磁化率测定实验的优化

磁化率测定实验的优化商锦婷2010301040139

杨斯文2010301040129化学与分子科学学院2010级化类一班【摘要】磁化率测定是研究物质结构的重要方法之一，用于某些有机物、稀土元素化合物、配合物、金属催化剂和自由基体系的研究，从而了解物质内部电子分布，化学键以及电子结构有关的问题。本文根据古埃磁天平的超顺磁性质，使用古埃磁天平研究磁流体的磁性(磁化率和磁化强度)和稳定性。【关键词】古埃磁天平；磁化率；磁性；顺磁性；逆磁性；不成对电子数；d电子构型。【引言】凡是处于磁场中能够对磁场发生影响的物质都属于磁介质。根据物质在外磁场中表现出的特性，物质可粗略地分为三类：顺磁性物质，抗磁性物质，铁磁性物质。本实验中用磁天平，使用控制变量法测定不同磁场强度，不同样品高度下的磁化率。通过比较标准数据，探究在电磁场产生外加磁场时，得出最适的磁场强度和样品的高度。【实验部分】一、 实验目的掌握古埃(Gouy)磁天平测定磁化率的原理和方法。通过对一些配位化合物磁化率的测定，计算中心离子的不成对电子数，并判断d电子的排布情况和配位体场的强弱。探究样品高度、磁场强弱对磁化率的测定造成的影响，改进细节。二、 实验原理摩尔磁化率和分子磁矩物质在外磁场作用下，由于电子等带电体的运动，会被磁化而感应出一个附加磁场物质被磁化的程度用磁化率X表示，它与附加磁场强度和外磁场强度的比值有关：H=4nxH ⑴H为附加磁场强度，H外磁场强度，x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Xm表示磁化程度，它与X的关系为Xm=xM/p (2)式中M、p分别为物质的摩尔质量与密度.X的单位为m3molT.m物质在外磁场作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Mm=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.称为反磁磁化率，用X反表示，且X<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pm+0.这些杂乱取向的分子磁矩在受到外磁场作用时，其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、Pt等，表现出的顺磁磁化率用X顺表示.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其磁性并不消失.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P关系可由居里一郎之万公式表示:mTOC\o"1-5"\h\zX顺斗0财/") ⑶式中匕为阿伏加德罗常数(6.022x1023mo「1)A为玻尔兹曼常数(1.3806x10-23J•K-1)7 2扃为真空磁导率(4nxl0N•A)，7为热力学温度.式(3)可作为由实验测定磁化率来研究物质内部结构的依据.分子磁矩Pm由分子内未配对电子数〃决定，其关系如下：Mm=Mb[〃(n+2)]1/2 (4)24 -1式中％为玻尔磁子，是磁矩的自然单位.％=9.274x10J•T(7为磁感应强度的单位，即特斯拉).求得〃值后可以进一步判断有关络合物分子的配键类型.例如，Fe2+离子在自由离子状态下的外层电子结构为3d64s°4p°.如以它作为中心离子与6个H。配位体形成[Fe(HO)]2+TOC\o"1-5"\h\z2 2 6络离子，是电价络合物.其中Fe2+离子仍然保持原自由离子状态下的电子层结构，此时〃=4.见图所示：④①①GXD O OOON 4a VFe2+在自由离子状态下的外层电子结构如果Fe离子与6个CN离子配位体形成[Fe(CN)6]4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变化，n=0.见图所示：

