实验三十 磁 化 率 的 测 定.doc

实验三十 磁 化 率 的 测 定一、实验目的1掌握古埃（Gouy）法磁天平测定物质磁化率的基本原理和实验方法；2通过对一些络合物磁化率的测定，推算其不成对电子数，判断这些分子的配键类型。二、基本原理物质中的分子是一种复杂的电磁体系，它们在外加磁场的作用下，会发生磁化，从而表现出一些宏观性质。我们通过这些性质来研究分子的微观结构。 置于外磁场中的物质，在外磁场的作用下会感应出一个附加的磁场。这时物质的磁感应强度等于外加磁场强度与附加磁场强度之和。 （301） 为物质的磁化强度，它与外磁场强度的关系为： （302） x为物质的单位体积磁化率，是单位体积内磁场强度的变化。化学上常用单位质量磁化率和摩尔磁化率来表示。它们的定义是： （303） （304）式中d是物质的密度，M为分子量。由于x是无量纲的量。故和的单位分别为厘米3克和厘米3摩尔。 物质的磁性可分为三种，即铁磁性，逆磁性和顺磁性。 铁磁性是指物质在较低外磁场中就能达到饱和的磁化，磁性随外磁场的强度的增加而急剧增大。在外磁场去掉后，磁性并不消失，呈现滞后现象。逆磁性物质被磁化后所感应出的磁场强度与外加的磁场强度方向相反。存在于所有的物质当中。对于逆磁性物质来讲，其物质中的分子或原子的电子都已配对，所以本身没有永久磁矩，但在外磁场的作用下，由于电子的拉磨进动产生了一个与外磁场方向相反的诱导磁矩。逆磁化率可表示为： （305） 式中m为电子的质量，e为电子电荷，c为光速，ri为电子i离核的距离，N为阿伏伽德罗常数。 逆磁性质的x，所以可忽略不计，可得： （307）假定分子间无作用力，用统计力学的方法，导出了摩尔顺磁化率和永久磁化率之间的关系： （308）式中N为阿伏伽德罗常数，k为玻耳兹曼常数，T绝对温度。 （309） 物质的顺磁性来自与电子的自旋相联系的磁矩，电子有两个自旋状态，如果原子，分子或离子中两个自旋状态的电子数不相等，则该物质在外磁场中就呈现出顺磁性。所以只有存在未成对电子的物质才具有永久性磁矩，它在外磁场中表现为顺磁性。物质的永久磁矩与它所包含的未成对电子数n的关系可用下式表示 （3010）式中的是玻尔磁子 其物理意义是单个自由电子自旋所产生的磁矩。测定磁化率的方法很多，本实验采用古埃天平法，其测量原理如图301所示。将圆柱形样品管悬挂在天平的一个臂上，使样品的底部处于电磁铁两极的中心，亦即磁场强度最强处，样品管应足够长，使其上端所处的磁场强度可忽略不计，这样圆柱形样品管就处在一个不均匀的磁场中，沿样品轴心方向S，存在一磁场强度梯度，则作用于样品的力f为： （3011） 式中A为样品截面积，X空为空气的磁化率，积分边界条件H为磁场中心的强度，H0为样品顶端的磁场强度。图301 古埃磁天平示意图假定空气的磁化率可忽略，且H0 = 0，将(3011)式积分得： (3012)用天平测出样品在加磁场前后的重量变化，求出 (3013) (3014)式中g为重力加速度。显然，不均匀磁场作用于样品的力为：f = f2 f1，于是有： (3015)整理后得： (3016)由于 则有 (3017) (3018)式中h为样品的高度，W为样品的重量，M为样品的分子量。 磁场两极中心处的磁场强度H，可用CT5型高斯计直接测得，或用已知磁化率的标准物质进行标定，常用的标准物质有(NH4)SO4FeSO46H2O，CuSO45H2O，HgCO(SCN)4 NaClH2O，苯等。 本实验用莫尔氏盐(NH4)SO4FeSO46H2O，标定外磁场强度，测定FeSO47H2O和K4Fe(CN)63H2O的磁化率。莫尔氏盐的单位磁化率为 三、仪器和药品 古埃磁天平(包括磁场，电光天平，励磁电源) l台、装样工具(包括研钵1个，角匙3个)、软质玻璃管3支； 莫尔氏盐 (NH4)SO4FeSO46H2O（AR）、顺磁性FeSO47H2O（AR）、逆磁性K4Fe(CN)63H2O（AR）。四、实验步骤 1取一支洁净、干燥的空样品管悬挂在天平上，调节样品管使其底部在两极中心处，首先在无磁场下称重，然后将电源开关接通，并旋转调节器旋钮，使电流缓慢增大到2 A，迅速称取此时样品管的重量，称毕，调节电流到3 A称量，称完后，在重新称一次，然后将电流缓慢降到2 A。再降至无励磁电流时称量，将称得的结果记录在下表中。将两次测得的数据取平均值。空样品管 W(第一次)W (第二次)W (平均值)W (变化值) 无励磁电流 励磁电流2 A 励磁电流3 A W = W （I）- W（I0） 2取下样品管，将事先研细的莫尔氏盐装入样品管中，在装填过程中不断将其底部敲击木垫，使粉末样品均匀，填实样品高度h = 15 cm 用测空样品管的方法进行测定，测后将样品到入瓶中。 3用测莫尔氏盐的方法测定其它两种物质。五、数据处理 1由莫尔氏盐单位磁化率和实验数据计算相应励磁电流下的磁场强度值。 2由测定的数据算出W值。3由(3017)式求出各样品的摩尔磁化率 4由(309)式求出各样品的分子磁矩 5由(3010)式估算出各样品未成对电子数n六、注意事项1开机前检查所有的开关是否都在关的位置上。2先接通冷水，然后再开机。3调电流时，要使电流变化十分缓慢，并防止在有电时突然断电。4不要戴手表。七、实验关键提示 由于在本实验中，计算物质在磁场中所受力时，把样品顶端的电场强H0取为零(见3012式推导)。因此，在试管中试样的浓度必须足够高。本实验要求高于15 cm。否则影响实验精度。另外，样品装入后要添实，以免试管体积和密度变化，影响精度。八、讨论 物质在磁场将受到磁化，由此解释为什么每种样品在同一励磁电流下要称量二次?这二次应分别在什么时间称最合理?在不同的励磁电流下，测得的样品摩尔磁化率是否相同，若不同应作如何解释? 九、思考题 1试比较用高斯计和莫尔氏盐标定的相应励磁电流下的磁场强度数值，并分析两者测定结果差异的原因。 2不同励磁电流下测得的样品摩尔磁化率是否相同？如果测量的结果不同应如何解释？参考资料 1 徐光宪物质结构北京：人民教育出版社，1961 2 吉林大学物理化学基本原理（下册）北京：人民教育出版社，19603 MB伏