Fortgeschrittenenpraktikum. Physikalische Chemie. Versuch B3. Magnetische Suszeptibilität

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1 Fortgeschrittenenpraktikum Physikalische Chemie Wintersemester 1998/99 Versuch B3 Magnetische Suszeptibilität Durchgeführt von: Assistent: 1. Abgabe: Abgabe: Abgabe:

2 Theoretische Grundlagen 1. Materie im elektrischen und magnetischen Feld 1.1 Materie im elektrischen Feld Die Atome bestehen aus dem Z-fach positiv geladenen Atomkern und der diesen Kern umgebenden Z-fach negativ geladenen Elektronenhülle. Da beide Ladungen gleich groß sind, erscheinen uns die Atome als elektrisch neutral. Wenn die Atome in ein elektrisches Feld gebracht werden, übt dieses auf die Ladungen eine Kraft aus, die in die entgegengesetzte Richtung wirkt. Es kommt im elektrischen Feld zur Ladungstrennung, wodurch ein elektrisches Dipolmoment entsteht. Die Größe eines induzierten Dipolmoments ist proportional zur elektrischen Feldstärke. = α E (1) ind ind = Induziertes Dipolmoment E = elektrische Feldstärke Der Proportionalitätsfaktor α heißt Polarisierbarkeit. Entsprechend ihrer entstehungsweise nennt man diese Art der Polarisation Verschiebungspolarisation. Man unterscheidet zwei Fälle: 1. Das induzierte Dipolmoment entsteht durch eine Verschiebung von Elektronen ativ zu den viel schwereren positiven Kernen (Elektronenpolarisation) 2. Das induzierte Dipolmoment entsteht durch eine Verschiebung schwerer positiver Ionen ativ zu schweren negativen Ionen (Ionenpolarisation). Polare Moleküle besitzen ein permanentes Dipolmoment. In Abwesenheit eines elektrischen Feldes zeigen diese molekularen Dipolmomente eine völlig zufällige Orientierung im Raum, so daß die Vektorsumme Null ist. In Gegenwart eines elektrischen Feldes sind Orientierungen, bei denen das Dipolmoment parallel zum Feld liegt, energetisch begünstigt. Diese Art der Polarisation bezeichnet man als Orientierungspolarisation. Bei polaren Molekülen treten sowohl die Verschiebungs- als auch die Orientierungspolarisation auf. 1.2 Materie im magnetischen Feld Analog zu den beschriebenen elektrischen Eigenschaften wird die Materie auch im magnetischen Feld polarisiert: Die Größe wird als Magnetisierung M bezeichnet. Der Proportionalitätsfaktor zwischen der Magnetisierung M und der Feldstärke H ist die magnetische Suszeptibilität. M = H (2) Wie in der Elektrostatik die Größe D für die elektrische Verschiebungsdichte eingeführt wurde, wird B als magnetische Flußdichte eingeführt. Das magnetische Moment ist der Quotient aus der Flußdichte und der Feldstärke. B = (3) H 2

