Для связи в whatsapp +905441085890

Дипломная работа на тему: магнитная восприимчивость

У вас нет времени на дипломную работу или вам не удаётся написать дипломную работу? Напишите мне в whatsapp — согласуем сроки и я вам помогу!

В статье «Как научиться правильно писать дипломную работу», я написала о правилах и советах написания лучших дипломных работ, прочитайте пожалуйста.

Собрала для вас похожие темы дипломных работ, посмотрите, почитайте:

  1. Дипломная работа на тему: учет расчетов с персоналом по оплате труда
  2. Дипломная работа на тему: библиотека
  3. Дипломная работа на тему: отчисления во внебюджетные фонды
  4. Дипломная работа на тему: сахарный диабет практическая часть
Дипломная работа на тему: магнитная восприимчивость

Дипломная работа на тему: магнитная восприимчивость

Введение

Видео и аудиокассеты стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. С их помощью вы можете послушать или записать песню, посмотреть любимый фильм. Но не все задумывались над вопросом: «Из чего сделана кассета с магнитной лентой»?

Носителем звука и изображения в нем является оксид железа (III), точнее, его магнитная модификация — g-Fe2O3 (магнетит, оксимагнетит). Этот оксид имеет довольно интересную структуру, которая определяет его ценные магнитные свойства.

Не менее интересен еще один оксид железа — Fe3O4 (магнетит). Она имеет аналогичную кристаллическую решетку с g-Fe2O3, а также магнитную. Однако магнитные свойства магнетита, в силу его слабости, не нашли практического применения, но этот оксид имел большое значение при изучении магнетизма других соединений.

В литературе r-Fe2O3 и Fe3O4 упоминаются достаточно часто, но, к сожалению, нет ни одного источника, где можно было бы найти полное описание этих соединений. Поэтому целью данной работы является систематизация найденной информации о структуре магнитных оксидов железа, о способах их приготовления и о возможных способах их применения.

Структура магнитных оксидов железа

Главной особенностью магнитных оксидов железа является то, что они имеют шпинелевую структуру. Шпинель — это система твердых растворов с общей формулой AM2O4, где А обозначает Mg2+, Zn2+, Mn2+, Fe2+, Ni2+, Co2+.

M — Mn3+, Fe3+, V3+, Cr3+.

Шпинели кристаллизуются в основном в октаэдрические кристаллы. Единая ячейка состоит из 32 анионов O2, образующих плотную кубическую упаковку с 64 четырехгранными (катионы занимают 8) и 32 октаэдрическими (катионы занимают 16) полостями. [1, v. 5, p. 398]. Структура шпинели показана на рисунках 1 и 2.

Шпинели различаются по типу распределения катионов в тетраэдрических позициях

— нормальный (8 тетраэдров, занятых катионами A2+, 16 октаэдров, занятых катионами M3+);

— инвертированы (8 тетраэдров, занятых катионами М3+, 16 октаэдров, занятых 8 катионами А2+ и 8 катионами М3+, а катионы А2+ и М3+ могут быть статистически и упорядоченно распределены в октаэдрических полостях);

— Промежуточный.

Магнитные оксиды железа g-Fe2O3 и Fe3O4 имеют структуру перевернутой шпинели.

Формула для смешанного оксида железа (II, III) может быть представлена следующим образом: Fe3+(Fe2+Fe3+) O2-4. В кристаллической решетке Fe3O4 половина катионов Fe3+ занимает четырехгранные полости в кубической плотной упаковке анионов O2, а равное количество катионов Fe2+ и Fe3+ (8 из них и 8 других) находится в октаэдрических полостях. Высокая электронная проводимость, например, Fe3O4 по сравнению с оксидом Mn3O4 (искаженная нормальная структура шпинели) обусловлена постоянным электронным обменом между ионами Fe2+ и Fe3+, расположенными в октаэдрическом положении. [2, с. 260].

Структура гамма-модификации оксида железа(III) отличается от рассмотренной выше из-за наличия вакансий в r-Fe2O3. Распределение ионов может быть представлено следующим образом: (V1/3Fe3+2/3) O2-MFe3+2O2-3, где V — вакансия катиона.

