实验一磁化率的测定

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1、磁化率的测定实验报告1. 实验目的掌握古埃(Gouy )法测定磁化率的原理和方法。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10 4,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)式中，K为物

2、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%或摩尔磁化率%表示物质的磁性质，它的定义是mM% = K / p(3)m% = MK / p(4)M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%和%的单位分 mM另U是 cm3g-i 和 cm3mol-i。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=1O4G。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 生出一个与外磁场方

3、向相反的诱导磁矩，所以表示出反磁性。其“就等于反磁化率点，且M反% 0。顺磁化率与分 子永久磁矩的关系服从居里定律N卩2A_m3KT式中，NA为Avogadro常数;K为Boltzmann常数X 10-i6ergK -1); T为热力学温度;卩为分子永m久磁矩(ergG -1 )。由此可得N P 2(7)A m + X3 KT反由于X不随温度变化(或变化极小),所以只要测定不同温度下的X “对1/T作图，截矩即为X , 反M反由斜率可求卩。由于比X小得多，所以在不很精确的测量中可忽略X作近似处理m顺反N u 2.X = X = 打(cm-3mol-1)(8)m 顺3KT顺磁性物质的U与未成对电

4、子数n的关系为mu =u xn(n + 2)(9)式中，是u玻尔磁子，其物理意义是:单个自由电子自旋所产生的磁矩.Bu = x10-21ergG-1 = x10-28ergG-1 = x10-24jT-1B磁化率与分子结构(6)式将物质的宏观性质X与微观性质U联系起来。由实验测定物质的X ，根据(8)式可MmM求得u，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 m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

5、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Co3+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：(mxmxD o coo3d4s4p此时，未配对电子数n=4,卩=卩。Co以上面的结构与6个F-以静电力相吸引形成电价 mB络合物。而在Co(CN) 63-中则形成共价配键，其电子排布为：OO O OOO3d4s4p此时，n=0，卩=0。Co 3+将 6个电子集中在3个3d轨道上，6个CN-的孤对电子进入mCO 3+的

6、六个空轨道，形成共价络合物。古埃法测定磁化率Oh21. 磁铁2. 样品管1 3.电光天平图I古埃磁天平示意图古埃磁天平如图I所示。天平左臂悬挂样品管，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(H)。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dHdF = KAH dz(10)dz式中，K为体积磁化率;H为磁场强度;dH/dz为场强梯度，积分上式得F = -(K 一 K )(H2 一 H2)A(11)2 oo式中，Ko为样品周围介质的体积磁化率(通常是空气，Ko值很小)

7、。如果Ko可以忽略，且H0=0 时，整个样品受到的力为F = - KH 2 A(12)2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AW为施加磁场前后的称量差，则F = - KH 2A = gAW(13)由于k = 2L上，p=代入上式得MhA(cm3mol-i)(14)2( AW- AW ) ghMy =空管+样品空管MWH 2式中，AW +为样品管加样品后在施加磁场前后的称量差(g )； A W 为空样品管在施加空管+样品空管磁场前后的称量差(g )； g为重力加速度(98Ocms-2); h为样品高度(cm); M为样品

8、的摩尔质量(gmol-i); 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95OO “dy =X1O - 6 (cm3g-l)(15)m T + 13. 仪器药品仪器古埃磁天平(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。药品莫尔氏盐(N H4)2SO4 FeSO4 6H2O(分析纯);FeSO4 7H2O(分析纯)；K3Fe(CN)6(分析纯);K4Fe(CN)6 3H2O(分析纯)。4. 实验步骤磁极中心磁场强度

9、的测定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。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OmT, 300mT, 350mT，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

10、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。测定未知样品的摩尔磁化率同法分别测定 FeSO47H2O, K3Fe(CN)6 和 K4Fe(CN)63H2O 的 W 空管(H=0)、W 空管(H=Hmax)、W空管+样品(H=0)和W空管+样品(H=Hmax)。5. 实验数据记录与处理实验数据室温t=C磁场强度/T空管质量/g莫尔氏盐质量/g30s样品1质量/g样品2质量/g根据实验结果样品一为FeSO47H20,样品二为K4F

11、e(CN)63H2O。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/g FeSO47H2OAm/gK4Fe(CN)63H2O Am/g300350计算各样品的摩尔磁化率X、永久磁矩卩和未配对电子数n。Mm实验中通常由莫尔氏盐标定磁场强度所以由公式(14)得2( AW- AW )ghM空管+样品空管样m H2样(a)，5标2( AW- AW )ghM空管+标准空管标 (b)。m H2标计算票，则得到X =X(b)m 样(AW-AW )M mAW -AWM丄口丄口八亠空样 空 样标=x m 样空 样。根据公式m 标 标 AW - AW

12、样标空样空M标(AW- AW)M空+标空得摩尔盐的单位质量磁化率，T=, M莫尔氏盐=嗣,得咒=x10-5 cm3g-1，莫尔氏盐的摩尔磁化率 m为 X = M%=x x 10-5=x 10-2cm3/mol。M号滸，查阅文献得MFeS047皿0=皿1 pB=x10-2iergG-i。MK4Fe(CN)63H2O=ml， 当H=300mT时,m =， m 尸,m 标样10.0068 0.0008278.01X = 3.1338 X10-5 x 6.8020xx= 1.516x 10-2cm3 /molm样10.0039 一 0.0008 7.5668；3KTxMNA 3 x 302.15 x

13、1.38 x 10-16 x 1.516 x 10-26.02 X 1023=5.612x 10-20erg - G-1， n1=3.1338x 10-5 x 6.8025x -0.0045-0.0008 x 383.24 = -2.115x 10-2cm3/mol因为 0，故不存在,Mmn2=。0.0039 - 0.00086.6048当H=350mT时，mm 二,m c=。样1样20.0088 -( - 0.0004)278.01X = 3.1338 x 10-5 x 6.8048 xx= 1.334x 10-2cm3 /mol样10.005-( - 0.0004)7.5700；3KTx:

14、NAX述15X小X10-16 X门莎兀=5.265x 10-20erg G-1，n2=6.02 X 1023X = 3.1338X10-5 x 6.8048X -0.0038 -( -0.004)x 383.24 = -7.789X10-2cm3 /mol “M样20.005 -( - 0.0004)6.6065因为 ，故Pm不存在，比=0。M查阅文献得出样品二六氰合铁酸(II)钾的孤电子个数为,样品一七水合硫酸亚铁的孤 电子个数为4,从测得两次数据分别为和，明显数据偏大。根据pm和n讨论络合物中心离子最外层电子结构和配键类型。样品一 FeSO47H2O的结构式为Fe(II)(H2O)6 S04H20,即中心原子Fe2+由周围的6个水 分子配位，形成的是正八面体空间结构。其化合价为+2,样品二K4Fe(CN)63H20的结构式为 K4 Fe(II)(CN)63H20,