實(shí)驗(yàn)11 磁化率——絡(luò)合物結(jié)構(gòu)的測(cè)定

1、磁化率絡(luò)合物結(jié)構(gòu)的測(cè)定摘要：本實(shí)驗(yàn)探究了磁介質(zhì)在磁場(chǎng)中的磁化現(xiàn)象，利用古埃磁天平測(cè)定物質(zhì)磁化率，其中磁場(chǎng)強(qiáng)度用已知克磁化率的莫爾鹽進(jìn)行間接標(biāo)定，然后測(cè)定 FeSO4·7H2O 和 K4Fe(CN)6·3H2O 的磁化率并進(jìn)一步推測(cè)出絡(luò)合物中的未成對(duì)電子數(shù)，進(jìn)而判斷絡(luò)合物中央離子的電子結(jié)構(gòu)和成鍵類型關(guān)鍵詞：磁化率 古埃磁天平 電子結(jié)構(gòu) 絡(luò)合物Magnetic Susceptibility The Measurement of the Structure of Coordination CompoundsMingXuan ZhangPB15030833Abstract:In t

2、his experiment, we explored the phenomenon of magnetic medium in the magnetic filed and measure the magnetic susceptibility of some substances by GOUY magnetic balance. The intensity of the magnetic filed is standarded by (NH4)2Fe(SO4)2·6H2O, and then we use the result to measure the magnetic s

3、usceptibility of FeSO4·7H2O and K4Fe(CN)6·3H2O. Further, we can get the information about the number of unpaired electrons, the electron configuration and the types of coordination bonds in these complexes.Keywords: magnetic susceptibility ，GOUY magnetic balance ，electron configuration ，co

4、ordination complex1. 前言物質(zhì)在外磁場(chǎng)中，會(huì)被磁化并感生一附加磁場(chǎng)，此物質(zhì)因磁化而激發(fā)出來的磁場(chǎng)強(qiáng)度 H 與外加的激發(fā)磁場(chǎng)強(qiáng)度H之和稱為該物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下的磁場(chǎng)強(qiáng)度 B。H與H方向相同的叫順磁性物質(zhì)，相反的叫反磁性物質(zhì)。還有一類物質(zhì)如鐵、鈷、鎳及其合金，H比H大得, H /H高達(dá)10，而且附加磁場(chǎng)在外磁場(chǎng)消失后并不立即消失，這類物質(zhì)稱為鐵磁性物質(zhì)。物質(zhì)的磁性與組成它的原子、離子或分子的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，在反磁性物質(zhì)中，由于電子自旋已配對(duì)，故無永久磁矩。但是內(nèi)部電子的軌道運(yùn)動(dòng)，在外磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的拉摩進(jìn)動(dòng)，會(huì)感生出一個(gè)與外磁場(chǎng)方向相反的誘導(dǎo)磁矩，所以表示出反磁性。其 M <

5、; 0 就等于反磁化率反，且 M < 0。在順磁性物質(zhì)中，存在自旋未配對(duì)電子，所以具有永久磁矩。在外磁場(chǎng)中，永久磁矩順著外磁場(chǎng)方向排列，產(chǎn)生順磁性。基于順磁性物質(zhì)分子磁矩與未成對(duì)電子數(shù)的定量關(guān)系，通過測(cè)量配合物的磁化率，就可求得其未成對(duì)電子數(shù)，從而推測(cè)配合物中心原子的成鍵類型。本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)就在于此。2. 實(shí)驗(yàn)部分2.1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 了解磁介質(zhì)在磁場(chǎng)中的磁化現(xiàn)象。2 通過對(duì)一些物質(zhì)的磁化率的測(cè)定，求出未成對(duì)電子數(shù)并判斷絡(luò)合物中央離子的電子結(jié)構(gòu)和成鍵類型。3 掌握古埃（GOUY）法測(cè)定磁化率的實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)。2.2. 實(shí)驗(yàn)原理1. 磁化當(dāng)磁介質(zhì)放到場(chǎng)強(qiáng)為H的磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生附加的磁場(chǎng)H，這種現(xiàn)

