa dobro definisanom zapreminom 10,25, 50 cm3.

Da bi se odredila zapreminska masa kristala potrebno je izvrsiti neko-liko merenja:

- izmeri se masa uzorka (ako se od mase piknometra napunjenoguzorkom oduzme masa praznog piknometra) - nij

- izmeri se masa piknometra napunjenom tecnoScu i sabere sa masomsamog uzorka - m2

- zatim se uzorak stavlja u piknometar pri cemu istekne onoliko tecnostikolikaje zapremina samog uzorka, Izmerena masa takvog piknometra je - m3.

Trazena zapremina uzorka je:

V=(m2 ~ m3^Po gde Jc Po gustina vode na sobnoj tem-pcraturi.

Zapreminska masa kristalnog uzorka se moze izracunati prema formuliza gustinu, p = m/V §to daje izraz za gustinu dobijen metodom piknometra:

Ako se nc upotrcbljava dcstilovana voda, p» se takode odrcdujepiknomctrijski, jcr postoji veliki broj kristala koji su rastvorljivi u vodi, pa semora primenjfvati neka druga tecnost

Kako sc ovdc radi sa kristalnim uzorcima postoji niz uzroka koji dovodcdo pogrcsnih ill manje tacnih merenja. Jcdna od osnovnih je sama gradakristalida raznc ncpravilnosti, mchuri6i vazduha, stepenasti lomovi i udub-Ijcnja, zatim same osobine kristala a takode i sam mctod rada sa manjimlomljenim kristalima unosi odredcnu gresku.

14

I II

Page 17: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavlje 4.

4. EKSPERIMENTALNI REZULTATI

4.1 ODREDIVANJE GUSTINE

Prva faza rada sadrzala je pravljenje tvrdih rastvora od dve osnovnekomponente koje smo imali kao komercijalne hemikalije Cr(NO3)3 x 9H2OA1(NO3)3 x 9H2O. TVrdi rastvori su pravljeni u raznim masenim odnosima(75 : 25) (50 : 50) (25 : 75), i to tako sto su komponente mrvljene u prah,mesane, i uz dodatak destilovane vode ostavljene da lagano iskristalisu iztako dobijenog zasidenog vodenog rastvora.

Kristalizacija se odvijala na sobnoj temperaturi i atmosferskom pritiskukoji su donekle varirali s obzirom da je proces trajao vise dana (7-8 dana) uzavisnosti od uslova za isparavanje rastvora odnosno vlaznosti vazduha. Ustaklenom sudu su dobijeni staklasti uzorci za formirani na povrsini cijavelicina je zavisila od procentnog sastava smese. Posto su polazne supstancebile vrlo higroskopne, i dobijeni tvrdi rastvori su takode higroskopni inestabimi na vazduhu, a narocito uzorci u masenom odnosu (50:50) sto jeznacajno otezavalo rad sa njima.

Gustinu kristala smo odredili metodom piknometra koristedi kaopomoc'mi tecnost hlor-benzol (CgHsCl, Mr= 112.76 g mol"1) cija piknomet-rijski odredena gustina iznosi p0 = 0.953(4) g/cm3 (p0 =1.1 g/cm3). Rezultatimerenja gustine dati su u tabcli 3.

Cr^Al^(H20)6,(N03)3

3H20

X0

0.250.500.751.0

mi[g]

1.88372.06902.36802.12402.1755

m2[g]

21.657821.843122.142121.898121.9496

m3[g]

J

20.644220.752420.785520.805020.8413

m,p-^-m,^

[g/cm3]

1.771(7)1.808(7)1.664(7)1.852(7)1.871(7)

Tabela 3.

15

'

Page 18: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavlje 4.

Pri cemu su greske merenja mase date slededm vrednostima:

= Am2=0.0035 gAra3 = 0.0025 g

Graficki prikaz rezultata dat je na slici 4, i kao sto se moglo ocekivatidobijena je linearaa zavisnost. Jedino se moze primetiti izrazeno odstupanjekod tvrdog rastvora u masenom odnosu (50:50) zbog njegove higroskopnosti,sto unosi veliku gresku u aierenju zapremine uzorka.

Znacajno je jos primetiti da sve ekspcrimentalne vrednosti gustinadobijenih uzoraka leze izmedu vrednosti gustina za ciste supstance.

1.7 -

1.6 -

cm

CrU»7.)

- 1.5

- 1.7

-1.6

At (o/O 25 5o 75

Slika4.

1oo

16

1 II

Page 19: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavljc 5.

