演示实验磁化率测定

演示实验磁化率测定Ⅰ、目的要求1、测定物质的摩尔磁化率，推算分子磁矩，估计分子内未成对电子数，判断分子配键的类型。2、掌握古埃(Gouy)磁天平测定磁化率的原理和方法。Ⅱ实验原理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、钴、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′=4πI。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χm或摩尔磁化率χM表示物质的磁性质，它的定义是χm=K/ρ(3)χM=MK/ρ(4)式中，ρ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χm和χM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.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向相反的诱导磁矩，所以表示出反磁性。其χM就等于反磁化率χ反，且χM0。在顺磁性物质中，存在自旋未配对电子，所以具有永久磁矩。在外磁场中，永久磁矩顺着外磁场方向排列，产生顺磁性。顺磁性物质的摩尔磁化率χM是摩尔顺磁化率与摩尔反磁化率之和，即χM=χ顺+χ反(5)通常χ顺比χ反大约１～３个数量级，所以这类物质总表现出顺磁性，其χM0。顺磁化率与分子永久磁矩的关系服从居里定律(6)式中，NA为Avogadro常数;K为Boltzmann常数(1.38×10-16erg·K-1);T为热力学温度;μm为分子永久磁矩(erg·G-1)。由此可得(7)由于χ反不随温度变化(或变化极小)，所以只要测定不同温度下的χM对1/T作图，截矩即为χ反，由斜率可求μm。由于比χ顺小得多，所以在不很精确的测量中可忽略χ反作近似处理(8)顺磁性物质的μm与未成对电子数n的关系为(9)式中，是玻尔磁子，其物理意义是:单个自由电子自旋所产生的磁矩。μB=9.273×10-21erg·G-1=9.273×10-28J·G-1=9.273×-24J·T-13.磁化率与分子结构(6)式将物质的宏观性质χM与微观性质μm联系起来。由实验测定物质的χM，根据(8)式可求得μm，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Co3+其外层电子结构为3d6，在络离子(CoF6)3-中，形成电价配键，电子排布为：此时，未配对电子数n=4，μm=4.9μB。Co3+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)6］3-中则形成共价配键，其电子排布为：此时，n=0，μm=0。Co3+将6个电子集中在3个3d轨道上，6个CN-的孤对电子进入Co3+的六个空轨道，形成共价络合物。4.古埃法测定磁化率古埃磁天平如图Ⅲ-29-1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(H)，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为(10)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(11)式中，K0为样品周围介质的体积磁化率(通常是空气，K0值很小)。如果K0可以忽略，且H0=0时，整个样品受到的力为(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ΔW为施加磁场前后的称量差，则(13)由于代入上式得(14)式中，ΔW空管+样品为样品管加样品后在施加磁场前后的称量差(g);ΔW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(980cm·s-2);h为样品高度(cm);M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图1古埃磁天平示意图1.磁铁;2.样品管;3.电光天平Ⅲ仪器与试剂莫尔氏盐(NH4)2S04·FeS04·6H20亚铁氰化钾K4[Fe(CN)6]·3H20硫酸亚铁FeS04·7H20古埃磁天平(包括磁极、励磁电源、电子天平等)CT5型高斯计玻璃样品管、装样品工具(包括研钵、角匙、小漏斗等)Ⅳ实验步骤1、打开磁天平预热10分钟，打开电子天平的电源，并按下“清零”按钮。2、将探头固定件固定在两磁体中间，并且用测量杆检查两磁头间隙为20mm，并使试管尽可能在两磁头中间。3、电源调节旋钮旋左旋到底，励磁电流显示为：“0000”。4、取一支清洁、干燥的空样品管，悬挂在天平一端的挂钩上，使样品管的底部在磁极中心连线上。关上磁天平的门，按“清零”。准确称量空样品管,记录下数值。5、慢慢调节磁场强度为300（mT），等电子天平读数稳定之后，读取电子天平的读数和磁电流的读数。6、慢慢调节磁场强度读数至350（mT），读取电子天平的读数和磁电流的读数。7、慢慢调节磁场强度读数高至370（mT），然后下降至350（mT），读取电子天平的读数和磁电流的读数。8、将磁场强度读数降至300（mT），读取电子天平的读数和磁电流的读数。9、再将磁场强度读数调至最小，读取电子天平的读数和磁电流的读数。10、取下样品管，装入莫尔氏盐(在装填时要不断将样品管底部敲击木垫，使样品粉末填实)，直到样品高度约12cm为止。准确测量样品高度h,按照上面的步骤分别测量其在0（mT）、300（mT）、350（mT）时候电子天平的读数和磁电流的读数。上述调节电流由小到大、再由大到小的测定方法，是为了抵消实验时磁场剩磁现象的影响。11、样品的摩尔磁化率测定用标定磁场强度的样品管装入样品硫酸亚铁FeS04·7H20，按上述相同的步骤测量其在0（mT）、300（mT）、350（mT）时候电子天平的读数和磁电流的读数。Ⅴ实验数据空样品管磁场强度/mT励磁电流/A称重/g03003503503000莫尔氏盐磁场强度/mT励磁电流/A称重/g03003503503000FeSO4.7H2O磁场强度/mT励磁电流/A称重/g03003503503000Ⅵ数据处理用Excel专用程序处理数据，得出实验结论。计算，FeSO4.7H2O的磁化率/(m3*mol-1)计算，永久磁矩um/(Am2)计算，n(n+2)计算，未成对电子数Ⅶ思考题1、本实验中为什么样品装填高度要求在12cm左右?2、在不同的励磁电流下测定的样品摩尔磁化率是否相同?为什么?实验结果若有不同应如何解释?