物质磁化率测定.doc

物质磁化率测定一、实验目的：1、通过测定一些络和物的磁化率，求算未成对电子数和判断这些分子的配键类型。2、掌握Gouy法测定磁化率的原理和实验方法。3、学会用霍尔法测定磁场强度。二、实验原理：1、 磁化率 物质在外磁场作用下，物质将会被磁化，产生一附加磁场。此时物质内部的磁感应强度等于 （1）式中，B0为外磁场的磁感应强度,由于在空气介质中，所以B00H ， H为外磁场强度；0为真空磁导率，其值等于4107N/A2。 B为附加磁感应强度，对于顺磁性物质：与方向一致，对于逆磁性物质：与方向相反。另外，对于顺磁性和逆磁性物质来说，其磁化的程度可用磁化强度矢量来描述，其与外磁场强度成正比 （2）式中， 为磁化强度，物理意义：单位体积的磁矩；为物质的体积磁化率，是物质的一种宏观磁性质，无量纲，表示单位磁场强度下单位体积的磁矩。对于顺磁性物质：0；对于逆磁性物质：0。在化学上常用的是质量磁化率g或摩尔磁化率m来表示物质的磁性质，其定义分别为： g/ （3） MMrgMr/ （4）式中：和Mr分别为物质的密度和摩尔质量。由于是无量纲的量，故质量磁化率g和摩尔磁化率M的单位分别是m3/kg和m3/moL。2、 分子磁矩和磁化率物质的磁性与组成物质的原子、离子或分子的微观结构有关，当原子、离子或分子的两个自旋状态电子数不相等，即有未成对电子时，物质就具有永久磁矩。由于热运动，永久磁矩的指向在各个方向的机会相同，所以该磁矩的统计值等于零。在外磁场作用下，具有永久磁矩的原子、离子或分子除了其永久磁矩会顺着外磁场的方向排列，表现为顺磁性外，还由于它内部的电子轨道运动有感应的磁矩，其方向与外磁场方向相反，表现为反磁性，此类物质的摩尔磁化率M是其摩尔顺磁磁化率顺和摩尔逆磁磁化率逆之和。即 M顺逆 （5）对于顺磁性物质，顺逆，可作近似处理，M顺。对于逆磁性物质，则只有逆，所以它的M逆。第三种情况是物质被磁化的强度与外磁场强度不存在正比关系，而是随着外磁场强度的增加而剧烈增加，当外磁场消失后，它们的附加磁场，并不立即随之消失，这种物质称为铁磁性物质。磁化率是物质的宏观磁性质，分子磁矩是物质的微观性质，用统计力学的方法可以得到顺和分子永久磁矩M之间的关系： 顺N0m20/3KTC/T （6）式中 N0为Avogadro常数；K为Boltzmann常数；T为绝对温度。一般情况下，分子的顺磁性几乎都是自旋贡献的，轨道磁矩贡献小，因此，只有存在未成对的电子的物质才具有永久磁矩，物质的永久磁矩M与它的未成对电子数的关系为： （7）式中 B为玻尔磁子，其物理意义是单个自由电子自旋所产生的磁矩。Beh/4me902741024J/T （8）式中 h为Planck常数；me为电子质量。因此，只要实验测得M，即可求出m，算出未成对电子数，从而为研究简单分子的电子结构，络合物的健型和立体化学研究提供信息。3、磁化率的测定本实验采用Gouy法测定物质的磁化率M，其实验装置示意图如图（1）。将装有样品的圆柱形玻璃管如图（1）所示方式悬挂在两磁极中间，使样品底部处于磁铁两极的中心，亦即磁场强度H最强区域，样品的顶端则位于磁场强度H最弱区域，甚至为零的区域。