络合物的磁化率的测定

络合物的磁化率的测定班级：2012级化学（1）班学号：20125051163姓名：冯亚威成绩：一、实验目的1．掌握古埃(Gouy)法测定磁化率的原理和方法。2．测定两种络合物的磁化率，求算未成对电子数，判断其配键类型。二、实验原理1、在外磁场的作用下，物质会被磁化产生附加磁感应强度，则物质内部的磁感应强度等于B=B0+B,=μ0H+B,①式中B0为外磁场的感应强度；B,为物质磁化产生的附加磁感应强度；H为外磁场的强度；0为真空磁导率，其数值等于27104AN。物质的磁化可用磁化强度M来描述，M也是一个矢量；它与磁场强度成正比M=H②式中称为物质的体积磁化率，是物质的一种宏观磁性质。B’与M的关系为：B’=0M=0H③将③式代入①式得：B=01H=0H④式中称为物质的（相对）磁导率。化学中常用质量磁化率m或摩尔磁化率M来表示物质的磁性质，它们的定义为：⑤MMmM⑥式中为物质密度，M为物质的摩尔质量。m的单位是13kgm，M的单位是13molm2、物质的原子、分子或离子在外磁场的作用下的磁化现象存在三种情况。（1）.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莫进动，感应出一个诱导磁矩来，表现为一个附加磁场，磁矩的方向与外磁场相反，其磁化强度与外磁场强度成正比，并随着外磁场的消失而消失，这类物质称为逆磁性物质，其＜1，M＜0。（2）.物质的原子、分子或离子本身具有永久磁矩，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等于零。但它在外磁场的作用下，一方面永久磁矩会顺着外磁场方向排列，其磁化方向与外磁场相同，而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莫进动，其磁化方向与外磁场相反，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结果，通常称具有永久磁矩的物质为顺磁性物质。显然，此类物质的摩尔磁化率是摩尔顺M磁化率和摩尔逆磁化率0两部分之和0M⑦但由于＞＞0，故顺磁性物质的＞1，M＞0，可以近似地把当作M，即M≈⑧M（3）.物质被磁化的强度与外磁场强度之间不存在正比关系，而是随着外磁场强度的增加而剧烈的增强，当外磁场消失后，这种物质的磁性并不消失，呈现出滞后现象。这种物质称为铁磁性物质。3、假定分子间无相互作用，应用统计学的方法，可以导出摩尔顺磁化率和永久磁矩之间的定量关系TCkTLm302⑨式中L为阿伏伽德罗常数，k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。物质的摩尔顺磁磁化率与热力学温度成反比这一关系，是居里（CurieP）在室验中首先发现的，所以该是称为居里定律，C称为居里常数。分子的摩尔逆磁率磁化率0是由诱导磁矩产生的，它与温度的依赖关系很小。因此具有永久磁矩的物质的摩尔磁化率M与磁矩间的关系为：kTLkTLmmM3302020⑩该式将物质的宏观物理性质M和其微观性质m联系起来了，因此只要测得M，代入⑩式就可算出永久磁矩m。4、物质的顺磁性来自与电子的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目不相等，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（泡利原理），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，她在外磁场中表现出顺磁性。物质的永久磁矩m和它所包含的未成对电子数n的关系可用下式表示：Bmnn2○11B称为玻尔（Bohr）磁子，其物理意义是单个自由电子自旋所产生的磁矩22410274078.94mAmeheB○12式中h为普朗克常数，em为电子质量。5、由实验测定物质的，代入式求出，再根据式算得未成对电子数n，这对于研究某些原子或离子的电子组态，以及判断络合物分子的配件类型是很有意义的。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，Fe2+离子在自由离子状态下的外层电子结构为3d64s04p0。如以它作为中心离子与6个H2O配位体形成[Fe(H2O)6]2+络离子，是电价络合物。其中Fe2+离子仍然保持原自由离子状态下的电子层结构，此时n=4。见图所示：Fe2+在自由离子状态下的外层电子结构如果Fe2+离子与6个CN-1离子配位体形成[Fe(CN)6]4-络离子，则是共价络合物。这时其中Fe2+离子的外电子层结构发生变化，n=0。见图所示：Fe2+外层电子结构的重排显然，其中6个空轨道形成d2sp3的6个杂化轨道，它们能接受6个CN-离子中的6对孤对电子，形成共价配键。