磁化率的测定

华南师范大学实验报告学生姓名李佳楠学号20122401037专业化学年级班级12化教二班课程名称结构化学实验实验项目磁化率的测定实验类型验证设计√综合实验时间2014年10月09日实验指导老师彭彬老师实验评分【实验目的】1．掌握Gouy磁天平测定物质磁化率的实验原理和技术。2．通过对一些配合物磁化率的测定，计算中心离子的不成对电子数．并判断d电子的排布情况和配位体场的强弱。【实验原理】（1）物质的磁性物质在磁场中被磁化，在外磁场强度H(A·m-1)的作用下，产生附加磁场H'。这时该物质内部的磁感应强度B为外磁场强度H与附加磁场强度H'之和：B＝H十4πI＝H十4πкH＝μH(1)式中I称为体积磁化强度，物理意义是单位体积的磁矩。式中的к称为物质的体积磁化率、表示单位体积物质的磁化能力，是无量纲的物理量。I和к分别除以物质的密度ρ可以得到σ和χ，σ=I/ρ称为克磁化强度；χ=к/ρ称为克磁化率或比磁化率。χm=кM/ρ称为摩尔磁化率（M是物质的摩尔质量）。这些数据都可以从实验测得，是宏观磁性质。在顺磁、反磁性研究中常用到χ和χm，铁磁性研究中常用到I、σ。不少文献中按宏观磁性质，把物质分为反磁性物质、顺磁性物质和铁磁性物质以及亚铁磁性物质、反铁磁性物质几类。其中，顺磁性物质的χm0，而反磁性物质的χm0。（2）古埃法（Gouy）测定磁化率古埃法是一种简便的测量方法，主要用在顺磁测量。简单的装置包括磁场和测力装置两部分。调节电流大小，磁头间距离大小，可以控制磁场强度大小。测力装置可以用分析天平。为了测量不同温度的数据，要使用变温、恒温和测温装置。样品要放在一个长圆柱形玻璃管内，悬挂在磁场中，样品管下端在磁极中央处，此处磁场强度最强；另一端则在磁场强度为零处，即处在磁场强度可忽赂不计的位置。样品在磁场中受到一个作用力。dF=κHAdH式中，A表示圆柱玻璃管的截面积。样品在空气中称量，必须考虑空气修正，即dF=(κ-κ0)HAdH表示空气的体积磁化率，整个样品的受力是个积分问题：F=∫(κ-κ0)HAdH=1/2(κ-κ0)A(H2-H20)因H0＜＜H，且忽略κ0，则F=1/2κAH2式中，F可以通过样品在有磁场和无磁场的两次称量的质量差来求出。F=（∆m样-∆m空）g式中，∆m样为样品管加样品在有磁场和无磁场时的质量差；∆m空为空样品管在有磁场和无无磁场时的质量差；g为重力加速度。则有，κ=2FAH2而χm=κMρ，ρ=m样品Ah，h为样品高度，A为样品管截面积，m样品为样品质量。χm=κMρ=(2FAH2M)/m样品Ah=2(∆m样-∆m空)ghMm样H2（1）只要准确测量样品重量的变化、磁场强度H及样品高度h，即可根据式（1）来计算样品的摩尔磁化率。在实际工作中是采用已准确知道磁化率数值的校准样品来标定磁场，根据式（1）χ样品χ校准剂=∆m样-∆m空∆m校准剂-∆m空×m校准剂m样品×M样品M校准剂×h样品h校准剂（2）χ样=∆m样-∆m空∆m校准剂-∆m空×m校准剂m样品×M样品M校准剂×h样品h校准剂χ校准剂（3）常用的校准样品有(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O（莫氏盐）、HgCo(CNS)4、Ni(en)3S2O3。其中，(NH4)2SO4FeSO4·6H2O的磁化率符合公式χ=1.1938T+1×10-4（4）式中，T是绝对温度。（3）简单络合物的磁性与未成对电子对于第一过渡系列元素络合物，它们的磁矩实验值大多符合Bmμ)2(μnn（5）式中，n是未成对电子数；μB是电子磁矩的基本单位，称为波尔磁子。μB=eh4πmc=9.274×10-24J/T（6）而磁矩μm与摩尔顺磁磁化率χm之间有如下关系：7-2mm10×4π×3μχKTNA（7）式中，NA为阿弗加德罗常数；K为波兹曼常数；T为绝对温度。根据式（7）可以利用测量出的物质的摩尔顺磁化率χm计算出mμ，然后根据式（5）计算样品的未成对电子数。若测得的χm0，则表示物质是反磁性物质，未成对电子数为零。【仪器与试剂】仪器：磁天平一台；玻璃样品管一支；直尺一把，温度计一支。试剂：莫氏盐(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O(分析纯)；亚铁氰化钾K4Fe(CN)6·3H2O(分析纯)；硫酸亚铁FeSO4·7H2O(分析纯)。【实验步骤】标定磁场强度方法如下。①取一只清洁干燥的样品管悬挂在磁天平的挂钩上，称质量得m空。②调节磁天平电流开关，由小至大调节至指定位置1A，测质量得m空1。③继续调大电流开关，至位置3A，测质量得m空2。④继续升高电流至位置4A，停留一定时间待读数稳定，然后调小电流从4A回到3A，测质量得m空2'。⑤继续调小电流回到1A，测质量得m空1'。⑥关闭电流测质量得m空'。⑦装入已经研细的莫氏盐，装样尽量填实，样品要装在距离管口1~2cm处，用直尺测量装样的高度，将样品管放入磁天平，按照空管的测量方法测量样品管的质量。⑧倒出样品管中的莫氏盐，将样品管清洗干净，吹干。装入研细的硫酸亚铁，装样高度和莫氏盐尽量相同，用同样的方法测量硫酸亚铁的数据。