3 Die magnetische Flußdichte B 0 hängt mit der Feldstärke H und der Magnetisierung M über die Beziehung B 0 = ( H + M ) = 0 ( 1 + ) H (4) zusammen. 0 ist die Permeabilität im Vakuum, sie entspricht im übertragenen Sinne der Dielektrizitätskonstante ε 0. Ist >0 nimmt B, also die Dichte der Feldlinien, zu. Damit sind auch die vektoriellen Größen H und M gleichgerichtet. Der Stoff wird dann als paramagnetisch bezeichnet. Im anderen Fall, <0, sind H und M entgegengesetzt, und der Stoff wird aus dem magnetischen Feld herausgedrängt. Er wird als diamagnetisch bezeichnet. 1.3 Dia- und Paramagnetismus Das magnetische Moment ist die Folge der Kreisbewegung der Elektronen um den Kern oder um ihre eigene Achse. Setzt man die Stoffe nun plötzlich einem äußeren Feld aus, so muß in jeder dieser Kreisbahnen ein Induktionsstrom auftreten. Nach der Lenzschen Regel muß er so gerichtet sein, daß er seiner Enstehungsachse entgegenwirkt, daß er also ein Magnetfeld erzeugt, das dem verursachenden Feld entgegen gerichtet ist. Damit ist auch das induzierte magnetische Moment dem äußeren Feld entgegen gerichtet. Im Fall des Diamagnetismus ist die magnetische Suszeptibilität stets negativ. Im Gegensatz zum Diamagnetismus, der immer auftritt, ist der Paramagnetismus an das Vorhandensein eines magnetischen Moments gebunden. Er kann also nicht vorliegen, wenn der Gesamtdrehimpuls Null ist. Mit = h 2π und h = Planksche Wirkungsquantum = 6.626*10-34 Js ergibt sich: ( +1) l = h l l Bahndrehimpuls (5) ( + 1) s = h s s Spin (6) Besitzt das Elektron einen Bahndrehimpuls, so werden Bahndrehimpuls und Spin über die durch sie erzeugten Magnetfelder koppeln, d.h. es wird zu einer vektoriellen Addition zu einem Gesamtdrehimpuls kommen. r r r j = l + s (7) r j = h ( j ) j * + 1 Gesamtdrehimpuls (8) Atome, deren Gesamtdrehimpuls von Null verschieden ist, sollten ein permanentes magnetisches Moment besitzen und paramagnetisch sein. Die Suszeptibilität eines paramagnetischen Stoffes setzt sich aus dem paramagnetischen und dem diamagnetischen Teil, der immer vorhanden ist, zusammen. 3

4 + m = (9) para dia = Suszeptibilität Da die paramagnetische Suszeptibilität sehr viel größer als die diamagnetische ist ( mal so groß) wird der diamagnetische Anteil häufig vernachlässigt. Die Temperaturabhängigkeit der paramagnetischen Suszeptibilität ist nach dem Curie-Weiss schen Gesetz gegeben als: C = T θ para (10) T = Temperatur θ = Curie-Temperatur C = Curie-Konstante Der Proportionalitätsfaktor C ist die Curie-Konstante. Ihr Wert kann berechnet werden: N = (11) 3k 0 A 2 C magn N A = Avogadro-Zahl [6.022*10 23 mol -1 ] k = Boltzmann-Konstante [1.3807*10-23 JK -1 ] Das magnetische Moment paramagnetischer Stoffe läßt sich berechnen: 3kT = N A m T (12) In der Komplexchemie kann man anhand dieses Wertes eine Aussage über die Elektronenanordnung im Ligandenfeld getroffen werden. Der Paramagnetismus wächst mit der Zahl der ungepaarten Elektronen. Da jedes Elektron einen Beitrag von s=1/2 zum Gesamtspin liefert, kann die Anzahl der ungepaarten Elektronen n als S=n/2 berechnet werden. ( n + ) n = 2 2 n = (13) (14) 4

5 1.4 Aufbau der Atomhülle Zur Beschreibung der Elektronenhüllen benutzt man die Postulate von Hund und Pauli. 1. Pauli Verbot In einem Atom kann ein durch alle vier Quantenzahlen charakterisierter Zustand nur mit einem Elektron besetzt werden. Daraus folgt, daß bei der Charakterisierung eines Elektronenzustandes entweder die Hauptquantenzahl n, die Nebenquantenzahl l, die magnetische Quantenzahl m oder die Spinquantenzahl s, einen unterschiedlichen Wert haben muß. 2. Stabilitätsregeln nach Hund für den Grundzustand 2.1 Unter mehreren möglichen Elektronenanordnungen ist diejenige mit dem größten Gesamtspin am stabilsten. 2.2 Unter mehreren möglichen Elektronenanordnungen ist die mit gleichem Gesamtspin und diejenige mit dem größtmöglichen Gesamtbahndrehimpuls l am stabilsten. 2.3 Bei Unterschalen, die weniger als zur Hälfte besetzt sind, ist der Term mit dem kleinsten Wert für den Gesamtdrehimpuls j am stabilsten (reguläres Multiplett) 2.4 Bei Unterschalen, die mehr als zur Hälfte besetzt sind, ist der Term mit dem größten Wert für den Gesamtimpuls am stabilsten (inverses Multiplett) 1.5 Messung der magnetischen Suszeptibilität Die Messung der Suszeptibilität erfolgt mit der Hilfe der Faradayschen Magnetwaage, indem man mittels der scheinbaren Massenzunahme (paramagnetische Stoffe) bzw. abnahme die Kraft ermittelt, die durch eine Masse in einem inhomogenen Magnetfeld ausgeübt wird. Die Kraft wächst mit der Suszeptibilität und mit der Stärke des magnetischen Feldes. Die Kraftänderung entspricht: ν =Suszeptibilität der Probe =Suszeptibilität des verdrängten Mediums ν,1 V =verdrängtes Volumen z =Richtung, in der das Magnetfeld wirkt Üblicherweise wird nicht der Quotient H F = ( ν ν, 1) V H (15) z H z bestimmt, sondern man kalibriert die Waage auf eine Substanz mit bekannter Suszeptibilität (im Versuch: CuSO 4 *5H 2 O, 10 = 183,5 10 ). mol m 3 5

