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1、配合物磁化率的测定 实验目的： 1. 掌握古埃法磁天平测定物质磁化率的基本原理和实验方法。 2. 用古埃磁天平测定FeSO47H2O 、K4Fe（CN ）63H2O这两种配合物的磁化率，推算其不成 对电子数，从而判断其分子的配键类型。 实验原理： （ 1）在外磁场的作用下，物质会被磁化产生附加磁感应强度，则物质内部的磁感应强度 B=B0+B = 0+B (1) 式中： B0为外磁场的磁感应强度；B 为物质磁化产生的附加磁感应强度； H为外磁场强度； 0为真空磁导率，其数值等于4 *10(-7)N*A -2 。 物质的磁化可用磁化强度M来描述， M也是一个矢量，它与磁场强度成正比 M= *H （
2、2） 式中： 称为物质的体积磁化率，是物质的一种宏观磁性质。B 与 M的关系为 B = 0M= 0H （3） 将式（ 3）代入式（ 1）得 B=（1+） 0H=0H （4） 式中 称为物质的（相对）磁导率。 化学上常用单位质量磁化率m或摩尔磁化率M来表示物质的磁性质，它们的定义为 m=/ （5） M=M*m=M*/ （6） 式中： 为物质密度；M为物质的摩尔质量。 （2）物质的原子、分子或离子在外磁场作用下的三种磁化现象 第一情况是物质本身不呈现磁性，但由于其内部的电子轨道运动，在外磁场作用下会产 生拉摩进动，感应出一个诱导磁矩来，表现为一个附加磁场，磁矩的方向与外磁场相反，其 磁化强度与外磁
3、场强度成正比，并随着外磁场的消失而消失，这类物质称为逆磁性物质，其 | 0| ，故有 M（8） 顺磁性物质的 1，M0。 第三种情况是物质被磁化的强度与外磁场强度之间不存在正比关系，而是随外磁场强度的增 加呈剧烈增加， 而外磁场消失后，这种物质的磁性并不消失，呈现出滞后的现象，这类磁性 物质称为铁磁性物质。这类物质不在本实验的讨论范围。 （3）假定分子间无相互作用，根据居里定律，物质的摩尔顺磁化率与永久磁矩 m 之间的关系为 =Lm 2 0/(3kT) C/T （9） 式中： L 为阿伏伽德罗常数；k 为波尔兹曼常数；T 为热力学温度；C为居里常数。 M=0+Lm 2 0/(3kT) （10）
4、 式中， 0是由诱导磁矩产生的，它与温度的依赖关系很小。因此 M=0+Lm 2 0/(3kT) Lm 2 0/(3kT) （11） 该式将物质的宏观物理性质（M）和其微观性质（m）联系起来，因此只要实验测得 M, 代入（ 11）就可算出永久磁矩m。 （4）物质的顺磁性来自与电子的自旋相联系的磁矩。各个轨道上成对电子自旋产生的 磁矩是相互抵消的，只有存在未成对电子的物质才具有永久磁矩，它在外磁场中表现出 顺磁性。 物质的永久磁矩m和它所包含的未成对电子数n 的关系可用下式表示 m=（n（n+2） ）0.5 B（12） B称为波尔（ Bohr）磁子，其物理意义是单个自由电子自旋所产生的磁矩。 B=
5、eh/(4 m e)=9.274 078*10(-24)A*m 2（13） 式中： h 为普朗克常数；me为电子质量。 （5）由实验测定物质的M, 代入式（ 11）求出 m，再根据式（12）算得未成对的电子 数 n，从而可以推断物质的电子组态，判断物质的配键类型。 对于配合物， 一般认为中央离子与配位原子之间的电负性相差较大，容易形成电价配合 物，而电负性相差较小时，容易形成共价配合物。电价配合物是由中央离子与配位体之间依 靠静电库仑力结合起来的，以这种方式结合起来的化学键叫电价配键， 这时中央离子的电子结构不受配位体的影响，基本上保持自由离子的 电子结构。例如Fe 2+在自由离子状态下的外层
