磁化率测定(实验报告)

1、磁化率的测定1 实验目的1.1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。1. 2掌握古埃(Gouy)磁天平测立磁化率的原理和方法。2. 实验原理2摩尔磁化率和分子磁矩物质在外磁场H。作用下，由于电子等带电体的运动，会被磁化而感应岀一个附加磁场HI物质 被磁化的程度用磁化率为表示，它与附加磁场强度和外磁场强度的比值有关：H=4広何为为无因次量，称为物质的体积磁化率，简称磁化率，表示单位体积内磁场强度的变化，反映了 物质被磁化的难易程度。化学上常用摩尔磁化率加表示磁化程度，它与咒的关系为式中M、p分别为物质的摩尔质量与密度。加的单位为m3 mol物质在外磁场作

2、用下的磁化现象有三种：第一种，物质的原子、离子或分子中没有自旋未成对的电子，即它的分子磁矩，山尸0。当它受 到外磁场作用时，内部会产生感应的“分子电流”，相应产生一种与外磁场方向相反的感应磁矩。如 同线圈在磁场中产生感生电流，这一电流的附加磁场方向与外磁场相反。这种物质称为反磁性物 质，如Hg, Cu, Bi等。它的Xm称为反磁磁化率，用兀以表示，且反0。第二种，物质的原子、离子或分子中存在自旋未成对的电子，它的电子角动量总和不等于零， 分子磁矩山点)。这些杂乱取向的分子磁矩在受到外磁场作用时，英方向总是趋向于与外磁场同方向，这种物质称为顺磁性物质，如Mn, Cr, Pl等，表现岀的顺磁磁化率

3、用)表示。但它在外磁场作用下也会产生反向的感应磁矩，因此它的加是顺磁磁化率关炽与反磁磁化率x 反之和。因加|忱反I，所以对于顺磁性物质，可以认为心=恥，其值大于零，即心0。第三种，物质被磁化的强度随着外磁场强度的增加而剧烈增强，而且在外磁场消失后曲磁性并 不消失。这种物质称为铁磁性物质。对于顺磁性物质而言，摩尔顺磁磁化率与分子磁矩山“关系可由居里一郎之万公式表示：叫G册 3kT式中L为阿伏加德罗常数(6.022 xlCPmol J),、k为玻尔兹曼常数(1.3806x1阿),旧为真 空磁导率(4恥10 ?NA 2, T为热力学温度。式(2-136)可作为由实验测左磁化率来研究物质内部结 构的依

4、据。分子磁矩由分子内未配对电子数n决定，苴关系如下：%叶2、式中刚为玻尔磁子，是磁矩的自然单位。Mb=9.274 xlO-J TT为磁感应强度的单位，即特斯 拉)。求得n值后可以进一步判断有关络合物分子的配键类型。例如，F2+离子在自由离子状态下的外 层电子结构为3少4/4$)。如以它作为中心离子与6个H2O配位体形成Fe(H20)62+络离子，是电价络 合物。苴中F2离子仍然保持原自由离子状态下的电子层结构，此时n=4o如下图所示：IdFd aridigf/状态卜的外层电/结构如果FZ+离子与6个CN离子配位体形成Fe(CN)64络离子，则是共价络合物。这时其中Fe2+离子的外电子层结构发生

5、变化，n=0o见图264所示：3D3D3DOOOOOOJU4b7Fe2*外展电子給构的朋排显然，其中6个空轨道形成d?sp3的6个杂化轨道，它们能 接受6个CN离子中的6对孤对电子，形成共价配键。2.2摩尔磁化率的测定本实验用古埃磁天平测左物质的摩尔磁化率加，测定原理 如图2所示。图2占埃檢天平法测進廉理一个截面积为A的样品管，装入高度为h、质量为m的样 品后，放入非均匀磁场中。样品管底部位于磁场强度最大之 处，即磁极中心线上，此处磁场强度为H。样品最髙处磁场强度为零。前已述及，对于顺磁性物质，此时产生的附加磁场与原磁场同向，即物质内磁场强度增 大，在磁场中受到吸引力。设尬为空气的体积磁化率，

6、可以证明，样品管内样品受到的力为：考虑到p=m/hA,而血值很小，相应的项可以忽略，可得1在磁天平法中利用精度为0.1 mg的电子天平间接测量F值。设m为空样品管在有磁场和无磁场时 的称量值的变化，Am为装样品后在有磁场和无磁场时的称量值的变化，则F =(A/n-Aw(l)g式中、g为重力加速度(9.81m s 2)。可得5莎k冠磁场强度H可由特斯拉计或CT5髙斯计测量。应该注意，髙斯计测量的实际上是磁感应强度B,单 位为T(特斯拉)，1T=1O高斯。磁场强度H可由B=MoH关系式计算得到，H的单位为A m L也可 用已知磁化率的莫尔氏盐标左。莫尔氏盐的摩尔磁化率力兽与热力学温度T的关系为：後

7、=9500 乂 4才 * M * 10 勺(m - mol 1)r+i式中M为莫尔氏盐的摩尔质量(kgmoQ)。3. 实验步骤3.1打开励磁电源开关，电流表，打开电子天平的电源，并按下“淸零”按钮，亳特斯拉计表头调 零，然后涮节磁场强度约为100mT，检查霍尔探头是否在磁场最强处，并固左其位宜，使试管尽 可能在两磁头中间(磁场最强处)：3.2取一支淸洁、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， 准确称量空样品管：3.3慢慢调节磁场强度为300 (mT),等电子天平读数稳左之后，读取电子天平的读数：3.4慢慢调节磁场强度读数至350 (mT),读取电子天平的读数：

