物化實驗期末 磁化率測定.doc

磁化率測定實驗條件的優(yōu)化 徐禛2010301040078 楊一洲2010301040081 鄭愛強2010301040057 武漢大學化學與分子科學學院 武漢（430072） 、目的要求 1、測定物質的摩爾磁化率，推算分子磁矩，估計分子內(nèi)未成對電子數(shù)，判斷分子配鍵的類型。 2、掌握古埃(Gouy)磁天平測定磁化率的技巧和方法，對實驗條件做出優(yōu)化。 實驗原理 1.磁化率 物質在外磁場中，會被磁化并感生一附加磁場，其磁場強度H與外磁場強度H 之和稱為該物質的磁感應強度B，即 B = H + H (1) H與H 方向相同的叫順磁性物質，相反的叫反磁性物質。還有一類物質如鐵、鈷、鎳及其合金，H比H 大得多（H/H）高達104，而且附加磁場在外磁場消失后并不立即消失，這類物質稱為鐵磁性物質。 物質的磁化可用磁化強度I 來描述，H=4 I。對于非鐵磁性物質，I 與外磁場強度H成正比 I = KH (2) 式中，K 為物質的單位體積磁化率(簡稱磁化率)，是物質的一種宏觀磁性質。在化學中常用單位質量磁化率 m 或摩爾磁化率 M 表示物質的磁性質，它的定義是 m = K/ (3) M = MK/ (4) 式中， 和M 分別是物質的密度和摩爾質量。由于K 是無量綱的量，所以 m 和 M 的單位分別是cm3g-1和cm3mol-1。 磁感應強度SI 單位是特斯拉(T)，而過去習慣使用的單位是高斯(G)，1T=104G。 2.分子磁矩與磁化率 物質的磁性與組成它的原子、離子或分子的微觀結構有關，在反磁性物質中，由于電子自旋已配對，故無永久磁矩。但是內(nèi)部電子的軌道運動，在外磁場作用下產(chǎn)生的拉摩進動，會感生出一個與外磁場方向相反的誘導磁矩，所以表示出反磁性。其 M 就等于反磁化率反，且 M0。順磁化率與分子永久磁矩的關系服從居里定律 (6) 式中，NA 為Avogadro 常數(shù);K 為Boltzmann 常數(shù)(1.3810-16ergK-1);T 為熱力學溫度; m為分子永久磁矩(ergG-1)。由此可得 (7) 由于 反不隨溫度變化(或變化極小)，所以只要測定不同溫度下的 M 對1/T 作圖，截矩即為 反，由斜率可求 m。由于比 順小得多，所以在不很精確的測量中可忽略 反作近似處理 (8) 順磁性物質的 m 與未成對電子數(shù)n 的關系為 (9) 式中，是玻爾磁子，其物理意義是:單個自由電子自旋所產(chǎn)生的磁矩。 B=9.27310-21ergG-1=9.27310-28JG-1=9.273-24JT-1 3.磁化率與分子結構 (6)式將物質的宏觀性質 M 與微觀性質 m 聯(lián)系起來。由實驗測定物質的 M，根據(jù)(8)式可求得 m，進而計算未配對電子數(shù)n。這些結果可用于研究原子或離子的電子結構，判斷絡合物分子的配鍵類型。 絡合物分為電價絡合物和共價絡合物。電價絡合物中心離子的電子結構不受配位體的影響，基本上保持自由離子的電子結構，靠靜電庫侖力與配位體結合，形成電價配鍵。在這類絡合物中，含有較多的自旋平行電子，所以是高自旋配位化合物。共價絡合物則以中心離子空的價電子軌道接受配位體的孤對電子，形成共價配鍵，這類絡合物形成時，往往發(fā)生電子重排，自旋平行的電子相對減少，所以是低自旋配位化合物。例如Co3+其外層電子結構為3d6，在絡離子(CoF6)3-中，形成電價配鍵，電子排布為： 此時，未配對電子數(shù)n=4， m =4.9 B。Co3+以上面的結構與6 個F-以靜電力相吸引形成電價絡合物。而在Co(CN)63-中則形成共價配鍵，其電子排布為： 此時，n=0， m =0。Co3+將6 個電子集中在3 個3d 軌道上，6 個CN-的孤對電子進入Co3+的六個空軌道，形成共價絡合物。 4.古埃法測定磁化率 古埃磁天平如圖-29-1 所示。天平左臂懸掛 一樣品管，管底部處于磁場強度最大的區(qū)域(H)， 管頂端則位于場強最弱(甚至為零)的區(qū)域(H0)。 圖1 古埃磁天平示意圖 1.磁鐵;2.樣品管;3.電光天平 整個樣品管處于不均勻磁場中。設圓柱形樣品 的截面積為A，沿樣品管長度方向上dz 長度的 體積Adz 在非均勻磁場中受到的作用力dF 為 (10) 式中，K 為體積磁化率;H 為磁場強度;dH/dz 為場強梯度，積分上式得 (11) 式中，K0 為樣品周圍介質的體積磁化率(通常是空氣，K0 值很小)。如果K0 可以忽略，且H0=0 時，整個樣品受到的力為 (12) 在非均勻磁場中，順磁性物質受力向下所以增重;而反磁性物質受力向上所以減重。