16 实验十六 磁化率的测定.doc

实验十六 磁化率的测定一、实验目的 1掌握古埃(Gouy)法测定磁化率的原理和方法。 2测定两种络合物的磁化率，求算未成对电子数，判断其配键类型。 二、实验原理 物质的磁性与组成它的原子、离子或分子的微观结构有关。在外磁场作用下，成单电子的自旋运动产生永久磁矩（，叫玻尔磁子，单位是焦耳/特斯拉，n是成单电子数）。此磁矩方向总是顺着外磁场方向，表现为顺磁性；电子的轨道运动产生拉摩进动，感应产生诱导磁矩。此磁矩方向总是逆着外磁场方向，表现为反磁性。 化学科学中，物质的磁性大小常用摩尔磁化率（单位）度量。数值上等于顺磁性表现出的摩尔顺磁化率和反磁性表现出的摩尔反磁化率之和 在温度不太高、外磁场不太强且忽略粒子间相互作用时，摩尔顺磁化率与永久磁矩的关系为 (1)式中NA为Avogadro常数，（真空磁导率），Boltzmann常数，T为绝对温度。则 (2)意指，实验测定反磁物质的摩尔磁化率就是摩尔反磁化率，即；摩尔磁化率减摩尔反磁化率等于顺磁物质的摩尔顺磁化率，由于摩尔反磁化率值很小，一般可忽略。依此，实验测出物质的摩尔磁化率即可计算微观物理量，进而计算未成对电子数n。来研究原子、离子的电子组态，判断配合物的配键类型。本实验测定的FeSO47H2O、K4Fe(CN)6，属六配位的过渡金属配合物，配体形成正八面体场。金属的5个d轨道分裂，形成两个能量较高的简并能级，和三个能量较低的简并能级。这两个简并能级间能量差称之为分裂能。它与配体类型以及中心离子的价态有关。在配位离子Fe(H2O)62+中配体H2O对Fe2+（d6组态）形成弱场，电子采取高自旋排布，即（图1a）。Fe(H2O)62+具有顺磁性。但在Fe(CN)64-中，配体CN-对Fe2+形成强场，电子采取低自旋排布，即（图1b）。Fe(CN)64-具有反磁性。a b图1 d电子排布古埃磋天平是测定摩尔磁化率的常用仪器，其示意图为图2 古埃磁天平示意图图3 古埃磁天平实物图当均匀的样品放入磁场H中时，样品中分子的磁矩不仅会沿着磁场作有序排列，同时样品还会收到一个力的作用。如果样品是顺磁物质，则会受到磁场较强端吸引，而反磁物质则会受到磁场较强端的排除。古埃磁天平的一臂悬挂一个样品管，管底部处于磁场强度最大的区域，管顶端则位于场强最弱(甚至为零)的区域(H0)。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 (3)式中，为样品的相对磁化率，与关系为（样品密度、样品摩尔质量）；H为磁场强度，dH/dz为磁场强梯度，积分上式得 (4) 如果可以忽略，且H0=0时，整个样品受到的力为 （5) 在非均匀磁场中，顺磁性物质由于受到向下吸引力，所以增重；而反磁性物质则受到向上排除作用而减重。测定时称量施加磁场前后物质的重量差，它就等于磁场对物质的作用力。因此对于样品而言有 (6) 式中，和分别是样品和样品管以及空样品管在施加磁场前后质量变化。减去空样品管质量变化是考虑到样品管也有磁性。由于，（为称量样品质量，h为样品管装样高度）。由此可得 (7) 式中磁场强度与古埃磁天平配备的特斯拉计直接测量的磋感应强度B（单位：特斯拉，符号T）的关系为。一般情况下，。三、仪器药品 1仪器 古埃磁天平(包括电子天平，样品管)1套；直尺1只；角匙2只；广口试剂瓶2只；小漏斗2只。 2药品 FeSO47H2O(分析纯)；K4Fe(CN)6(分析纯)。 四、实验步骤 1空样品管称量。将干洁的空样品管悬挂在电子天平的吊线上，样品管下端应与磁极中心线平齐，注意样品管不要与磁极相触。调节古埃天平上的励磁电流旋钮置电流为0，观测磁场强度是否为0，否则调节磁场强度旋钮置磁场为0。天平读数稳定后（注：对于顺磁物质，可以在天平读数稳定后，将电子天平读数置0），调节电流按钮至4.0A，350mT, 并记下磁场强度H。观察电子天平并在读数稳定后记录天平的质量（重复操作三次取平均）；将电流强度调为0，然后置磁场强度为0。等天平数据稳定后，记录此时空管质量 （重复操作三次取平均）。两者之间的质量差就是本次实验空管在磁场下受力的变化。2样品称重。解开橡皮筋，取下样品管下管，将待测样品通过漏斗装入样品管中，边装边在橡皮垫上碰击，使样品均匀填实，直至装满为止（约18cm高）。用与步骤1中相同步骤，称取 和。 测量完毕将样品倒入试剂回收瓶中。 五、注意事项 1所测样品应研细。 2样品管一定要干净。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。 4挂样品管的悬线不要与任何物体接触。悬挂样品管时，检查橡皮筋是否固定牢固，防止样品管跌落摔破。5加外磁场后，应检查样品管是否与磁极相碰。关闭古埃磁天平前一定要检查励磁电流旋钮是否置零。六、数据处理 1.将所测数据列表。 样品名称m空管(H=0) /kgm空管(H=H)/kgm空管 /kgm空管+样品(H=0)/ kgm空管+样品(H=H) /kgm空管+样/kgm样品 kgh/m2计算两个样品的摩尔磁化率、磁矩和未配对电子数n。 3根据和n讨论络合物中心离子最外层电子结构和配键类型。 八、思考问题 1本实验在测定时作了哪些近似处理? 2样品的填充高度和密度对测量结果有何影响?3计算未配对电子数时没有考虑轨道磁矩贡献，它适用哪些场合？参考文献1 王荣顺，结构化学，高