实验三磁化率的测定

-1-实验三磁化率的测定一、实验目的1、用古埃法测定物质的磁化率，求算其顺磁性原子（离子）的未成对电子数。2、掌握古埃法测定磁化率的实验原理和技术。3、掌握古埃磁天平的使用方法。二、基本原理1、分子磁矩m与磁化率物质在外磁场H0作用下，由于电子等带电体的运动，会被磁化而感应出一个附加磁场H'。物质被磁化的程度用磁化率表示，它与附加磁场强度和外磁场强度的比值有关：H'=4πH0（3—1）为无因次量，称为物质的体积磁化率，简称磁化率，表示单位体积内磁场强度的变化，反映了物质被磁化的难易程度。化学上常用摩尔磁化率m表示磁化程度，它与的关系为：Mm（3—2）式中M、分别为物质的摩尔质量与密度。m的单位为m3mol−1。物质在外磁场作用下的磁化现象有三种：（磁化现象与组成物质的分子、原子及离子的内部结构有关，不同的物质受到相同外磁场的作用，其产生的磁化现象不尽相同。归纳起来，有以下三种。）（磁化现象与组成物质的分子、原子及离子的内部结构有关，不同的物质受到相同外磁场的作用，其产生的磁化现象不尽相同。归纳起来，有以下三种。）第一种，物质的原子、离子或分子中没有自旋未成对的电子，即它的分子磁矩m=0。当它受到外磁场作用时，内部会产生感应的“分子电流”，相应产生一种与外磁场方向相反的感应磁矩。如同线圈在磁场中产生感生电流，这一电流的附加磁场方向与外磁场相反。这种物质称为反磁性物质，如Hg、Cu、Bi等。它的m称为反磁磁化率，用反表示，且反0。第二种，物质的原子、离子或分子中存在自旋未成对的电子，它的电子角动量总和不等于零，分子磁矩m0。这些杂乱取向的分子磁矩在受到外磁场作用时，其方向总是趋向于与外磁场同方向，这种物质称为顺磁性物质，如Mn、Cr、Pt等，表现出的顺磁磁化率用顺表示。但它在外磁场作用下也会产生反向的感应磁矩，因此它的m是顺磁磁化率顺与反磁磁化率反之和。因|顺||反|，所以对于顺磁性物质，可以认为m=顺，其值大于零，即m0。-2-第三种，物质被磁化的强度随着外磁场强度的增加而剧烈增强，而且在外磁场消失后其磁性并不消失。这种物质称为铁磁性物质。物质的磁性因此分为三种即：顺磁性、反磁性、铁磁性。对于顺磁性物质而言，摩尔顺磁磁化率与分子磁矩m关系可由居里——郎之万公式表示：m=顺=kTNmA320（3—3）式中NA为阿伏加德罗常数（6.022×1023mol−1），k为玻尔兹曼常数(1.3806×10−23JK−1)，0为真空磁导率（4π×10−7NA−2），T为热力学温度。式（3—3）可作为由实验测定磁化率来研究物质内部结构的依据。分子磁矩m由分子内未配对电子数n决定，其关系如下：)2(nnBm（3—4）式中B为玻尔磁子，是磁矩的自然单位。B=9.274×10−24JT−1（T为磁感应强度的单位，即特斯拉）。2、古埃法测定物质的摩尔磁化率（M）的原理本实验用古埃磁天平测定物质的摩尔磁化率m，测定原理如图3—1所示。一个截面积为A的样品管，装入高度为h、质量为m的样品后，放入非均匀磁场中。样品管底部位于磁场强度最大之处，即磁极中心线上，此处磁场强度为H。样品最高处磁场强度为零。前已述及，对于顺磁性物质，此时产生的附加磁场与原磁场同向，即物质内磁场强度增大，在磁场中受到吸引力。设0为空气的体积磁化率，可以证明，样品管内样品受到的力为：200)(21HAF（3—5）将式（3—2）代入上式，并考虑到hAm，而0值很小，相应的项可以忽略，可得：图3—1MhHmFm2021（3—6）古埃磁天平测量原理在磁天平法中利用精度为0.1mg的电子天平间接测量F值。