6 Dann kann die Suszeptibilität über die gemessenen Massendifferenzen bestimmt werden. Sie wird als molare Größe bestimmt, d.h. bezogen auf die Molmasse der Substanz, um sie mit Werten für andere Substanzen vergleichen zu können. Aus der obigen Gleichung erhält man durch folgende Rechnung die Versuchsgleichung: Durch Integration: F 1 H V ( ν ν l ) V H = A 2 z z =, (16) 1 F = mg = l ( ) A ( H H ) ν ν, 0 0 (17) = 2mg ν ν, l 2 2 ν,l m 0 A ( H H 0 ) ν (18) ν ν m m, l = const. (19) ν m 1 ν, l ν 2,l = Massensuszeptibilität (20) m m m 1 ν 2 Division durch die Stoffmenge n-> Molsuszeptibilität M 1 M 2 M 1 = M 2 M = m (21) n M = molare Masse n m M1 1 2 M2 (22) n2 m1 = Da nur Stoffe mit wenigstens einem ungepaarten Elektron paramagnetisch stationäre Zustände liefern, ist es möglich, aufgrund der Kraft, mit der solche Stoffe in ein inhomogenes Magnetfeld gezogen werden, auf die Anzahl der ungepaarten Elektronen geschlossen werden. Das experimentell bestimmte magnetische Moment mag wird mit den für die verschiedenen Strukturmöglichkeiten berechneten Momenten verglichen. Die Vorausberechnung ist kompliziert, ihr liegen die Überlegungen der Kopplung zugrunde. Bei zwei- und dreiwertigen Ionen der ersten Übergangsperiode ist sie noch ativ einfach, da das Bahndrehmoment vernachlässigt werden kann, so daß sich das magnetische Moment (im Bohrschen- mag 6

