实验一磁化率的测定

磁化率的测定实验报告1. 实验目的1.1 掌握古埃(Gouy)法测定磁化率的原理和方法。1.2 测定三种络合物的磁化率，求算未成对电子数，判断其配键类型。2. 实验原理2.1 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10 4，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 =4I。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或摩尔磁化率表示物质的磁性质，它的定义是 (3) (4)式中，和M分别是物质的密度和摩尔质量。由于K是无量纲的量，所以和的单位分别是cm3g-1和cm3mol-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。2.2 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。其就等于反磁化率，且 0。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是摩尔顺磁化率与摩尔反磁化率之和，即 (5)通常比大约13个数量级，所以这类物质总表现出顺磁性，其。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(1.3810 -16ergK -1 ); T为热力学温度;为分子永久磁矩(ergG -1 )。由此可得 (7)由于不随温度变化(或变化极小)，所以只要测定不同温度下的对1/T作图，截矩即为，由斜率可求。由于比小得多，所以在不很精确的测量中可忽略作近似处理(cm-3mol-1) (8)顺磁性物质的与未成对电子数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.= 9.27310-21ergG-1 = 9.37310-28ergG-1 = 9.27310-24JT-12.3 磁化率与分子结构(6)式将物质的宏观性质与微观性质联系起来。由实验测定物质的，根据(8)式可求得，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， =4.9。Co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) 63-中则形成共价配键，其电子排布为：此时，n=0， =0。Co 3+将 6 个电子集中在3个3d轨道上，6 个CN -的孤对电子进入Co 3+的六个空轨道，形成共价络合物。2.4 古埃法测定磁化率1. 磁铁2. 样品管3. 电光天平图 古埃磁天平示意图古埃磁天平如图所示。天平左臂悬挂一样品管，管底部处于磁场强度最大的区域(Hmax)，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表示为 （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W为施加磁场前后的称量差，则 (13)由于, 代入上式得 (cm3mol-1) (14)式中，W空管+样品为样品管加样品后在施加磁场前后的称量差 ( g ); W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( 980cms-2); h为样品高度(cm); M为样品的摩尔质量(gmol-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 (cm3g-1) (15)3. 仪器药品3.1 仪器古埃磁天平(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。3.2 药品莫尔氏盐(NH4)2SO4FeSO46H2O(分析纯); FeSO47H2O(分析纯); K3Fe(CN)6(分析纯);K4Fe(CN)63H2O(分析纯)。4. 实验步骤4.1 磁极中心磁场强度的测定 4.1.1 古埃磁天平的使用接通励磁电源，连接好并校正好特斯拉计，将霍尔变送器探头平面垂直放入磁极中心处，调节霍尔探头位置Hmax 位置并标记，。调节“调压旋钮”逐渐增大电流，至特斯拉计表头示值为350mT，记录此时励磁电流值 I。，以后每次测量都要控制在同一励磁电流， 使磁场强度相同， 在关闭电源前应先将励磁电流降至零。 4.1.2 用莫尔氏盐标定测量空管质量，调节电流旋、旋钮式磁场强度依次为0mT, 300mT, 350mT, 记下此时空管的质量，调节磁场强度为400mT，停留等示数稳定30s， 逐步降低电流使磁场强度依次为350mT, 300mT, 0mT, 再次记下空管质量。