6、电子组态如图 1 所示。 当它与 6 个 H2O配位体形成络离子Fe （H2O）6 2+时，中央离子 Fe 2+仍 然保持着上述自由离子状态下的电子组态，故此配合物是电价配合物。 共价配合物则是以中央离子的空的价电子轨道接受配位体的孤 对电子以形成共价配键，这时中央离子为了尽可能多地成键，往往会发生电子重排，以腾出 更多空的价电子轨道来容纳配位体的电子。当Fe 2+与 6 个配体 CN- 形 成络离子 Fe （CN ）6 4- 时， Fe 2+的电子组态发生重排。如图 2 所示。 Fe 2+的 3d 轨道上原来未成对的电子重新配对，腾出两个 3d 空轨 道来，再与4s 和 4p 轨道进行d 2
7、sp3 杂化，构成以Fe 2+为中心的指向 正八面体各个顶角的6 个空轨道，以此来容纳6个 CN - 中 C原子上的 孤对电子，形成6 个共价配键。 （6）本实验采用古埃磁天平法测量物质的摩尔磁化率M。 实验仪器： 1. 仪器： 古埃磁天平，装样品工具（包括研钵、角匙、小漏斗、玻璃棒），软质玻璃样品管。 2. 试剂： e*g 图 1 图 2 e*g 莫尔氏盐（ NH4）2SO4FeSO46H2O （分析纯），FeSO47H2O （分析纯），K4Fe（CN ）63H2O （分析纯） 实验步骤： 1. 按照古埃磁天平的操作规程开启磁天平，并记录实验温度T。 2. 调整霍尔探头的位置，使之处于磁场中
8、心最强处 具体做法是：在某一励磁电流下，拧松霍尔探头两边的有机玻璃螺丝，稍微转动探头， 使特斯拉计的读数最大，此即为最佳位置。 3. 磁场两级中心处磁场强度H的测定 用特斯拉计测量当励磁电流处于1A、3A、5A、3A、1A 时相应的磁场强度，将数据记录在 表 1 中。注意调节励磁电流时必须平稳缓慢，先升后降。 用已知 M的莫尔氏盐标定特定励磁电流下的磁场强度 将空样品管洗净吹干，挂在勾上称量，读数W空管。轻旋电流开关使电流表指针到0A， 再依次将电流表指针调为1A、3A、5A、3A、1A，每次均称量空样品管W （I ） 。毕后，将励磁 电流降至零，每次仍称量空样品管，断开电源，再称一次空样品管
9、。计算电流在升、降过程 中同样的电流值下空样品管称量的平均值，以及电流为1A、3A、5A时空样品管的质量与0A 时空样品管的质量差W空管。W空管=W （I ）-W （I=0 ） 。 向样品管内装入预先研细的莫尔氏盐，量出样品高度h（要求大于16cm） ，重复上述 的操作。记录各励磁电流下样品管+样品的总质量W(I) ，并由 0A 下样品管 +样品的总质量与 空样品管的质量的差计算出样品的质量W样品。同样方法计算 W 。W样品= W （I ）-W （I=0 ） 。 将数据记录在表2. 将样品管洗净吹干，将莫尔氏盐换成FeSO47H2O与 K4Fe（CN ）63H2O，重复步骤。 数据处理： 实验
10、过程中，室温为15.0 。原始数据与部分处理好的数据参见表1 和表 2。 （1）由特斯拉计测得励磁电流I=1A、3A、5A、3A、1A时的磁场强度。 由特斯拉计直接测得的是以毫特斯拉为单位的磁感应强度B （mT ） 。B=0H。可以将测得 的 B值代替磁场强度H记录在表1。注意：毫特斯拉与高斯的单位换算关系为1mT=10G 。磁 场强度 H（A/m）与磁感应强度B（特斯拉）之间的关系为：（100/4 ） （ A/m） 0=10 -4 T。 表 1： B （I 升时）/mT B （I 降时）/mT B（平均） /mT H/Am -1 I=1A 76.3 78.8 77.55 61712.3 I=
11、3A 231.4 237.2 234.3 186450 I=5A 387.2 392.3 389.75 310153 （2）由莫尔氏盐的摩尔磁化率和实验数据标定励磁电流下的磁场强度值。 表 2： I/A W （I 升 时） /g W （I 降 时） /g W （平均） /g W 0/g h/cmW样品/g 空样品管 0 10.0423 10.0419 10.0421 1 10.0421 10.0417 10.0419 -0.0002 3 10.0411 10.0404 10.0408 -0.0013 5 10.0395 10.0426 10.0410 -0.0011 莫尔氏盐 0 12.568
