实验一磁化率测定

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1、磁化率的测定实验报告1. 实验目的1.1掌握古埃(Gouy )法测定磁化率的原理和方法。1.2测定三种络合物的磁化率，求算未成对电子数，判断其配键类型。2. 实验原理2.1磁化率物质在外磁场中，会被磁化并感生一附加磁场，其磁场强度H，与外磁场强度H之和称 为该物质的磁感应强度B，即B = H + H(1)H与H方向相同的叫顺磁性物质，相反的叫反磁性物质。还有一类物质如铁、钻、镍及其合 金，H，比H大得多(H /H)高达104,而且附加磁场在外磁场消失后并不立即消失，这类物 质称为铁磁性物质。物质的磁化可用磁化强度I来描述，H =4nI。对于非铁磁性物质，I与外磁场强度H成正 比I = KH(2

2、)式中，K为物质的单位体积磁化率(简称磁化率)，是物质的一种宏观磁性质。在化学中常用单位质量磁化率x m或摩尔磁化率x m表示物质的磁性质，它的定义是X m = K / pX m = MK / p(4)式中，p和M分别是物质的密度和摩尔质量。由于K是无量纲的量，所以xm和xm的单位分 别是 cm3*g-1 和 cm3*mol-1。磁感应强度SI单位是特斯拉(T)，而过去习惯使用的单位是高斯(G)，1T=104G。2.2分子磁矩与磁化率物质的磁性与组成它的原子、离子或分子的微观结构有关，在反磁性物质中，由于电子自 旋已配对，故无永久磁矩。但是内部电子的轨道运动，在外磁场作用下产生的拉摩进动，会感

3、 生出一个与外磁场方向相反的诱导磁矩，所以表示出反磁性。其xM就等于反磁化率x反，且 X m 0。顺磁化率与分 子永久磁矩的关系服从居里定律(6)N.四23KT式中，NA为Avogadro常数;K为Boltzmann常数(1.38 X 10 -16erg*K -1); T为热力学温度;r为分 子永久磁矩(erg*G -1 )。由此可得X =当2 +X(7)m3KT反由于X反不随温度变化(或变化极小)，所以只要测定不同温度下的X心对1/T作图，截矩即为X反，由斜率可求r m。由于比X顺小得多，所以在不很精确的测量中可忽略X反作近似处理X = X = N若(cm-3mol-1)(8)m 顺 3KT

4、顺磁性物质的Rm与未成对电子数n的关系为七=Rn(n + 2)(9)式中，是R b玻尔磁子，其物理意义是:单个自由电子自旋所产生的磁矩.r b = 9.273x10-21erg*G-1 = 9.373x10-28erg*G-1 = 9.273x10-24JT-12.3磁化率与分子结构(6)式将物质的宏观性质Xm与微观性质Rm联系起来。由实验测定物质的Xm，根据(8)式可 求得七，进而计算未配对电子数n。这些结果可用于研究原子或离子的电子结构，判断络合 物分子的配键类型。络合物分为电价络合物和共价络合物。电价络合物中心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，靠静电库仑力与

5、配位体结合，形成电价配键。在这类络 合物中，含有较多的自旋平行电子，所以是高自旋配位化合物。共价络合物则以中心离子空的 价电子轨道接受配位体的孤对电子，形成共价配键，这类络合物形成时，往往发生电子重排， 自旋平行的电子相对减少，所以是低自旋配位化合物。例如C03+其外层电子结构3d6，在络离 子(CoF6)3-中，形成电价配键，电子排布为：(WDGXD O OOO 3d4s 4p此时，未配对电子数n=4，七=4.9 rB。Co以上面的结构与6个F-以静电力相吸引形成 电价络合物。而在Co(CN)63-中则形成共价配键，其电子排布为：O OOO 3d4s 4p此时，n=0，r =0。Co 3+将

6、 6个电子集中在3个3d轨道上，6个CN -的孤对电子进入C0 3+的六个空轨道，形成共价络合物。2.4古埃法测定磁化率古埃磁天平如图I所示。天平左臂悬挂一样品管，管底部处于磁场强度最大的区域(Hmax), 管顶端则位于场强最弱(甚至为零)的区域(H0)。整个样品管处于不均匀磁场中。设圆柱形样品 的截面积为A,沿样品管长度方向上dz长度的体积Adz在非均匀磁场中受到的作用力dF表 示为dF = KAH d1H dz(10)dz式中，K为体积磁化率;H为磁场强度;dHdz为场强梯度，积分上式得F = 1 (K - K )(H2 - H2)A(11)2 oo式中，Ko为样品周围介质的体积磁化率(通

7、常是空气，Ko值很小)。如果Ko可以忽略，且H0=0 时，整个样品受到的力为F = 2 KH 2 A(12)在非均匀磁场中，顺磁性物质受力向下所以增重;而反磁性物质受力向上所以减重。测定时在 天平右臂加减砝码使之平衡。设W为施加磁场前后的称量差，则F = 1 KH 2 A = gAW(13)2由于K =、, p=W代入上式得MhA(cm3*mol-1)(14)_ 2( A 七.口- AW_) ghM*M=WH2式中， W空管+样品为样品管加样品后在施加磁场前后的称量差(g ); W空管为空样品管在施加 磁场前后的称量差(g ); g为重力加速度(980cms-2); h为样品高度(cm); M