В литературе также есть информация о том, что чистый g-Fe2O3 имеет тетрагональную решетку, а структура Fe3+24O2-64M(Fe3+40V8) O2-32 является единичной ячейкой шпинели. Переход от тетрагональной к кубической структуре связан с появлением примесей, обычно H+ или Fe2+, в g-Fe2O3.

Таким образом, структуры r-Fe2O3 и Fe3O4 имеют много общих черт. В кубической ячейке единицы этих оксидов (кубическая плотная упаковка) находятся 32 атома кислорода и следующее число катионов.

Fe3O4: 8 ионов Fe3+ в четырехгранном положении, 8 ионов Fe2+ + 8 ионов Fe3+ в восьмигранном положении.

r-Fe2O3: Ионы Fe3+ статистически расположены в 8 четырехгранных и 16 октаэдрических позициях.

16 октаэдрических позиций.

Теперь становится понятно, почему r-Fe2O3 и Fe3O4 легко конвертируются друг в друга. При тщательном окислении Fe3O4 можно получить g-Fe2O3, который при нагревании в вакууме до 250 °С преобразуется обратно в Fe3O4.

Магнитные свойства

В зависимости от их поведения в магнитном поле различают диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные вещества. Мерой измерения магнитных свойств веществ является магнитная восприимчивость, которая определяется восприимчивостью к магнитным силовым линиям. Вещества с отрицательной восприимчивостью, то есть те, которые обладают большим сопротивлением к линиям магнитного поля, чем пустое пространство, называются диамагнитными; вещества с положительной восприимчивостью (то есть те, которые являются хорошими проводниками линий магнитного поля) называются парамагнитными. Расположенные между полюсами сильного магнита, первые ориентированы перпендикулярно, вторые — вдоль линий магнитного поля (см. рис. 3). Вещества с особенно высокой восприимчивостью называются ферромагнитными.

В ферромагнетах (веществах, обладающих ферромагнетизмом), небольшие части структуры: домены. Магнитные моменты доменов могут быть расположены как параллельно, так и антипараллельно.

При параллельном расположении материал обладает ферромагнитными свойствами (например, Fe); полная компенсация магнитных моментов доменов приводит к образованию антиферромагнита, а частичная компенсация — ферромагнитных материалов (см. рис. 4). К последним относятся ферриты со шпинелевой структурой, к которым относятся оксиды железа r-Fe2O3 и Fe3O4, рассмотренные в данной работе. Структуру феррита можно рассматривать как две подрешетки (A и B), одна из которых состоит из тетраэдрических положений, а другая — из октаэдрических. Магнитные моменты атомов в подрешетке A взаимодействуют антиферромагнитным способом с моментами атомов в подрешетке B. Таким образом, все атомы A параллельны друг другу, точно так же, как и все атомы B параллельны друг другу. Когда импульс атомов А равен импульсу атомов В, намагниченность компенсируется, и вещество становится антиферромагнитным. Когда один из моментов превышает другой (как в случае с Fe2O3 и Fe3O4), возникающее намагничивание не компенсируется, и такое вещество является ферромагнитным.

Ферримагнитный, как и ферромагнитный, намагничивается во внешнем магнитном поле, имеет доменную структуру, имеет остаточную намагниченность и при определенной температуре переходит в парамагнитное состояние.

Восстановление g-Fe2O3 и Fe3O4

Прямое окисление железа может привести к образованию смеси оксидов различного состава. Синтез r-Fe2O3 и Fe3O4 осложняется определенными условиями, например, температурой

Подготовка g-Fe2O3:

1) В лабораторных условиях удобно получать g-Fe2O3 путем кальцинирования g-FeO(OH) при 250 °С (возможность получения магнитного оксида этим методом проверена на практике, отчет о проведенных работах представлен на стр. 11-12).

В свою очередь, g-FeO(OH) можно получить несколькими способами:

1. 2FeCl2?4H2O+(CH2)6N4+2H2O 2Fe(OH)2+4NH4Cl+6 (CH2O).