7 Magneton) aus den Spinmomenten der Gleichung, wobei n die Anzahl der ungepaarten Elektronen entspricht, berechnet werden. mag ( n + ) B = n 2 (23) B ist das elektrische Elementarquantum des Magnetismus. Es ist das magnetische Moment des Kreisstroms, daß ein Elektron verursacht, das auf einer Kreisbahn mit dem Bohrschen Radius mit dem geringstmöglichen Bahndrehimpuls umläuft. Für n ungepaarte Elektronen ergeben sich die Werte (in ): n ,73 2,83 3,87 4,9 5,92 [ ] mag B Da das magnetische Moment praktisch nur von der Elektronenzahl, aber nicht von der Kernladung abhängt, haben Ionen verschiedener Kernladung, aber mit gleicher Elektronenzahl gleiche magnetische Momente (Kossel scher Verschiebungssatz). B 1.7 Abschätzung der Anzahl der ungepaarten Elektronen mit der Ligandenfeldtheorie Bei der Ligandenfeldtheorie wird die Wechselwirkung der Liganden eines Komplexes mit den d-elektronen des Zentralatoms beschrieben. Die Liganden werden als punktförmige Ladungen oder Dipole angenommen. Jeder Ligand, der ein Anion oder Dipol ist, bildet um sich ein elektrisches Feld aus. Wenn in einem Komplex mehrere Liganden gebunden sind, überlagern sich deren elektrische Felder und bilden ein gemeinsames Feld aus (Ligandenfeld). Wir wollen bei der weiteren Betrachtung nur das starke Feld behandeln. Die Bezeichnung starkes Feld bedeutet, daß die Kopplung der d-elektronen untereinander durch das Ligandenfeld verhindert wird und somit fünf nicht gekoppelte und voneinander unabhängige d-orbitale vorliegen. Bei der Konzentrierung der Elektronen in einem Orbital resultiert eine Abstoßung der Elektronen, die als Spinpaarungsenergie bezeichnet wird. Wenn die Aufspaltung größer ist als die Spinpaarungsenergie, entsteht ein low-spin-komplex. Wenn die Spinpaarungsenergie größer ist als die Aufspaltung, entsteht ein high-spin-komplex. Die Aufspaltung ist abhängig von der Ladung und der Ordnungszahl des Metallions und von der Natur der Liganden. Ordnet man die Liganden nach deren Fähigkeit, d-orbitale aufzuspalten, erhält man eine Reihe, die spektrochemische Reihe genannt wird. CO,CN> en > NH 3 > H 2 O > OH - > F - > Cl - > I - Starkes F. mittleres F. schwaches F. Bei gleichen Liganden wächst die Aufspaltung mit der Hauptquantenzahl der d-orbitale der Metallionen. Eine Zunahme der Aufspaltung erfolgt auch, wenn die Ladung des Zentralions erhöht wird. 7

8 Nach der Ligandenfeldtheorie sind folgende Werte zu erwarten. 1. CuSO 4 *5H 2 O Beim Cu(II) handelt es sich um ein d 9 -System. Ihre Elektronenanordnung enthält ein ungepaartes Elektron. Der Komplex ist aufgrund des Jahn-Teller-Effekts oktaedrisch verzerrt. 2. CrCl 3 *6H 2 O Die Elektronenkonfiguration liefert bei oktaedrischer Koordination eine große Ligandenfeldstabilisierungsenergie (LFSE), es ist ein d-high-spin-komplex mit drei ungepaarten Elektronen zu erwarten. 3. K 3 Fe(CN) 6 CN ist ein starker Ligand. Er steht am Ende der spektrochemischen Reihe, in der Liganden nach zunehmender LFSE geordnet sind. Gegenüber anderen Liganden (wie z.b. Halogeniden) kann CN eine Rückbindung vom Metall bilden.: Me = C = N < > Me C = N. Die leeren Orbitale werden vom Metall durch die Rückbindung aufgefüllt. Es ist ein oktaedrischer d- low-spin-komplex zu erwarten mit einem ungepaarten Elektron. 4. Fe(NO 3 ) 3 *9H 2 O Auch hier liegt Fe(III) vor. Allerdings ist Nitrat ein schwacher Ligand, so daß vermutlich ein oktaedrischer high-spin-komplex mit fünf ungepaarten Elektronen bildet. 5. NiC l 2 *6H 2 O Ni(II)-Komplexe sind in der Regel oktaedrisch. In diesem Fall ist ein d-high-spin-komplex mit zwei ungepaarten Elektronen zu erwarten. 8

