物理化学实验一磁化率测定一实验目的1. 测定物质的摩尔磁化率，推算分子磁矩，估计分子内未成对电子数，判断分 子配键的类型2. 掌握古埃(Gouy)磁天平测定磁化率的原理和方法二实验原理1. 摩尔磁化率和分子磁矩物质在外磁场作用下，由于电子等带电体的运动，会被磁化而感应出一个附 加磁场，则物质内部的磁感应强度等于B = B0 + B^ =咿 + B^ (1)式中B0为外磁场的磁感应强度；为B，为物质磁化产生的附加磁感应强；与为 真空磁导率，其数值等于4兀X10-7NA-2物质被磁化的程度用体积磁化率］表示，它为无因次量，简称磁化率，表示 单位体积内磁场强度的变化，反映了物质被磁化的难易程度与附加磁场强度和 外磁场强度的比值有关：B^ =纳反 (2)化学上常用质量磁化率x m和摩尔磁化率xm来表示物质的磁性质，它与X的 关系为X m =匕 ⑶u M X 〜、X m = M ■ X m = p (4)式中M、p分别为物质的摩尔质量与密度x m的单位是m3・kg-i，xm的单位是 m3・mol-1物质的原子、分子或离子在外磁场作用下的磁化现象有三种情况第一种，物质的原子、离子或分子中没有自旋未成对的电子，即它的分子磁 矩〃m = 0,物质本身并不呈现磁性。
但由于它内部的电子轨道运动，在外磁场 作用下会产生拉摩进动，感应出一个与外磁场方向相反的感应磁矩(诱导磁矩)， 其磁化强度与外磁场强度成正比，并随外磁场的消失而消失，这类物质称为反(或 逆)磁性物质，其XM<0，如Hg、Cu、Bi等第二种，物质的原子、离子或分子中存在自旋未成对的电子，具有永久磁矩七# 0但由于热运动，永久磁矩的指向各个方向的机会相同，所以该磁矩的统 计值为零但在外磁场作用下一方面永久磁矩会顺着外磁场方向排列，其磁化方 与外磁场方向相同，其磁化强度与外磁场强度成正比；另一方面物质内部的电子 轨道运动也会产生拉摩进动，感应出一个与外磁场方向相反的感应磁矩因此这 类物质在外磁场下表现的附加磁场是上述两者作用的总结果，我们称具有永久磁 矩的物质为顺磁性物质，如Mn、Cr、Pt等此类物质的摩尔磁化率XM是摩尔 顺磁磁化率x与摩尔反磁磁化率X0之和X M =Xp + X 0 (5) 因X代匕|X0I大约1~3个数量级，所以这类物质总表现出顺磁性，可认为x M =X.， 其值大于零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 外磁场强度的增加而剧烈增强，并且在外磁场消失后其磁性并不消失，呈现出滞 后的现象。
这种物质称为铁磁性物质对于顺磁性物质而言，假定分子之间无相互作用，应用统计力学的方法，可 以到出导出摩尔顺磁磁化率x u与分子永久磁矩四〃之间的关系：(6)式中 NA 为 Avogadro 常数(6.022x1023 mol-1)，k 为 Boltzmann 常数(1.3806x10-23 J・K-1)，u0为真空磁导率(4nx10-7 N・A-2)，T为热力学温度物质的摩尔顺磁磁 化率和热力学温度成反比这一关系，是居里(P. Curie)在实验中首先发现达到， 所以该式称为居里定律，C称为居里常数分子的摩尔反磁磁化率X 0是由诱导磁矩产生的，它与温度的依赖关系很小所以只要测定不同温度下的X M对1/T作图，截矩即为X0，由斜率可求七在 不很精确的测量中可忽略X0，作近似处理后，具有永久磁矩的物质的摩尔磁化 率与磁矩间的关系为=X 0+ 验测得XM，代入上式就可算出永久磁矩四〃该关系式可作为由实验测定磁化率 来研究物质微观结构的依据该式将物质的宏观物理性质(X m)和其微观性质(七)联系起来，因此只要实物质的顺磁性来自与电子的自旋相联系的磁矩电子有两个自旋状态如果 原子、分子或离子中两个自旋状态的电子数不相同，则该物质在外磁场中就呈现 顺磁性。
这是由于每一个轨道上不能存在两个自旋状态相同的电子(保里原理)， 因而各个轨道上成对电子自旋所产生的磁矩是相互抵消的，所以只有存在未成对 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磁矩四m和它所包含的未成对电子数n关系如下：七=
见图2所示：(3D<3p