三、实验仪器药品试剂：莫尔氏盐(NH4)2SO4·FeSO4，亚铁氰化钾K4[Fe(CN)6]，硫酸亚铁FeSO4仪器：古埃磁天平（包括磁极、励磁电源、电子天平等），软质玻璃样品管，装样品工具（包括研钵、角匙、小漏斗等）。四、实验步骤无磁场磁mmm1、测量空管无磁场时的质量无磁场m，然后测量电流为0.6A时空管的质量无m。求出空管m。2、装相应的样品，测无磁场时的质量，然后测量电流为0.6A时的质量，求出样品m。3、利用空空空样MmHghMmmm202计算m，利用莫尔氏盐的m计算H。4、利用nmm和计算。5、整理仪器。五、实验数据记录与处理实验温度：15℃无电流电流为0.6Am空管的质量/g25.368125.36804101空管加(NH4)2SO4·FeSO4的质量/g38.164838.16683102已知莫尔氏盐的M与热力学温度T的关系式为13910419500kgmTM，由此可以得出莫尔氏盐的M为M=4.11271013kgm⑴已知空空空样MmHghMmmm202，其中h为样品的实际高度，m为无外加磁场时样品的质量，M为样品的摩尔质量，为样品的密度，真空磁导率270104AN，空气的体积磁化率71064.3空，但因样品管体积很小，故常常忽略。2373343101648.381041028418.08.9101011022HM⑵由⑴⑵得6.9827H无电流电流为0.6Am空管的质量/g25.369725.37004103空管加FeSO4/g37.246937.24993103由空空空样MmHghMmmM202，和已计算出的H得出FeSO4的137237334310205.3102469.371041015218.08.9101031032kgmHM由kTLkTLmmM3302020和Bmnn2得23101373.7m，6n无电流电流为0.6Am空管的质量/g25.369025.36924102空管加K4[Fe(CN)6]的质量/g34.709534.70994104同理可得K4[Fe(CN)6]的M138237334410167.6107095.341041036818.08.9101021042kgmHM由kTLkTLmmM3302020和Bmnn2得23101308.3m，3n六、问题讨论与分析1、在相同励磁电流下，前后两次测量的结果有无差别？磁场强度是否一致？在不同励磁电流下测得样品的摩尔磁化率是否相同？答：在相同励磁电流下，前后两次测量的结果通常有差别。由于电磁铁的磁芯所用的磁导材料不是理想的软磁体，在电流为零没有外加磁场时，存在一定的剩磁。因此，在升降电流时，在相同的电流强度下，实际所产生的磁场强度有一定的差异。在不同励磁电流下测得样品的摩尔磁化率应相同，因摩尔磁化率是物质的特质。2、样品的装填高度及其在磁场中的位置有何要求？如果样品管的底部不在极缝中心，对测量结果有何影响？标准样品和待测样品的装填高度不一致对实验有何影响？同一样品的不同装填高度对实验有何影响？答：样品粉末要填实，装填高度与磁极上沿齐平；样品管的底部要置于电磁铁的极缝中心。如果样品管的底部不在极缝中心，则（1）样品有可能处于梯度相反的磁场中，样品受到的一部分磁力会被抵消而使测量结果偏低；（2）只有在极缝中心位置，才是磁场梯度为零的起点，这是原理中计算的基本要求,以保证样品位于有足够梯度变化的磁场中,减少测量的相对误差。在实验容许的高度范围内，对于同一样品，不同的装填高度下测得的磁化率相同，对实验无影响。3、装样不平行引入的误差有多大？影响本实验结果的主要因素有哪些？答：(1)由于最上面的那些样品粉末不能压紧压平，由式空空样MmHmmm202可知，测量高度h的误差比较大,导致样品顶端磁场强度的偏差。(2)影响磁化率测定的因素很多。但主要因素(与实验成败和实验原理有关)是：a.制样方式：样品要磨细且均匀,样品要与标样保持相同的填充高度。b.样品管在磁场中的位置：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。七、实验注意事项1、由于实验实际操作时所使用的仪器已经没有玻璃门，故称量时应尽量不要有大动作的走动，或太多人围观、说话等，应该尽量保持整个称量过程是在没有太多干扰磁场的因素的环境下进行。2、样品管一定要干净。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，不排除样品会发生相应的吸水和失水，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、励磁电流不能每次都准确地定在同一位置，只能说是保证大概在这个位置附近，因此实际上磁场强度并非每次都是一致的。所以，励磁电流的变化应平稳、缓慢，调节电流时不宜用力过大。加上或去掉磁场时，勿改变永磁体在磁极架上的高低位置及磁极间矩，使样品管处于两磁极的中心位置，尽量使磁场强度前后比较一致。5、读数时最好自始至终由同一个人来读数，以减少由于各人读数时因时间间隔不同所造成的误差。每次称量最好先停十秒，待磁场比较稳定时才读数，可减少误差。