5. MAGNETNE OSOBINE MATERUAIA

5.1UVOD

Magnetne momente atoma i raolekula formiraju orbitaini i sopstvenimagnetni raomenti pojedinih elektrona koje sadrzi molekul i atom, a takode

T

i magnetni moment! atomskih jezgara. Buduci da je masa jezgra oko 10" putaveca od mase elektrona te u skladu sa formulom koja se odnosi na sopstvenimagnetni moment elektrona, magnetni moment jezgra bice za 3 reda velicinemanji od magnetnog momenta elektrona. Stoga se u prvoj aproksimacijimagnetni moment jezgra u odnosu na magnetna svojstva tela moze zane-mariti. Pri zbrajanju orbitalnih i spinskih magnetnih momenata moze doci donjihove potpune kompenzacije tada ce rezultujuci magnetni moment bitijednak nuli. Ako pak ne dode do potpune kompenzacije tada ce atomposedovati stalni (permanentni) magnetni moment U sakladu sa tim tela ceispoljavati razlicita magnetna svojstva.

Prema magnetnim osobinama, sve supstance mozemo podeliti u trivelike grape:

a) dijamagneticib) paramagneticic) feromagnetici

• Dyamagnetizam - nastaje usled promene orbitalnog kretanja elek-trona pod delovanjem spoljasnjeg magnetnog polja. On je svojstven svimtelima, all je cesto prikriven jacim paramagnetizmom ili feromagnetizmom. Ucistom obliku on se srece kod materijala, za cije je atome rezultujuci mag-netni moment jednak nuli.

• Paramagnetzam - poseduju tela ciji atomi poseduju stalni magnetnimoment, tj. predstavljaju stalne magnetne dipole, i kojih je interakcija izme-du ovih dipola zanemarljivo mala. Stalni magnetni momenti nastaju uslednepotpune kompenzacije orbitalnih i spinskih magnetnih momenata elek-trona. U magnetnom polju svi dipoli teze da se orijentisu u smeni polja. Ovajproces ometa dczorijentaciono delovanje toplotnog kretanja. Rezultujudamagnetizacija odredena je statistickom ravnotezom izmcdu orijentacionogdelovanja magnetnog polja i dezorijentacionog delovanja toplotnog kretanja.

17

1 II

Page 20: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavlje 5.

• Feromagnetizam - se javlja kod supstanci kojc se sastojc od vclikogbroja poscbnih, rclativno sitnih oblasti, koje su kad ncma spoljasnjeg polja,magnetizirane do zasidcnja. One su nazvanc oblastima spontanc magneti-zacije ili domenima. Hipotczu o postojanju domena dao je Weiss (AVeiss-oveoblasti) 1907. godinc a teoretsko obrazlozenje 1935. god. dato od straneLandaua i Lifsica,

Kada nema spoljasnjeg polja, domcni se orijcntisu jedan prema drugomda je totalni magnetni moment feromagnetika razlicit od nule (spontanamagnetizacija). To se obicno desava na nizim tempcraturama, a porastomtemperature, feromagnetik'prelazi u paramagnetik i sponatana magnetizacijanestaje.

18

Page 21: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavlje 5.

5.2 MAGNETICI U MAGNETNOM POLJU

Ako u homogeno magnetno polje jacine H i indukcije B0 =postavimo izotopno telo zapremine V, pod delovanjem polja telo semagnetise i stice magnetni moment M. Odnos vrednosti onog momentaprema zapremini naziva se intezitet magnetizacije tela Im:

Magnetni moment je proporcionalan sa jacinom polja:

pri cemu je:

X, - magnetaa susceptibilnost tela, (bezdimenziona velicina)

Ho - magnetna permeabilnost vakuma (^=1,26 10"6 — — )

Magnetna susceptibilnost svedena na 1 kg materijala, naziva se speci-ficna (masena) magnetna susceptibilnost^

X 3 iImas= lm kg ] P- gustina materijala

P

Magnetna susceptibilnost svedena na 1 kilogram-mol materijala zove sekilogram - molekularna (molarna) susceptibilnost, ocigledno da:

XM=

Kada se telo nalazi u spoljasnjem magnetnom polju, magnetise se istvara svoje sopstveno polje, koje jc kod izotropnih paramagnetika ifcromagnetika paralelno spoljasnjem polju, a kod dijamagnetika - antipa-ralelno. Ako sa B0 oznacimo indukciju spoljasnjeg polja, a indukcijusopstvenog polja sa Bi, rezultuju6a indukcija bi6e:

B=B0+Bi

pri Semu se velicina }4. naziva magnetna permeabilnost magnetika.

