实验十磁化率的测定.doc

配合物磁化率测定的实验报告一、实验目的 1、掌握古埃法磁天平测定物质磁化率的基本原理和实验方法。2、用古埃磁天平测定FeSO47H2O、K4Fe（CN）63H2O这两种配合物的磁化率，推算其不成对电子数，从而判断其分子的配键类型。二、实验原理 1、物质的磁性在外磁场的作用下，物质会被磁化产生附加磁感应强度，则物质内部的磁感应强度为（1）式中B0为外磁场的磁感应强度；为物质磁化产生的附加磁感应强度；H为外磁场强度；0为真空磁导率，0410-7NA2。物质的磁化可用磁化强度M来描述，M也是一个矢量，它与磁场强度成正比 （2）式中 称为物质的体积磁化率，是物质的一种宏观磁性质。 与M的关系为（3）将（3）式代 入（1）式得（4）式中 称为物质的（相对）磁导率。化学上常用单位质量磁化率 或摩尔磁化率 来表示物质的磁性质，它们的定义为（5）（6）式中 为物质密度， 为物质的摩尔质量。 的单位是 m3kg-1。 的单位是m3mol-1。2、三种磁化现象物质的原子、分子或离子在外磁场作用下的磁化现象有三种情况。有些物质本身并不呈现磁性，但由于它内部的电子轨道运动，在外磁场作用下感应出一个诱导磁矩来，表现为一个附加磁场，磁矩的方向与外磁场相反，其磁化强度与外磁场强度成正比，并随着外磁场的消失而消失，这类物质称为逆磁性物质，其 l， 0。某些物质的原子、分子或离子本身具有永久磁矩 ，由于热运动，永久磁矩的指向各个方向的机会相同，所以该磁矩的统计值等于零。但它在外磁场作用下，一方面永久磁矩会顺着外磁场方向排列，其磁化方向与外磁场相同，其磁化强度与外磁场强度成正比；另一方面，物质内部的电子轨道运动的磁化方向与外磁场相反，因此，这类物质在外磁场表现的附加磁场是上述两者作用的总结果。我们称具有永久磁矩的物质为顺磁性物质。显然此类物质的摩尔磁化率 是摩尔顺磁化率 和摩尔逆磁化率 两部分之和。（7）某些物质被磁化的强度与外磁场强度之间不存在正比关系，而是随着外磁场强度的增加而剧烈的增加，当外磁场消失后，这种物质的磁性并不消失，呈现出滞后的现象。这种物质称为铁磁性物质。3、磁化率假定分子间无相互作用，应用统计力学的方法，可以导出摩尔顺磁化率 和分子永久摩尔磁矩 的关系为（8）式中NA为阿佛加德罗常数，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。物质的摩尔顺磁磁化率与温度成反比的这一关系，称为居里定律。分子的摩尔逆磁磁化率 是由诱导磁矩产生的，它与温度的依赖关系很小。因此具有永久磁矩的物质的摩尔磁化率 与摩尔磁矩间的关系为（9）物质的永久摩尔磁矩 和它所含有未成对电子数n的关系为：（10）式中， 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。（9）式将物质的宏观物理性质 和其微观性质 联系起来，因此只要实验测得 代入（9）式就可求出永久摩尔磁矩 ，再用（10）式即可求得含有的未成对电子数n。磁矩测量对于研究某些原子或离子的电子结构，判断配合物分子的配键类型是很有意义的。通常认为配合物可分为电价配合物和共价配合物两种。电价配合物是指中心离子与配位体之间是依靠静电引力结合起来的，这种化学键叫电价配键。这时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。共价配合物则是以中心离子的空的价电子轨道接受配位体的孤对电子以形成共价配键，这时中心离子往往发生电子重排，以腾出更多空的内层价d轨道来容纳配位体的电子对。例如，Fe2+在自由离子状态下的3d轨道电子结构是：当它与6个H2O配位体形成配离子时，中心离子Fe2+仍然保持着上述自由离子状态下的电子结构，故此配合物是电价配合物。而黄血盐K4Fe(CN)6，由实验测得0，则n0，中心离子Fe2+的电子结构发生重排：故K4Fe(CN)6是共价配合物4、磁化率的测定古埃法测定磁化率的原理如图61所示。将装有样品的圆柱形玻璃管如图所示方式悬挂在两磁极中间，使样品的底部处于两极中心，即磁场强度H最强的区域，样品的顶部则处于最上部磁场强度H0几乎为零处。这样，样品管就处于不均匀的磁场中。