磁化率的测定

1、实验十六磁化率的测定1.摘要磁化率的测定是一个经典的磁学测量方法。1889年Gouy1 建立了在均匀磁场中测量磁化率的古埃法，1964年Mulay设计了在非均匀磁声中测定磁化率的Faraday法。摩尔磁化率定义为据K的特点将物质分为三类：Q0称顺磁性物质；翼0称反磁性物质；另外有少数物质的X值与外磁场H有关， 随外磁场强度的增加而急剧地增强， 且伴有剩磁现象， 称此为铁磁性物 质(如铁、 钻、 镣等)。凡原子分子中具有自旋未配对电子的物质都是存在固有磁矩的顺磁 性物质。这些原子分子的磁矩象小磁铁一样，在外磁场中总是趋向顺着磁场方向定向排列，但原子分子的热运动又使这些磁矩趋向混乱，在一定温度下这

2、两个因素达成平衡，使原子分子磁矩局部顺着磁场方向定向排列而得以增强物质内部的磁场，显示顺磁性。但凡原子分子中电子自旋已配对的物质，一般是反磁性的物质。大局部物质属反磁性。其原因是物质内部电子轨道运动受外磁场作用，感应出“分子电流而产生与外磁场方向相反的诱导磁矩。一般说来，原子分子中含电子数目较多电子活动范围较大时，其反磁化率就较大。实际上顺磁物质的磁化率除了分子磁矩定向排列所产生的为倾外，同时还包含有感应所产生的反磁化率7反，即：M= 了 倾 +Zs由于如比独大13个数量级，因此顺磁性物质的反磁性被掩盖而表现出顺磁性。在不很精确的计算中，可近似地视 成为ZMO顺磁化率与分子磁矩的关系一般服从居

3、里定律(2.16.2)式将物质的宏观性质4与物质的微观性质P联系起来，因此可通过实验测定XM来计算物质分子的永久磁矩总实验说明，对自由基或其它具有未成对电子的分子和某些第一族过渡元素离子的磁矩P与未成对电子数n的关系为=n(n 2)七(2.16.3)(2.16.1)(2.16.2)2.16磁化率的测定2联系(2.16.2)和(2.16.3)两式，可直接得到n的表达式n =2.842n(n +2)，顺T +1 1(2.16.4)关键词：顺磁反磁分子磁矩摩尔磁化率古埃氏天平2.仪器药品磁化率的测定通常可用共振法或夭平法。本实验用古埃夭平法。测量原理如图2.16.1。当一个截面为A的圆柱体放入一个非

4、均匀的磁场中，物体的一个小体积元dV沿磁场梯度dHdH二万向受力，其dF = HdV=匕小H d H dzdz式中，用是真空的导磁系数，K是单位体积的磁化率，A是圆柱形样品管的截面积。沿垂直于磁场方向悬挂一个样品，下端放于磁铁的极缝中心，当通电使电磁铁产生磁场后，该处是磁场强度很大的均匀磁场 (约5000-10000高斯)，对反磁性物质，物质中磁感比周围的减少，因此受到向低磁场方向力的作用；对顺磁性物质，磁感是增加的，因此受到向高磁场方向力的作用。所受力的大小F为H0122F =0.AHH d H=板A(H2- H：)式中，H1是极缝中心处的磁场强度，H。是样品顶端处的磁场强度，/和H0一般可

5、忽略不计，因而简化为_1 ,2F =Wg=5 oAH2在用上式测定磁化率时，多与标准样品相比拟。应用同一样品管且样品长度相等时，有Ws：WX=缸- -X sWxWs便成为测定磁化率的依据。药品：基准物(莫尔氏盐)(NH4) 2SO4FeSO46H2O (AR)被测试样：FeSO47H2O (AR);黄血盐K4Fe(CN)63H2O (AR)装样工具：软质玻璃样品管、研钵、角匙、小漏斗、玻棒。3.预习提问(1)什么叫物质的顺磁、反磁和铁磁性？(2)简述用古埃法测定物质磁化率的原理(3)理论上黄血盐络合物的键型？空间立体几何结构应是什么样的？与FeSO47H2O是否有差异？(4)测定中样品管底部为

6、什么要正好与磁极中心线平齐?(5)如何调节磁场强度？ .(2.16.5)2.16磁化率的测定44.4.操作5.5.数据处理(1)实验要求:将实验所有称重数据填入下表，如：室温：18 C大气压 100.150kPa实验日期 1981.4. ZJNU空样品管W0 小 t 大/gWO 太 t 小/gW/gAWO无励磁电流14.943614.943114.94342.8A14.942714.942314.9425-0.00094.8A14.941014.940614.9408-0.0026莫尔氏盐W1小 t 大/gW1太 t 小/gW；/gAW1无励磁电流23.047823.048723.04832.