19

11 II

Page 22: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavlje 5.

Prema velicini i predznaku susceptibilnosti mozemo red da je:

a) Dijamagnetici - kod njih je susceptibilnost relativno mala, negativna(x < 0) i ne zavisi od jacine spoljasnjeg polja i temperature. Ova tela semagnetizuju u smeni suprotnom od smera polja. Tu spadaju: bakar, bizraut,dijamant, selen, silicijum i gerraanijum itd.

b) Paramagnetici - takode imaju relativno malu magnetnu suscep-tibilnost, ali je ona za razliku od dijamagnetika, pozitivna (x > 0). Ova tela semag-netiziraju u smeru pqlja. Tu se ubrajaju: platina, tecni kiseonik, raznioksidi itd.

c) Feromagnetici • ciji je tipicni predstavnik gvozde, irna pozitivnumagnetnu susceptibilnost, ali neuporedivu vecu od paramagnetnih tela. Kodnjih susceptibilnost x zavisi od jacine magnetnog polja H. Osim gvozda, u ovugrupu spada, nikl, kobalt, gadolinijum, holmijum i niz legura.

Bitno je istaci da magnetna susceptibilnost paramagnetnih tela zavisi odtemperature. Ovu zavisnost prvi je izucio Kiri, i pokazao je da:

gde je C - konstanta koja zavisi od prirode supstance - Kirijeva kon-stanta

dok se zakon naziva Kirijev zakon.

Gxaficka zavisnost x =f(T) prikazana jc na slici 5.

SlikaS.

Ako se feromagnctna tela zagrevaju njihova se magnetna svojstvamenjaju, smanjuje se magnetna susceptibilnost x> permeabilnost m slabihisterezis...

Za svaki fcromagnetik odrcdena jc tcmperatura 9,., na kojoj on gubiferomagnctna svojstva. Ova tempcratura naziva sc feromagnetna Kirijevatacka (temperatura).

20

Page 23: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavtje 5.

Iznad 6C feromagnetna tcla postaju paramagnetic.! sa karakteristicnomza njih linearnom zavisnosc'u 1/x, °d T. Ova zavisnost dobro je predstavljenaslededom relacijom koja nosi naziv Kiri-Weissov zakon:

Z =T-G

0C - paramagnetna Kirijcva temperatura (tacka)C - Kirijeva konstanta

Feromagneticima slicni s.u antiferomagnetici koji takode imaju do-mensku strukturu, koja dovodi do pojave histerezisa pri magnetizaciji. I ovdesu domeni medusobno razdvojeni prelaznim slojevima debljine desetihdelova mikrona, ali ovde ne dolazi do spontane magnctizacije jer su spinskimagnetni momenti susednih cvorova resetke usmereni antiparalelno, jedanprema drugom, te se medusobno kompenzuju (jer su jednaki po intenzitetu,a suprotni po smeru). Kada su intenziteti magnetnih momenta nejednaki,tada se pojavljuje razlika magnetnih momenata, koja dovodi do spontanemagnetizacije kristala. Ovakav neizkompenzovan antiferomagnetizam nazivase ferimagnetizam.

21

III 1

Page 24: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavtje 5.

5.3 MAGNETNE OSOBINE RASTVORA

Za eksperimentalnu proveru teorije paramagnetizma najpogodniji surastvori i cvrsti kristalohidrati soli, koji sadrze jone s orbitalnim ili spinskiinmomentom, koji je razlicit od nule, U vodenim rastvorima i u kristalohid-ratima, joni su razdvojeni velikim brojem molekula vode, usled cega jenjihova interakcija veoma slaba. Na slededem grafikonu su prikazane krivezavisnosti srednjeg magnetnog momenta koji otpada na jedan jon hroma(Cr +), gvozda (Fe3+), gadolinijuma (Gd3+) od odnosa H/T. Punom linijomsu obelezene teoretske krive a tackama eksperimentalne vrednosti. Svi ovijoni imaju nekompenzovane spinske momente S=3/2 za jone hroma, S=5/2za jone gvozda i S=7/2 za jone gadolinijuma.

Cr3+

3d elektroni

3

Term

**»

nr~*r - \n<(n->r 2)

V*

3.87

Meffe^ t^B]

3.68 - 4.00

Tabela 4.

priCemu odgovara vrednosti momenta kada bi

paramagnetizam bio uzrokovan samo spinom elektrona.