6、象稱為磁介質(zhì)的磁化。這時(shí)磁介質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為： B = H + H = H + 4XH (1)式中X為物質(zhì)的體積磁化率，化學(xué)中常用克磁化率Xm和摩爾磁化率XM ，它們的定義為： Xm = X / (2) XM = M X / (3)式中為磁介質(zhì)的密度，M為克分子量。由于X是無量綱的量，故Xm和XM的量綱為厘米3/克和厘米3/摩爾。(1)式中如H 和H同向則為順磁物質(zhì)，H 和H反向?yàn)槟娲刨|(zhì)H 和H不成正比，H 隨H的增加而劇烈增加，當(dāng)外磁場(chǎng)消失后這種物質(zhì)的磁性并不消失，呈現(xiàn)滯后的現(xiàn)象，則為鐵磁質(zhì)。2原子分子的磁矩由于分子體系內(nèi)有電子環(huán)形運(yùn)動(dòng)，所以它應(yīng)具有磁矩。多電子原子的磁矩和總角動(dòng)量量子數(shù)J，

7、總軌道角動(dòng)量量子數(shù)L，總自旋角動(dòng)量量子數(shù)S間有以下關(guān)系： P = J (J + 1) g D = H (4) = P + D其中m為電子質(zhì)量，C為光速， = = 9.27×10-21爾格/高斯。 g = 1+ (5)為朗德因子。ri2為原子中電子i的位置矢量平方的平均值。 當(dāng)S = 0時(shí)，J = L，g = 1可得軌道磁矩 PO PO = (6) 當(dāng)L = 0時(shí)，J = S，g = 2可得自旋磁矩 PS PS = 2 (7)由于S = n /2，n為未成對(duì)電子數(shù)，則： PS = (8)由(4)可知當(dāng)J0時(shí)，通常因 P D， P。磁矩和磁場(chǎng)的相互作用能為E = ( · H )

8、0，所以和外磁場(chǎng)H“同向”（即它們之間的夾角小于 /2），也就是 P和H“同向”。所以J0時(shí)的物質(zhì)為順磁性物質(zhì)，它具有一個(gè)不等于零的永久磁矩。當(dāng)J = 0時(shí)， P = 0 D0， D和H“反向”（即它們之間的夾角大于 /2），該物質(zhì)為逆磁性物質(zhì)，它無永久磁矩，但在外磁場(chǎng)的作用下會(huì)感應(yīng)出一個(gè)和H“反向”的誘導(dǎo)磁矩。對(duì)于順磁性物質(zhì)，也存在和外磁場(chǎng)“反向”的誘導(dǎo)磁矩（因ri2 0）。只不過由于 P D，它的逆磁性被順磁性掩蓋了。3磁矩和磁化率由于熱運(yùn)動(dòng)，原子或分子的磁矩 P指向各個(gè)方向的幾率相等，所以由大量原子分子所組成的體系的平均磁矩為零。但在外磁場(chǎng)中，原子分子的磁矩會(huì)順著磁場(chǎng)方向取向。（即有較多

9、的原子分子的 P順著H的方向排列）而熱運(yùn)動(dòng)會(huì)擾亂這種取向。當(dāng)達(dá)到熱力學(xué)平衡時(shí)，由大量原子分子組成的體系具有不為零的平均磁矩。顯然平均磁矩隨外磁場(chǎng)的增大而增大，隨溫度的升高而減小?？梢愿鶕?jù)坡爾茲曼分布定律計(jì)算平均磁矩 P。 (9)式中K為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。摩爾磁化率是單位磁場(chǎng)強(qiáng)度下一摩爾物質(zhì)的平均磁矩，即 (10)式中NO為阿佛加德羅常數(shù)；C為居里常數(shù)，關(guān)系式： (11)也稱為居里定律。后來實(shí)驗(yàn)證明在更大的溫度范圍內(nèi)，要用以下的居里外斯定律來描寫。 (12)式中為外斯常數(shù)。* (13)總的摩爾磁化率為摩爾順磁化率和摩爾逆磁化率之和 (14)4順磁磁化率和分子的電子結(jié)構(gòu)在多原子分子中，電

10、子軌道運(yùn)動(dòng)和分子的核構(gòu)型聯(lián)系很緊密，以致分子的軌道運(yùn)動(dòng)不能順著磁場(chǎng)方向取向，所以軌道磁矩對(duì)XPM的貢獻(xiàn)很小。分子的順磁性全部或幾乎全部都是由電子的自旋運(yùn)動(dòng)提供，這時(shí)由(8)式有 P = PS = (8)由(14)式可得： XPM = XM XDM (15)如果實(shí)驗(yàn)測(cè)出了XM和XDM，則可通過(15)式求出分子中未配對(duì)的電子數(shù)n。實(shí)驗(yàn)中如XPM0，就很難測(cè)出XDM，幸有XPMXDM，常把XDM從XM中略去，有XMXPM，則有 即 (16)式中No = 6.023×1023，K = 1.386×10-16爾格/度， = 9.274×10-21爾格/高斯。這樣，只要測(cè)出