7、8A23.118223.118623.11840.07014.8A23.251723.255323.25250.2042FeSO47H2OW2小 T 大/gW2太 T 小/gW/gW2无励磁电流23.006423.006723.00662.8A23.102223.102423.10230.09574.8A23.279523.286023.28280.2762黄血盐W3小 T 大/gW3太 T 小/gW/gAW3无励磁电流22.004522.004922.00472.8A22.002822.003122.0030-0.00174.8A22.000022.000022.0000-0.0047计算:

8、1由莫尔氏盐的单位质量磁化率和实验数据计算磁场强度值。= 950010291_ _ _5= 3.26 102(0.0701 0.0009) 980 156- - =7.94 10(23.0483 -14.9434) 3.26 10-2(0.2042 0.0026) 980 15八-.7- .- =2.3011 108.1049 3.26 10直 计算FeSO47H2O和黄血盐K4Fe(CN)63H2O的ZM、PM及它们的未成对电子数。50.0957 0.0009= 3.26 108.1049 -0.0701 0.0009 23.0066 14.9434231= 1.24 10 cm s由(2.

9、16.2)式计算= 2.84 1.24 10 291七=5.39七据未成对电子数讨论FeSO47H2O和黄血盐K4Fe(CN)63H2。的最外层电子结构以及由此构成的配键类型。由于FeSO47H2O有4个未成对电子数，可推断其中Fe2+的最外层电子结构为3d4s 4p4.8AFeSOq7H2O= 3.26 10直0.2762 0.00262788.1049 -0.2042 0.0026 8.0632= 1.23 10局32.8A5c 0.0008422K4Fe(CN)6 3H2O- 3.26 108.1049-4620.0710 7.061350.0021422= 3.26 108.1049

10、-0.2068 7.0613=1.78 10侦3s4.8 AK4Fe(CN3H2O=1.603 104cm3H2.8AH2.8A2.82X103高斯H2.8AH4.8A4.80X103高斯2.8AFeSO47H2O2784.8 AF e $4(7H2O5.39%2.8AK4Fe(CN 3H2O= 2.84,1.78 10亳291B=0.65%j4.8AK4Fe(CN)63H2O= 2.84、1.603 104291B=0.61B由(2.16.3)式计算对于FeSO47H2O n2+2n-5.4=0n=4对于黄血盐K4Fe(CN)63H2On2+2n-0.6=0n=0图 2.16.2 Fe(CN

11、)64*6 个共价键的相对位置2.16磁化率的测定6 O OOO根本上保持自由离子的电子结构，属于电价络合物。而黄血盐n=0,电子均成对，Fe2+的外层电子结构发生了重排3d _ 4s4pO OOO腾出了2个3d空轨道来，再与4s和4p轨道进行d2sp3杂化，构成以Fe2+为中心的指向正八面体各个顶角的6个空轨道，以此来容纳6个CNF C原子上的孤对电子，形成6个共价配键(图2.16.2)。(2)结果要求及文献值(293K时)1 2 3FeSO47H2O2M=1.12(_0.1)10 cg sn= 4K4Fe(CN)63H2OM=0.172(_0.1) 10cgsn=0K3Fe(CN)6M=2

12、.29(工0.5) 10；cgsn=1CuSO45H2O1M=1.46(_0.5) 10 cg sn=16.6.点评(1)实验的关键1注意装样的均匀性，粉末样品在管中的装填要求均匀，否那么，由此引起的相对误差可达3%。采用屡次反复测定并取平均值，可使误差减少到1%o2置样品底部于磁极的中心线上，即最强磁场处。样品管应足够长，使其上端所处的磁 场强度可以忽略不计。3样品管的磁化率应予校正。如采用中央封闭，下部真空，上部装样品的特制样品管， 并置于中央最强磁场位置，样品所受作用力可视为互相抵消，便无须进行玻璃磁化率校正。4防止空气对流的影响，有条件时可采用真空系统。5选用适宜的标准样品，需根据测量

13、目的选用，一般选取易得的、稳定性好、纯度高、重现性好的标准样品，且希望标准样品的磁化率和密度尽可能和测试样品相近。其磁化率的温度校正也应遵循居里规那么且其温度系数小的物质，有利于减少误差。一般用水作为标定低磁化率的标准样品，表2.16.1列出在不同温度下的物质质量磁化率数据。在精度的标定中，必须除去溶解在水中的气泡，更应注意别让器壁上沾有小气泡。在 较高磁化率范围的标定，可采用氯化镣溶液作为标准样品，30%NiCl2溶液的摩尔磁化率在20幻时为(443312) x10%m3moL。在高磁化率范围内，通常采用莫尔盐为标准样品， 用莫尔盐时必须注意装样的均匀性。常用的标准样品列于表2.16.2中。