22

1 I

Page 25: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavlje 5.

Pored spinskog, ako se uzme u obzir i orbitalni doprinos dobija se kodjake LS sprege da magnetni moment iznosi:

— = g, • Jl(I + 7) gi - Landeov faktor

a kod slabe LS sprege:

7) + SS(S + 7)

Eksperimentaine vrednosti pokazuju da orbitalni moment ne doprinosimagnetnom momentu, jer za Cr + (S=3/2) zanemarujuci L dobijamo sledecuteorijsku vrednost:

23

1 I

Page 26: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavlje 5.

5.4 EKSPERIMENTALNE METODE ZA ODREDWANJEMAGNETNE SUSCEPTIBILNOST1

Od niza mctoda kojc sc koristc za odicdivanjc magnctnc susceptibil-nosti s obzirom na uzorak koji smo koristili oprcdclili smo se za Faradcjevumctodu, mada da smo imali na raspolaganju i vece kolicine supstancc, moglasc upotrcbiti i Gijova mctoda. I jcdna i druga spadaju u statickc metodczasnovane na mcrcnju sile koja se javlja pri unoscnju uzorka u magnetnopoljc.

Osnovnc razlikc izmcdu ovc dve metodc su:

1. u dimenzijama ispitivanog uzorka2. u tnagnetnom polju u koje se uzorak unosi.

Faradejeva metoda - zahteva mali uzorak ispitivane supstance koja seunosi u nehomogeno magnetno polje.

Gijova metoda - zahteva koriscenje ve6e kolicine uzorka u oblikuokruglog cilindra konstantnog poprecnog preseka ciji se jedan kraj nalazi uhomogenom, a drugi u nehomogenom magnetnom polju.

Gijov metod je uvek u prednosti jer se s njim mogu ostvariti merenjaznatno vece tacnosti, a i u samom radu je lakse baratati sa uzorkom vecihdimenzrja.

5.4.1 FAEADEY-eva METODA

Svoju realizaciju ova metoda ostvaruje kada su u pitanju male kolicinesupstance, ili ako se merenje magnetne susceptibilnosti vrsi na visim tempe-raturama. Uzorak sfernog oblika koji je kompaktan ili u prahu, unosi se unehomogeno magnetno polje i pricvrsden je za neki od uredaja za merenjepromene mase (iz koje se posle racuna sila), najcesce je to analiticka vaga.

Za dobijanje nehomogenog magnetnog polja koriste se polski nastavcispecijalnog oblika, pomo6i kojih se dobija da je promena polja u pravcujedne od osa, u zapremini koju zauzima uzorak, u jednom pravcu izrazitijanego u ostala dva.

Jedan od glavnih problema vezanih za ovu metodu je fiksiranje uzorka ujednom odredenom polozaju i njegovo odrzavanje u torn polozaju u tokuvremenskog intervala u kome se vrsi merenje. To neposredno proizilazi izsame metode (uzorak u nehomogenom magnetnom polju), jer se gradijentpolja menja od tacke do tacke, a samim tim i sila koja deluje na uzorak jepromenljiva od tacke do tacke. Sve ove teskode znatno se smanjuju upotre-bom bas tin specijalnih polskih nastavaka, pri cemu se metoda znatnoolaksava.

24

1 I

Page 27: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavlje 5.

U ekspenmentalnom radu koriscena je aparatura sematski prikazana naslici 7.

Slika7.

Sila koja se javlja pri ulasku uzorka u magnetno polje data je:

dH

0 dx

X - magnetna susceptibilnostV - zapremina ispitivanog uzorkaH - jacina magnetnog polja

gradijcnt magnetnog polja na mcstu uzorkadx

Koriscenjcm izraza za mascnu susccbilnost Xmas" ^/P dobijamo:

Xmes

JTT

Velicina H i — su poznate jer se ustvari men relativna masenadx

susccptibilnost u odnosu na pocctnu susccptibilnost standards Za standardjc uzcta supstanca HgCo(CNS)4 sa poznatom vrcdnoscu mascnc succp-tibilnosti (100,27 10'9 m3 mol'1).

25

1 I

Page 28: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavlje 5.

Sila koja deluje na uzorak pri unosenju u magnetno polje data jeizrazom:

F=Amg=(m'-m") g

m' - masa uzorka bez pnsustva magnetnog poljam" - masa uzorka u magnetnom polju

26

Page 29: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavlje 5.