測定時在天平右臂加減砝碼使之平衡。設 W 為施加磁場前后的稱量差，則 (13) 由于 代入上式得 (14) 式中， W 空管+樣品為樣品管加樣品后在施加磁場前后的稱量差(g); W 空管為空樣品管在施加磁場前后的稱量差(g);g 為重力加速度(980cms-2);h 為樣品高度(cm);M 為樣品的摩爾質量(gmol-1);W 為樣品的質量(g);H 為磁極中心磁場強度(G)。 在精確的測量中，通常用莫爾氏鹽來標定磁場強度，它的單位質量磁化率與溫度的關系為 儀器與試劑 莫爾氏鹽(NH4)2S04FeS046H20 鐵氰化鉀 古埃磁天平(包括磁極、勵磁電源、電子天平等) 高斯計 玻璃樣品管、裝樣品工具(包括研缽、角匙、小漏斗等) 實驗步驟 1、打開磁天平預熱10 分鐘，打開電子天平的電源，并按下“清零”按鈕。 3、電源調(diào)節(jié)旋鈕旋左旋到底，勵磁電流顯示為：“0000”。 4、取一支清潔、干燥的空樣品管，懸掛在天平一端的掛鉤上，使樣品管的底部在磁極中心連線上。關上磁天平的門，按“清零”。準確稱量空樣品管。 5、慢慢調(diào)節(jié)電流強度為1.5A，等電子天平讀數(shù)穩(wěn)定之后，讀取電子天平的讀數(shù)和磁強強度。 6、慢慢調(diào)節(jié)電流強度為2.0A，讀取電子天平的讀數(shù)和磁強強度。 7、慢慢調(diào)節(jié)電流強度為2.5A，讀取電子天平的讀數(shù)和磁強強度。 8、慢慢調(diào)節(jié)電流強度為3.0A，讀取電子天平的讀數(shù)和磁強強度。 9、慢慢調(diào)節(jié)電流強度為3.5A，讀取電子天平的讀數(shù)和磁強強度。 10、取下樣品管，裝入莫爾氏鹽(在裝填時要不斷將樣品管底部敲擊木墊，使樣品粉末填實)，直到樣品高度約 5cm 為止。準確測量樣品高度 h,按照上面的步驟分別測量其在1.5A,2.0A,2.5A,3.0A,3.5A 時候電子天平的讀數(shù)和磁電流的讀數(shù)。 11、取下樣品管，分別在裝樣6cm，7cm，8cm，9cm 的高度下測定不同電流時的質量 12.、將樣品換位鐵氰化鉀，重復上述步驟 實驗數(shù)據(jù) 1.摩爾鹽 T=284.25K 0 5 6 7 8 9 0 10.415 13.9205 14.5186 15.1669 15.9931 16.7197 121.4 10.415 13.9371 14.5348 15.1836 16.0097 16.7362 161.9 10.4149 13.9502 14.5474 15.1962 16.0222 16.749 202.3 10.415 13.9655 14.563 15.2123 16.0388 16.7651 242.7 10.415 13.9848 14.5824 15.2319 16.0581 16.7846 282.8 10.415 14.0076 14.6047 15.2548 16.0816 16.8078 根據(jù)， 求得摩爾磁化率 5 6 7 8 9 121.4 0.0122977 0.0123122 0.0127929 0.0123870 0.0122595 161.9 0.0123254 0.0122696 0.0125869 0.0121822 0.0122158 202.3 0.0119093 0.0120694 0.0124494 0.0122171 0.0120923 242.7 0.0117593 0.0119936 0.0123335 0.0120318 0.0119734 282.8 0.0116575 0.0118576 0.0122260 0.0120153 0.0119276 根據(jù) 求得摩爾順磁率 樣 高 摩 爾 磁 化 率 場 強 樣 高 質 量 場 強 5 6 7 8 9 121.4 4.9021636 4.9050638 4.9999010 4.9199449 4.8945533 161.9 4.9076962 4.8965718 4.9594762 4.8791020 4.8858201 202.3 4.8241289 4.8564636 4.9323162 4.8860799 4.8610636 242.7 4.7936581 4.8411872 4.9093093 4.8488786 4.8371108 282.8 4.7728582 4.8136512 4.8878586 4.8455628 4.8278362 