将式品源4)代入式式(12)则有2(Am —Am ) - g - h - MX = 样+空管 空管 M 旦-m - H 2(13)(14)(15)磁场强度H可由高斯计直接测量或用已知磁化率的标准物质进行标定应注 意高斯计测量的实际上是磁感应强度8,单位T (特斯拉)，单位1T=10-4高斯 磁场强度H和B可由关系式B=p0H换算，H的单位为A.m-1本实验用莫尔氏盐（NH.XSO.-FeSO.-6HO来标定，莫尔氏盐的摩尔磁化率x与热力学温度T的4 2 4 4 2 M关系为：X = 4兀 x ^° 1 x M x 10-9 (m3 - mol -1) (16)式中M为莫尔氏盐的摩尔质量（kg mol-1）磁学中SI与传统CGS制单位的关系SICGS磁感应强度1T104G磁化率1m3.kg-1103cm3 - g -1 4兀1m3-mol-1106 .—cm3 - mol-14兀三试剂与仪器试剂：莫尔氏盐（NH^SO/FeSO/GH A.R.），K[Fe（CNL-3H O（ A.R.）， K3Fe（CN）6（A.R.），CuSO4-5H2O（A.R.）仪器：古埃磁天平（包括磁极、励磁电源、电子天平等），CT5型高斯计，软质 玻璃样品管，装样品工具（包括研钵、角匙、小漏斗等）。
四实验步骤1、 用已知磁化率的莫尔氏盐标定对应于特定励磁电流值的磁场强度逐步调节 励磁电流由小变大，再由大变小具体操作如下：（1）打开励磁电流开关，使稳压器预热5min在励磁电流1=0时，取一支清 洁、干燥的空样品管，悬挂在天平一端的挂钩上，使样品管的底部在磁极中心连 线上，注意样品管不要与磁极相触，准确称量空样品管的质量再将励磁电流缓 缓增大到5.0A，再准确称量此时的空样品管质量然后减小电流，将励磁电流 降为零时，再称量一次空样品管，这样反复测定三次2）取下空样品管，将事先研磨细的莫尔氏盐通过小漏斗装入样品管，边 装边在橡皮垫上碰击，使样品均匀填实，装样高度h约12cm左右，继续碰击至 样品高度不变为止，用直尺准确测量样品高度h（精确至mm）再将装有莫尔氏 盐的样品管置于古埃磁天平中，按照上述方法和步骤测量，记录数据2、 同法依次测定CuSO4.5H2O，K4Fe（CN）6-3H2O和K3Fe（CN）6等样品在加励磁 电流前后质量的变化量五数据处理1. 由莫尔氏盐的磁化率和实验数据，计算特定励磁电流相应的磁场强度值2. 由式(15)求出所测样品的摩尔磁化率，并判断是顺磁物质还是反磁性物质。
3. 若是顺磁性物质，由式(7)和(8)进一步求出样品的磁距m以及未成对电子数 n4. 讨论(NH4)2SO4・FeSO4・6H2O 和 K4Fe(CN)6・3H2O 的配键类型六思考题1. 简述用古埃磁天平法测定磁化率的基本原理2. 本实验计算公式做了哪些近似？3. 从理论上讲，不同的励磁电流下测定的样品摩尔磁化率是否相同？为什么？3. 在相同励磁电流下，前后三次测量的结果有无差异？取平均的目的是什么？七进一步讨论1. 影响磁化率测定的因素，除样品的纯度及堆积密度均匀外，保持励磁电流的 稳定十分重要为此，需选用稳定性好的电源，还要防止电流通过电磁线圈后引 起发热，因发热会使线圈的电阻增大，导致电流与磁场强度发生变化，而使天平 称量的值难以重现当室温较高时，线圈散热尤要注意2. 励磁电流的选择应根据待测物质的磁化率而定低磁化率的试样选择较大的 励磁电流，高磁化率的试样选择较小的励磁电流但过小的电流往往稳定性不好， 且直接造成称量的误差3. 对于液体试样的磁化率测定，常用新鲜的二次重蒸水作为参比物来标定磁场 强度实验注意事项1. 固体样品应事先研细，保持干燥2. 空样品管需干燥洁净，装样时应先使加入的样品填实后，再接着加，使样品 在管内均匀。
样品在管中的堆积密度和高度尽量一致3. 防止杂质尤其是铁磁性杂质的混入4. FD-FM-A特斯拉计在接通或关闭电源前都必须将电流调节器左旋至最小(即 电流为零)，严禁在负载时突然切断电源5. 励磁电流的变化应平稳、缓慢，调节电流时不宜用力过大6. 称量时，样品管正好在两磁极之间，其底部应正好与磁极中心线齐平，勿使 悬挂样品管的悬线与任何物体相接触；加外磁场后，应检查样品管是否与磁 极相碰7. 测试样品时，应关闭玻璃门，避免气流扰动对测量的影响8. 样品倒回回收瓶时，要注意标签，切忌倒错瓶子。