8、为样品的摩尔质量 (g*mol-1); W为样品的质量(g ); H为磁极中心磁场强度(G )。在精确的测量中，通常用莫尔氏盐来标定磁场强度，它的单位质量磁化率与温度的关系 为* =95 x 10-6 (cm3g-1)(15)m T + 13. 仪器药品3.1仪器古埃磁天平(包括电磁铁，电光天平，励磁电源)1套;特斯拉计1台;软质玻璃样品管4只; 样品管架1个;直尺1只;角匙4只;广口试剂瓶4只;小漏斗4只。3.2药品莫尔氏盐(NH ) SO FeSO 6H 0(分析纯) FeSO 7H 0(分析纯) K Fe(CN)(分析纯)天:/j、内jTEL(L、_n)du r eQ= un u(刀 q

9、刀 穴刀 _lddu /n u(刀 q刀 穴刀、_l e(n、)(刀 q刀 牙L);AAA。UK4Fe(CN)3H2O(分析纯)。4. 实验步骤4.1磁极中心磁场强度的测定4.1.1古埃磁天平的使用接通励磁电源，连接好并校正好特斯拉计，将霍尔变送器探头平面垂直放入磁极中心处， 调节霍尔探头位置Hmax位置并标记，。调节“调压旋钮”逐渐增大电流，至特斯拉计表头示值为 350mT，记录此时励磁电流值I。，以后每次测量都要控制在同一励磁电流，使磁场强度相同， 在关闭电源前应先将励磁电流降至零。4.1.2用莫尔氏盐标定 测量空管质量，调节电流旋、旋钮式磁场强度依次为0mT, 300mT, 350mT，

10、记下此时空 管的质量，调节磁场强度为400mT，停留等示数稳定30s，逐步降低电流使磁场强度依次为 350mT, 300mT, 0mT,再次记下空管质量。 取下样品管，将莫尔氏盐通过漏斗装入样品管，边装边在橡皮垫上碰击，使样品均匀填 实，直至装满，继续碰击至样品高度不变为止，用直尺测量样品高度h。用与中相同步骤称 取W空管+样品(H=0)和W空管+样品(H=Hmax)，测量毕将莫尔氏盐倒入试剂瓶中。4.2测定未知样品的摩尔磁化率uM同法分别测定 FeSO 7H 0, K Fe(CNL 和 KFe(CNL 3H 0 的 W (H=0)、W (H=H )、 /I) z KA z K)分？地/分？地

11、ttIQVz4+匕。u4+u 匕空管空官maxW空管+样品(H=0)和 W空管+样品(H=Hmax)。5. 实验数据记录与处理5.1实验数据室温 t=29.0C磁场强度/T0.000.300.350.400.350.300.00空管质量/g13.573813.575613.573613.575813.576113.5763莫尔氏盐质量/g20.373920.377920.379830s20.379120.378820.3750样品1质量/g21.138021.146321.149321.140021.138921.1337样品2质量/g20.189020.182120.181820.18062

12、0.179120.1811根据实验结果样品一为FeSO,7H2O,样品二为K4Fe（CN）6-3H2Qo由上表数据得出在不同磁场变化下样品及空管的质量变化，如下表所示:磁化强度/mT空管Am/g莫尔氏盐Am/gFeSO47H2OAm/gK4Fe(CN)63H2O Am/g0-0.0025-0.00110.00430.0079300-0.0005-0.00090.00740.0030350-0.00220.00070.00930.00125.2计算各样品的摩尔磁化率*,、永久磁矩pm和未配对电子数n。实验中通常由莫尔氏盐标定磁场强度所以由公式（14）得*=取州空管,样品一州空管）ghM样*= 2

13、（ AW空诳标准- AW空管）ghM标m样m样H2m标m标H2计算 也，则得到*=*?W空,样-?W空）M样m标m 了样- 了空-、。根据公式（b）m样m标（AW空标-AW空） M标m样标 标 g标-AW空 m样得摩尔盐的单位质量磁化率，T=302.15K, M莫尔氏盐=392.14g/mol,得*m = 3.1338x10-5 cm3g-i，莫尔氏盐的摩尔磁化率为 *m = M* =329.14x3.1338x10-5=1.0314x10-2cm3/mol。且* = Napm，查阅 文献得 M =278.01g/mol，M=383.24g/mol，M 3 KTFeSO47H2OK4Fe(CN

14、)63H2O|iB=9.273x10-21ergG-1。 当 H=300mT 时，m 标=6.8020g，m 样7.5668g，m 样2=6.6048g。*= 3.1338x 10-5 x 6.8020x 0.0068 - 0.0008 x 278.01 = 1.516x 10-2cm3 /molm样 10.0039 - 0.0008 7.5668.3KTTiNA：3x302.15x 1.38x 10-16 x 1.516x 10-2“ 八 c.602 10= 5.612 x 10-20 erg - G-1，n5.13-0.0045 - 0.0008 383.24* 样 =3.1338x 10-5 x 6.8025x 00390 0008 乂 6 6048 = -215x 10-2cm3/mol因为*M 0，故Rm不存在，n2=0。当 H=350mT 时，m 标=6.8048g，m 样7.5700g，m 样2=6.6065g。*= 3.1338x 10-5 x 6.8048x 0.0088 -( -0.0004)x 278.01 = 1.334x 1