科教融合科研训练实验设计：晶体场理论下的钇铁石榴石热致变色

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.250289

摘要/Abstract

摘要：

晶体场理论是理解和研究过渡金属化合物丰富的物理化学性质的重要基础，其教学内容偏重于对配位结构和原子轨道的阐述，内容较为抽象，为此，提出一种科教融合的科研训练实验，结合热诱导的晶格变化与直观的视觉冲击，引导学生从无机材料的热致变色现象去分析晶体场，加深学生对理论本质的认识，促进其对无机化学知识框架的构建。利用溶胶-凝胶法制备石榴石结构氧化物Y₃Fe₅O₁₂纳米粉末，分别用扫描电子显微镜（SEM）、变温X射线粉末衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和变温紫外可见吸收光谱（UV-Vis）对样品进行表征，结合对预置图案中可逆热致变色现象的趣味性观测和定量化分析，建立温度与晶胞参数的依赖关系，明晰结构调变对d-d跃迁和电荷转移的影响，进而总结其不同温度下呈现特定颜色的内部机制，形成对晶体场理论及相关概念更加系统具象化的认识，帮助学生深入融会结构决定性质的这一化学核心理念。与已有变色实验设计相比，创新在于用晶格膨胀动态地呈现可逆热致变色现象，选用的石榴石模型兼具四面体和八面体结构发色基团且变色机制同时包含d-d跃迁和电荷转移，此外，将变色颜料嵌入陶瓷具有测温、示温等应用前景，学以致用，乐教乐学，可激发学生的探索热情和创新潜力。

关键词: 晶体场理论, 热致变色, 电荷转移, d-d跃迁, 石榴石结构

Abstract:

Crystal field theory serves as an important foundation for understanding and investigating the rich physicochemical properties of transition metal compounds. Its teaching content often focuses on the explanation of coordination structures and atomic orbitals， which tends to be highly abstract. Here， a scientific research training experimental integrating science and education is proposed， it combines the heat induced lattice changes and intuitive visual impact， guiding students to analyze the crystal field from the thermochromic phenomenon of inorganic materials， deepening their understanding of the theoretical essence and promoting the construction of their inorganic chemistry knowledge framework. Y₃Fe₅O₁₂ nanopowder with a garnet structure was synthesized via the sol-gel method， and then characterized by using scanning electron microscopy （SEM）， variable-temperature X-ray powder diffraction （XRD）， X-ray photoelectron spectroscopy （XPS） and ultraviolet-visible absorption spectroscopy （UV-Vis）. Combined with the interesting observation and quantitative analysis of reversible thermochromic phenomena in pre-patterned ceramic plate， the temperature dependence of the unit cell parameters was established and further elucidated how structural modulation affects d-d transitions and charge transfer， thereby summarizing the generation mechanism of the specific colors presented at different temperatures. This process fosters a more systematic and concrete understanding of crystal field theory and related concepts， ultimately enabling students to deeply internalize the core chemical principle of “structure determines properties”. Compared with existing color-display experiments， the innovation lies in dynamically presenting the reversible thermochromism through lattice expansion， the selected garnet model has both tetrahedral and octahedral structural units， and its color-changing mechanism involves both d-d transitions and charge transfer. Moreover， embedding the thermochromic pigment in ceramics has application prospects such as temperature measurement and indication. This approach of “applying learning to practice” aims to enhance teaching and learning enjoyment， potentially stimulating students' innovative potential and enthusiasm for exploration.

Key words: Crystal field theory, Thermochromism, Charge transfer, d-d transitions, Garnet structure

中图分类号:

O614.8

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图/表 8

图1 溶胶-凝胶法合成钇铁石榴石Y3Fe5O12的流程示意图

Fig.1 Schematic diagram of synthesizing yttrium iron garnet Y3Fe5O12 by the sol-gel method

图2 Y3Fe5O12粉末样品的SEM图（A）和选区X射线能量散失谱图（B），右上插图为元素定量结果

Fig.2 SEM image of Y3Fe5O12 powder sample （A） and its selected area X-ray energy dispersive spectrum （B）， quantitative result of elements as an inset in top right

图3 Y3Fe5O12样品变温XRD图谱（A）及其（420）面衍射峰局部放大图（B）

Fig.3 （A） The XRD patterns of Y3Fe5O12 obtained under variable temperatureand （B） the enlarged diffraction peak of （420） plane

图4 立方相石榴石Y3Fe5O12的单胞晶体结构图及以八面体和四面体为中心的亚结构（A）和精修后的晶格常数随温度变化呈现晶格受热膨胀（B）

Fig.4 （A） The unit cell structure of cubic phase garnet Y3Fe5O12 and its subunits centered on octahedrons and tetrahedrons；（B） The refined cell lattice parameters change with temperature and shows lattice expansion due to heating.

图5 Y3Fe5O12粉末样品的XPS全谱（A）、Y3d谱（B）、Fe2p谱（C）和O1s谱（D）

Fig.5 XPS survey （A） and core level spectra of Y3d （B）， Fe2p （C） and O1s （D） for the Y3Fe5O12 powder

图6 （A）装填Y3Fe5O12粉末的校徽图案随温度升高的颜色变化和（B）相应颜色下Lab色坐标参数，插图为标准的CIE-Lab色彩空间

Fig.6 The color of the emblem pattern filled with Y3Fe5O12 powder changes with temperature increasing （A） and the L， a and b chromaticity coordinate parameters of those colors， the inset is the standard CIE-Lab color space （B）

图7 Y3Fe5O12粉末样品的变温紫外-可见吸收光谱（A）及其电荷转移、d-d跃迁引起热致变色的微观机制（B）

Fig.7 Temperature dependent UV-Vis spectra of Y3Fe5O12 powder （A） and its microscopic mechanism of thermochromism caused by charge transfer and d-d transition （B）

图8 石榴石热致变色的实验课程各模块内容安排

Fig.8 The content arrangement of each module for the experimental course on garnet thermochromic effect

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