5.5 DIJAMAGNETNA KOREKCIJA

Magnetni susceptibilitet molekula je adithma velicina i dobija se sabi-ranjem susceptibiliteta elemenata koja ulazi u sastav datog jedinjenja:

/-/

«,• - broj i-tog atoma susceptibiliteta &bi - broj vezaX, - Paskalove popravke (uzimaju se iz literature)

Zbog dijamagnetne korekcije (negativna vrednost), susceptibilitet para-magnetnog jona je manji od prave vrednosti, tako da se eksperimentalnevrednosti moraju korigovati sa dijamagnetnom popravkom. Korigovanamagnetna susceptibilnost bice data sa:

27

Page 30: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavlje 6.

6. EKSPEMMENTAJLNI REZULTATI

Koristeci Faradejovu metodu za odredivanje magnetnog susceptibilitetamatcrijala, mercnjcm silc F i mase uzorka izracunali smo xmas.

Proraena sile koja deluje na uzorak u kapsuli meri sc terazijama satacnos&i 2.5 10" g. Pri izracunavanju sile nije se uzimao u obzir uticajampule u kojoj se nalazi uzorak, jer je promena njene mase u granicamagreske merenja (±0.00005 g). Merenjem mase ampule bez magnetnog polja iu magnetnom polju, za promenu mase ampule primeden je dijamagnetanefekat.

Za magnctna mcrcnja korisdcn je clcktromagnet cijc karakteristike su:

- radni napon 120 V• maksimalna struja 18 A- magnetna indukcija 2 T pri rastojanju 5 mm izmedu polova• rastojanje medu polovima 0~90 mm

Vrednosti za jacinu i gradijent magnetnog polja uzete su iz radastim da su vrednosti iz tog rada koje su date u COS sistemu pretvorene u SIsistem.

H= 3.365 10s Am'1dH/dx=2.492107Am"2

Kao standard korisden je uzorak HgCo(CHS)4.Rezultati magnetnih merenja dati su u slede^oj tabeli, s tim da je

napravljeno jos cetiri dvokomponentna rastvora u odnosu koncentracija(20 : 80), (15 : 85), (10 :90), (5 :95) zbog osetljivosti magnetnih merenja.

U poslednjoj koloni tabela (6-9) date su vrednosti za magnetnu suscep-tibflnost za koje je izvrsena dijamagnetaa korekeija na jon hroma (Cr3+).

Vrednosti korekcija usled postojanja nitratne grape i vode date su utabeli 5, s torn napomenom da su dijamagnetne korekcije usled hemijskihveza vrlo male, pa ovde nisu uzimane u obzir.

28

i i t

Page 31: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavlje 6.

Vrednosti su uzete iz literature s tim da smo ih mnozili sa faktorom4n 10 da bi dobili vrcdnosti u SI sisterau:

NO3

H20

Broj n{

3

9

XtlO^n^mor1]

178.44

-163.00

n;x[10"12 m3 mol'1]

534.32

-1467.00Tabela 5.

.68 10'12[m3mor2]

Magnetni moment standarda smo racunali (iz prvog seta merenja)preko formule:

- molarni susceptibilitetT - apsoiutna temperatura za vreme merenja (T=294)

Da bi smo izracunali magnetni moment jona Cr3+ u jedinjcnjuCr(H2O)6(NO3)3 x 3HjO gde smo uzeli u obzir dijamagnetnu korekcijukoristili smo izraz: (G )

mFsMs

29

1 1

Page 32: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

.1

J

JJ.1

Poglavlje 6.

(CrrAl1.x)(H20)6(N03)3 3H2O

T=292.85 KI set

merenja

standardX0

0.050.10.150,20.250.50.751

Mr 10"3

[kg mol4]

491.846

375.13376.38377.63378.88380.13381.39387.64393.89400.15

mlO'3[kg]

0.01050

0.050130.0'30250.050650.044480.042590.046200.043940.051970.04215

FIO^[N]

22.563

-0.780.881.964.7114.8026.4837.0882.6089.70

xio4[in/kg]

203.86

-1.482.773.6710.0432.9754.3780.06150.78201.89

%M 10""[m mol" ]

100.27

-0.561.041.383.8012.5320.7331.0359.3980.78

XKtO-*[nvW1]

1.081.473.9412,7120.9631.4960.0981.71

Tabela 6.