oooe:Fe2+外层电子结构的重排显然，其中6个空轨道形成d2sp3的6个杂化轨道，它们能接受6个CN--1离子中的6对孤对电子，形成共价配键.摩尔磁化率的测定本实验用古埃磁天平测定物质的摩尔磁化率Xm，测定原理如图所示.一个截面积为■的样品管，装入高度为爪质量为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.样品最高处磁场强度为零.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X0为空气的体积磁化率，可以证明，样品管内样品受到的力为：F=0.5*mXmH2|j0/M*h （5）在磁天平法中利用精度为0.1mg的电子天平间接测量F值.设Am。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(6)Xm=2x（Am-Am0如hMp0+m+B2(6)磁场强度饱由特斯拉计或CT5高斯计测量.应该注意，特斯拉计测量的实际上是磁感应强度B，单位为T（特斯拉），1T=104高斯.磁场强度H可由关系式计算得到.三、 仪器与试剂古埃磁天平一台（磁天平，电子天平，励磁电源）平底软质玻璃样品管一支装样品工具一套（包括研钵、牛角匙、小漏斗、竹针、棉签、玻璃棒）刻度尺一支摩尔氏盐（NH4）2SO4FeSO46H2O（分析纯）；K3Fe（CN）6（分析纯）；四、 实验步骤（1） 测量不同磁场强度下空管的质量打开磁天平电源开关，待仪器稳定后，旋转电流调节按钮使天平读数为零，并将磁场强度归零。打开电子天平开关，按调零按钮是天平读数为零。取一支洁净、干燥的空样品管挂在天平下方的橡皮塞上，在无磁场的条件下测量，待样品管稳定且天平读数稳定后，读出天平读数，测量三次并记录。旋转电流调节按钮，分别测量电流强度为2.00A2.50A2.70A2.90A3.10A，在不同的电流强度下测量空样品管质量，每个电流强度测量三次并记录。（2） 测量不同磁场强度下摩尔氏盐质量，标定磁场强度将样品管取下，将研磨好的摩尔氏盐样品粉末通过小漏斗装入样品管，边装便用玻璃棒压实，是样品上下均匀，样品高度保持在5cm，并使其端面平整，用刻度尺测量样品高度h并记录。将样品管挂在天平下方的橡皮塞上，在无磁场的条件下测量，待样品管稳定且天平读数稳定后，读出天平读数，测量三次并记录。将电流缓慢调节至2.00A2.50A2.70A2.90A3.10A，依次测量样品管质量三次并记录。改变样品高度至7cm9cm，如上步操作测量质量记录。测定完毕后，用竹签将样品松动，倒入回收瓶中，然后将清洗样品管，用棉签擦去管壁上水珠，然后用吹风机将样品管吹干。（3） 测量不同磁场强度下K3Fe（CN）6质量在保持保持磁极间距不变的情况下，使用上述样品管，重复上步（2）步骤，测定K3Fe（CN）6样品的质量并记录。（4） 记录实验时的温度，将研钵中的样品倒入回收瓶，清洗样品管，清理实验台面。（5） 将所记录数据填入下面表格并根据公式计算磁化率。五、实验数据记录及处理室温t=10.5°C------<^/A空管0.002.002.502.702.903.10磁感应强度以/mT0201.1246.6265.9285.8307.0质量m/g110.616910.618810.618110.618310.618310.6180210.616910.619110.618110.618310.618410.6177310.616810.619110.618010.618210.618410.6177平均10.616910.619010.618110.618310.618410.6178

--.电流/A摩尔氏盐 -....0.002.002.502.702.903.105.0cm磁感应强度p/mT0198.0247.6265.6285.5307.7质量m/g114.460114.509414.536614.548114.562114.5776214.459714.509514.536714.548214.562214.5777314.459814.509414.536614.548614.562214.5776平均14.459914.509414.536614.548314.562214.57767.0cm磁感应强度p/mT0197.3206.4266.2286.6305.9质量m/g115.995216.045516.072816.086116.100716.1160215.995216.045516.072916.086016.100716.1160315.995216.045416.072916.086116.100616.1160平均15.995216.045516.072916.086116.100716.11609.0cm磁感应强度p/mT0197.2246.9266.3286.1305.9质量m/g117.624417.675117.703917.716817.731217.7466217.624417.675217.703917.716917.731217.7466317.624517.675217.703917.716917.731217.7466平均17.624417.675217.703917.716917.731217.7466-- 电流/A铁氰化钾 --.0.002.002.502.702.903.105.0cm磁感应强度p/mT0196.1245.7265.4285.2307.7质量m/g114.905014.916314.922414.925514.928914.9331214.905014.916314.922814.925614.928914.9330314.905214.916314.922814.925614.928914.9329平均14.905114.916314.922714.925614.928914.93307.0cm磁感应强度p/mT0197.3246.3266.6285.93056质量m/g116.873416.885116.892016.895216.898416.9017216.873416.885216.892016.895216.898416.9018316.873416.885116.892016.895216.898416.9017平均16.873416.885116.892016.895216.898416.90179.0cm磁感应强度p/mT0197.3248.4267.4286.6305.9质量m/g118.485818.497218.504018.507018.501318.5137218.485818.497218.504018.507018.501318.5137318.485618.497318.504018.507018.501318.5138平均18.485718.497218.504018.507018.501318.5137（一）以摩尔氏盐（7.0cm）B=197.3mT标定△W尸WJ—W空=0.0021g AW舟'样一W样=0.0503gW=W样一W空=5.4265gxM=2（AW样-Aw空）ghM/WH2xm=3.337X10-5cma/g xm=MxH=1912G=191.2mTAH=6.1mT（二）相同样品高度，不同外加磁场强度1、计算摩尔氏盐（7.0cm）不同磁场下的磁化率H=B-AH=200.3mT△W舟、样一W样=0.0777g W=W样一W空=5.3771g-AW^）ghM上 x=1.86X10-2cma/mol八MPmPm=6.0235X10-2oerg/G日m2=n（n+2）七2 n=5H=B-AH=260.1mT△W^=W'样一W样=0.0909g W=W样一W空=5.3769g—AW空）ghMM WH‘ xM=1.31X10-2cma/molPmPm=5.0551X10-2oerg/G日m2=n（n+2）七2 n=5H=B-AH=280.5mT△W/WL—W£°.1°55gW=W样—W空=53768g2(AW^-AW^)ghMXM 工WH2XM=1.31X10-2cm3/moly=n(n+2)瞄2〔A.—AWy=n(n+2)瞄2〔A.—AW空)ghMxm=wiPXM=1-90X10-3Cm3/mo1Mm—3叮血