这样整个样品被置于一不均匀的磁场中，沿样品轴心方向Z存在一磁场梯度dH/dz，若圆形样品截面积为A，则作用于长度为dz的样品上的力dFz为dFz0AHdzdH/dz （9）对于顺磁性物质的作用力，指向磁场强度最大的方向，反磁性物质则指向磁场强度最小的方向，当不考虑样品周围介质（如空气， 图（1）磁天平示意图其磁化率很小）和H0的影响时，整个样品所受的力Fz为： （10）当样品受到磁场作用力时，天平的另一臂加减砝码使之平衡，设m为施加磁场前后的质量差，则Fzgm样品g（m空管样品m空管） （11）则 （12）由于g，m样品/hA代入（12）式整理得 （13） （14）式中 h为样品的高度；m样品为样品质量；Mr为样品的摩尔质量；为样品密度；0为真空磁导率。磁场强度H可用“特斯拉计”直接测量，或用已知磁化率的标准物质进行间接测量。例如用莫尔氏盐（NH4）SO4FeSO46H2O），已知莫尔氏盐的质量磁化率g与热力学温度T的关系式为：g4109m3/Kg （15）三、实验仪器和试剂1、 仪器磁天平1台（包括磁场、励磁电源、电光分析天平和特斯拉计等）软质玻璃样品管1支装样品的工具（包括研钵、角匙、小漏斗、波棒）一套2、 试剂莫尔氏盐（NH4）SO4FeSO46H2O （分析纯）硫酸亚铁FeSO47H2O （分析纯）亚铁氰化钾K4Fe(CN)63H2O （分析纯）四、实验步骤1、 将电流调节旋钮左旋到底，打开电源开关，调节到任一电流值，预热5min。2、 在霍尔探头远离磁场时，调节特斯拉的调零旋钮，使其数字显示为“0”。3、 把霍尔探头放入磁铁的中心支架上，使其顶端放入待测磁场中，并轻轻、缓慢地前后、左右调节探头的位置，观察数字显示值，直至调节到最大值，固定。4、 把电流调节至零，缓慢由小到大调节励磁电流。分别读取I=1A、I=2A、I=3A、I=4A时的B的值，缓慢调节至I=5A，然后再缓慢由大到小调节励磁电流，分别读取I=4A、I=3A、I=2A、I=1A时的B的值，并记入下表；再重复操作一次。关闭电源。数据按下表记录（磁感应强度）励磁电流I（A）B1B2B3B4B（平均）I0I1I2I3I45、 用莫尔氏盐标定磁场强度，取一只洁净、干燥的样品管悬挂在天平的一端，使样品管底部与两磁极中心连线平齐（样品管不能与磁极相接触），准确称取空样品管质量，然后接通电源，缓慢由小到大调节电流，分别称取I=1A、I=2A、I=3A、I=4A时的空样品管质量，缓慢调节至I=5A，再缓慢由大到小调节励磁电流，分别称取I=4A、I=3A、I=2A、I=1A时的空样品管质量，再缓慢调节至I=0A，断开电源开关，在其无励磁电流的情况下，再准确称取一次空样品管质量。数据按下表记录（质量）励磁电流I（A）m空（1）m空（2）m空（平均）有无励磁磁场时质量差m空I0a（+）/2/I1b（+）/2b-aI2c（+）/2c-aI3d（+）/2d-aI4e（+）/2e-a同法重复测定一次，将两次测得的数据取平均值。注意： 两磁极距离不得随意变动； 样品管不得与磁极相接触； 实验时应避免气流对测量影响； 每次测量后应将天平托起盘托起。用励磁电流由小至大、由大至小这种测量方法是为了抵消实验时磁场剩磁现象的影响。6、 取下样品管，用小漏斗装入事先研细并干燥过的莫尔氏盐，并不断让样品管底部在软木垫上轻轻碰撞，务使粉末样品均匀填实，直至装入所要求的高度，用直尺准确测量样品高度h。按第五步方法分别准确称取相应电流强度下的质量。数据按下表记录（质量）励磁电流I（A）m空样（1）m空样（2）m空样（平均）有无励磁磁场时质量差m空样I0I1I2I3I4同法重复测定一次，将两次测得的数据取平均值。测定完毕后，将样品管中的莫尔氏盐样品倒入回收瓶中，然后洗净、烘干样品管。7、 用同一样品管，同法测定FeSO45H2O和K4Fe(CN)63H2O在不同电流强度下的质量。要特别注意：样品在样品管中的高度与第一支试管中莫尔氏盐的高度完全相等。