Dsetmerenja

standardX0

0.050.10.150.20.250.50.751

MrlO'3[kgmor1]

491.846

375.13376.38377.63378.88380.13381.39387.64393.89400.15

mlO'3[kg]

0.00312

0.011840.009480.010250.009650.008340.011210.006720.006490.00474

F10"6

[N]

7.06

-0.490.291.862.272.945.1912.9514.239.81

xio^[m3/kg]

214.67

-3.932.9017.2222.3233.4443.92182.82208.01196.34

XMlO-9

[mWr1]

105.58

-1.471.096.508.4512.7116.7570.8781.9378.56

XK10-9

[m3mor1]

1.14L 6.59

8.6012.8916.9871.3382.6379.49

Tabela 7.

30

Page 33: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavlje 6.

J

T=293 KHI set

merenja

standardX0

0.050.10.150.2

0.250.5

0.751

Mr 10'3[kg mol4]

491.846

375.13376.38377.63378.88380.13381.39387.64393.89400.15

mlO'3

M

0.00312

0.007730.003320.008140.006980.008890.010790.006860.005040.01104

F10"6

[N]

7.06

-0.200.200.981.672.945.3011.607.9521.09

xio'9[m3/kg]

214.67

-2.455.7111.4222.7031.3746.60160.42149.64181.23

XM 10*[m mol ]

105.58

-0.922.154.318.6011.9217.7762.1958.9472.52

XKlO"[m3morl]

2.204.408.7412.1018.0062.6659.6473.45

Tabela 8.

T=293 KIV set

merenja

standardX0

0.050.10.150.2

0.250.5

0.751

MrlO"3

[kg mor1]

491.846

375.13376.38377.63378.88380.13381.39387.64393.89400.15

mlO"3

[kg]

0.0083

0.009510.006760.007080.011060.011690.019240.012960.019260.01446

FIO^[N]

17.76

-0.400.511.182.653.639.7118.5429.3030.31

xio*[m3/kg]

202.99

-3.997.1615.7722.7329.4647.88135.71144.32198.85

XMlO"[nAnol'1]

99.842

-1.492.695.968.6111.2018.2652.6056.8479.60

x*io->[rrrWr1]

2.746.058.7511.3818.5053.0757.5480.53

Tabela 9.

rb31

Page 34: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavlje 6.

Posle prvog seta merenja utvrdeno je unapred poznato da je kompo-nenta koja sadrzi hrom paramagnetik, a ona sa aluminijumom dijamagnetik,dok se svi dvokomponentni rastvori ponasaju kao paramagnetici s tim davrednost za magnetnu susceptibilnost raste sa povenjem % sadrzaja hroma.

Ako se napise Kiri-Weiss-ov zakon u sledec"em obliku:

C(x) - Kirijeva konstan,ta koja zavisi od koncentracijeQ(x) - Kirijeva paramagnetna konstanta koja takode zavisi od koncen-

tracijeT - sobna temperatura

Na sobnoj temperaturi (T=300 K), 0(x) ima vrlo male vrednosti bliskenuli koje se mogu zanemariti. S toga Kiri-Weiss-ov zakon prelazi u sledec"ioblik:

C(x)

Ovaj izraz omoguc'ava odredwanje Kirijeve konstante bez eksperimen-talnog merenja zavisnosti masene susceptibilnosti od temperature, jer jeutvrdeno da sc ova konstanta menja linearno sa koncentracijom:

C(x}=Ax

Iz eksperimentalnih rezultata mozemo videti da iznad 20% udela hromau datim jedinjenjima uocena je linearna zavisnost masene susceptibilnosti odkoncentracije pa se odatle moze izracunati Kirijeva konstanta. Ispod 20%javlja se odstupanje jer su tu efekti znatno slozeniji i ovde ih nedemo daljerazmatrati.

32

i l l 1 )

Page 35: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

(O<D

I

8.0

0E

-008 -i

£

6.0

0E

-008

CO£-MC

4.0

0E

-008

H

15H%

2.0

0E

-008 -

c0)(/) O

.OO

E+

00

0-

Fara

deje

v m

eto

dM

od

el: A

*X/2

97

A=

2.4

10

9E

-5 m

3Km

ol1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

Ud

eo H

RO

MA

• K

orrS

1.0

COCO

Page 36: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

,£—

8.00E-008 -

iOE

6.0

0E

-008 -

oc~

4.0

0E

-008

H

USJ 2.00E

-008tnc0)WCQ

O.O

OE

+000-

Farad

ejev m

etodM

odel: A

*X/297

A=

2.3013E-5

m3K

mol1

0.0

0.2

0.4

0.6

Ud

eo H

RO

MA

0.8

Korrl

1.0

CO

.£.a

Page 37: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

CD 2, o

8.0

0E

-00

8 H

o E 0 E

6.0

0E

-008

O -M a 0) o c/) re C 0)

