磁化率的测定

2.16磁化率的测定1实验十六磁化率的测定1．摘要磁化率的测定是一个经典的磁学测量方法。1889年Gouy[1]建立了在均匀磁场中测量磁化率的古埃法，1964年Mulay[2]设计了在非均匀磁声中测定磁化率的Faraday法。摩尔磁化率定义为据的特点将物质分为三类：0称顺磁性物质；0称反磁性物质；另外有少数物质的值与外磁场H有关，随外磁场强度的增加而急剧地增强，且伴有剩磁现象，称此为铁磁性物质（如铁、钴、镍等）。凡原子分子中具有自旋未配对电子的物质都是存在固有磁矩的顺磁性物质。这些原子分子的磁矩象小磁铁一样，在外磁场中总是趋向顺着磁场方向定向排列，但原子分子的热运动又使这些磁矩趋向混乱，在一定温度下这两个因素达成平衡，使原子分子磁矩部分顺着磁场方向定向排列而得以增强物质内部的磁场，显示顺磁性。凡是原子分子中电子自旋已配对的物质，一般是反磁性的物质。大部分物质属反磁性。其原因是物质内部电子轨道运动受外磁场作用，感应出“分子电流”而产生与外磁场方向相反的诱导磁矩。一般说来，原子分子中含电子数目较多电子活动范围较大时，其反磁化率就较大。实际上顺磁物质的磁化率除了分子磁矩定向排列所产生的顺外，同时还包含有感应所产生的反磁化率反，即：M=顺+反由于顺比反大1~3个数量级，因此顺磁性物质的反磁性被掩盖而表现出顺磁性。在不很精确的计算中，可近似地视顺为M。顺磁化率与分子磁矩的关系一般服从居里定律（2.16.2）式将物质的宏观性质M与物质的微观性质联系起来，因此可通过实验测定M来计算物质分子的永久磁矩。实验表明，对自由基或其它具有未成对电子的分子和某些第一族过渡元素离子的磁矩与未成对电子数n的关系为Bnn)2(（2.16.3）联系（2.16.2）和（2.16.3）两式，可直接得到n的表达式11)2(84.22Tnnn顺（2.16.4）（2.16.1）dMMM摩尔磁化率密度分子量质量磁化率体积磁化率分子磁矩阿佛加德罗常数（2.16.2）BATNkT顺顺84.23玻尔磁子波兹曼常数2.16磁化率的测定2关键词：顺磁反磁分子磁矩摩尔磁化率古埃氏天平2．仪器药品磁化率的测定通常可用共振法或天平法。本实验用古埃天平法。测量原理如图2.16.1。当一个截面为A的圆柱体放入一个非均匀的磁场中，物体的一个小体积元dV沿磁场梯度dzHd方向受力，其AHdHdVdzdHHdF00式中，0是真空的导磁系数，是单位体积的磁化率，A是圆柱形样品管的截面积。沿垂直于磁场方向悬挂一个样品，下端放于磁铁的极缝中心，当通电使电磁铁产生磁场后，该处是磁场强度很大的均匀磁场（约5000-10000高斯），对反磁性物质，物质中磁感比周围的减少，因此受到向低磁场方向力的作用；对顺磁性物质，磁感是增加的，因此受到向高磁场方向力的作用。所受力的大小F为0)(2120200HHHHAHdHAF式中，H1是极缝中心处的磁场强度，H0是样品顶端处的磁场强度，0和H0一般可忽略不计，因而简化为2021HAWgF在用上式测定磁化率时，多与标准样品相比较。应用同一样品管且样品长度相等时，有sxxssx（2.16.5）便成为测定磁化率的依据。药品：基准物（莫尔氏盐）（NH4）2SO4FeSO46H2O（AR）被测试样：FeSO47H2O（AR）；黄血盐K4Fe(CN)63H2O（AR）装样工具：软质玻璃样品管、研钵、角匙、小漏斗、玻棒。3．预习提问（1）什么叫物质的顺磁、反磁和铁磁性？（2）简述用古埃法测定物质磁化率的原理。（3）理论上黄血盐络合物的键型？空间立体几何结构应是什么样的？与FeSO47H2O是否有差别？（4）测定中样品管底部为什么要正好与磁极中心线平齐？（5）如何调节磁场强度？将粉末样品装管填实至样品高度达样品管刻度(13.0厘米)，塞上塞子挂在磁天平钩上，在无磁场及有磁场下称量并记录。换样品时，倒出样品并洗净、吹干样品管。将莫尔氏盐与待测固样在研钵中研细，装在广口瓶中备用。取干燥样品管挂在磁天平上，调节样品管底部在极缝中心刻度处。Y药品准备N数据处理三种试样？二种电流？无磁场下称重、记录A1磁场下称重、记录N空样品管自无磁场至有磁场，励磁（小大）电流增大方向，及与此相反方向（大小）进行二次不同方式的称重测试求平均值。二次磁励电流分别是3A及5A左右。YyxzASN图2.16.1古埃氏天平原理2.16磁化率的测定34．操作5．数据处理（1）实验要求：将实验所有称重数据填入下表，如：室温：18C大气压100.150kPa实验日期1981.4.ZJNU空样品管W0’(小大)/gW0”(大小)/g0W/gW0无励磁电流14.943614.943114.94342.8A14.942714.942314.94250.00094.8A14.941014.940614.94080.0026莫尔氏盐W1’(小大)/gW1”(大小)/g1W/gW1无励磁电流23.047823.048723.04832.8A23.118223.118623.11840.07014.8A23.251723.255323.25250.2042FeSO47H2OW2’(小大)/gW2”(大小)/g2W/gW2无励磁电流23.006423.006723.00662.8A23.102223.102423.10230.09574.8A23.279523.286023.28280.2762黄血盐W3’(小大)/gW3”(大小)/g3W/gW3无励磁电流22.004522.004922.00472.8A22.002822.003122.00300.00174.8A22.000022.000022.00000.0047计算：①由莫尔氏盐的单位质量磁化率和实验数据计算磁场强度值。