物化实验报告磁化率-络合物结构测定.doc

磁化率-络合物的测定本实验对磁介质在磁场中的磁化现象进行了探讨，并通过对一些物质的磁化率的测定，求出未成对电子数并判断络合物中央离子的电子结构和成键类型。此外，加强了对古埃法测定磁化率原理和技术的理解及学习使用了磁天平。磁化率是各种物质都普遍具有的属性。考察组成物质的分子：如果分子中的电子都是成对电子，则这些电子对的轨道磁矩对外加磁场表现出“抗磁性”或“反磁性”，该物质的磁化率将是一个负值，其数量级约10-510-6emu。但是如果分子中还存在非成对电子，那么这些非成对电子产生的磁矩会转向外磁场方向，并且这种效应比产生“抗磁性”的楞次定律效应强很多，完全掩盖了成对电子的“抗磁性”而表现出“顺磁性”，其磁化率是正值，数量级约10-210-5emu。原子核的自旋磁矩也会产生顺磁效应，不过核顺磁磁化率只有约10-10emu，一般不予考虑。上述的顺磁性和抗磁性均为弱磁性，其相应的磁化率都远小于1；还有一种“铁磁性”，其磁化率远大于1被称为强磁性。弱磁性和强磁性还有一个显著区别是：弱磁性物质的磁化率基本上不随磁场强度而变化，强磁性物质的磁化率却随磁场强度而剧烈变化。可见，测量磁化率可以区分物质的磁性类型，还可以检测外界条件改变时磁性的转变；测定顺磁性物质的磁化率，有助于计算出每个分子中的非成对电子数，从而推测出该物质分子的配位场电子结构。仪器与试剂古埃磁天平（包括磁场，电光天平，励磁电源等）；CT5型高斯计一台；软质玻璃样品管4支；装样品工具（研钵、角匙、小漏斗、玻璃棒）一套。(NH4)2SO4FeSO46H2O（分析纯）FeSO47H2O（分析纯）K4Fe(CN)63H2O（分析纯）1.2 实验步骤1） 研细粉末样品2） 测定(NH4)2SO4FeSO46H2O的相关数据： 取一只空样品管，使励磁电流从小到大再从大到小，依次测量其在I=0、3A、4A、4A、3A、0时的视重质量，并重复一次。向该样品管中匀实的装入样品粉末，保证样品柱高度超过15cm并且记下高度值；仿照上述测空样品管的步骤，依次测六个电流值时的视重质量，并重复一次。3） 测定FeSO47H2O和K4Fe(CN)63H2O的相关数据：另取一只空样品管，仿照测(NH4)2SO4FeSO46H2O的步骤，将样品改为FeSO47H2O测定并记录有关数据。再换一只空样品管，测K4Fe(CN)63H2O。1.3 注意事项1）操作中电流调节要缓慢，并注意电流稳定后方可称量；2）样品管底部要与磁极中心线齐平；3）称量时样品管要处于两个磁极的中间；4）样品的高度必须h15cm，而且准确记录下来；5）样品要研细、填实。3.结果与讨论3.1 实验结果FeSO47H2O 摩尔磁化率M=3.00E-5 m3/mol ；未成对电子数n4 ；K4Fe(CN)63H2O 摩尔磁化率M=-6.809 E-7 m3/mol ；未成对电子数n03.2 结果讨论1）配合物的空间结构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。2）配位场的电子结构的讨论ML6型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。3）不同磁场强度H下样品的摩尔磁化率M不同的原因不同励磁电流I（因而不同磁场强度H）下测得的摩尔磁化率M并不相同， 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。4）误差分析实验理论公式的推导中用到一些近似，例如忽略顺磁性物质逆磁磁化率的影响，忽略样品柱远离磁场一端的磁化率等。励磁电流不能每次都准确地定在同一位置，前文所述的3A、4A等值都只能保证大概在这个位置附近，因此实际上磁场强度H并非每次都是一致的。测量样品高度h的误差严重影响实验的精度，这从摩尔磁化率的计算公式可以看出来。而由于最上面的那些样品粉末不能压紧压平，测量高度h的误差还是比较大的。装样不紧密也会带来较大误差，推导公式时用到了密度，最后表现在高度h中。“装样不紧密”也就是说实际堆密度比理论密度小，这样高度h就会比理论值偏大，即使很准确地测量出高度h，它还是比理论值有一个正的绝对误差。装样品的试管在磁场（电流）变化时会有振动，尽管已经尽可能慢的改变电流，但微小振动仍然存在，即会在读取质量时产生误差参考文献：1 崔献英,柯燕雄,单绍纯.物理化学实验M.中国科技大学出版社,2000: 2932.2 付献彩,沈文霞,姚天扬,侯文华.物理化学(第五版)上册M.高等教育出版社,2005:277280.附件：实验数据处理1. 数据记录T：17.7(NH4)2SO4FeSO46H2O：样品柱高度h1=15.30cmTable 1励磁电流/A空管视质量/g加样后视质量/g013.30413.30425.20225.203313.30313.30325.23725.238413.30313.30325.26525.266413.30313.30325.26625.265313.30313.30325.23825.239013.30413.30425.20325.203FeSO47H2O：样品柱高度h2=15.20cm励磁电流/A空管视质量/g加样后视质量/g013.19513.19526.56826.568313.19413.19426.62126.620413.19413.19426.66026.659413.19313.19326.66226.663313.19413.19426.62126.620013.19513.19526.56826.568K4Fe(CN)63H2O：样品柱高度h3=15.35cmTable 3励磁电流/A空管视质量/g加样后视质量/g012.70612.70626.04626.046312.70612.70626.04526.045412.70612.70626.04426.044412.70512.70626.04426.044312.70612.70626.04526.045012.70612.70726.04626.0462. 数据处理2.1 数据计算Table 4034空管 113.30413.30313.303空管 1+莫尔盐25.20325.23825.266空管 213.19513.19413.194空管 2+ FeSO47H2O26.56826.62026.661空管 312.70612.70612.706空管3+ K4Fe(CN)63H2O26.04626.04526.0442.2由(NH4)2SO4FeSO46H2O的数据计算磁场强度H，T=(17.9+17.5)/2=17.7=290.85Km=3.255E-5 cm3/g由Table 1.的数据求得下表：Table 5励磁电流/A平均视质量/g质量差/g空管加样后WEWFW013.30425.20311.899313.30325.238-0.001 0.035 413.30325.266-0.001 0.063 h=15.30cm,g=981,m=3.255E-5 cm3/g,M=3307.7 Gauss (I=3A)，= 4410.3 Gauss (I=4A)。2.3 由FeSO47H2O的数据计算摩尔磁化率M和未成对电子数nTable 6励磁电流/A平均视质量/g质量差/g空管加样后WEWFW013.19526.56813.373313.19426.620-0.0010.052413.19426.661-0.0010.093h=15.20cm, M=278.013A时: H=3307.7 Gauss,= 3.004E-5m3/g4A时:h= 4410.3 Gauss=2.996 E-5m3/g所以m= 3.00E-5m3/g由公式，T=290.85K，NA=6.022E23 mol-1，K=1.381E-16 erg/K，=9.274E-21 erg/Gauss解得：n=42.4由K4Fe(CN)63H2O的数据计算摩尔磁化率M和未成对电子数nTable 7励磁电流/A平均视质量/g质量差/g空管加样后WEWFW012.70626.04613.340312.706