1、磁化率的測定08材化2 葉輝青 2008307502301實驗?zāi)康?.1掌握古埃(Gouy )法測定磁化率的原理和方法。1.2測定三種絡(luò)合物的磁化率，求算未成對電子數(shù)，判斷其配鍵類型。1.3 了解磁天平的原理與測定方法。1.4熟悉特斯拉計的使用。2實驗原理2.1磁化率物質(zhì)在外磁場中，會被磁化并感生一附加磁場，其磁場強(qiáng)度H與外磁場強(qiáng)度H 之和稱為該物質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B,即B=H+H(1)H與H方向相同的叫順磁性物質(zhì)，相反的叫反磁性物質(zhì)。還有一類物質(zhì)如鐵、 鉆、鎳及其合金，H比H大得多(H，/H)高達(dá)104，而且附加磁場在外磁場 消失后并不立即消失，這類物質(zhì)稱為鐵磁性物質(zhì)。物質(zhì)的磁化可用磁化強(qiáng)度I來

2、 描述，H =4nI。對于非鐵磁性物質(zhì)，I與外磁場強(qiáng)度H成正比I=KH (2)式中，K為物質(zhì)的單位體積磁化率(簡稱磁化率)，是物質(zhì)的一種宏觀磁性質(zhì)。在 化學(xué)中常用單位質(zhì)量磁化率x m或摩爾磁化率x M表示物質(zhì)的磁性質(zhì)，它的定 義是x m=K/p (3)x M=MK/p (4)式中，P和M分別是物質(zhì)的密度和摩爾質(zhì)量。由于K是無量綱的量，所以xm 和xM的單位分別是cm3/g和cm3/mol，磁感應(yīng)強(qiáng)度SI單位是特斯拉(T)， 而過去習(xí)慣使用的單位是高斯(G)，1T=104G。2.2分子磁矩與磁化率物質(zhì)的磁性與組成它的原子、離子或分子的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，在反磁性物質(zhì)中， 由于電子自旋已配對，故無永久磁

3、矩。但是內(nèi)部電子的軌道運動，在外磁場作用 下產(chǎn)生的拉摩進(jìn)動，會感生出一個與外磁場方向相反的誘導(dǎo)磁矩，所以表示出反 磁性。其xM就等于反磁化率x反，且xM0。 順磁化率與分子永久磁矩的關(guān)系服從居里定律 TOC o 1-5 h z X M=Na U2m/(3KT)(6)式中，NA為Avogadro常數(shù)，K是波爾茲曼常數(shù)，T是熱力學(xué)溫度，um為分子 永久磁矩。由此可見X m=Na %心皿)+ (7)由于X反不隨溫度變化(或變化極小)，所以只要測定不同溫度下的xM對1/T作 圖，截矩即為X反，由斜率可求um。由于比X順小得多，所以在不很精確的測 量中可忽略X反作近似處理xm=x =NaU*(3KT)(

4、8)順磁性物質(zhì)的u m與未成對電子數(shù)n的關(guān)系為 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 日=日n(n + 2)(9)式中，是玻爾磁子，其物理意義是:單個自由電子自旋所產(chǎn)生的磁矩。2.3磁化率與分子結(jié)構(gòu)(6)式將物質(zhì)的宏觀性質(zhì)xM與微觀性質(zhì)um聯(lián)系起來。由實驗測定物質(zhì)的 xM，根據(jù)(8)式可求得um，進(jìn)而計算未配對電子數(shù)n。這些結(jié)果可用于研究原 子或離子的電子結(jié)構(gòu)，判斷絡(luò)合物分子的配鍵類型。絡(luò)合物分為電價絡(luò)合物和共 價絡(luò)合物。電價絡(luò)合物中心離子的電子結(jié)構(gòu)不受配位體的影響，基本上保持自由 離子的電子結(jié)構(gòu)，靠靜電庫侖力與配位體結(jié)合，形成電價配鍵。在這類絡(luò)合

5、物中， 含有較多的自旋平行電子，所以是高自旋配位化合物。共價絡(luò)合物則以中心離子 空的價電子軌道接受配位體的孤對電子，形成共價配鍵，這類絡(luò)合物形成時，往 往發(fā)生電子重排，自旋平行的電子相對減少，所以是低自旋配位化合物。例如 CO3+其外層電子結(jié)構(gòu)為3d6，在絡(luò)離子(CoF6)3-中，形成電價配鍵，電子排布為：O OOO3d.耳口此時，未配對電子數(shù)n=4，um=4.9uB。Co以上面的結(jié)構(gòu)與6個F-以靜電力相 吸引形成電價絡(luò)合物。而在Co(CN)6 3-中則形成共價配鍵，其電子排布為：IO OOO3d4 口此時，n=0，um=0。Co3+將6個電子集中在3個3d軌道上，6個CN-的孤對電 子進(jìn)入C