11、了XM，通過(16)式就可求出分子中未成對(duì)電子數(shù)了。絡(luò)合物中的中央離子的電子結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈地受配位體電場(chǎng)的影響。當(dāng)沒有配位體存在時(shí)，中央離子的5個(gè)d軌道具有相同的能量。在正八面體配位體場(chǎng)的作用下，中央離子的d軌道的能級(jí)分裂成兩個(gè)小組，能量較高的一組記為eg，它由dz2和dx2-y2組成。能量較低的一組記為t2g，它由dxy、dyz、dxz組成。eg和t2g之間的能量差記為稱為分離能。配位體電場(chǎng)越強(qiáng)（如CN配位體）則分離能越大（如圖A），配位體電場(chǎng)越弱（如H2O、F配位體）則分離能越?。ㄈ鐖D一中B所示）。如中央離子是d6時(shí)，前三個(gè)d電子會(huì)排在能量較低的t2g上，但第四個(gè)電子是排在t2g上與前三個(gè)電子中

12、的一個(gè)配對(duì)，還是排在eg上，這主要決定分離能和配對(duì)能P的相對(duì)大小。電子配對(duì)能P是一個(gè)電子與另一個(gè)電子配對(duì)需克服的能量。如配位體為強(qiáng)場(chǎng)配位體（如CN配位體），則第四個(gè)電子寧愿克服電子成對(duì)能在t2g上，（如圖A所示），如配位體為弱場(chǎng)配位體（如H2O、F配位體），則第四個(gè)電子寧愿克服電子成對(duì)能排在eg上（如圖一B所示）。同理d6中央離子在正八面體配位場(chǎng)中的電子結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)場(chǎng)中有圖二（A）的電子排布，在弱場(chǎng)中有圖二（B）的電子排布。強(qiáng)場(chǎng)絡(luò)合物因未配對(duì)電子少屬于低自旋絡(luò)合物（共價(jià)配鍵），弱場(chǎng)絡(luò)合物因未配對(duì)電子多屬于高自旋絡(luò)合物（電價(jià)配鍵）。egt2g dz2 dx2-y2 dz2 dx2-y2 dxy d

13、yz dxz dxy dyz dxzAB圖一中央離子在Oh場(chǎng)中的電子結(jié)構(gòu)egt2g dz2 dx2-y2 dz2 dx2-y2 dxy dyz dxz dxy dyz dxzAB圖二d6中央離子在Oh場(chǎng)中的電子結(jié)構(gòu)5磁化率的測(cè)量測(cè)定磁化率的方法很多，有興趣者可參考2。本實(shí)驗(yàn)采用古埃天平測(cè)定物質(zhì)的XM。本實(shí)驗(yàn)的裝置圖如圖三所示。將圓柱形樣品物質(zhì)懸掛在天平的一個(gè)臂上，使樣品的底部處于電磁鐵的中心，即磁場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)處。樣品應(yīng)足夠長(zhǎng)，使其上端頂部的磁場(chǎng)為零。這樣圓柱形樣品就處在一不均勻的磁場(chǎng)中，沿樣品軸心方向Z，存在一磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度，則作用于樣品的力：f = (17)式中：A為樣品截面積；X空為空氣的磁化

14、率，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度。如忽略空氣的磁化率，則： f = (18)由天平稱得裝有被測(cè)樣品的樣品管和不裝樣品的空樣品管在加與不加磁場(chǎng)時(shí)重量變化W求出：f1 = W空管g (19)f2 = W樣品空管g (20)式中 W空管 = W空管磁場(chǎng)W空管 (21) W樣品空管 = W樣品空管磁場(chǎng)W樣品空管 (22)式中W空管為不加磁場(chǎng)時(shí)空樣品管的質(zhì)量，W樣品空管為裝有樣品的樣品管不加磁場(chǎng)時(shí)的質(zhì)量。顯然，不均勻磁場(chǎng)作用樣品的力f = f2f1，于是有： = (W樣品空管W空管 )g (23)整理后得：X = (24)由于XM = ， = 則有：XM = (25)式中h為樣品高度，W為樣品重量，M為樣品克分子量。在