根據(jù)， B=9.27310-21ergG-1=9.27310-28JG-1=9.273-24JT-1 求得單電子數(shù) 5 6 7 8 9 121.4 4.3796809 4.3827537 4.4832677 4.3985211 4.3716180 161.9 4.3855427 4.3737565 4.4404152 4.3552494 4.3623661 202.3 4.2970269 4.3312700 4.4116306 4.3626413 4.3361421 242.7 4.2647652 4.3150910 4.3872518 4.3232366 4.3107740 282.8 4.2427470 4.2859326 4.3645256 4.3197250 4.3009527 2.鐵氰化鉀 根據(jù)， 求得摩爾磁化率 0 5 6 7 8 9 0 10.9129 14.6236 15.4839 16.1546 16.8716 17.7517 120.8 10.9128 14.6272 15.4877 16.1578 16.8752 17.7555 161.3 10.9128 14.6301 15.4906 16.1608 16.878 17.7585 202 10.9128 14.6337 15.4941 16.1642 16.8815 17.7622 241 10.9128 14.6373 15.4985 16.1687 16.8858 17.7667 282 10.9128 14.6429 15.5036 16.1739 16.891 17.7717 樣 高 質 量 場 強 樣 高 單 電 子 數(shù) 場 強 樣 高 摩 爾 順 磁 率 場 強 5 6 7 8 9 120.8 0.00214366 0.00220456 0.00188917 0.00213668 0.00221088 161.3 0.00216917 0.00217873 0.00205177 0.00212950 0.00221802 202 0.00214707 0.00211331 0.00202439 0.00209915 0.00218261 241 0.00205595 0.00212309 0.00208708 0.00211375 0.00218908 282 0.00209998 0.00208994 0.00208441 0.00210729 0.00213020 根據(jù) 求得摩爾順磁率 5 6 7 8 9 120.8 2.0466992 2.0755712 1.9213729 2.0433633 2.0785417 161.3 2.0588397 2.0633751 2.0023543 2.0399285 2.0818948 202 2.0483273 2.0321601 1.9889463 2.0253411 2.0652120 241 2.0043933 2.0368550 2.0195068 2.0323696 2.0682704 282 2.0257382 2.0208932 2.0182158 2.0292631 2.0402635 根據(jù)， B=9.27310-21ergG-1=9.27310-28JG-1=9.273-24JT-1 求得單電子數(shù) 5 6 7 8 9 120.8 1.4229122 1.4513027 1.3004980 1.4196363 1.4542275 161.3 1.4348421 1.4393019 1.3794402 1.4162641 1.4575298 202 1.4245113 1.4086411 1.3663291 1.4019539 1.4411086 241 1.3814354 1.4132476 1.3962354 1.4088467 1.4441174 282 1.4023433 1.3975941 1.3949705 1.4057997 1.4165930 數(shù)據(jù)分析 摩爾鹽單電子計算值分布 樣 高 摩 爾 磁 化 率 場 強 樣 高 摩 爾 順 磁 率 場 強 樣 高 單 電 子 數(shù) 場 強 從圖上可以看出：場強為 282.8mT (電流 3.5A)時，單電子計算值更接近于真值 4；樣高為8cm 是四組測量值最為集中波動最小。 鐵氰化鉀單電子計算值 從圖上可以看出：場強為 282.0mT (電流 3.5A)時，單電子計算值相對地更接近于真值 4；樣高為8cm 是四組測量值最為集中波動最小。 實驗數(shù)據(jù)的波動是不可避免的，因為每次加樣后不