实验讲义磁化率的测定

1络合物的磁化率测定1.实验目的及要求1）掌握古埃(Gouy)法测定磁化率的原理和方法。2）通过测定一些络合物的磁化率，求算未成对电子数和判断这些分子的配键类型。2.实验原理2.1物质的磁性根据物质在磁场下的作用情况，即物质对磁场的影响（磁性），可将物质分为抗磁性（逆磁性）和顺磁性（以及铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性、超顺磁性和其它类型）等。简单说，抗磁性就是指物质在磁场作用下会产生对磁场的一定的微弱作用力，而顺磁性是指物质在磁场作用下会产生一个与磁场方向相同的作用力。关于顺磁性的一种解释是顺磁性物质可以被看作是由许多微小的磁棒组成的，这些磁棒可以旋转，但是无法移动。这样的物质受到外部磁场的影响后其磁棒主要顺磁力线方向排列，但是这些磁棒互相之间不影响。热振动不断地使得磁棒的方向重新排列，因此磁棒指向不排列比排列的可能性高。因此磁力线的强度越强顺磁性物质内磁棒的排列性就越强。抗磁性的成因，是当物质处在外加磁场中，外加磁场使得物质电子轨道运动产生改变的连带效应。当施加一外源磁场B时，会对运动中的电子（电荷q）产生了磁力F：F=qv×B。此力改变了电子所受的向心力，使得电子轨道运动或是加速，或是减慢。电子速度因此受到改变，而连带改变了其与外加磁场相反方向上的轨道磁矩。所有物质都会对外加磁场作出不同程度的抗磁性反应；但是对于同时拥有其他磁性性质的材料来说（如铁磁性和顺磁性），抗磁性可以完全忽略不计。在无外加磁场时，分子内的各种微磁矩随机排列，故不显示磁性。2.2磁化率物质在外磁场作用下，物质会被磁化产生一附加磁场。物质的磁感应强度等于：''00BBBHB（1）式中B0为外磁场的磁感应强度；B′为附加磁感应强度；H为外磁场强度；μ0为真空磁导率，其数值等于4π×10-7N／A2。物质的磁化可用磁化强度M来描述，M也是矢量，它与磁场强度成正比。2HM（2）式中X为物质的体积磁化率。在化学上常用质量磁化率Xm或摩尔磁化率XM来表示物质的磁性质。m(3)MmMM(4)式中ρ、M分别是物质的密度和摩尔质量。2.3分子磁矩与磁化率物质的磁性与组成物质的原子，离子或分子的微观结构有关，当原子、离子或分子的两个自旋状态电子数不相等，即有未成对电子时，物质就具有永久磁矩。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。在外磁场作用下，具有永久磁矩的原子，离子或分子除了其永久磁矩会顺着外磁场的方向排列。(其磁化方向与外磁场相同，磁化强度与外磁场强度成正比)，表现为顺磁性外，还由于它内部的电子轨道运动有感应的磁矩，其方向与外磁场相反，表观为逆磁性，此类物质的摩尔磁化率χM是摩尔顺磁化率χ顺和摩尔逆磁化率χ逆的和。M顺逆＝＋(5)对于顺磁性物质，χ顺∣χ逆∣，可作近似处理，χM=χ顺。对于逆磁性物质，则只有χ逆，所以它的χM=χ逆。第三种情况是物质被磁化的强度与外磁场强度不存在正比关系，而是随着外磁场强度的增加而剧烈增加，当外磁场消失后，它们的附加磁场，并不立即随之消失，这种物质称为铁磁性物质。磁化率是物质的宏观性质，分子磁矩是物质的微观性质，用统计力学的方法可以得到摩尔顺磁化率χ顺和分子永久磁矩μm间的关系2003mNCkTT顺＝（6）式中N0为阿佛加德罗常数；k为波尔兹曼常数；T为绝对温度。物质的摩尔顺磁磁化率与热力学温度成反比这一关素，称为居里定律，是居里首先在实验中发现，C为居里常数。物质的永久磁矩产。与它所含有的未成对电子数n的关系为3(2)mBnn（7）式中μB为玻尔磁子，其物理意义是单个自由电子自旋所产生的磁矩。