15、天平上測(cè)出W，W，H，用直尺測(cè)出h，查出M，g取981則可算出XM；再由(16)式： (16)即可推算出樣品物質(zhì)中未成對(duì)電子數(shù)n。磁場(chǎng)強(qiáng)度可用CT5型高斯計(jì)測(cè)出，或用已知克磁化率的莫爾氏鹽進(jìn)行間接標(biāo)定。 (26)2.3. 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑儀器名稱生產(chǎn)廠家數(shù)量MB-1A型磁天平南京南大萬和科技有限公司1TU1901 雙光束紫外可見分光光度計(jì)北京普新通用儀器有限責(zé)任公司2玻璃樣品管3瑪瑙研缽3牛角勺3小塑料漏斗3直尺1三水合六氰鐵酸鉀(分析純AR)國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司1七水合硫酸亞鐵(分析純AR)國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司1六水合硫酸亞鐵銨(分析純AR)國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司1表1 實(shí)驗(yàn)儀器及試

16、劑2.4. 實(shí)驗(yàn)步驟1儀器調(diào)試將電壓電流調(diào)節(jié)器旋鈕反時(shí)針方向旋到底，這時(shí)方可打開日光燈開關(guān)和電源開關(guān)。將電壓電流調(diào)節(jié)旋鈕慢慢向順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，讓電流逐漸升至2A預(yù)熱2分鐘后，磁天平方可使用。在以后的使用中，通過電壓電流調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)電流時(shí)要平穩(wěn)、緩慢，以防因升高或降低電流太快而損壞晶體管元件。測(cè)準(zhǔn)磁場(chǎng)強(qiáng)度是本實(shí)驗(yàn)的重要步驟。先對(duì)CT5高斯計(jì)機(jī)械調(diào)零。校準(zhǔn)和各使用檔調(diào)零。其方法如下：A）機(jī)械調(diào)零：在未開機(jī)前，旋鈕離開“關(guān)”指向任何一檔，旋動(dòng)表蓋中央調(diào)零器凹槽，使指針準(zhǔn)指0位線（教師已調(diào)好）。B）校準(zhǔn)：開通電源，量程旋鈕指示“校準(zhǔn)”檔，預(yù)熱5分鐘，調(diào)節(jié)右下首“校準(zhǔn)”凹槽，使指針準(zhǔn)指“校準(zhǔn)”線。C）放

17、大器0位調(diào)節(jié)，量程旋鈕指示“0”檔，調(diào)節(jié)右下首“0”孔中凹槽，使指針指0位線。D）“調(diào)零”調(diào)節(jié)：先將量程旋鈕指示“50”檔，旋轉(zhuǎn)“調(diào)零”旋鈕，使指針準(zhǔn)批“0”位線。再將量程旋鈕指示到需要測(cè)量的量限上，（本實(shí)驗(yàn)用1K檔），重新調(diào)節(jié)“調(diào)零”旋鈕，使指針指“0”位線。這時(shí)方可進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量。測(cè)量時(shí)將霍爾變送器垂直地放入磁極中，使距變送器頂端34mm處的測(cè)量元件位于磁場(chǎng)磁極中心磁場(chǎng)最大值的地方，可稍微平移和轉(zhuǎn)動(dòng)霍爾探頭，使高斯計(jì)的指針指在最大值的方法來確定。如高斯計(jì)指針反向，只須將探頭轉(zhuǎn)動(dòng)180°方可。2磁場(chǎng)兩極中心處磁場(chǎng)強(qiáng)度H的測(cè)定(1)用高斯計(jì)重復(fù)測(cè)量五次，分別讀取勵(lì)磁電流值（本實(shí)驗(yàn)用I1

18、 = 3A，I2 = 4A）和對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度值。(2)用已知Xm的莫爾氏鹽標(biāo)定對(duì)應(yīng)于勵(lì)磁電流3A和4A的磁場(chǎng)強(qiáng)度。標(biāo)定步驟如下：將電流調(diào)至0A，取一支清潔、干燥的空樣品管懸掛在古埃磁天平的掛鉤上，使樣品管底部正好與磁極中心線齊平。準(zhǔn)確稱得空樣品管重量；然后將勵(lì)磁電流由小至大調(diào)節(jié)至1A，迅速且準(zhǔn)確地稱取此時(shí)空樣品管的重量；繼續(xù)由小至大分別調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流至2A、3A、4A再稱重量；繼續(xù)將勵(lì)磁電流升至5A，接著又將勵(lì)磁電流緩降至4A，再稱空樣品管重量；又將勵(lì)電流由大至小分別降至3A、2A、1A，分別再稱重量；將勵(lì)磁電流降至零，又稱取一次樣品管重量。上述數(shù)據(jù)按下表記錄?？諛悠饭躓（增大）W（減?。￤（平