设样品管的截面积为S，样品管长度方向为dz的体积Sdz在非均匀磁场中所受到的作用力df （11）式中 为一个磁子的磁矩， 为磁场强度梯度。对于顺磁性物质，作用力指向磁场强度大的方向，对于逆磁性物质则指向磁场强度小的方向。样品管中所有样品受的力：（12）当样品受到磁场作用力时，天平的另一臂上加减砝码使之平衡。设m为施加磁场前后的质量差，则(13)由于 代入（13）并整理后得：，（14）式中 为样品高度，m为样品质量，g为重力加速度，M为样品的摩尔质量。（14）式中空气的体积磁化率 ，因样品管体积很小，故常予以忽略。该式右边的各项都可实验测得，由此求出样品的摩尔磁化率。H可由己知单位质量磁化率的莫尔盐来间接标定（ 与温度的关系为 m3kg-1），也可直接测量。图61 古埃磁天平示意图1磁铁；2样品管；3天平 在求样品的摩尔磁化率 时，为简化运算，可做如下处理：（15）（16）将（16）式除以（15）式，可得（17）由（9）式(18)(19)由（17），（18），（19）式就可简便的求出样品的 、 和 。三、仪器与试剂 1、仪器古埃磁天平，装样品工具（包括研钵、角匙、小漏斗、玻璃棒），软质玻璃样品管。2、试剂莫尔氏盐（NH4）2SO4FeSO46H2O（分析纯），FeSO47H2O（分析纯），K4Fe（CN）63H2O（分析纯）四、实验步骤 1、按照古埃磁天平的操作规程开启磁天平，并记录实验温度T2、调整霍尔探头的位置，使之处于磁场中心最强处在某一励磁电流下，拧松霍尔探头两边的有机玻璃螺丝，稍微转动探头，使特斯拉计的读数最大，此即为最佳位置。3、磁场两极中心处磁场强度H的测定（1）用特斯拉计测量当励磁电流于1A，3A,5A,3A,1A时相应的磁场强度，将数据记录。（2）用已知的莫尔氏盐标定励磁电流下的磁场强度将空样品管洗净吹干，挂在钩上称量，读数W空管。轻旋电流开关使电流表指针到0A，再依次将电流表指针调为1A，3A,5A,3A,1A，每次均称量空样品管W（I）。毕后，将励磁电流降至零，每次称量空样品管，断开电源，再称一次空样品管。计算电流在升、降过程中同样的电流值下空样品管称量的平均值，以及电流为1A，3A,5A时空样品管的质量与0A时空样品管的质量差。向样品管内装入预先研细的莫尔氏盐，量出样品高度h，重复上述操作。记录各励磁电流下样品管+样品的总质量，并由0A下的总质量差值计算出样品的质量。将样品管洗净吹干，将莫尔氏盐换成FeSO47H2O与K4Fe（CN）63H2O，重复步骤.五、数据记录及处理（1）由特斯拉计测得励磁电流I=1A，3A,5A,3A,1A时的磁场强度室温：16.7B（I升时）/mTB（I降时）/mTB（平均）/mTH/Am-1I=1A75.377.676.4560837.0I=3A209.8213.0211.4168226.8I=5A342.8345.2344.0273746.5T=290K莫尔氏盐的摩尔磁化率：=3.265E-5cm-3.g-1=1.269E-8m3.mol-1（2）由莫尔氏盐的摩尔磁化率和实验数据标定励磁电流下的磁场强度值I/AW（I升时）/gW（I降时）/gW（平均）/gDW0/gh/cmW样品/g空样品管08.66698.66638.6666018.66748.66668.66700.000438.66798.66678.66730.000758.66838.66728.66780.0012莫尔氏盐012.596112.596512.596304.63.9297112.603912.604812.60440.0081312.659612.661512.66060.0643512.768812.771412.77010.1738FeSO47H2O013.013113.012613.012904.44.3463113.024913.025013.02500.0121313.111313.113213.11230.0994513.281213.285113.28320.2703K4Fe(CN)63H2O013.163713.162713.163204.64.4972113.164113.163013.16360.0004313.163913.162913.16340.0002513.162413.162113.1623-0.0009 