9 2. Versuchsaufbau 2.1. Versuchsbeschreibung Abb.1 Aufbau der magnetischen Waage, G=Waage, S und N sind die Pole des Magneten, P=Probe, z=richtung der resultierenden Kraft. Mit einem Elektromagneten wird ein inhomogenes Magnetfeld zwischen den Polschuhen erzeugt. Zwischen den beiden Polen befindet sich das Probenrohr mit der zu bestimmenden Probe. Da das Magnetfeld in einer Richtung (z-richtung; siehe Abb.1) inhomogen ist, wird eine Kraft auf das Volumenelement V in z-richtung ausgeübt. In einem homogenen Magnetfeld erfährt ein magnetischer Dipol zwar ein Drehmoment aber keine Gesamtkraft Versuchsdurchführung Zunächst wird eine Meßreihe mit leerem Probenglasrohr durchgeführt, um den Betrag der magnetische Suszeptibilität des Probenglasrohrs zu bestimmen, wobei die Waageanzeige bei 0, 4, 8, 12, 16, 19, 16, 12, 8, 4, 0 A (aus den verschiedenen Stromstärken resultiert ein unterschiedlich starkes Magnetfeld) notiert wird. Nach der Messung wurde die Bestimmung des Leergewichts in der selben Weise wiederholt, um zu überprüfen, ob der Nullwert sich verändert hat. Aus den erhaltenen Werten wurde der Mittelwert gebildet. Es wurde jeweils die zu untersuchende Probe in das Probenrohr gefüllt und ebenfalls die Waageanzeige bei den oben genannten Werten notiert. Jede Probe viermal durchgemessen und aus den erhaltenen Werten wurde ebenfalls der Mittelwert gebildet. Die Kräfte die auf die Probe eingewirkt haben, ergaben sich aus der Differenz der Kräfte auf das gefüllte Probenrohr bei einer bestimmten Stromstärke und bei I=0. Die so erhaltenen Werte wurden um die in der Leermessung erhaltenen Werte korrigiert. Es wurden folgende Salze NiCl 2 *6H 2 O, CrCl 3 *6H 2 O, Fe(NO 3 ) 3 *9H 2 O und K3Fe(CN) 6 untersucht. 9

10 3. Auswertung 3.1 Berechnung der magnetischen Suszeptibilität Zunächst werden die Massendifferenzen der scheinbaren Massenänderung bei angelegtem Feld und ohne Feld aus der Folgenden Gleichung bestimmt. ( xa) m( A) m = m 0 (24) Tab.1: Massendifferenz [ g ] verschiedener Substanzen im Magnetfeld bei verschiedenen Stromstärken Stromstärke 4 [A] 8 [A] 12 [A] 16 [A] 19 [A] CuSO 4 *5H 2 O CrCl 3 *6H 2 O NiCl 2 *6H 2 O Fe(NO 3 )*9H 2 O K 3 (Fe(CN) 6 ) Die so erhaltenen Massen müssen noch um den diamagnetischen Anteil des Probegefäßes vermindert werden. Tab.2: Massendifferenzen [ g ] des leeren Kolbens bei verschiedenen Stromstärken Stromstärke 4 [A] 8 [A] 12 [A] 16 [A] 19 [A] Tab.3: Effektive Massendifferenz [ g ] im Magnetfeld bei verschiedenen Stromstärken Stromstärke 4 [A] 8 [A] 12 [A] 16 [A] 19 [A] CuSO 4 *5H 2 O CrCl 3 *6H 2 O NiCl 2 *6H 2 O Fe(NO 3 )*9H 2 O K 3 (Fe(CN) 6 )

11 Berechnung der Stoffmenge: m( x) n ( x) = (25) M ( x) n=stoffmenge, m=masse, M=Molare Masse Tab.4: Stoffmengenberechnung Einwaage [mg] Molmasse [g/mol] Stoffmenge [mol] CuSO 4 *5H 2 O 15,8 249,68 6,33*10-5 CrCl 3 *6H 2 O 11,8 266,36 4,43*10-5 NiCl 2 *6H 2 O 11,5 237,71 4,84*10-5 Fe(NO 3 )*9H 2 O 16,1 403,97 3,99*10-5 K 3 (Fe(CN) 6 ) 15,7 329,26 4,77*10-5 Mit dem Literaturwert für Kupfersulfat Molsuszeptibilitäten berechnet werden m m = 183,5*10 können die anderen mol n m M1 1 2 M 2 (26) n2 m1 = Tab.5: Molsuszeptibilität [1*10-10 m 3 /mol] Substanz 4 [A] 8 [A] 12 [A] 16 [A] 19 [A] CuSO 4 *5H 2 O 183,5 183,5 183,5 183,5 183,5 183,5 CrCl 3 *6H 2 O 707,4 638,6 650,9 625,7 625,6 649,6 NiCl 2 *6H 2 O 674,0 658,8 672,8 699,1 698,4 680,6 Fe(NO 3 )*9H 2 O 1699,9 1842,5 1942,7 1966,4 1401,6 1770,6 K 3 (Fe(CN) 6 ) 346,7 399,3 413,0 341,0 415,8 383,1 Die so erhaltenen Werte für die Suszeptibilität werden für jeweils gleiche Substanzen gemittelt ( ). Dieser Schritt ist mit folgender Überlegung zu begründen: Die experimentell bestimmten Werte müßten eigentlich konstantes Verhalten bei verschiedenen Stromstärke zeigen wie die Eichsubstanz. Das ist damit zu begründen, daß sich die Massenänderung der Eichsubstanz proportional zu der Massenänderung der Meßsubstanz verhält. Da in der Rechnung dann das Verhältnis dieser Änderung gebildet wird, wäre Konstanz innerhalb einer Zeile zu erwarten. 11