19、均）W0A1A2A3A4A上述勵(lì)磁電流由小至大，再由大至小的測(cè)量方法，是為了抵消實(shí)驗(yàn)時(shí)磁場(chǎng)剩磁現(xiàn)象的影響。此外實(shí)驗(yàn)時(shí)還須避免氣流對(duì)測(cè)量的影響，并注意勿使樣品管與磁極相碰，磁極距離不得隨意變動(dòng)，每次稱量后應(yīng)將天平托起。同法重復(fù)測(cè)定一次，將二次測(cè)得的數(shù)據(jù)取平均值。取下樣品管，將事先研細(xì)的莫爾氏鹽通過小漏斗裝入樣品管，在裝填時(shí)須不斷將樣品管底部敲擊皮墊，務(wù)使粉末樣品均勻填實(shí)，直至裝滿約15厘米高。用直尺準(zhǔn)確量取樣品高度h。同上法，將裝有莫爾氏鹽的樣品管置于古埃天平的掛鉤上，在0A、1A、2A、3A、4A、（5A）、4A、3A、2A、1A、0A電流下進(jìn)行稱量。測(cè)量?jī)纱危纱螖?shù)據(jù)的平均值。測(cè)定完畢，將

20、樣品管中的莫爾氏鹽倒入回收瓶中，然后洗凈、干燥備用。3測(cè)定FeSO47H2O和K4Fe(CN)63H2O的摩爾磁化率。重復(fù)(2)操作，裝入測(cè)定樣品，重復(fù)上述的實(shí)驗(yàn)步驟。3. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理詳見“附文”。4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論4.1. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：莫爾鹽標(biāo)定得到磁場(chǎng)強(qiáng)度：I/A1.0 2.0 3.0 4.0 H/G643.3956 1265.1628 1864.7375 2466.8158 表2 磁場(chǎng)強(qiáng)度的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)測(cè)得：FeSO4·7H2O摩爾磁化率M = 0.01236cm3/mol, 未成對(duì)電子數(shù) n 4; K4Fe(CN)6·3H2O摩爾磁化率M = 0.0

21、0003cm3/mol, 未成對(duì)電子數(shù)n 0。通過查閱資料：FeSO4·7H2O未成對(duì)電子為4, K4Fe(CN)6·3H2O未成對(duì)電子為0。實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為準(zhǔn)確。同時(shí)得到光譜如下：圖5 三種物質(zhì)的反射光譜圖4 三種物質(zhì)的吸收光譜4.2. 結(jié)果分析FeSO4·7H2O和K4Fe(CN)6·3H2O結(jié)構(gòu)式分別為FeSO4·7H2O和K4Fe(CN)6·3H2O均為正八面體配合物，結(jié)構(gòu)如下圖：圖6 兩種配合物結(jié)構(gòu)示意圖由FeSO4·7H2O以及K4Fe(CN)6·3H2O的摩爾磁化率和單電子數(shù)可得：在FeSO4·

22、7H2O中，F(xiàn)e2+的5個(gè)價(jià)電子先自旋平行的填充在5個(gè)d軌道上，剩余1個(gè)價(jià)電子填充在t2g上，與同軌道電子自旋反平行，為弱場(chǎng)高自旋，雜化方式為外軌型的sp3d2雜化，配位鍵為電價(jià)配鍵。而在K4Fe(CN)6·3H2O中，F(xiàn)e2+的6個(gè)價(jià)電子全部填充在t2g上，為強(qiáng)場(chǎng)低自旋，雜化方式為內(nèi)軌型的d2sp3雜化，配位鍵為共價(jià)配鍵。然而n在計(jì)算結(jié)果中不為4和0（分別為4.509和0.035），都與標(biāo)準(zhǔn)值有偏差，說明實(shí)驗(yàn)過程中有一定誤差。其中硫酸亞鐵的結(jié)果誤差較大，可能是部分Fe2+被空氣氧化。由光譜可得：FeSO4·7H2O和(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O光譜波峰