取下样品管，将莫尔氏盐通过漏斗装入样品管，边装边在橡皮垫上碰击，使样品均匀填实，直至装满，继续碰击至样品高度不变为止，用直尺测量样品高度h。用与中相同步骤称取W 空管+样品(H=0)和W空管+样品 (H=Hmax)，测量毕将莫尔氏盐倒入试剂瓶中。4.2 测定未知样品的摩尔磁化率同法分别测定FeSO47H2O，K3Fe(CN)6和K4Fe(CN)63H2O的W空管(H=0)、W空管(H=Hmax)、W空管+样品(H=0)和W空管+样品(H=Hmax)。5. 实验数据记录与处理5.1 实验数据 室温 t=29.0磁场强度/T0.000.300.350.400.350.300.00空管质量/g13.573813.575613.573630s13.575813.576113.5763莫尔氏盐质量/g20.373920.377920.379820.379120.378820.3750样品1质量/g21.138021.146321.149321.140021.138921.1337样品2质量/g20.189020.182120.181820.180620.179120.1811根据实验结果样品一为FeSO47H2O，样品二为K4Fe(CN)63H2O。由上表数据得出在不同磁场变化下样品及空管的质量变化，如下表所示：磁化强度/mT空管m/g莫尔氏盐m/gFeSO47H2Om/gK4Fe(CN)63H2O m/g0-0.0025-0.00110.00430.0079300-0.0005-0.00090.00740.0030350-0.00220.00070.00930.00125.2 计算各样品的摩尔磁化率、永久磁矩和未配对电子数n。实验中通常由莫尔氏盐标定磁场强度所以由公式（14）得 (a)， (b)。计算，则得到。根据公式得摩尔盐的单位质量磁化率，T=302.15K, M莫尔氏盐=392.14g/mol, 得3.133810-5 cm3g-1，莫尔氏盐的摩尔磁化率为=329.143.133810-5=1.031410-2cm3/mol。 且，查阅文献得MFeSO47H2O=278.01g/mol，MK4Fe(CN)63H2O=383.24g/mol，B=9.27310-21ergG-1。 当H=300mT时，m标=6.8020g，m样1=7.5668g，m样2=6.6048g。，n1=5.13因为 0，故m不存在，n2=0。 当H=350mT时，m标=6.8048g，m样1=7.5700g，m样2=6.6065g。，n2=4.76因为 0，故m不存在，n2=0。查阅文献得出样品二六氰合铁酸（）钾的孤电子个数为0，样品一七水合硫酸亚铁的孤电子个数为4，从测得两次数据分别为5.13和4.76，明显数据偏大。5.3根据m和n讨论络合物中心离子最外层电子结构和配键类型。样品一FeSO47H2O的结构式为 Fe(II)(H2O)6 SO4H2O，即中心原子Fe2+由周围的6个水分子配位，形成的是正八面体空间结构。其化合价为+2，样品二K4Fe(CN)63H2O的结构式为K4 Fe(II)(CN)63H2O，即中心原子Fe2+由周围的6个氰根离子配位，形成的也是正八面体空间结构。化合价为 -4。5.4 实验结果分析实验中，测得样品一得实验结果明显偏大主要原因有机器所采用的交流电电压不是恒定，致使在测量的过程中，磁场强度发生变化，导致独处的数据不稳定；装样时，样品不够紧密、均匀；寻找磁场最大值Hmax和H0时，由于试管不是固定住，操作不方便，导致在标记时位置不够准确；测量的过程中操作不够细致，不能保证励磁电流每次试验时都相同，只能保证在一个较小的范围内，使测量结果产生误差。同学的走动，以及装样后试管在悬挂时不能立即稳定，接触器材壁等，影响电子天平的读数不稳定，产生数据方面的误差。样品研磨颗粒度不够细，放置空气时间过久使分子脱水或吸水都对实验结果产生影响。6. 思考题6.1本实验测定时用了那些近似处理？实验中忽略了分子在外磁场的作用下产生的反磁性，由于顺磁性远大于反磁性，在不精确的实验中忽略了反磁性的作用，使近似等于物质表现出的顺磁性。还有忽略顺磁性物质逆磁磁化率的影响，忽略样品柱远离磁场一端的磁化率等。6.2 为什么用莫尔氏盐标定磁场强度？因为莫尔盐性质稳定，组成固定，且有5个单电子，对磁场有好的响应。故可以用作 磁化率的标准物质。6.3 样品的填充高度和密度对测量结果有何影响？样品填充高度过低，使得样品在磁场中的质量偏小。高度过大，使得在H=0之外还存在样品，未能完全处于磁场之中，样品在磁场中的质量偏大。根据可以得出摩尔磁化率与高度和密度成正比，样品装填不实，不均匀造成高度不能准确测量，密度不均匀对实验结果造成较大误差。9