12 3.2 Berechnung der Anzahl der ungepaarten Elektronen Bei Bildung eines Komplexes spalten sich die d-energieniveaus des Zentralatoms auf. Je nach Größe der Ligandenfeldaufspaltung kommt es dann zu high-spin- oder low-spin-anordnung der Elektronen. Also ist für die Anzahl der ungepaarten Elektronen nur das magnetische Moment, genauer die magnetische Suszeptibilität, des Zentralatoms entscheidend. Deshalb wird die in Teil 1 der Auswertung berechnete Gesamtsuszeptibilität der Substanz um den Betrag der Suszeptibilität der Liganden korrigiert. Tab.5: Anteil des Zentralatoms an der Molsuszeptibilität Substanz 3 10 m M 1,0*10 mol CuSO 4 *5H 2 O 191,65 CrCl 3 *6H 2 O 514,14 K 3 [Fe(CN) 6 ] 250,32 Fe(NO 3 ) 3 *9H 2 O 1791,75 NiCl 2 *6H 2 O 534,35 Mit diesen Werten kann nun das ative magnetische Moment berechnet werden. Das Verhältnis zwischen dem magnetischen Moment und dem Bohrschen Magneton gibt diesen Wert an. Das ative magnetische Moment ist also dimensionslos und gibt das Vielfache des Bohrschen Magnetons an, um daß das magnetische Moment größer als der mögliche Minimalbetrag ist. = Anzahl der Bohrschen Magnetone M 3RT = 2 0 N A (27) B J R = 8, 3144 mol K 23 1 N A = 6, mol 24 J B = 9, T 7 m kg 0 = 4π s A Durch Einsetzen der Werte vereinfacht sich die Gleichung (28) =, T 12

13 Tab.7: atives magnetisches Moment Substanz CuSO 4 *5H 2 O 1,8596 CrCl 3 *6H 2 O 3,4989 K 3 [Fe(CN) 6 ] 2,6870 Fe(NO 3 ) 3 *9H 2 O 5,7766 NiCl 2 *6H 2 O 3,5814 Durch Einsetzen von Elektronen: in die folgende Gleichung, erhält man die Anzahl der ungepaarten 2 n (29) = Tab.8: Anzahl der ungepaarten Elektronen Substanz n CuSO 4 *5H 2 O 1 CrCl 3 *6H 2 O 3 K 3 [Fe(CN) 6 ] 2 Fe(NO 3 ) 3 *9H 2 O 5 NiCl 2 *6H 2 O 3 13

14 4. Fehlerrechnung Bestimmung der Fehlergrenzen: Waage: m = 0, 0001g 4.1 Fehler der Stoffmenge mi n = i ni (30) mi Tab.9: Fehler der Stoffmenge Substanz [mol]*10-7 n i CuSO 4 *5H 2 O 4,01 CrCl 3 *6H 2 O 3,75 K 3 [Fe(CN) 6 ] 3,04 Fe(NO 3 ) 3 *9H 2 O 2,48 NiCl 2 *6H 2 O 4, Fehler der magnetischen Suszeptibilität ( m ) = + ( m ) i CuSO n n 4 i CuSO4 + + M M (31) mi mcuso n 4 i ncuso4 Tab.10: Fehler der magnetischen Suszeptibilität Substanz CrCl 3 *6H 2 O 27,95 K 3 [Fe(CN) 6 ] 51,55 Fe(NO 3 ) 3 *9H 2 O 55,80 NiCl 2 *6H 2 O 52,80 m m mol 14