249.27410/4BeehJTm＝（8）式中h为普朗克常数；me为电子质量;e为电子电荷量；h为普朗克常数。因此，只要实验测得χM，即可求出μm，算出未成对电子数。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键类型是很有意义的。2.4磁化率的测定图1古埃磁天平示意图古埃法测定磁化率装置如图—1所示。将装有样品的圆柱形玻管如图所示方式悬挂在两磁极中间，使样品底部处于两磁极的中心。亦即磁场强度最强区域，样品的顶部则位于磁场强度最弱，甚至为零的区域。这样，样品就处于一不均匀的磁场中，设样品的截面积为A，样品管长度方向dS的体积AdS在非均匀磁场中所受到的作用力dF为：0dHdFHAdSdS(9)式中dHdS为磁场强度梯度，对于顺磁性物质的作用力，指向磁场强度最大的方向，反磁性物质则指向场强度弱的方向，当不考虑样品周围介质(如空气，其磁化率很小)和H。的影响时，整个样品所受的力为：020012HHHHdHFAHdSHAdS＝(10)4当样品受到磁场作用力时，天平的另一臂加减砝码使之平衡，设∆m为施加磁场前后的质量差，则2012FHAgm因样品管也会对F有一定贡献，故样品的贡献为：201(2sampleFHAgmgmm空管＋样品空管＝－）(11)由于m，MmMM；mhA＝（h为装的样品高度，ρ为样品的密度）代入(11)式整理得202(MghMmmmH空管＋样品空管－）(12)式中h为样品高度；m为样品质量(无磁场时称量的质量)；M为样品摩尔质量；g为重力加速度；μ0为真空磁导率。μ0=47π×10-7N／A2。磁场强度H可用“特斯拉计”测量，或用已知磁化率的标准物质进行间接测量。例如用莫尔盐[(NH4)2SO4·FeSO4·6H20]，已知莫尔盐的χm与热力学温度T的关系式为：939500410/1mmkgT(13)根据式（13）计算出标样的Xm之后，代入式（12）就可以计算出实验时的H，再代入式（12）可计算出样品的Xm。但要对所装样品的高度测量时，容易产生较大的误差，故一般将装样品的试管装好后对样品的高度作一记号，装标样时也装到该高度，即对于式（12）来说，样品与标样的高度h一样，其它实验条件一样时有：202(MghMmmmH样品样品空管＋样品空管样品－）（14）202(MghMmmmH标样空管标样空管＋标样标样－）（15）5由式（14）（15）得到：MMmmmMmmMm样品空管＋样品空管样品标样标样空管样品空管＋标样标样－－（16）3.仪器与药品古埃磁天平(包括电磁铁，电光天平，励磁电源)1套；特斯拉计1台；软质玻璃样品管4只；样品管架1个；直尺1只；角匙4只；广口试剂瓶4只；小漏斗4只。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)。4.实验步骤1）将特斯拉计的探头放入磁铁的中心架中，套上保护套，调节特斯拉计的数字显示为“0”（即将地磁场的强度设置为0）。2）除下保护套，把探头平面垂直置于磁场两极中心，打开电源，调节“调压旋钮”，使电流增大至特斯拉计上显示约“0.3T”，调节探头上下、左右位置，观察数字显示值，把探头位置调节至显示值为最大的位置，此乃探头最佳位置。用探头沿此位置的垂直线，测定离磁铁中心各高度处的H，至H为0，即H0，距离最佳位置有一高度（估测为h0），这也就是样品管内应装样品的最大高度。关闭电源前，应调节调压旋钮使特斯拉计数字显示为零。3）用莫尔氏盐标定磁场强度。取一支清洁的干燥的空样品管悬挂在磁天平的挂钩上，使样品管正好与磁极中心线齐平(样品管不可与磁极接触，并与探头有合适的距离)。