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 ′ =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m χ或摩尔磁化率M χ表示物质的磁性质，它的定义是ρχ/m K = (3)ρχ/MK M = (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m χ和M χ的单位分别是cm 3•g -1和cm 3•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 。

2.2 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M χ就等于反磁化率反χ，且M χ< 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M χ是摩尔顺磁化率与摩尔反磁化率之和，即反顺χχχ+=M (5)通常顺χ比反χ大约1~3个数量级，所以这类物质总表现出顺磁性，其0>M χ。

顺磁化率与分子永久磁矩的关系服从居里定律KTN A 32mμχ=顺 (6)式中，N A 为Avogadro 常数; K 为Boltzmann 常数(1.38×10 -16erg •K -1 ); T 为热力学温度;m μ为分子永久磁矩(erg •G -1 )。

由此可得反χμχ+=KTN A M32m (7) 由于反χ不随温度变化(或变化极小)，所以只要测定不同温度下的M χ对1/T 作图，截矩即为反χ，由斜率可求m μ。

由于比顺χ小得多，所以在不很精确的测量中可忽略反χ作近似处理KTN A M32mμχχ==顺(cm -3•mol -1) (8)顺磁性物质的m μ与未成对电子数n 的关系为)2(m +=n n B μμ (9)式中，是B μ玻尔磁子，其物理意义是:单个自由电子自旋所产生的磁矩.B μ= 9.273×10-21erg•G -1 = 9.373×10-28erg•G -1 = 9.273×10-24J•T -12.3 磁化率与分子结构(6)式将物质的宏观性质M χ与微观性质m μ联系起来。

由实验测定物质的M χ，根据(8)式可求得m μ，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Co 3+其外层电子结构3d 6，在络离子(CoF 6)3-中，形成电价配键，电子排布为：此时，未配对电子数n=4，m μ =4.9B μ。

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) 6]3-中则形成共价配键，其电子排布为：此时，n=0，m μ =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 古埃法测定磁化率图Ⅰ 古埃磁天平示意图1. 磁铁2. 样品管3. 电光天平古埃磁天平如图Ⅰ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 max)，管顶端则位于场强最弱(甚至为零)的区域(H 0)。

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dz dzdHKAHdF = （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A H H K K F ))((212020--=(11) 式中，K 0为样品周围介质的体积磁化率(通常是空气，K 0值很小)。

如果K 0可以忽略，且H 0=0 时，整个样品受到的力为A KH F 221=(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W A KH F ∆g 212==(13) 由于M K ρχm =, AWh =ρ代入上式得 2gh -2WHM W W M ）（空管样品空管∆∆+=χ (cm 3•mol -1) (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6m 1019500-⨯+=T χ (cm 3•g -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)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H max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①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。

②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①中相同步骤称取W空管+样品(H=0)和W空管+样品(H=H max)，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M同法分别测定FeSO4•7H2O，K3Fe(CN)6和K4Fe(CN)6•3H2O的W空管(H=0)、W空管(H=H max)、W空管+样品(H=0)和W空管+样品(H=H max)。

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/T 0.00 0.30 0.35 0.40 0.35 0.30 0.00空管质量/g 13.5738 13.5756 13.573630s 13.5758 13.5761 13.5763莫尔氏盐质量/g 20.3739 20.3779 20.3798 20.3791 20.3788 20.3750 样品1质量/g 21.1380 21.1463 21.1493 21.1400 21.1389 21.1337 样品2质量/g 20.1890 20.1821 20.1818 20.1806 20.1791 20.1811根据实验结果样品一为FeSO 4•7H 2O ，样品二为K 4Fe(CN)6•3H 2O 。

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Δm/g 莫尔氏盐Δm/gFeSO 4•7H 2OΔm/gK 4Fe(CN)6•3H 2O Δm/g0 -0.0025 -0.0011 0.0043 0.0079 300 -0.0005 -0.0009 0.0074 0.0030 350-0.00220.00070.00930.00125.2 计算各样品的摩尔磁化率M χ、永久磁矩m μ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2M H m M gh W -W 2样样空管样品空管样）（∆∆χ+=(a)，2M H m M gh W -W 2标标空管标准空管标）（∆∆χ+= (b)。

计算(b)(a)，则得到样样空标空样标标样标空标空标样空样空标样）（m W -W W -W m m -m )-(M M M W W M W W M ∙==++∆∆∆∆χ∆∆∆∆χχ。

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=m χ 3.1338×10-5 cm 3•g -1，莫尔氏盐的摩尔磁化率为m χχM M ==329.14×3.1338×10-5=1.0314×10-2cm 3/mol 。

且KTN A M32m μχ=，查阅文献得M Fe SO4•7H2O =278.01g/mol ，M K4Fe(CN)6•3H2O =383.24g/mol ，μB =9.273×10-21erg •G -1。

① 当H=300mT 时，m 标=6.8020g ，m 样1=7.5668g ，m 样2=6.6048g 。

mol/cm 10516.15668.701.2780008.00039.00008.00068.08020.6101338.3325-1M -⨯=⨯--⨯⨯⨯=样χ1-2023216AM1m G erg 10612.51002.610516.11038.115.3023N KT 3⋅⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯==---χμ样，n 1=5.13 mol /cm 10115.26048.624.3830008.00039.00008.00045.0-8025.6101338.3325-2M -⨯-=⨯--⨯⨯⨯=样χ因为M χ< 0，故µm 不存在，n 2=0。