8、3.5慢慢调节磁场强度读数高至400 (mT),等30秒，然后下降至350 (mT),读取电子天平的读数:3.6将磁场强度读数降至300 (mT),读取电子天平的读数：3.7再将磁场强度读数调至最小，读取电子天平的读数：3.8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 品高度至试管标记处，按照上而的步骤分别测量其在0 (mT)、300 (mT)、350 (mT)时候电 子天平的读数；(注：上述调右电流由小到大、再由大到小的测定方法，是为了抵消实验时磁场剩磁现象的影 响。)3.9样品的摩尔磁化率测泄用标左磁场强度的样品管分别装入样品1亚铁氟化钾KFc(

9、CN)63H2O和样品2硫酸亚铁 FeS04 - 7H20,按上述相同的步骤测量其在0 (mT)、300 (mT)、350 (mT)时候电子天平的 读数。4. 数据记录与处理数据表：室温0C称疑ni/g磁场强度/mT03003504003503000空管16.498816.502216.4903/16.492816.494616.4904莫尔盐19.397719.535119.5788/19.582519.536319.4014亚铁鼠化钾19.038219.029019.0235/19.033119.032919.0375硫酸亚铁19.304819.484719.5314/19.539919.

10、479519.30764.1由上表数据分别计算样品管及样品在无磁场时的质量(m)和在不同磁场强度下的质量变化(m):磁化强度/mT空管m/g莫尔盐亚铁氛化钾m/g硫酸亚铁m/g00.0084-0.00170.00070.00083000.0076-0.0012-0.00390.0052350-0.0025-0.0037-0.0096-0.00854.2各样品在不同条件下的摩尔磁化率x叭 分子磁矩u并估算其不成对电子数n 根据Q鬻52曲曲)求莫尔盐的摩尔磁化率：温度 *(24. 9+273. 15)KM 英尔盐=392. 14g/molM 念肿做=278. 02 g/mol M 小介快 酸钾=4

11、22. 39 g molX m=L U o U n】2/3kTL=6.022 x 1023molk= 1.3806x 10 23J-K*, po=47ixlO7N-A2, pB=9.274 xlO J T1莫尔氏盐的摩尔磁化率力：9?（X）-1（）-x4 = X392. MXlO-lXloV/mor1Cl丿 11 H=0 3T, m 体二 3. 03 / 3g, m 样品 i二2. 5326g, m 样品三二2 983 / gx样尸帝叫、山僭+f恤厂G你X如匹=-6.48 X lO-V/mor1 A空管+标准少料空管加样品1因为x样I小于0,所以u m不存在，则n=0X机二叫 5空曲样僭如足=

12、5.82 X lO-W/mor1 加1空管 +标准如空管加样品2um=3.08X 10-23J T1血=pR Jn（n + 2） n=2.47当 H=0.35T,m,=3.0891g,m ffl., i=2.5357g,m 样品2=3.044lgx样呦+样呗一少吆管竺世1=2.91 X lOV/mor1 空管+标准-S空管加样品IP m因为X样1小于0,所以U m不存在，则n=0X 样2=厲叫 4%斛2 _4僭 x如1 = 5.62X10-8m7mo广 山11空骨 +标准山空符加样品2Um=3.03X10-23j.T“”严“（+ 2） n=2.414. 3这个是Fe，配合上6个Cf, sdp杂

13、化Fe本身带26个电子Ar 3 s2 2d8 3p失去两 个电子，Ar2d3,按能量最小分布，以及CN强配体，为0 2 2 2 2,故有0对孤对电 子，所以在0.3T和3.5T中，所测得的亚铁氤化钾的孤对电子数较为准确；4. 4FeSOs*7H：0的成单电子数为4,顺磁性。显然，实验中所测的数据明显偏小，可能的 原因为：机器不稳定，调整的磁场不稳定；装样品时不均匀，测出来的数据不准确；标 定空管时，标定出来的数据不准确。5. 误差分析实验所得结果与文献值比较符合，但还是存在一泄的误差，造成误差的可能原因及需注意的事 项有：1、由于实验实际操作时所使用的仪器已经没有玻璃门，故称量时应尽量不要有大

14、动作的泄动，或太 多人囤观、说话等，应该尽呈:保持整个称量过程是在没有太多干扰磁场的因素的环境下进行。2、样品管一泄要干净。AW空管二W空管（H二H）-W空管（H二0）0时表明样品管不干净，应更换。装在 样品管内的样品要均匀紧密、上下一致、端而平整、高度测量准确。样品管的底部要位于磁极极缝 的中心，与两磁极两端距离相等。3、由于样品都是研磨完后一段时间才开始测量的，不排除样品会发生相应的吸水和失水，致使分子 量会发生变化，使最后所计算出来的结果存在误差。4、测量样品髙度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右=里可以看出来。而由于最上而的那些样品粉末不能压紧压平，测量高度WHh的误差还是比较大的。5、装样不紧密也会带来较大误差一一推导九=生公式时用到了密度p ,最WH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，即使很准确地测量岀高度h,它还是比理论值有一个正的