准确称取空样品管质量(H=0)时，得m1(H0)；调节旋钮，使特斯拉计数显为“0.300T”(H1)，迅速称量，得m1(H1)，逐渐增大电流，使特斯拉计数显为“0.350T”(H2)，称量得m1(H2)，然后略微增大电流，接着退至(0.350T)H2，称量得m2(H2)，将电流降至数显为“0.300T”(H1)时，再称量得m2(H1)，再缓慢降至数显为“0．000T”(H0)，又称取空管质量得m2(H0)。这样调节电流由小到大，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。111211()()2mHmHmH空管（）＝〔〕（17）212221()()2mHmHmH空管（）＝〔〕（18）6式中：111110()()mHmHmH（）＝（磁场上升时，与不施加磁场的差值）212120()()mHmHmH（）＝（磁场下降时，与不施加磁场的差值）与此类似，当装上不同样品之后，也可以称得在不同电流所产生的磁场下的质量，以及求得其平均质量变化（由于磁场引起的质量变化）。4）取下样品管用小漏斗装入事先研细并干燥过的莫尔氏盐，并不断让样品管底部在软垫上轻轻碰击，使样品均匀填实，直至所要求的高度，（用尺准确测量，或在样品高度出做一记号)，按前述方法将装有莫尔盐的样品管置于磁天平上称量，重复称空管时的路程，得：m1空管+样品(H0)，m1空管+样品(H1)，m1空管+样品(H2)，m2空管+样品(H2)，m2空管+样品(H1)，m2空管+样品(H0)，求出1mH空管＋标样（）和2mH空管＋标样（）。5）同一样品管中，装填同样高度的样品，同法分别测定FeSO4·7H2O，K3Fe(CN)6和K4[Fe(CN)6]·3H20的1mH空管＋样品（）和2mH空管＋样品（）。测定后的样品均要倒回试剂瓶，可重复使用。5.数据记录与处理5.1在各电流所产生的磁场下的质量电流/A035530空瓶/g空瓶＋摩尔氏盐/g空瓶＋FeSO4·7H2O/g空瓶＋K4Fe(CN)6·3H2O/g空瓶＋K3Fe(CN)6/g数据处理5.2在各电流所产生的磁场下的质量变化质量改变/g(0)m(3)m(5)m(5)m(3)m(0)m空瓶/g摩尔氏盐/gFeSO4·7H2O/gK4Fe(CN)6·3H2O/gK3Fe(CN)6/g注：指相对于不施加磁场时的质量改变（最初的称量）75.3在各电流所产生的磁场下的平均质量改变平均质量改变/g(0)m(3)m(5)m空瓶/g摩尔氏盐/gFeSO4·7H2O/gK4Fe(CN)6·3H2O/gK3Fe(CN)6/g1）根据式（13）计算莫尔盐的Xm。2）根据式（16）计算其它样品的Xm。此时式（16）变为：MMmmmMMmmm样品空管＋样品空管样品标样标样样品标样空管空管＋标样－－分别由在3A、5A磁场下数据计算出XM，再求平均值即可。3）根据式（5）、（6）（7）计算未成对电子数。注意，顺磁性物质不考虑X逆对XM的贡献；分析配合物中有未成对电子是金属还是配体有未成对电子存在。若按照上述公式计算出的未成对电子数n是一个很小（小于1）的数，则认为没有成单电子存在。4）根据未成对电子数讨论FeSO4·7H2O和K4Fe(CN)6·3H2O中Fe2+的最外层电子结构以及由此构成的配键类型。6.实验注意事项1）所测样品应事先研细，放在装有浓硫酸的干燥器中干燥。3）空样品管需干燥洁净。装样时应使样品均匀填实。4）称量时，样品管应正好处于两磁极之间，其底部与磁极中心线齐平。悬挂样品管的悬线勿与任何物件相接触。5）样品倒回试剂瓶时，注意瓶上所贴标志，切忌倒错瓶子。