6、o3+的六個空軌道，形成共價絡(luò)合物。2.4古埃法測定磁化率乂樣=xm *空管+樣品1 *空管x M樣品1 標(biāo) 標(biāo) Am空 標(biāo)準(zhǔn)-Am空管 m樣在精確的測量中，通常用莫爾氏鹽來標(biāo)定磁場強(qiáng)度，它的單位質(zhì)量磁化率與溫度 的關(guān)系為3儀器藥品3.1儀器古埃磁天平（包括電磁鐵，電光天平，勵磁電源）1套;特斯拉計1臺;軟質(zhì)玻 璃樣品管4只；樣品管架1個;直尺1只；角匙4只；廣口試劑瓶4只；小漏斗4只。 3.2藥品莫爾氏鹽（NH4）2SO4 - FeSO4 - 6H2O （分析純）；FeSO4 - 7H2O （分析純）；K3Fe（CN）6（分析純）；K4Fe（CN）6 - 3H2O（分析純）。4實驗步驟4.1

7、磁極中心磁場強(qiáng)度的測定用特斯拉計測量按說明書校正好特斯拉計。將霍爾變送器探頭平面垂直放入磁極中心處。接 通勵磁電源，調(diào)節(jié)“調(diào)壓旋鈕”逐漸增大電流，至特斯拉計表頭示值為350mT， 記錄此時勵磁電流值I。以后每次測量都要控制在同一勵磁電流，使磁場強(qiáng)度 相同，在關(guān)閉電源前應(yīng)先將勵磁電流降 至零。用莫爾氏鹽標(biāo)定4.3.1取一干潔的空樣品管懸掛在磁天平左臂掛鉤上，樣品管應(yīng)與磁極中心線 平齊，注意樣品管不要與磁極相觸。準(zhǔn)確稱取空管的質(zhì)量W空管（H=0），重復(fù)稱 取三次取其平均值。接通勵磁電源調(diào)節(jié)電流為I。記錄加磁場后空管的稱量值W 空管（H二H），重復(fù)三次取其平均值。4.3.2取下樣品管，將莫爾氏鹽通過

8、漏斗裝入樣品管，邊裝邊在橡皮墊上碰擊， 使樣品均勻填實，直至裝滿，繼續(xù)碰擊至樣品高度不變?yōu)橹?，用直尺測量樣品高 度h。用與中相同步驟稱爾W空鹽倒（H試劑和W空管+樣品（H=0.3T）,W空管+樣品（H=0.35T）,W 4二樣測定未知樣品的摩爾磁化率xM同法分別測定FeSO -7HO和KFe(CN) 3HO的W空管(H=0)、W空管(H=0.3),W空管(H=0.35),W 空管(H=0.4);W/、空管+樣品(H=0.4)?？展?樣品5注意事項,6、一 2,、，、如0)和叩空管+樣品(H=0.3)，W空管+樣品(H=.35)，W5.1所測樣品應(yīng)研細(xì)。5.2樣品管一定要干凈。AW空管二W空管(

9、H=H)-W空管(H=0)0時表明樣品管不 干凈，應(yīng)更換。5.3裝樣時不要一次加滿，應(yīng)分次加入，邊加邊碰擊填實后，再加再填實，盡量 使樣品緊密均勻。5.4掛樣品管的懸線不要與任何物體接觸。5.5加外磁場后，應(yīng)檢查樣品管是否與磁極相碰。磁場0T0.3T0.35T0.4T0.35T0.3T0T空管16.683116.683716.683716.684316.683616.6833莫爾鹽21.339721.452421.495521.499421.456321.3414KFe(CN) . 3 6HO 221.826021.824521.8235一21.823821.824721.8255FeSO 4

10、 -7HO 20.99 0721.135621.185621.19 0021.139120.98356數(shù)據(jù)處理6.1記錄所得數(shù)據(jù)并處理樣品1：六氤合鐵(II)酸鉀 樣品2：硫酸亞鐵T=(28.4+273)KM “卦二392.14g/molM =278.02 g/mol M .=422.39 g/mOf鹽硫酸亞鐵六氰合鐵(ii)酸鉀乂標(biāo)=x莫爾鹽=_ x 4 兀=3.95 X 10-7m3/kgT +16.2計算三個樣品的摩爾磁化率x M、永久磁矩um和未配對電子數(shù)n6.2.1 當(dāng) H=0.3T樣品名W/廠(H=0)W空管座 (H=0.3T)A W/g管W空管+樣品/gW空管+樣品/g(H=0.