12、2 12.5679 12.5680 3.02.5259 1 12.5736 12.5745 12.5740 0.0060 3 12.6242 12.6259 12.6251 0.0571 5 12.7204 12.7233 12.7218 0.1538 FeSO47H2 O 0 12.6474 12.6487 12.6480 2.95 2.6059 1 12.6562 12.6585 12.6573 0.0093 3 12.7303 12.7324 12.7314 0.0834 5 12.8725 12.8750 12.8738 0.2258 K4Fe(CN)6 3H2O 0 12.4868
13、12.4871 12.4870 2.9 2.4449 1 12.4873 12.4877 12.4874 0.0004 3 12.4976 12.4959 12.4968 0.0098 5 12.5106 12.5133 12.5120 0.0250 由M=9500/（T+1）*10(-6)(cm 3*g-1) 可知， 莫尔氏盐在温度 15.0 =288.15K 的摩尔磁化率 为 1.289 10 -8 （m 3mol-1 ） 。根据 M=2（W样品 +空管- W空管）gh样品M样品/( 0W样品H 2) 可知 H1，H3，H5分别是 (A/m) ，(A/m) ，(A/m) H1(A/m) H
14、3(A/m) H5(A/m) 高斯计测定61712.3 186450 310153 莫尔氏盐标定72009.4 204899 346537 （3）再按照 M=2 （W样品+空管- W空管）gh样品M样品/( 0W样品H 2) 计算出 H 1，H3，H5时 FeSO47H2O 与 K4Fe（CN ）63H2O的M M/ m 3*mol-1 FeSO47H2O H11.40910 -7 H31.49610 -7 H51.43110 -7 K4Fe （CN）6 3H2O H11.560 10 -9 H3-0.773 10 -9 H5-1.351 10 -9 （4）由式 M=0+Lm 2 0/(3kT
15、) Lm 2 0/(3kT)计算 FeSO 47H2O与 K4Fe（ CN ）63H2O分 子的永久磁矩 m （5）根据式 m=（n（n+2） ）0.5B计算 FeSO 4 7H2O 与 K4Fe（CN）63H2O 的未成对电 子数 n。 数据处理步骤（4）和（ 5）结果见下表： 摩尔磁化率 mn（n+2）未成对电子数 FeSO47H2O4.789*10(-23) A*m 2 4.01 4 K4Fe（CN）63H2O 1.727*10(-24) A*m 2 0.02 0 （6）根据未成对电子数，讨论Fe 2+的最外层电子结构及由此构成的配键类型。 Fe 的价电子结构为3d 6 4s 2， Fe
16、2+的最外层电子结构为 3d 64s0 ，形成的是正八面体空间结构。 FeSO47H2O的未成对电子n=4，所以它的最外层电子结构 如图 1，中央离子的电子结构不受配位体的影响，基本上保持 自由离子的电子结构。当它与6个 H2O配位体形成络离子Fe （H2O）6 2+时，中央离子 Fe 2+仍然保持着上述自由离子状态下的 电子组态，故此配合物是电价配合物。配键类型为电价配键。 K4Fe（CN ）63H2O未成对电子n=0，Fe 2+与 6 个配体 CN-形 成络离子 Fe（ CN ）6 4-时，Fe2+的电子组态发生重排 , 它的最外层 电子结构如图2。Fe 2+的 3d 轨道上原来未成对的电子重新配对