8、其他数据记录 样品高度h ； 绝对温度T 。五、注意事项1、电源开关打开或关闭前，应先将电位器逐渐调节至零。2、励磁电流的升降应平稳、缓慢、严防突发性断电。3、空样品管需干燥、洁净，样品应均匀填实。4、实验时应避免气流对测量的影响六、数据处理1、由（15）式算出莫尔氏盐的质量磁化率Xg，并结合有关实验数据利用（13）式计算相应励磁电流下的磁场强度（可与用特斯拉计测量的结果对照）。2、按（14）式算出待测样品FeSO47H2O 和K4Fe(CN)63H2O摩尔磁化率Xm。3、再根据（6）和（7）式计算待测样品FeSO47H2O 和K4Fe(CN)63H2O的永久磁矩m和未成对电子数n。4、根据未成对电子数，讨论FeSO47H2O和 K4Fe(CN)63H2O中的中心离子Fe2+的最外层电子结构，并由此判断配键类型。七、思考题1、为什么要用标准物质校正磁场强度？2、Gouy 法测定物质磁化率的精确度与哪些因素有关？3、Gouy 法测定物质磁化率的原理？4、不同励磁电流下测得的样品摩尔磁化率是否相同？八、讨论1、用测定磁矩的方法可判别化合物是共价配合物还是电价配合物。共价配合物以中心原子的空价电子轨道接受配位体的孤对电子，以形成共价配合物，为了尽可能多成键，往往会发生电子重排，以腾出更多的空的价电子轨道来容纳配位体的电子对，形成共价配键；电价配键不需中心原子腾出空轨道。所以测定配合物的磁矩是判别共价配键和电价配键的主要方法。2、有机化合物绝大多数分子都是由反平行自旋电子对而形成的价键，因此，这些分子的总自旋磁矩也等于零，它们必然是反磁性的。巴斯卡分析了大量有机化合物的摩尔磁化率的数据，总结得到分子的摩尔磁化率具有加和性。此结论可用于研究有机物分子结构。3、从磁性测量中还能得到一系列其它资料。例如测定物质磁化率对温度和磁场强度的依赖性可以判断是顺磁性，反磁性或铁磁性的定性结果。对合金磁化率测定可以得到合金组成，也可研究生物体系中血液的成分等等。4、古埃磁天平古埃（Gouy）磁天平是由电光分析天平、悬线（尼龙丝或琴弦）、电磁铁、励磁电源、特斯拉计（高斯计）、霍尔探头、及仪表等部件构成。电磁铁类型：单轭水冷却型，磁极由圆柱型的软铁材料构成，直径约40mm，磁极端面为截锥的圆锥体，极端面平滑均匀，其磁极中心H可看作匀强磁场，两磁极间距为10mm40mm，且磁极间距连续可调，便于实验操作，其Bmax为0.85T，励磁电源是220V的交流电源，用整流器将交流电变为直流电，经滤波串联反馈输入电磁铁如图（2），励磁电流可从0A调至10A。 图（2）简易古埃磁天平电源线路示意图 图（3）霍尔探头磁场强度测量用特斯拉计。仪器传感器是霍尔探头，其结构如图（3）所示。（1） 测量原理霍尔法是建立在霍尔效应的基础之上。其变送器霍尔元件由一块均匀的单晶半导体材料构成，在其纵向二端通电流IH，此时半导体中的电子沿着IH反方移动，见图（4），当放入垂直半导体平面的磁场H中，则电子会受到磁场力Fg的作用而发生偏转，使得薄片的M端上产生电子积累，造成M、N两端面之间有电场，即产生电场力Fe阻止电子偏转作用，当Fg=Fe时，电子的积累达到动态平衡，产生一个稳定的霍尔电势VH，这种现象为霍尔效应，且霍尔电势与外磁场的磁感应强度遵循如下关系： z H N I Y M X图（4） 霍尔效应原理示意图VHKHIHBcos （16）式中 VH为霍尔电势 ；KH为元件的灵敏度常数，由实验确定；IH为工作电流；为磁场方向和半导体面的垂线的夹角。由（16）式可知，当半导体