由14,15式带入数据可得：H1=17560.5 A/mH2= 20249.4 A/mH3= 33570.8 A/m（3）按式（14）计算H1、H3和H5时FeSO47H2O与K4Fe（CN）63H2O的由公式可得： FeSO47H2O K4Fe（CN）63H2O当H1= 17560.5 A/m时，=1.516E-7m3/ mol =1.509E-9 m3/mol当H2=20249.4 A/m时， =1.496E-7 m3/mol =0.813E-9 m3/mol当H3=33570.8 A/m时， =1.513E-7 m3/mol =1.206E-9 m3/ mol（4）由式（11）计算FeSO47H2O与K4Fe（CN）63H2O分子的永久磁矩由公式，已知则易得FeSO47H2O的为4.543E-23A.m2K4Fe（CN）63H2O的为1.315E-24A.m2（5）由式（12）计算FeSO47H2O与K4Fe（CN）63H2O的未成对电子数n由可计算的nFeSO47H2O的n4K4Fe（CN）63H2O的n0（6）根据未成对电子数，讨论铁二离子的最外层电子结构及由此构成的配建类型 FeSO47H2O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。Fig 1. 两个正八面体结构的配合物离子K4Fe(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。六、注意事项1、测定空样品管的重量的操作过程中，不要用手、脚、胳膊或身子碰挤或挪动操作台和天平。2、减弱或去掉磁场时，也是缓缓往小调，停顿，再缓缓往小调，在2A处足足停顿5分钟，再缓缓调至零。3、天平称量时，必须关上磁极架外面的玻璃门，以免空气流动对称量的影响。4、励磁电流的变化应平稳、缓慢，调节电流时不宜用力过大。加上或去掉磁场时，勿改变永磁体在磁极架上的高低位置及磁极间矩，使样品管处于两磁极的中心位置，磁场强度前后一致。5、装在样品管内的样品要均匀紧密、上下一致、端面平整、高度测量准确。七、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值，并分析两者测定结果差异的原因。高斯计测得的磁场强度比摩尔氏盐标定的磁场小，因为摩尔氏盐测的是磁场中心的磁场强度，高斯计测的是磁铁中心下面的磁场。2、不同励磁电流下测得的样品摩尔磁化率是否相同？如果测量结果不用应如何解释？不同。因为这一关系式是经典电磁理论的统计力学结果，它把磁矩取向视为可以连续变化的；但是基于量子力学理论，磁矩取向是量子化的而不能连续改变，上述对的线性关系只是在1条件下的一阶近似。磁场强度H足够大时，必须考虑的高阶修正项如。所以只是在的一阶近似下表现为不随H改变的常数；当高阶修正项不能忽略时，摩尔磁化率M表现为随磁场强度H（因而也随励磁电流I）改变的量。八、结果与讨论1、配位场的电子结构的讨论配合物分子的配位场电子轨道依次是(a1g)(t1u)(eg)(t2g)(e*g)(t*1u)(a*1g) 。e*gt2gFig 2. (t2g)4(e*g)2电子排布Fe(II)(H2O)62+，其中心原子Fe2+提供6个3d电子，周围6个水分子配体共提供12个配位电子，6+12=18电子。又因为水分子是弱配体，故Fe(II)(H2O)62+的配位场电子结构为(a1g)2(t1u)6(eg)4(t2g)4(e*g)2 。可见在 (t2g) 和 (e*g) 轨道上各有2个未成对电子，共有n=4 ；另外按照杂化轨道理论称之为sp3d2型配键。Fig 3. (t2g)6(e*g)0电子排布e*gt2g所以FeSO47H2O是弱场高自旋的电价配合物。Fe(II)(CN)64-，其中心原子Fe2+提供6个3d电子，周围6个氰根配体共提供12个配位电子，6+12=18电子。又因为氰根离子是强配体，故Fe(II)(CN)64-的配位场结构与上述的不同，为(a1g)2(t1u)6(eg)4(t2g)6(e*g)0 。可见在所有轨道上都没有未成对电子，n=0 ；另外按照杂化轨道理论称之为d2sp3型配键。所以K4Fe(CN)63H2O是强场低自旋的共价配合物。2、误差分析实验理论公式的推导中用到一些近