Fe(OH)2+NaNO2+HCl dFeO(OH)+NO+NaCl+H2O

К 0.1М раствору FeCl2 был добавлен 2М раствор (CH2) N4. К полученной смеси добавляется 1М раствор NaNO2 при постоянном перемешивании и температуре около 60 °C. Решение оставляется на 3 часа, время от времени перемешивая. В результате образуется осадок g-FeO(OH).

Вместо FeCl2?4H2O, FeSO4?7H2O можно синтезировать по той же схеме.

Осаждением из 30 мл раствора 0.1M FeCl2 с 0.1M водной суспензией Ba(OH)2 и медленным окислением атмосферным кислородом (6 часов) при комнатной температуре.

По осадкам из щелочного раствора 5-10 г. FeCl2 с 0.1M раствором KIO3 и 0.1M раствором Na2S2O8.

2) Метод получения наночастиц g-Fe2O3 марганца(3+) допингом описан в. Установлено, что допинг 8,5% марганца (3+) аморфных наночастиц Fe2O3 при 500 °С в течение 3 часов приводит к образованию g-Fe2O3 (кубическая фаза). Допинг подавляет переход от g-Fe2O3 к b-Fe2O3, поскольку Mn (3+) имеет кубическую шпинелевую фазу, и поэтому допинг Fe2O3 с марганцем (3+) увеличивает энергию активации перехода к гексагональной b-фазе.

3) В, метод для приготовления g-Fe2O3 из железа (2+) карбоксилат гидразинат: FeC4H2O4?2N2H4, FeC4H4O4?2N2H4, FeC4H2O5?2N2H4, FeC3H2O4?1.5N2H4?H2O, FeC4H4O6?N2H4? Соединения разлагаются автокаталитически в основном до g-Fe2O3. Гидразин, образующийся при нагревании, реагирует с атмосферным кислородом: N2H4+O2 N2+H2O выделяет тепло, что способствует окислительному разложению обезвоженного комплекса до g-Fe2O3.

Подготовка Fe3O4:

1) 3Fe2O3+H2 2Fe3O4+H2O.

Мелкодисперсный порошок Fe2O3 помещается в большую лодку и нагревается до 400 °C в потоке азота. Затем азот заменяется водородом, насыщенным водяным паром при 50 °C. Порты, используемые для насыщения водорода водяным паром, хранятся как можно короче, чтобы предотвратить охлаждение реакционного объема. В конце восстановления, когда не видно следов красного Fe2O3, трубка охлаждается в потоке азота. Для преобразования ~10 г. Fe2O3 до Fe3O4 занимает ~ 5 часов.

2) 4Fe2O3+Fe 3Fe3O4

Магнитный химический оксид железа

Точный образец чистого порошкообразного оксида железа(III) сначала восстанавливается до железа в потоке водорода при 500-600 °C. Затем на аналитический баланс взвешивают 5,585 г свежеприведенного железа и 63,880 г оксида (III), прокаленного при 400-500 °С.

Из часового стакана исходные вещества количественно переносятся на фарфоровый раствор, увлажняются несколькими каплями спирта, тщательно пропитываются до полностью однородной смеси и прессуются. Приготовленные таблетки помещают на фарфоровую лодку в фарфоровую трубку и обжаривают при температуре 1200-1250 °С в течение 2-3 часов в атмосфере раскисленного аргона или азота. Оксид получается с незначительным (менее 1%) количеством пор. Для получения практически свободных от пор образцов обжиг следует проводить при температуре 1350-1400°С. Осеянные образцы имеют черный цвет и обладают магнитными свойствами. [7, с. 131].

3) Оксид можно получить путем осаждения щелочью смеси растворов солей Fe2+ и Fe3+:

FeSO4+Fe2(SO4)3+8KOH Fe3O4+4K2SO4+4H2O

Раствор 25 г FeSO4?7H2O и 25 г Fe2(SO4)3?9H2O в 500 мл воды заливают в 1 л кипящего 5%-ного KOH-раствора. Осадок быстро промывается путем декантации горячей водой, всасывается через воронку Бюхнера, выдавливается и высушивается в атмосфере водорода поверх кальцинированного CaCl2 или концентрированного H2SO4.

Состав полученного вещества приблизительно соответствует формуле гидрата Fe3O4?2H2O.