4.0

0E

-008

2.0

0E

-00

8H

O.O

OE

+0

00

-j

Far

adej

ev m

eto

dM

odel

: A

*X/2

97A

=2

.42

44

E-5

m3K

mo

l

0.0

0.2

0.4

0.6

Udeo

HR

O1V

IA

i0.8

Korr

4

1.0

ir™i

i™|

- ^-

L11

— i

ir— i

U-

i

Page 38: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

• K

orr2

8.0

0E

-008

O

Fara

deje

v m

eto

dM

odel: A

*X/2

97

A=

2.8

32

3E

-5 m

3Km

ol !

6.0

0E

-008 -

Ocjg

4.0

0E

-008 -

a0)Oenrcc0)

2.0

0E

-008 -

O.O

OE

+O

OO

-

0.0

0.2

0.4

0.6

Ud

eo H

RO

MA

0.8

(OCO

i.o

.*.

Page 39: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Poglavlje 7.

7. ZABUUCAK

Cilj ovog rada bio je izucavanje nekih fizickih osobina tvrdih rastvoradobijenih mesanjem Cr(H2O)6(NO3)3 x 3H2O i A1(H2O)6(NO3)3 x 3H2O, sobzirom da su nasi tvrdi rastvori sadrzavali paramagnetni jon Cr3+, dijamagnetnijon A13+, mi smo ga tretirali kao razblazeni magnetik.

Metodom piknometra odredili smo gustine tvrdih rastvora i uocili Hnearnuzavisnost, s tim da sve vrednosti leze izmedu vrednosti gustina polaznih jedi-njenja.

Eksperimentalnim putem smo, koristeci Faradejevu metodu odredilimasenu susceptibilnost za Cr(H2O)6(NO3)3 x 3H2O i dobili pozitivnu vrednost(X>0) sto pokazuje da je on paramagnetican, a za A1(H2O)6(NO3)3 x 3H2Odobili smo negativnu vrednost (x<0), odakle sledi da je on dijamagnetican.

Za sve ostale dobijene tvrde rastvore odredivanjem masene susceptibilnostidobili smo pozitivne vrednosti, sto znaci da su svi paramagneticni.

U daljem smo radu racunskim putem na osnovu eksperimentalnihpodataka izracunali efektivni magnetni moment jona Cr3+, uzevsi u obzir dija-magnetnu korekciju dobili smo: f^ff=3.89 (u magnetonima Bohr-a).

Ova vrednost se veoma dobro slaze sa teorijskom vrednoscu (4Bff=3.87(u magnetonima Bohr-a).

Na osnovu graficke zavisnosti masene susceptibilnosti od koncentracijehroma u tvrdim rastvorima, predpostavljajudi vazenje Kiri-Weiss-ovog zakona ulinearnom obliku (iznad 20% udela hroma u jedinjenjima) i zanemaruju6iparamagnetnu konstantu koja na sobnoj temperaturi (T=300 K) ima vrednostbliskoj nuli, utvrdena je Knearna zavisnost Kirijeve konstante od koncentracije,

Ispod 20% udela hroma u jedinjenjima zavisnost susceptibilnosti odkoncentracije na sobnoj temperaturi ima neki drugi oblik sto se moze pripisatislozenirn efektima koji u ovom radu nisu obrazlozeni.

37

Page 40: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Prilozi

8. PRILOZI

8.1 PROSTORNI RASPORED ATOMA U ELEMENTARNOJCELUI KRISTALA

8.1.1 Prilog 1.

Prostomi raspored atoma jedinjenja Cr(H2O)6 (NO3)3 x 3H2O u ele-mentarnoj £eliji kristala (projekcija duz b kristalografske ose).

.own

'0W13 OW12

38

II I

Page 41: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

Prilozi

8.1.2 Prilog 2.

Prostomi rasporcd atoma jcdinjenja Cr(H2O)6(NO3)3 x 3H2O u elementamojCeliji fcristala (projekcija nonnalno na b kristalografsku osu).