23、分布及為相似，說明其電子排布結(jié)構(gòu)相同。而與 K4Fe(CN)6·3H2O 差異較大，說明電子排布結(jié)構(gòu)不同。電子吸收光的能量，從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷，根據(jù)晶體場(chǎng)理論，求出配合物的晶體場(chǎng)穩(wěn)定化能（CFSE）即可判斷配合物離子的顏色，=hv=hc/。所以可以求出吸收光的波長(zhǎng)，物質(zhì)顯示的顏色是物質(zhì)吸收光的互補(bǔ)色。由于(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O與FeSO4·7H2O都是Fe2+的5個(gè)價(jià)電子先自旋平行的填充在5個(gè)d軌道上，剩余1個(gè)價(jià)電子填充在t2g上，與同軌道電子自旋反平行，為弱場(chǎng)高自旋，雜化方式為外軌型的sp3d2雜化，CFSE=（-4Dq）*4+6Dq*2=-4

24、Dq。而在K4Fe(CN)6·3H2O中，F(xiàn)e2+的6個(gè)價(jià)電子全部填充在t2g上，為強(qiáng)場(chǎng)低自旋，雜化方式為內(nèi)軌型的d2sp3雜化，CFSE=（-4Dq）*6=-24Dq。所以K4Fe(CN)6·3H2O的晶體場(chǎng)穩(wěn)定化能大于(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O與FeSO4·7H2O的晶體場(chǎng)穩(wěn)定化能，根據(jù)公式=hv=hc/，故K4Fe(CN)6·3H2O的最大吸收波長(zhǎng)要小于另外兩者的吸收波長(zhǎng)，但在圖中沒有反映出這一點(diǎn)，查詢數(shù)據(jù)得知K4Fe(CN)6·3H2O為黃色，吸收波長(zhǎng)為530nm，(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O與

25、FeSO4·7H2O淡綠色，吸收波長(zhǎng)為720nm，與理論一致，實(shí)驗(yàn)中量程有限，難以判斷實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。4.3. 誤差分析1. 在進(jìn)行公式推導(dǎo)時(shí)，忽略了DM對(duì)M的貢獻(xiàn)，因此帶來系統(tǒng)誤差。2. 理論上，我們認(rèn)為當(dāng)樣品物質(zhì)足夠長(zhǎng)時(shí)，樣品上端頂部的磁場(chǎng)為零；實(shí)際上，樣品的長(zhǎng)度h 約為 15cm，因此其上部的磁場(chǎng)雖然比較小，但并不為零，所以引入了系統(tǒng)誤差。3. up 的精確公式有 H 的高階項(xiàng)，然而我們?cè)谶M(jìn)行計(jì)算時(shí)，只考慮了 H 的一次項(xiàng)，忽略了 O(H)項(xiàng)，可能也存在一定系統(tǒng)誤差。4. 考慮順磁化率時(shí)，也只考慮了電子自旋磁矩，未考慮軌道磁矩。并且推導(dǎo)時(shí)未考慮空氣磁導(dǎo)率，造成系統(tǒng)誤差。5. 樣品很難

26、研細(xì)，可能導(dǎo)致樣品之間有空隙，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。而相對(duì)于上層樣品，下層樣品填充較實(shí)，這種不均勻性也會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。6. 實(shí)驗(yàn)要求將圓柱形樣品物質(zhì)的底部處于電磁鐵的中心，即磁場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)處，很難保證。7. 樣品管未清洗干凈，含有其他鹽類雜質(zhì)。雖然測(cè)量了空管的質(zhì)量，但由于固定樣品管的掛鉤易形變，因此不能保證裝填樣品后，樣品管的位置與空管位置相同，從而使質(zhì)量測(cè)定不準(zhǔn)確。8. 實(shí)驗(yàn)中測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)，由于樣品表面是凸起的，所以很難做到準(zhǔn)確測(cè)量。而且在放入儀器中后，高度可能會(huì)有所變化。9. 實(shí)驗(yàn)時(shí)無法實(shí)時(shí)讀取天平操作箱內(nèi)的溫度，機(jī)器工作散發(fā)的熱量可能導(dǎo)致操作箱內(nèi)溫度高于室溫，這就導(dǎo)致樣品溫度可能高于室溫，出現(xiàn)誤差。