561026.3102919500M将粉末样品装管填实至样品高度达样品管刻度(13.0厘米)，塞上塞子挂在磁天平钩上，在无磁场及有磁场下称量并记录。换样品时，倒出样品并洗净、吹干样品管。将莫尔氏盐与待测固样在研钵中研细，装在广口瓶中备用。取干燥样品管挂在磁天平上，调节样品管底部在极缝中心刻度处。Y药品准备N数据处理三种试样？二种电流？无磁场下称重、记录A1磁场下称重、记录N空样品管自无磁场至有磁场，励磁（小大）电流增大方向，及与此相反方向（大小）进行二次不同方式的称重测试求平均值。二次磁励电流分别是3A及5A左右。Y2.16磁化率的测定46528.21094.71026.3)9434.140483.23(15980)0009.00701.0(2AH38.21082.2AH高斯7528.4103011.21026.31049.815980)0026.02042.0(2AH38.41080.4AH高斯②计算FeSO47H2O和黄血盐K4Fe(CN)63H2O的M、M及它们的未成对电子数。13258.271024.19434.140066.232780009.00701.00009.00957.01049.81026.324scmAOHFeSO13258.471023.10632.82780026.02042.00026.02762.01049.81026.324scmAOHFeSO13458.23)(1078.10613.74220710.00008.01049.81026.3264scmAOHCNFeK13458.43)(10603.10613.74222068.00021.01049.81026.3264scmAOHCNFeK由（2.16.2）式计算BBAOHFeSO39.52911024.184.228.2724BAOHFeSO39.58.4724BBAOHCNFeK65.02911078.184.248.23)(264BBAOHCNFeK61.029110603.184.248.43)(264由（2.16.3）式计算对于FeSO47H2On2+2n5.4=0n=4对于黄血盐K4Fe(CN)63H2On2+2n0.6=0n=0③据未成对电子数讨论FeSO47H2O和黄血盐K4Fe(CN)63H2O的最外层电子结构以及由此构成的配键类型。由于FeSO47H2O有4个未成对电子数，可推断其中Fe2+的最外层电子结构为基本上保持自由离子的电子结构，属于电价络合物。而黄血盐n=0，电子均成对，Fe2+的外层电子结构发生了重排腾出了2个3d空轨道来，再与4s和4p轨道进行d2sp3杂化，构成以Fe2+为中心的指向正八3d4p4s3d4p4sxyzFe2+图2.16.2[Fe(CN)6]4中6个共价键的相对位置2.16磁化率的测定5面体各个顶角的6个空轨道，以此来容纳6个CN中C原子上的孤对电子，形成6个共价配键（图2.16.2）。（2）结果要求及文献值(293K时)[3]FeSO47H2OM=1.12(0.1)102cgsn=4K4Fe(CN)63H2OM=0.172(0.1)103cgsn=0K3Fe(CN)6M=2.29(0.5)103cgsn=1CuSO45H2OM=1.46(0.5)101cgsn=16.点评(1)实验的关键①注意装样的均匀性，粉末样品在管中的装填要求均匀，否则，由此引起的相对误差可达3%。采用多次反复测定并取平均值，可使误差减少到1%。②置样品底部于磁极的中心线上，即最强磁场处。样品管应足够长，使其上端所处的磁场强度可以忽略不计。③样品管的磁化率应予校正。如采用中央封闭，下部真空，上部装样品的特制样品管，并置于中央最强磁场位置，样品所受作用力可视为互相抵消，便无须进行玻璃磁化率校正。④避免空气对流的影响，有条件时可采用真空系统。⑤选用合适的标准样品，需根据测量目的选用，一般选取易得的、稳定性好、纯度高、重现性好的标准样品，且希望标准样品的磁化率和密度尽可能和测试样品相近。其磁化率的温度校正也应遵循居里规则且其温度系数小的物质，有利于减少误差。一般用水作为标定低磁化率的标准样品，表2.16.1列出在不同温度下的物质质量磁化率数据。在精度的标定中，必须除去溶解在水中的气泡，更应注意别让器壁上沾有小气泡。在较高磁化率范围的标定，可采用氯化镍溶液作为标准样品，30%NiCl2溶液的摩尔磁化率在20C时为（443312）106cm3mol1。在高磁化率范围内，通常采用莫尔盐为标准样品，用莫尔盐时必须注意装样的均匀性。常用的标准样品列于表2.16.2中。表2.16.1水的质量磁化率温度/C15101520253040501060.718960.719320.720670.721310.721830.722240.722580.722860.72361表2.16.2常用标准样品的磁化率标准样品磁化率106cm3mol1温度/C水0.72020汞0.16818NaCl0.51720铂0.95620蔗糖0.566Mohr盐9500/T+1NiCl2溶液(10031p/T)0.720(1p)注：T为绝对温度，p为NiCl2的重量百分数⑥防止铁磁性物质的混入，不可使用含铁、镍的角匙或镊子。(2)调节不同励磁电流，测定不同磁场强度下的磁化率，利用Honda-Owen方法[4]可对铁磁性不纯物质进行校正。(3)测定磁化率的主要方法若将测定原理和检出方法相结合则构成各种各样的测磁化率方法。近年来，电子技术的发展使测定渐趋自动化。测量方法大致分为两种类型：①感应法，检测在磁场中物体所受感应