磁化率实验报告1.doc

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=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m或摩尔磁化率M表示物质的磁性质，它的定义是m=K/ (3)M=MK/ (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m和M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M就等于反磁化率反，且M0。顺磁化率与分子永久磁矩的关系服从居里定律M=NA2M/(3KT) （6）式中，NA为Avogadro常数，K是波尔兹曼常数，T是热力学温度，m为分子永久磁矩。由此可见M=NA2M/(3KT)+ 反 （7）由于反不随温度变化(或变化极小)，所以只要测定不同温度下的M对1/T作图，截矩即为反，由斜率可求m。由于比顺小得多，所以在不很精确的测量中可忽略反作近似处理M=顺 =NA2M/(3KT) （8）顺磁性物质的m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。2.3 磁化率与分子结构 (6)式将物质的宏观性质M与微观性质m联系起来。由实验测定物质的M，根据(8)式可求得m，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+其外层电子结构为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，m=4.9B。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，m=0。Co3+将6个电子集中在3个3d轨道上，6个CN-的孤对电子进入Co3+的六个空轨道，形成共价络合物。2.4 古埃法测定磁化率 样=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)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4.2 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M 同法分别测定FeSO47H2O和K4Fe(CN)63H2O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。W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6.1 记录所得数据并处理磁场0T0.3T0.35T0.4T0.35T0.3T0T空管16.683116.683716.683716.684316.683616.6833莫尔盐21.339721.452421.495521.499421.456321.3414K4Fe(CN)63H2O21.826021.824521.823521.823821.824721.8255FeSO47H2O20.990721.135621.185621.190021.139120.9835样品1：六氰合铁（II）酸钾 样品2：硫酸亚铁T=(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/mol标=莫尔盐=3.9510-7m3/kg6.2计算三个样品的摩尔磁化率M、永久磁矩m和未配对电子数n6.2.1 当H=0.3T样品名称W空管/g(H=0)W空管/g(H=0.3T)W空管/gW空管+样品/g(H=0)W空管+样品/g(H=0.3T)W空管+样品/gW样品/g莫尔盐16.683216.68370.000521.340621.45440.11384.6574由以上可知m标 = 4.6574g样品名称W空管/g(H=0)W空管/g(H=0.3T)W空管/gW空管+样品/g(H=0)W空管+样品/g(H=0.3T)W空管+样品/gW样品/g六氰合铁（II）酸钾16.683216.68370.000521.825821.8246-0.00125.1426样1= -2.26 10-9 m3/kg因为样1小于0，所以m不存在，则n=0样品名称W空管/g(H=0)W空管/g(H=0.3T)W空管/gW空管+样品/g(H=0)W空管+样品/g(H=0.3T)W空管+样品/gW样品/g硫酸亚铁16.683216.68370.000520.987121.13740.15034.3039样2=1.57 10-7 m3/kgm=5.70 10-21 n=0.626.2.2 当H=3.5T样品名称W空管/g(H=0)W空管/g(H=0.35T)W空管/gW空管+样品/g(H=0)W空管+样品/g(H=0.35T)W空管+样品/gW样品/g莫尔盐16.683216.68400.000821.340621.49750.15694.8143m标=4.8143样品名称W空管/g(H=0)W空管/g(H=0.35T)W空管/gW空管+样品/g(H=0)W空管+样品/g(H=0.35T)W空管+样品/gW样品/g六氰合铁（II）酸钾16.683216.68400.000821.825821.8237-0.00215.1426样1= -2.9 10-9 m3/kgm因为样1小于0，所以m不存在，则n=0样品名称W空管/g(H=0)W空管/g(H=0.35T)W空管/gW空管+样品/g(H=0)W空管+样品/g(H=0.35T)W空管+样品/gW样品/g硫酸亚铁16.683216.68400.000820.987121.18780.20074.3039样2= 1.57 10-7 m3/kg n=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。6.4 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1FeSO47H2O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。样品2K4Fe(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。7 思考问题7.1 本实验在测定M时作了哪些近似处理?反