QW13

OW12

39

Page 42: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

LITERATURA

l.T. rieKKajifl: Olcpra KpncrajiJioxHMHH, JIcmmrpancKoe OTACJICHHC(1974)

2. Drago Grdenid: Molekuli i kristali, Skolska knjiga-Zagreb (1987)

3. R. r. HopdpMan: MarHHTbie cBoftcjBa H crpoeHHe semecTBa; Focy^apcTBeHoeHBRaTCJIhCTBO TeXHHKOTCOpeTHieCKOfl JIHTCpaTyphl, MOGKBa (1955)

4. Varga Dura: Diplomski rad, PMF, Novi Sad (1984)

5. Zegarac Slobodan: Gouy-eva metoda za merenje magnetne susceptibilnostikristala analiza odlika ove metode i prikaz prvih rezultata dobijcnih na realizovanojaparaturi (interna publikacija), Beograd (1967)

6. Irena Jafcubec: Diplomski rad, PMF, Novi Sad (1994)

7. Slobodan Caric: Nefce magnetne i kristalne osobine oksalata dvovalentnoggvozda i nikla, Novi Sad (1958)

8. B. Anti6, M. Mitri6, D. Rodi6: Structure Properties and MagneticSusceptibility of Diluted Magnetic, Semiconductor Y2.x Hox O3, Journal of Magnetismand Magnetic Materials 145 (1995)

9. EnndpaaoB BH.: OHSHKA Tsep^ora T&na, Bbicmaa IUxoaa, MocKsa(19T7).

10. Tables des constantes et do wes numeriques 7: Constantes swlectionwesdiamagnetique ct paramagnetique, Masson & die editeurs (1957)

11. Magnetochemistry, Interscience Publishers, INC, New York, IntersciencePublisher LTD, London (1956)

12. Contantes selectionnees diamagnetisme et paramagnetisme ralaxationparamagnetique, Paris (1957)

13. D. Lazar, B. Ribar, V. Divjafcovid, Cs. Meszaros: Struktura ofHexaqrochnomium (IE) Nitrate Trihydrate, Ache Cryst C47,1060-1062 (1991)

14. . D. Lazar, B. Ribar, B. Prelesnik: Redetermination of the Struktura ofHexaqrochnomium (HI) Nitrate Trihydrate, Ache Cryst C47.2282-2285 (1991)

Page 43: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

UNTVERZITET U NOVOM SADUPRIRODNO-MATEMATlCKI FAKULTET

KLJUCNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA

D REDNIBROJ:RBR

D IDENTIFIKAaONI BROJ:IBR

D TIP DOKUMENTACUE: Monografska dokumcntacijaTD

U TIP ZAPISA: Tekstualni stampani materijalTZ

D VRSTA RAD A: Diplomski radVR

D AUTOR: Jasmina Basi6 br.dos. 97/89AU

D MENTOR: Dr Agnes Kapor, PMF Novi SadMN

D NASLOVRADAI Ispitivanje nekih fizickih karakteristika tvrdih rastvoraNR izomorfnih jedinjenja hroma i ahuninijuma

D JEZIKPUBL3KACIJE:Srpski(latinica)JP

D JEZIK TZVODA: SrpskinD ZEMLJAPUBLIKOVANJA:SRJZP

D UZE GEOGRAFSKO PODRU&E: VojvodinaUGP

D GODINA: 1995GO

QlZDAVAC: Lidija BuilaIZ

Page 44: Jasmina Bašić - Ispitivanje nekih fizičkih karakteristika tvrdih

LJ MESTOIADRESA: Novi Sad, Komelija Stankovida 16MA

D FIZlCKI OPIS RAD A: 8 poglavlja, 40 strana, 7 slika, 9 tabelaFO

D NAUCNA OBLAST: FizikaNO

D NAUCNA DISCIPLINA: Strukturaa analiza kristalaND

D PREDMETNA ODREDNICA/KLJUCNE RECl: tvrdi rastvor, magnetizamPO

D UDK;

LJ CUVA SE: Biblioteka Instituta za fiziku Prirodno-matematickog fakulteta uCV Novom Sadu

D VA2NA NAPOMENA:

U IZVOD: U ovom radu su proucavani tvrdi rastvori koji su sadrzali paramagnetni/i i f* t

jon Cr i dijamagnetoi jon Al pri cemu smo ovaj materijal tretirali kaorazblazeni magnctik. Ispitivana jc zavisnost nekih fizickih parametara(gustina, susceptibilitet) u funkciji koncentracije mesanih jedinjenja.

D DATUM PRIHVATANJA TEME OD STRANE NN VE^A: 06.06.1995.DP

D DATUM ODBRANE:DO

D CLANOVI KOMISDE; Dr Agnes Kapor, rcdovni profcsor PMF, Novi SadKO Dr Bela Ribar, redovni profesor PMF, Novi Sad

Dr Dragoslav Pctrovid, redovni profesor PMF, Novi Sad