14、表 2.16.1水的质量磁化率温度/C1510152025304050-ZX1060.718960.719320.720670.721310.721830.722240.722580.722860.72361表 2.16.2常用标准样品的磁化率标准样品磁化率双 106cm3mOl温度/水-0.72020汞-0.16818注：T 为绝对温度，p 为 NiCl2的重量百分数6防止铁磁性物质的混入，不可使用含铁、镣的角匙或镶子。2调节不同励磁电流，测定不同磁场强度下的磁化率，利用Honda-Owen方法4可对铁 磁性不纯物质进行校正。3测定磁化率的主要方法假设将测定原理和检出方法相结合那么构成各种各

15、样的测磁化率方法。近年来，电子技术NaCl-0.51720钳-0.95620蔗糖-0.566Mohr 盐9500/T+1NiCl2溶液(10031p/T)-0.720(1 -p)测定物体在磁场中所受力的大小，来求磁化率。作为测定方法中最简易的Gouy法以及Faraday法就是此种类型。根据受力法派生的测定方法，有测定纯液体和溶液磁化率的Quincke法和测定气体磁化率的Rankine法等。表2.16.3列出测定磁化率的主要方法。表 2.16.3测定磁化率的主要方法方法磁场条件样品的物理特性最低用量应用误差温度控制W.Gouy法均匀磁场，推荐用3000150000Oe 的 电磁铁或 50000O

16、e 的永久磁铁粉末固体，纯液 体和溶液0.5g 固体5mL 液体仅应用于反 磁性和顺磁 性物质0.1%可在广泛的范围内控制Quincke法同上纯液体和溶液5mL同上0.1%限制在体系 的熔点和沸 点之间Faraday法磁场强度同 Gouy法,不均匀磁场的cHH为常数己/粉末固体数 mg反磁性、顺磁性和铁磁 性物质0.15 %控温容易， 控温范围同Gouy 法Rankine法低磁场 15100 Oe纯液体、溶液和 气体2mL仅反磁性和顺磁性物质0.1%同 Quincke法感应法(Induction)除研究铁磁体外，不需外加磁场固体或液体0.5g 固体 或5mL 液体反磁性、顺 磁性物质， 用特殊

17、装置 可以研究铁 磁性物质大于0.1%(4) Gouy法磁天平具有操作简便，无论对顺磁性或反磁性的固体或液体试样都能进行测 定等到优点，但是需用样品量多，对粉末样品由于其装样的不均匀、不同一性而引起的误差较大，不能用于铁磁性及超顺磁性物质的研究，通常也不适用于各向异性磁化率的测定，在应用上受到一定的限制。Faraday磁天平却能弥补以上的缺乏，它具有用量少，易于恒温等H优点。Faraday磁天平的特点是使样品悬挂在一个不均匀的磁场内，但H 的值保持恒定，这时所受力为F=g 4W=KVC，式中C=H史 ,又K=7d=7.WV, g W : W故 =旦- =-C W W通常用标准样品求出 附，可见

18、Faraday法的精度不依赖于样品的均匀性，而仅仅取决于样H品区域的H 的一致性。7.7.解题研判(1)不同励磁电流下测得的样品摩尔磁化率是否相同？如果测量结果不同应如何解释？解 相同，摩尔磁化率是物质特征的物理性质， 不会因为励磁电流的不同而变。 但是在不 同励磁电流下测得的7M稍有不同，。主要原因在于天平测定臂很长(约50cm)，引起 g 的 变化造成的，当然温度的变化也2.16磁化率的测定8有一定影响。(2)用本实验方法判别共价配键还是电价配键有何局限性？解用测定磁矩的方法是判别共价配键还是电价配键的主要方法，但有时以共价配键或电价配键相结合的络离子含有同数的未成对电子，就不能适用，如Zn(未成对电子数为零)，它的共价络离子，如Zn(CN)42二Zn(NH3)42+等，和电价络离子，如Zn(H2。)；+等，其磁矩均为零，所以对于Zn2+来说就无法用测定磁矩的方法来判别其配键的性质。(3)实验如何根据所测来推断FeSO47H2。的结构？解实验测得FeSO47H2O的未成对电子数n=4,那么Fe2的配位体的可能构型：是以Fe2为中心的四角双锥正八面体。wM 2 W样品hgM(4)根据/-