27、10. 實(shí)驗(yàn)過程中盡可能慢的放置樣品管，但是仍可能有微小振動(dòng)，導(dǎo)致質(zhì)量測(cè)量不準(zhǔn)。11. 剩磁現(xiàn)象無法被根除，實(shí)驗(yàn)中采取兩次反復(fù)測(cè)量的方法，但是這也無法排除剩磁現(xiàn)象對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。12. 實(shí)驗(yàn)中使用的樣品都是 Fe2+離子為中心的配合物，在研磨過程中可能被空氣中的 O2 氧化，尤其是弱場(chǎng)配體 H2O 作為配體的配合物。這也許能解釋 FeSO4·7H2O 測(cè)量出的未成對(duì)電子數(shù)偏離理想值較多的現(xiàn)象。4.4. 實(shí)驗(yàn)總結(jié)本次實(shí)驗(yàn)中我們通過測(cè)量已知磁化率的配合物(莫爾鹽)的磁化率，來標(biāo)定磁天平的磁場(chǎng)強(qiáng)度，再通過對(duì)樣品FeSO4·7H2O和K4Fe(CN)6·3H2O磁化率的測(cè)量

28、，成功推算兩種樣品中的未成對(duì)電子數(shù)分別為4和0，并判斷了中心原子的外層電子結(jié)構(gòu)以及配鍵類型。實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果與理論學(xué)習(xí)的結(jié)論相同，因此說明了用測(cè)量磁化率的方法推斷絡(luò)合物結(jié)構(gòu)的正確性與可行性。5. 心得與體會(huì)通過本次試驗(yàn)我們推測(cè)了兩種配合物的結(jié)構(gòu)和配鍵類型。在實(shí)驗(yàn)中，我們先用一種物質(zhì)標(biāo)定了磁場(chǎng)強(qiáng)度，然后測(cè)定了另外兩種物質(zhì)的磁化率，進(jìn)一步推算出來它們的未成對(duì)電子數(shù)。通過結(jié)果來看，實(shí)驗(yàn)推測(cè)的結(jié)構(gòu)與理論符合較好，說明這種實(shí)驗(yàn)方法在推測(cè)配合物結(jié)構(gòu)的時(shí)候是比較有用的。這為我們?cè)谝院罅私馀c分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了有力的手段。6. 參考文獻(xiàn)1 磁化率絡(luò)合物結(jié)構(gòu)的測(cè)定，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)講義2 CRC Handbook of

29、Chemistry and Physics 90th Edition 20103 物理化學(xué)（第五版）下冊(cè)M 傅獻(xiàn)彩等 高等教育出版社 20054 Gouy磁天平法測(cè)定物質(zhì)磁化率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理公式的討論.武麗艷,鄭文君,尚貞鋒.大學(xué)化學(xué).2006,10,21,5,51-52附錄1. 實(shí)驗(yàn)條件實(shí)驗(yàn)前： 氣溫：22.3 氣壓：100.68 kpa實(shí)驗(yàn)后： 氣溫：23.0 氣壓：100.66 kpa2. 原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)整理如下：樣品：莫爾鹽（六水合硫酸亞鐵銨），樣品高度h = 15.15 cmI/A空管質(zhì)量/g+-+-平均0.0 13.9977 13.9979 13.9979 13.9979 13.9

30、979 1.0 13.9976 13.9978 13.9979 13.9979 13.9978 2.0 13.9975 13.9977 13.9977 13.9976 13.9976 3.0 13.9972 13.9973 13.9974 13.9973 13.9973 4.0 13.9969 13.9969 13.9970 13.9970 13.9970 測(cè)量時(shí)溫度22.5I/A加入樣品后質(zhì)量/g+-+-平均0.0 20.7255 20.7256 20.7256 20.7256 20.7256 1.0 20.7284 20.7286 20.7283 20.7288 20.7285 2.0 2

31、0.7365 20.7376 20.7363 20.7371 20.7369 3.0 20.7491 20.7509 20.7497 20.7511 20.7502 4.0 20.7683 20.7690 20.7686 20.7694 20.7688 測(cè)量時(shí)溫度22.6表1 莫爾鹽（六水合硫酸亞鐵銨）原始數(shù)據(jù)樣品：七水合硫酸亞鐵，樣品高度h = 15.00 cmI/A空管質(zhì)量/g+-+-平均0.0 13.9512 13.9513 13.9514 13.9512 13.9513 1.0 13.9511 13.9513 13.9513 13.9512 13.9512 2.0 13.9511 13

32、.9511 13.9511 13.9509 13.9511 3.0 13.9508 13.9507 13.9508 13.9507 13.9508 4.0 13.9504 13.9503 13.9504 13.9504 13.9504 測(cè)量時(shí)溫度22.6I/A加入樣品后質(zhì)量/g+-+-平均0.0 19.8544 19.8547 19.8547 19.8549 19.8547 1.0 19.8578 19.8585 19.8585 19.8583 19.8583 2.0 19.8678 19.8693 19.8682 19.8687 19.8685 3.0 19.8849 19.8861 19.