11、3A W空管+樣W /樣品稱(H=0)T)/g莫爾鹽16.683216.68370.000521.34 0621.45440.11384.6574由以上可知 m標(biāo),二4.6574g樣品 名 稱WW覆(H=0)W/空管(H=0.3T)A W/g管W空管+樣品/g(H=0)W空管+樣品/g(H=0.3T)AW空管+樣*品W樣品座六氤合鐵（ii）酸鉀16.683216.68370.000521.825821.8246-0.00125.1426x樣 1= x m*空管 x樣品 1 = -2.26X 10-9 ms/kg標(biāo)標(biāo)Am空 標(biāo)準(zhǔn)-Am空管 m樣M=1.57 X 10-7 ms/kgm樣品2因為x

12、樣1小于0,所以um不存在，則n=0樣品名稱W /空管(H=0)W空管施 (H=0.3T)A W/g管W空管+樣品/g(H=0)W空管+樣品/g(H=0.3T)A W空管+%品W/樣品硫酸亞 鐵16.683216.68370.000520.987121.13740.15034.3039x 樣 2= x m空管+樣,2_空管x標(biāo)標(biāo)Am空標(biāo)、-Am空Um=5.70X 10-21日=日 gn(n + 2)n=0.626.2.2 當(dāng) H=3.5T樣品名稱W /空管(H=0)W空管座 (H=0.35T)A W/g管W空管+樣品/g(H=0)W空管+樣品/g(H=0.35T)A W空管+%品W/樣品莫16

13、.6816.68400.0021.3421.49750.154.81爾鹽3208066943樣品 名 稱W/廣(H=0)W空管座 (H=0.35T)A W/g管W空管+樣品/g(H=0)W空管+樣品/g(H=0.35T)AW空管+樣品/gW/樣品六氰合 鐵（II） 酸鉀16.683216.68400.000821.825821.8237-0.00215.1426x樣 1= x m *空管+樣品i_*空管x樣品1 = -2.9X 10-9 ms/kg 標(biāo) 標(biāo) Am空管 標(biāo)準(zhǔn)-Am空管 m樣um因為x樣1小于0,所以um不存在，則n=0樣品名稱W /空管(H=0)W空管施 (H=0.35T)A W

14、/g管W空管+樣品/g(H=0)W空管+樣品/g(H=0.35T)A W空管+%品W/樣品硫酸 亞鐵16.683216.68400.000820.987121.18780.20074.3039x 樣 2= x m*空管 x 樣品2 = 1.57 X 10-7 ms/kg標(biāo) 標(biāo) Am空管標(biāo)準(zhǔn)-Am空管 m樣日=叩n（n + 2） n=0.626.3分析計算結(jié)果，計算所得的莫爾鹽及樣品1的相關(guān)數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，樣品2 的數(shù)據(jù)明顯有問題，F(xiàn)eSO4*7H2O的成單電子數(shù)為4,順磁性。顯然，實驗中所測 的數(shù)據(jù)明顯偏小。其原因可能是：（1）上一次實驗中樣品1仍有部分殘留在試管 中；（2）藥品填充不密實；（3）實驗過程中沒有消除剩余磁場。6.4根據(jù)um和n討論絡(luò)合物中心離子最外層電子結(jié)構(gòu)和配鍵類型。樣品1FeSO - 7H O的結(jié)構(gòu)式為Fe（ii）（HO） SO - HO，即中心原子Fe2+由周422642圍的6個水分子配位，形成的是正八面體空間結(jié)構(gòu)。樣品2KFe（CN） - 3H O的結(jié)構(gòu)式為K Fe（ii）（CN） 3H O，即中心原子Fe2+由周圍462462的6個氤根離子配位，形成的也是正八面體空間結(jié)構(gòu)。兩個正八面體結(jié)構(gòu)的配合物7思考問題7.1本實驗在測定xM時作了