设Δm0为空样品管在有磁场和无磁场时的称量值的变化（Δm0＝m0有－m0无），Δm为装样品后在有磁场和无磁场时的称量值的变化（Δm＝m有－m无），则gmmF)(0（3—7）式中，g为重力加速度，将式（3—7）代入式（3—6），可得：-3-200)(2mHghMmmm（3—8）磁场强度H可由特斯拉计测量，应该注意，特斯拉计测量的实际上是磁感应强度B，单位为T（特斯拉）。磁场强度H可由HB0关系式计算得到，H的单位为Am−1。也可用已知磁化率的莫尔氏盐标定。三、仪器和试剂古埃磁天平（包括电子天平）1台；软质玻璃样品管2支；装样品工具（包括角匙、小漏斗、玻璃棒、研钵）1套；FeSO4·7H2O（A.R.）；K4[Fe(CN)6]·3H2O（A.R.）。四、操作步骤1、调整仪器（1）检查两磁头间的距离是否合适，试管尽可能在两磁头的正中间。（2）电流调节器左旋至最小，接通电源。此时电流表显示为全零，特斯拉计显示值不一定是全零，待预热五分钟以后，调节调零电位器使特斯拉计处于全零值。2、测量空样品管质量变化0m（Δm0＝m0有－m0无）将空的样品管悬于磁极的正中心位置，测定空管在加励磁电流（励磁电流就是产生磁场的电流，不同的地方不一样。如继电器，励磁电流就是流过继电器线圈的，使继电器动作的电流，在电机学中是指通过励磁绕组中的电流，励磁绕组是形成磁极的绕组。）前后的质量。重复测定三次，取平均值，求出样品管在加磁场前后的质量变化0m。3、测量待测样品的质量变化m（Δm＝m有－m无）把已经研细的样品通过小漏斗装入样品管，边加边用玻璃棒轻轻的将样品压紧（力度尽可能保持一致），样品高度为15cm以上，用直尺准确测量样品的高度h。用同样的方法测量样品管在加磁场前后的质量，重复测定三次，取平均值，求出其m。五、数据记录和处理实验名称\实验次数123平均值空管m0无空管m0有空管Δm0样品管m无样品管m有样品管ΔmΔm－Δm0求摩尔磁化率M-4-求磁矩m求未配对电子数n1、根据公式（3—8）计算样品的摩尔磁化率。[式中m值为装有样品后的管与空管在无磁场时的称量值之差。即：m=m无－m0无]2、根据公式（3—3）求样品的磁矩。3、根据公式（3—4）求样品中金属离子的未配对电子数。六、注意事项1、磁天平总机架必须放在水平位置，电子天平要做好水平调整。2、吊绳和样品管必须与它物相距至少3mm以上。3、励磁电流的变化应平稳、缓慢。4、微量的铁磁性物质对测量结果影响很大，处理样品时要特别注意防止杂质沾染。注：古埃(Gouy)磁天平的特点是结构简单，灵敏度高。用古埃磁天平法测量物质的磁化率，从而可求得永久磁矩和未成对电子数，这对研究物质结构具有重要意义。莫尔氏盐：(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O(分析纯)；FeSO4·7H2O(分析纯)；K3Fe(CN)6(分析纯)；K4Fe(CN)6·3H2O(分析纯)。分子磁矩m：在原子中，电子因绕原子核运动而具有轨道磁矩；电子还因自旋具有自旋磁矩；原子核、质子、中子以及其他基本粒子也都具有各自的自旋磁矩。这些对研究原子能级的精细结构，磁场中的塞曼效应以及磁共振等有重要意义，也表明各种基本粒子具有复杂的结构。分子的磁矩就是电子轨道磁矩以及电子和核的自旋磁矩构成的，磁介质的磁化就是外磁场对分子磁矩作用的结果。磁化率：表征磁介质属性的物理量。等于磁化强度与磁场强度H之比。