Na日m=1.9237X10-20erg/G日m=4.9723X10-20erg/Gn=52、计算铁氤化钾（7.0cm）不同磁场下的磁化率H=B-△H=191.2mT△W舟、样—W样=0.0117g W=W样一W空=6.2544g日m2=n(n+2)七2 n=1H=B-△H=240.2mT△W△W样=可、样一W样=°.0186gW=W样一W空=6.273笼2(AV\^-AW^)ghMXM 工WH22(AV\^-AW^)ghMXM 工WH2XM=2.06X10-3cm3/mo1日m=2.0044X10-20erg/G日m2=n(n+2)七2 n=1H=B-△H=260.5mT△W/WL△W/WL—W£0.0218gW=W样—W空W2551g-AW^)ghMXM 工WH-AW^)ghMXM 工WH2XM=2.10X10-3cm3/mol日m=2.0225X10-20erg/Gy=n(n+2)七2 n=1H=B-△H=279.8mT△W^=W、样一W样=0.0250g W=W样一W空=6.2550g2(AW^-AW^)ghMT"' X =2.11X10-3cm3/mol八M日日m=2.0302X10-20erg/GW=W=W样一W空=3.8416gXM=1.28X10-2cm3/mol日m2=n(n+2)瞄 n=1（三）、磁场相同，高度不同1、计算摩尔氏盐（I=2.7A）不同高度下的磁化率①h=5.0cm H=B-△H=259.5mT△W『W、样一W样=0.0884g—AW空)ghMXM=wiP

Mm—3KTxm

Na日m=4.9969X10-20erg/Gy=n（n+2）瞄n=5②h=7.0cmH=B-△H=260.1mT△W/W'样—W样=°.Mm—3KTxm

Na日m=4.9969X10-20erg/Gy=n（n+2）瞄n=5②h=7.0cmH=B-△H=260.1mT△W/W'样—W样=°.090笼W=W样—W空=5-3769S2（AW^-AW^）ghMXM 工WH2Xm=1.31X10-2crn3/rnol3KTxm

Na日m=5.0551X10-20erg/Gy=n（n+2）瞄n=5③h=9.0cmH=B-△H=260.2mT△Ww=W'w—Ww=0-0925gW=W样—W空=7.°061g2（AW^-AW^）ghMXM 工WH2Xmn&Xmcm'/m。1Mm—3KTxm

Na日m=5.0727X10-20erg/Gy=n（n+2）瞄n=52、计算铁氤化钾①h=5.0cmH=B-△H=259.3mT△W^W'样一W£0.0205g W=W样一W空=4.2868g2〔A.—AW空)ghMm WW xm=2.06X10-2cm3/molWH2y=n(n+2)瞄|im=2.0048X10-2oerg/Gn=1②h=7.0cm H=B-AH=260.5mTW=W样一W空=6.2551g△W/WZ—W£0.0218gXM=2.10X10-3Cm3/mO1叩=n(n+2)瞄③h=9.0cm口m=2.0225X10-20erg/Gn=1H=B-△H=261.3mT△W/W'样一W样二0.0213^W=W样一W空=7.8674g2〔A.—AW空)ghMxm=wiPXM=2.08X10-3Cm3/mo1日m=2.0126X10-20erg/G日m2=n(n+2)七2 n=1六、实验结果与讨论

本次实验中通过控制变量法，首先固定样品高度，测量不同外加磁场强度下样品的质量；再固定外加磁场强度，测量不同样品高度时的样品质量，通过公式求算不同情况下样品的摩尔磁化率，与查阅化学手册所得值的数据最接近所采取的实验条件，即为测量磁化率的优化条件。查兰氏化学手册得：样品摩尔磁化率(cm人3/mol人(-1))摩尔氏盐1.29*10人(-2)铁氤化钾2.88*10人(-3)1、结果表达(1)相同样品高度，不同外加磁场强度样品高度约等于7cm摩(mT)197.3(2A)200.3(2.5A)260.1(2.7A)280.5(3A)尔摩尔磁化率M/mOD)1.56*10人(-2)1.86*10人(-2)1.31*10人(-2)1.31*10人(-2)氏与资料值的相对误差(20.9344.191.551.55铁氤化钾(mT) 191.2(2A) 240.2(2.5A) 260.5(2.7A) 279.0(3A)铁氤化钾摩尔磁化癞人3/mW1)) 1.90*10人(-3) 2.06*10人(-3) 2.10*10人(-3) 2.11*10人(-3)与资料值的相对误差(34.03 28.47 27.08 27