物化实验期末 磁化率测定.doc

磁化率测定实验条件的优化 徐禛2010301040078 杨一洲2010301040081 郑爱强2010301040057 武汉大学化学与分子科学学院 武汉（430072） 、目的要求 1、测定物质的摩尔磁化率，推算分子磁矩，估计分子内未成对电子数，判断分子配键的类型。 2、掌握古埃(Gouy)磁天平测定磁化率的技巧和方法，对实验条件做出优化。 实验原理 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=4 I。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cm3g-1和cm3mol-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.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 (6) 式中，NA 为Avogadro 常数;K 为Boltzmann 常数(1.3810-16ergK-1);T 为热力学温度; m为分子永久磁矩(ergG-1)。由此可得 (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 (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。 B=9.27310-21ergG-1=9.27310-28JG-1=9.273-24JT-1 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 =4.9 B。Co3+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。 4.古埃法测定磁化率 古埃磁天平如图-29-1 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)， 管顶端则位于场强最弱(甚至为零)的区域(H0)。 图1 古埃磁天平示意图 1.磁铁;2.样品管;3.电光天平 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 为 (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 (11) 式中，K0 为样品周围介质的体积磁化率(通常是空气，K0 值很小)。如果K0 可以忽略，且H0=0 时，整个样品受到的力为 (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 W 为施加磁场前后的称量差，则 (13) 由于 代入上式得 (14) 式中， W 空管+样品为样品管加样品后在施加磁场前后的称量差(g); W 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(980cms-2);h 为样品高度(cm);M 为样品的摩尔质量(gmol-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 仪器与试剂 莫尔氏盐(NH4)2S04FeS046H20 铁氰化钾 古埃磁天平(包括磁极、励磁电源、电子天平等) 高斯计 玻璃样品管、装样品工具(包括研钵、角匙、小漏斗等) 实验步骤 1、打开磁天平预热10 分钟，打开电子天平的电源，并按下“清零”按钮。 3、电源调节旋钮旋左旋到底，励磁电流显示为：“0000”。 4、取一支清洁、干燥的空样品管，悬挂在天平一端的挂钩上，使样品管的底部在磁极中心连线上。关上磁天平的门，按“清零”。准确称量空样品管。 5、慢慢调节电流强度为1.5A，等电子天平读数稳定之后，读取电子天平的读数和磁强强度。 6、慢慢调节电流强度为2.0A，读取电子天平的读数和磁强强度。 7、慢慢调节电流强度为2.5A，读取电子天平的读数和磁强强度。 8、慢慢调节电流强度为3.0A，读取电子天平的读数和磁强强度。 9、慢慢调节电流强度为3.5A，读取电子天平的读数和磁强强度。 10、取下样品管，装入莫尔氏盐(在装填时要不断将样品管底部敲击木垫，使样品粉末填实)，直到样品高度约 5cm 为止。准确测量样品高度 h,按照上面的步骤分别测量其在1.5A,2.0A,2.5A,3.0A,3.5A 时候电子天平的读数和磁电流的读数。 11、取下样品管，分别在装样6cm，7cm，8cm，9cm 的高度下测定不同电流时的质量 12.、将样品换位铁氰化钾，重复上述步骤 实验数据 1.摩尔盐 T=284.25K 0 5 6 7 8 9 0 10.415 13.9205 14.5186 15.1669 15.9931 16.7197 121.4 10.415 13.9371 14.5348 15.1836 16.0097 16.7362 161.9 10.4149 13.9502 14.5474 15.1962 16.0222 16.749 202.3 10.415 13.9655 14.563 15.2123 16.0388 16.7651 242.7 10.415 13.9848 14.5824 15.2319 16.0581 16.7846 282.8 10.415 14.0076 14.6047 15.2548 16.0816 16.8078 根据， 求得摩尔磁化率 5 6 7 8 9 121.4 0.0122977 0.0123122 0.0127929 0.0123870 0.0122595 161.9 0.0123254 0.0122696 0.0125869 0.0121822 