В описаны исследования по получению наночастиц магнетита описанным выше методом. Установлено, что размер и магнитные свойства частиц Fe3O4 могут эффективно регулироваться условиями производства. Наночастицы Fe3O4 с наибольшим магнетизмом получаются при оптимальных условиях n(Fe2+):n(Fe3+)=5.5:1; время старения 2 ч; температура старения 50 °С.

Применение r-Fe2O3 и Fe3O4

Высокие магнитные свойства r-Fe2O3 привели к его использованию в производстве различных магнитных материалов, в том числе материалов для магнитных элементов хранения. Как уже упоминалось ранее, r-Fe2O3 служит носителем звука и изображения на магнитных лентах.

Магнитные свойства Fe3O4 не нашли практического применения из-за его слабости. Однако при изучении ферритов большое значение имел магнетит, так как он встречается как минерал и обладает магнитными свойствами, что, естественно, способствовало изучению природы магнетизма и электропроводности ферритов в целом.

Более того, шпинелевая структура вызывает высокую электропроводность Fe3O4. Поэтому смешанный оксид железа (II, III) используется как электрод при электролизе хлоридов щелочных металлов и как компонент активной массы щелочных батарей.

Магнетит также может быть использован в «прямом» производстве железа за счет использования железорудных «окатышей». Для производства окатышей железная руда (например, Fe3O4) измельчается, подвергается магнитной сепарации, а затем спекается с относительно небольшим количеством кокса (в огромных вращающихся печах). При этом достигается большая экономия кокса по сравнению с доменным производством. Затем железорудные окатыши подвергаются действию газообразных восстановителей: природного газа (в основном метана), водяного газа (CO + H2) и водорода. Например: Fe3O4+CH4=3Fe+CO2+2H2O. Восстановленные гранулы переплавляются в электрических печах. В обход чугуна, товарный чугун получается сразу же.

Экспериментальная процедура

Синтез g-Fe2O3

1. синтез g-FeO(OH) по Брауэру

Синтез g-FeO(OH) основан на течении реакций:

FeSO4?7H2O+(CH2)6N4+3H2O 2Fe(OH)2+4 (NH4)2SO4+6 (CH2O)

2Fe(OH)2+2NaNO2+H2SO4 2г-FeO(OH)+2NO+Na2SO4+2H2O

При постоянном перемешивании 90 мл отфильтрованного раствора гексаметилэлантропина (уротропина) 2M было добавлено к 435 мл отфильтрованного 0,2M раствора FeSO4. (CH2)6N4 использовался как мягкая основа. Голубовато-зеленый осадок осажденного Fe(OH)2. Затем 88 мл 1М раствора NaNO2 добавляли при постоянном перемешивании и нагревали до 60 °С. Смесь оставляли на 3 часа, постоянно перемешивая и выдерживая температуру выше указанной. Большое количество NO было выпущено, и цвет системы постепенно сменился с темно-коричневого на красновато-коричневый. В результате процесса окисления образовался g-FeO(OH). Осевший раствор был слит из осадка, который был тщательно промыт дистиллированной водой. g-FeO(OH) высушивали в сушильном шкафу при температуре 60°С.

2. приготовление g-Fe2O3 путем кальцинирования g-FeO(OH)

2g-FeO(OH) g-Fe2O3+H2O

Обезвоживание g-FeO(OH) проводилось при температуре 200-225 °C в течение 2,5 часов. В результате получен красновато-коричневый порошок g-Fe2O3, состоящий примерно из 90% массы g-FeO(OH).

Проведена качественная реакция на наличие ионов Fe2+ и Fe3+:

— Качественная реакция на ионы Fe2+ (с красной солью крови):

Fe2++K3[Fe(CN)6] KFe [Fe(CN)6]

турбулинская синь

дал отрицательный результат

— Качественная реакция на ионы Fe3+ с желтой солью крови:

Fe3++K4[Fe(CN)6] KFe [Fe(CN)6]

берлинская лазурь

В результате, система посинела.

— Качественная реакция на ионы Fe3+ с роданидом калия:

Fe3++6NCS — [Fe(NCS)6]3-.