15 4.3 Fehler für die Anzahl der Bohrschen Magnetone Bestimmung der Fehlergrenzen: Thermometer T = 1K Die Raumtemperatur betrug 296,15 K. 1 T M = + 2 M T (32) Tab.11: Fehler für die Anzahl der Bohrschen Magnetone Substanz CrCl 3 *6H 2 O 3 K 3 [Fe(CN) 6 ] 2 Fe(NO 3 ) 3 *9H 2 O 5 NiCl 2 *6H 2 O 3 5. Darstellung der Ergebnisse 5.1 Molare Suszeptibilität Substanz Experimentell 3 10 m m 1 10 mol m Literatur 1/ CrCl 3 *6H 2 O 650 ± K 3 [Fe(CN) 6 ] 380 ± Fe(NO 3 ) 3 *9H 2 O 1770 ± NiCl 2 *6H 2 O 681 ± m mol 5.2 Anzahl der ungepaarten Elektronen Substanz ( exp ) ( exp ) n (Lit.3) n (Lit.3) CrCl 3 *6H 2 O 3,5 ± 0,1 2 3,87 3 K 3 [Fe(CN) 6 ] 2,7 ± 0,2 1 1,73 1 Fe(NO 3 ) 3 *9H 2 O 5,8 ± 0,1 5 5,92 5 NiCl 2 *6H 2 O 3,6 ± 0,2 2 2,

16 6. Diskussion der Ergebnisse Es könne folgende Fehler vorliegen: a.) b.) c.) d.) Fehler beim Einhängen der Probe in die Apperatur Fehler bei der Einwaage der Substanzproben Temperaturschwankungen Hygroskopie der Analysensubstanzen ad a.) Die Analysensubstanz wird in einem Behälter aus Gals, an dem ein Draht für die Aufhängung befestigt ist, in der Apparatur zwischen den beiden Polschuhen aufgehängt. Bei einer zu tiefen Lage des Glasbehälters, befindet sich dieser nicht in dem geforderten Einfluß des inhomogenen Magnetfeldes. Dadurch kommt es zu einem Meßfehler, in deren Folge es zu einem niedrigeren Meßwert führt. ad b.) Bei der verwendeten Waage handelte es sich um eine halbautomatische handelsübliche Analysenwaage. Einen Fehler von 1 mg bei der Ablesung der Einwaage würde zu einem Fehler bei der Bestimmung von ca. ± 10% führen. ad c.) Eine Temperaturschwankung als mögliche Fehlerquelle ist auszuschließen, da die Temperatur bei der Berechnung des ativen magnetischen Moment, sich nur um den Faktor von ca. 1,0017 (=0,17%) pro 1 K bemerkbar machen würde. ad d.) Da die verwendeten Substanzen allesamt mehr oder weniger hygroskopisch sind, kann von einem gewissen Anteil von Wasser, außer dem Kristallwasser, ausgegangen werden. Befinden sich weitere Wassermoleküle am Zentralatom, so vergrößert sich der Anteil der Suszeptibilität für die Liganden. Im Gegensatz dazu verringert sich bei der Berechnung der Anteil der molaren Suszeptibilität des Zentralatoms. Abschließend kann bemerkt werden, daß die Methode von Faradey eigentlich eine gute Möglichkeit zur Bestimmung der magnetischen Suszeptibilität ist. Die erhaltenen Ergebnisse stimmen in den Größen mit den Literaturdaten überein, jedoch streuen sie aufgrund des diskutierten Fehlers so weit, daß eine exakte Aussage über die Brauchbarkeit der Methode nicht gemacht werden kann. Um dies zu korrigieren müßte der Versuch unter Umständen wiederholt werden, unter den Aspekten wie Verwendung von hochreinen trockenen Substanzen sowie eine bessere Koordination der Versuchsdurchführung. 16

17 7. Literatur 1 Röth, E.P.: Versuchsanleitung Praktikum PC II, Essen Weast/Astle/Beyer: Handbook of Chemistry and Physics, 61 Aufl Holleman, Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, Walter de Gruyter, Atkins, Peter W.: Physikalische Chemie, Weinheim 1990, VCH-Verlag 17