0.0122158 202.3 0.0119093 0.0120694 0.0124494 0.0122171 0.0120923 242.7 0.0117593 0.0119936 0.0123335 0.0120318 0.0119734 282.8 0.0116575 0.0118576 0.0122260 0.0120153 0.0119276 根据 求得摩尔顺磁率 样 高 摩 尔 磁 化 率 场 强 样 高 质 量 场 强 5 6 7 8 9 121.4 4.9021636 4.9050638 4.9999010 4.9199449 4.8945533 161.9 4.9076962 4.8965718 4.9594762 4.8791020 4.8858201 202.3 4.8241289 4.8564636 4.9323162 4.8860799 4.8610636 242.7 4.7936581 4.8411872 4.9093093 4.8488786 4.8371108 282.8 4.7728582 4.8136512 4.8878586 4.8455628 4.8278362 根据， B=9.27310-21ergG-1=9.27310-28JG-1=9.273-24JT-1 求得单电子数 5 6 7 8 9 121.4 4.3796809 4.3827537 4.4832677 4.3985211 4.3716180 161.9 4.3855427 4.3737565 4.4404152 4.3552494 4.3623661 202.3 4.2970269 4.3312700 4.4116306 4.3626413 4.3361421 242.7 4.2647652 4.3150910 4.3872518 4.3232366 4.3107740 282.8 4.2427470 4.2859326 4.3645256 4.3197250 4.3009527 2.铁氰化钾 根据， 求得摩尔磁化率 0 5 6 7 8 9 0 10.9129 14.6236 15.4839 16.1546 16.8716 17.7517 120.8 10.9128 14.6272 15.4877 16.1578 16.8752 17.7555 161.3 10.9128 14.6301 15.4906 16.1608 16.878 17.7585 202 10.9128 14.6337 15.4941 16.1642 16.8815 17.7622 241 10.9128 14.6373 15.4985 16.1687 16.8858 17.7667 282 10.9128 14.6429 15.5036 16.1739 16.891 17.7717 样 高 质 量 场 强 样 高 单 电 子 数 场 强 样 高 摩 尔 顺 磁 率 场 强 5 6 7 8 9 120.8 0.00214366 0.00220456 0.00188917 0.00213668 0.00221088 161.3 0.00216917 0.00217873 0.00205177 0.00212950 0.00221802 202 0.00214707 0.00211331 0.00202439 0.00209915 0.00218261 241 0.00205595 0.00212309 0.00208708 0.00211375 0.00218908 282 0.00209998 0.00208994 0.00208441 0.00210729 0.00213020 根据 求得摩尔顺磁率 5 6 7 8 9 120.8 2.0466992 2.0755712 1.9213729 2.0433633 2.0785417 161.3 2.0588397 2.0633751 2.0023543 2.0399285 2.0818948 202 2.0483273 2.0321601 1.9889463 2.0253411 2.0652120 241 2.0043933 2.0368550 2.0195068 2.0323696 2.0682704 282 2.0257382 2.0208932 2.0182158 2.0292631 2.0402635 根据， B=9.27310-21ergG-1=9.27310-28JG-1=9.273-24JT-1 求得单电子数 5 6 7 8 9 120.8 1.4229122 1.4513027 1.3004980 1.4196363 1.4542275 161.3 1.4348421 1.4393019 1.3794402 1.4162641 1.4575298 202 1.4245113 1.4086411 1.3663291 1.4019539 1.4411086 241 1.3814354 1.4132476 1.3962354 1.4088467 1.4441174 282 1.4023433 1.3975941 1.3949705 1.4057997 1.4165930 数据分析 摩尔盐单电子计算值分布 样 高 摩 尔 磁 化 率 场 强 样 高 摩 尔 顺 磁 率 场 强 样 高 单 电 子 数 场 强 从图上可以看出：场强为 282.8mT (电流 3.5A)时，单电子计算值更接近于真值 4；样高为8cm 是四组测量值最为集中波动最小。 铁氰化钾单电子计算值 从图上可以看出：场强为 282.0mT (电流 3.5A)时，单电子计算值相对地更接近于真值 4；样高为8cm 是四组测量值最为集中波动最小。 实验数据的波动是不可避免的，因为每次加样后不