В результате, система была окрашена в красный цвет.

Качественные реакции подтвердили, что полученное вещество содержит ионы Fe3+, но не содержит ионов Fe2+. В то же время он притягивается к магниту, то есть обладает ферромагнитными свойствами.

Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что полученный магнитный оксид железа(III) — g-Fe2O3.

Заключение

Таким образом, в работе рассмотрены особенности структуры и магнитных свойств g-Fe2O3 и Fe3O4. Также приведены текущие применения оксидов.

В работе особое внимание уделяется извлечению магнитных оксидов железа, так как эти вещества незаменимы для нужд населения и промышленности.

Список литературы

Химическая энциклопедия: в 5 томах. — М.: Великая русская энциклопедия.

Т. 1 — 1998. — 624 с.

Т. 5 — 1998 — 630 с.

2. Уэллс, А.Ф. Структурная неорганическая химия. В 3-х томах. Т. 2 / Пер. Переведено с английского В.А. Долгих и др.; под редакцией М.А. Пораи-Кошица. — М.: Мир, 1987. — 696 с.

Летюк Л.М. Химия и технология ферритов: Учебник для студентов / Л.М. Летюк. Университеты / Л.М. Летюк, Г.И. Журавлев. — Ленинград: Химия, 1983 г. — 256 с.

4. Реми, Джи. Курс неорганической химии. Через 2 тома Том 2/ Переведено с немецкого: А.И. Григорьев и др.; Под редакцией А.В. Новоселова. — М.: Мир, 1974. — 775 с.

5. структурная неорганическая химия / М. Сиенко, Р. Плоскость, Р. Хестер; Пер. Дяткина. — М.: Мир, 1968. — 344 с.

6. руководство по неорганическому синтезу. В 6 томах. Эд. Г. Брауэр. — М.: Мир, 1985. — Т. 5/ Переведено с немецкого. Эд. Н.А. Добрынина и др. — 360 с.

7/ Руководство по неорганическому синтезу: учебник для студентов-химиков / И.Г. Горичев, Б.Е. Зайцев, Н.А. Киприянов и др. — 3-е издание, переработанное и дополненное — М.: Химия, 1997. — 320 с.

8. легирование наночастиц g-Fe2O3 Mn(III) подавляет переход к структуре b-Fe2O3 // Хим. док. 2003. 125, №38, с. 4918-4928 (RZHH. 2004-11B3.129).

9. Ран К.С., Веренкарь В.М. Синтез сорта феррита g-Fe2O3 // С. Старший. Мэтр. Учен. 2001. 24, №1, с. 39-45. (RJX 2002-08V.128).

10. Карякин, Ю.В., Ангелов, И.И. Чистые химические вещества. 4-е издание, редакция и дополнение — М.: Химия, 1974. — 408 с.

11. восстановление и изучение наноразмерных частиц Fe3O4 с сильным магнетизмом / Гуо Кань Сюн, Дуань Сюэ, Чжан Ми-линь // Тонкая химия. 2002. 19, №12, с. 707-710. (RJX 2003-10B2.625).

12. спицын, В.И., Мартыненко, Л.И. Неорганическая химия. Через 2 часа Т. 2: Учебник. — М.: Пресса МГУ, 1991.

13. Некрасов Б.В. Основы общей химии. Т. 2-е — М.: Химия, 1973 г. — 688 с.

14. Ормонт, Б.Ф. Структуры неорганических веществ. — Москва — Ленинград: Государственное издательство технической и теоретической литературы, 1950 г. — 968 с.

15. Семенов И.Н. Химия: учебное пособие для студентов технических и химико-технологических специальностей / И.И. Семенов, И.Л. Перфилова. — Санкт-Петербург: Издательский дом «Химия», 2000 г. — 656 с.

16. Карлин Р.Л. Магнитохимия / Переведено с английского С.С. Соболевым, Г.Н. Лапушкиным; под редакцией В.В. Зеленцова. — М.: Мир, 1989г. — 400 с.

17. Смит, А. Введение в неорганическую химию. Том 2: Учебник для старшей школы / под ред. — 3-е изд. — Москва — Ленинград: СНТИ, 1931г. — 512 с.