磁化率的测定08材化2 叶辉青2008307502301 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。

1.3 了解磁天平的原理与测定方法。

1.4 熟悉特斯拉计的使用。

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104，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χm或摩尔磁化率χM表示物质的磁性质，它的定义是χm=K/ρ(3)χM=MK/ρ(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χm 和χM的单位分别是cm3/g和cm3/mol，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χM就等于反磁化率χ反，且χM<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χM是摩尔顺磁化率与摩尔反磁化率之和，即χM=χ顺+χ反(5)通常χ顺比χ反大约１～３个数量级，所以这类物质总表现出顺磁性，其χM>0。

顺磁化率与分子永久磁矩的关系服从居里定律χM=N A μ2M /(3KT) （6）式中，NA 为Avogadro 常数，K 是波尔兹曼常数，T 是热力学温度，μm 为分子永久磁矩。

由此可见χM =N A μ2M /(3KT)+ χ反 （7）由于χ反不随温度变化(或变化极小)，所以只要测定不同温度下的χM 对1/T 作图，截矩即为χ反，由斜率可求μm 。

由于比χ顺小得多，所以在不很精确的测量中可忽略χ反作近似处理χM =χ顺 =N A μ2M /(3KT) （8）顺磁性物质的μm 与未成对电子数n 的关系为)2(+=n n B m μμ （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。

2.3 磁化率与分子结构(6)式将物质的宏观性质χM 与微观性质μm 联系起来。

由实验测定物质的χM ，根据(8)式可求得μm ，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+其外层电子结构为3d 6，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，μm=4.9μB 。

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，μm=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χ样=111-m -样品样品空管标准空管空管样品空管标标m M m m m m x ⨯∆∆∆∆++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 4.2 用特斯拉计测量按说明书校正好特斯拉计。

将霍尔变送器探头平面垂直放入磁极中心处。

接通励磁电源， 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。

4.3 用莫尔氏盐标定4.3.1 取一干洁的空样品管悬挂在磁天平左臂挂钩上，样品管应与磁极中心线平齐，注意样品管不要与磁极相触。

准确称取空管的质量W 空管(H=0)，重复称取三次取其平均值。

接通励磁电源调节电流为I 。

记录加磁场后空管的称量值W 空管(H=H)，重复三次取其平均值。

4.3.2 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=0.3T),W 空管+样品(H=0.35T),W 空管+样品(H=0.4T)测量毕将莫尔氏盐倒入试剂瓶中。

4.4 测定未知样品的摩尔磁化率χM同法分别测定FeSO4·7H2O和K4Fe(CN)6·3H2O的W空管(H=0)、W空管(H=0.3),W空管(H=0.35),W空管(H=0.4);W空管+样品(H=0)和W空管+样品(H=0.3),W空管+样品(H=0.35),W 空管+样品(H=0.4)。

5 注意事项5.1 所测样品应研细。

5.2 样品管一定要干净。

ΔW空管=W空管(H=H)-W空管(H=0)>0时表明样品管不干净，应更换。

5.3 装样时不要一次加满，应分次加入，边加边碰击填实后，再加再填实，尽量使样品紧密均匀。

5.4 挂样品管的悬线不要与任何物体接触。

5.5 加外磁场后，应检查样品管是否与磁极相碰。

6 数据处理磁场0T 0.3T 0.35T 0.4T 0.35T 0.3T 0T空管16.683116.683716.6837———16.684316.683616.6833 莫尔盐21.339721.452421.4955———21.499421.456321.3414K4Fe(CN)6·3H2O21.826021.824521.8235———21.823821.824721.8255FeSO4·7H2O20.990721.135621.1856———21.190021.139120.9835T=(28.4+273)K M莫尔盐=392.14g/mol M硫酸亚铁=278.02 g/mol M六氰合铁（II）酸钾=422.39 g/molχ标=χ莫尔盐=π411095009⨯+⨯-T=3.95×10-7m3/kg6.2计算三个样品的摩尔磁化率χM、永久磁矩μm和未配对电子数n样品名W空管/g(H=0)W空管/g(H=0.3T)ΔW空管/gW空管+样品/gW空管+样品/g(H=0.3ΔW空管+样品W样品/g称(H=0) T) /g莫尔盐16.683216.68370.000521.340621.45440.11384.6574样品名称W空管/g(H=0)W空管/g(H=0.3T)ΔW空管/gW空管+样品/g(H=0)W空管+样品/g(H=0.3T)ΔW空管+样品/gW样品/g六氰合铁（II）酸钾16.683216.6837 0.0005 21.8258 21.8246 -0.0012 5.1426χ样1=111-m-样品样品空管标准空管空管样品空管标标mMmmmmx⨯∆∆∆∆++=-2.26×10-9 m3/kg因为χ样1小于0，所以μm不存在，则n=0样品名称W空管/g(H=0)W空管/g(H=0.3T)ΔW空管/gW空管+样品/g(H=0)W空管+样品/g(H=0.3T)ΔW空管+样品/gW样品/g硫酸亚铁16.6832 16.6837 0.0005 20.9871 21.1374 0.1503 4.3039χ样2=222-m-样品样品空管标准空管空管样品空管标标mMmmmmx⨯∆∆∆∆++=1.57×10-7 m3/kgμm=5.70×10-21)2(+=nnBmμμn=0.62样品名称W空管/g(H=0)W空管/g(H=0.35T)ΔW空管/gW空管+样品/g(H=0)W空管+样品/g(H=0.35T)ΔW空管+样品/gW样品/g 莫16.6816.6840 0.0021.3421.4975 0.15 4.81尔盐32 08 06 69 43标样品名称W空管/g(H=0)W空管/g(H=0.35T)ΔW空管/gW空管+样品/g(H=0)W空管+样品/g(H=0.35T)ΔW空管+样品/gW样品/g六氰合铁（II）酸钾16.6832 16.6840 0.0008 21.8258 21.8237 -0.0021 5.1426χ样1=111-m-样品样品空管标准空管空管样品空管标标mMmmmmx⨯∆∆∆∆++= -2.9×10-9m3/kgμm因为χ样1小于0，所以μm不存在，则n=0样品名称W空管/g(H=0)W空管/g(H=0.35T)ΔW空管/gW空管+样品/g(H=0)W空管+样品/g(H=0.35T)ΔW空管+样品/gW样品/g硫酸亚铁16.6832 16.6840 0.0008 20.9871 21.1878 0.2007 4.3039χ样2=222-m-样品样品空管标准空管空管样品空管标标mMmmmmx⨯∆∆∆∆++= 1.57×10-7 m3/kg)2(+=nnBmμμn=0.626.3 分析计算结果，计算所得的莫尔盐及样品1的相关数据比较准确，样品2的数据明显有问题， FeSO4*7H2O的成单电子数为4，顺磁性。

显然，实验中所测的数据明显偏小。

其原因可能是：（1）上一次实验中样品1仍有部分残留在试管中；（2）药品填充不密实；（3）实验过程中没有消除剩余磁场。