33、8844 19.8858 19.8853 4.0 19.9083 19.9094 19.9084 19.9095 19.9089 測(cè)量時(shí)溫度22.7表2 七水合硫酸亞鐵原始數(shù)據(jù)樣品：三水合亞鐵氰化鉀，樣品高度h = 15.05 cmI/A空管質(zhì)量/g+-+-平均0.0 14.7167 14.7169 14.7169 14.7169 14.7169 1.0 14.7167 14.7168 14.7169 14.7169 14.7168 2.0 14.7166 14.7166 14.7167 14.7167 14.7167 3.0 14.7163 14.7163 14.7164 14.7164 1

34、4.7164 4.0 14.7159 14.7159 14.7161 14.7159 14.7160 測(cè)量時(shí)溫度22.6I/A加入樣品后質(zhì)量/g+-+-平均0.0 21.6718 21.6719 21.6720 21.6720 21.6719 1.0 21.6718 21.6718 21.6719 21.6719 21.6719 2.0 21.6714 21.6716 21.6716 21.6717 21.6716 3.0 21.6710 21.6711 21.6713 21.6712 21.6712 4.0 21.6705 21.6704 21.6708 21.6707 21.6706 測(cè)量

35、時(shí)溫度22.7表3 三水合亞鐵氰化鉀原始數(shù)據(jù)3. 不同電流下樣品質(zhì)量由：m樣品 = m樣品+空管 m空管m樣品+磁場(chǎng) = m樣品+空管+磁場(chǎng) m空管+磁場(chǎng)m空管 = m空管+磁場(chǎng) m空管m樣品+空管 = m樣品+空管+磁場(chǎng) m樣品+空管可推得：m = m樣品+空管 - m空管 = m樣品+磁場(chǎng) m樣品計(jì)算結(jié)果如下：I/A莫爾鹽（六水合硫酸亞鐵銨）m(空管+磁場(chǎng))/gm(樣品+空管+磁場(chǎng))/gm(樣品+磁場(chǎng))/gm/g0.0 13.9979 20.7256 6.7277 0.0000 1.0 13.9978 20.7285 6.7307 0.0030 2.0 13.9976 20.7369 6.

36、7393 0.0116 3.0 13.9973 20.7502 6.7529 0.0252 4.0 13.9970 20.7688 6.7718 0.0441 附表4 莫爾鹽計(jì)算結(jié)果I/A七水合硫酸亞鐵m(空管+磁場(chǎng))/gm(樣品+空管+磁場(chǎng))/gm(樣品+磁場(chǎng))/gm/g0.0 13.9513 19.8547 5.9034 0.0000 1.0 13.9512 19.8583 5.9071 0.0037 2.0 13.9511 19.8685 5.9174 0.0140 3.0 13.9508 19.8853 5.9345 0.0311 4.0 13.9504 19.9089 5.9585

37、0.0551 附表5 七水合硫酸亞鐵計(jì)算結(jié)果I/A三水合亞鐵氰化鉀m(空管+磁場(chǎng))/gm(樣品+空管+磁場(chǎng))/gm(樣品+磁場(chǎng))/gm/g0.0 14.7169 21.67196.9550 0.0000 1.0 14.7168 21.67196.9551 0.0001 2.0 14.7167 21.67166.9549 -0.0001 3.0 14.7164 21.67126.9548 -0.0002 4.0 14.7160 21.67066.9546 -0.0004 附表6 三水合亞鐵氰化鉀計(jì)算結(jié)果4. 由莫爾鹽的實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算不同電流下磁場(chǎng)強(qiáng)度由公式：XM = M Xm和平均測(cè)量溫度：（22.5+22.6）/ 2 = 22.55 得T = (22.55 + 273.15)K = 295.70 K M = 392.14 g/mol計(jì)算得Xm = 3.2019 × 10-5 cm3/g ，XM = 0.012556 cm3/mol再由公式：式中h為樣品高度，M為樣品克分子量，W樣品+空管-W樣品=m。W = W 樣品空管,0A-W 空管,0A = 6.7277 g帶入h = 15.15