⑨倒出样品管中的硫酸亚铁，将样品管清洗干净，吹干。装入研细的亚铁氰化钾，装样高度和莫氏盐尽量相同，用同样的方法测量亚铁氰化钾的数据。【数据记录及处理】1.数据记录表空管：电流/A空管质量/g∆m空/gⅠ（电流升高）Ⅱ（电流降低）平均值016.406416.406416.4064116.406216.406316.40625-0.00015316.405016.405016.4050-0.00125样品：莫氏盐装样高度：12.90cm电流/A空管+样品质量/g∆m/gⅠ（电流升高）Ⅱ（电流降低）平均值027.459827.460227.4600127.471627.472827.47220.0122327.562627.565227.56390.0917样品：硫酸亚铁装样高度：12.90cm电流/A空管+样品质量/g∆m/gⅠ（电流升高）Ⅱ（电流降低）平均值027.560027.560027.5600127.576327.577727.57700.0170327.701027.703627.70230.1253样品：亚铁氰化钾装样高度：13.4cm电流/A空管+样品质量/g∆m/gⅠ（电流升高）Ⅱ（电流降低）平均值026.340526.340426.34045126.340126.340026.34005-0.0004326.337726.338226.33795-0.00212.数据处理（1）样品的磁化率T=27℃=300.13KM莫氏盐=392.14g/molm=1.1938÷(300.13+1)×10^-4m3/kg=3.9644×10-7m3/kg=1.0110×10-7m3/mol（2）待测样品的摩尔磁化率χm由（3）式可计算电流为1A时，FeSO4·7H2O的摩尔磁化率：莫氏盐莫氏盐硫酸亚铁莫氏盐硫酸亚铁硫酸亚铁莫氏盐空莫氏盐空硫酸亚铁硫酸亚铁hhMMmmmmmm)()(=molm/100110.190.1290.1214.39203.2785770.274722.2700015.00122.000015.00170.037-=9.92×10-6m3/mol同理可以分别计算电流强度为1A、3A时，FeSO4·7H2O、K4Fe（CN）6·3H2O的摩尔磁化率，数据处理如下表：电流/A13（空莫氏盐mm）/g0.012350.09185（空硫酸亚铁mm）/g0.017150.12545（空亚铁氰化钾mm）/g-0.00025-0.00095莫氏盐M392.14硫酸亚铁M278.03亚铁氰化钾M422.39m（硫酸亚铁）/m3·mol-19.916×10-69.741×10-6m（亚铁氰化钾）/m3·mol-1-2.335×10-9-1.195×10-9则FeSO4·7H2O的摩尔磁化率平均值为：molmmolm/10829.9/210741.910916.936366mK4Fe（CN）6·3H2O的摩尔磁化率平均值为：molmmolm/10765.1/210195.110335.236366m（3）根据χm计算样品的未成对电子数a、FeSO4·7H2O由721043KTNmAm得：72323367m1041002.613.300/10380662.1/10829.931043KKJmolmNKTAm=4.020×10-23J2/T2又因为Bmnn)2(、μB=9.274078×10-24，所以：当n=1时，μm=1.6063×10-23J2/T2；当n=2时，μm=2.6231×10-23J2/T2；当n=3时，μm=3.5918×10-23J2/T2；当n=4时，μm=4.5434×10-23J2/T2；当n=5时，μm=5.4866×10-23J2/T2。由此可以看出，当n=4时，μm=4.5434×10-23J2/T2，接近2223m/10020.4TJ，则FeSO4·7H2O的未成对电子数是4。b、K4Fe（CN）6·3H2O因为0/106425.43-9molmm，故亚铁氰化钾是反磁性物质，未成对电子数为0。【实验思考与讨论】实验所得结果与文献值比较符合，但还是存在一定的误差，造成误差的可能原因及需注意的事项有：1、由于实验实际操作时仪器受环境影响较大，特别是空气流动较大的环境。称量时应保持环境为真空环境或者空气流动较为微弱的环境。2、样品管保持干燥洁净状态。ΔW空管=W空管(H=H)-W空管(H=0)0时表明样品管不干净，应更换。装在样品管内的样品要均匀紧密、上下一致、端面平整、高度测量准确。样品管的底部要位于磁极极缝的中心，与两磁极两端距离相等。3、由于样品都是研磨完后一段时间才开始测量的，可能受潮，致使分子量会发生变化，使最后所计算出来的结果存在误差。4、测量样品高度h的误差严重影响实验的精度，这从摩尔磁化率的计算公式2mmghm-m2HM样品空样可以看出来。而由于最上面的那些样品粉末不能压紧压平，测量高度h的误差还是比较大的。【参考文献】[1]何广平等编著.物理化学实验.北京：化学工业出版社，2008.[2]傅献霞，沈文霞等编.物理化学.第4版.北京：高等教育出版社，1990.[3]杨文治.电化学基础.北京：北京大学出版社，1982.