實(shí)驗(yàn)一磁化率的測定

1、磁化率的測定實(shí)驗(yàn)報告1 .實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.1 掌握古埃(Gouy)法測定磁化率的原理和方法.1.2 測定三種絡(luò)合物的磁化率,求算未成對電子數(shù),判斷其配鍵類型.2 .實(shí)驗(yàn)原理3 .1磁化率物質(zhì)在外磁場中,會被磁化并感生一附加磁場,其磁場強(qiáng)度H,與外磁場強(qiáng)度H之和稱為該物質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B,即B=H+H'(1)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、鉆、銀及其合金,2r比,大得多高達(dá)10,而且附加磁場在外磁場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)的磁化可用磁化強(qiáng)度I來描述,對于非鐵磁性物質(zhì),I與外磁場強(qiáng)度H成正比/=KH(2)式中,K為物質(zhì)的單位體積磁化率(簡稱磁

2、化率),是物質(zhì)的一種宏觀磁性質(zhì).在化學(xué)中常用單位質(zhì)量磁化率m或摩爾磁化率表示物質(zhì)的磁性質(zhì),它的定義是2Kip%M=MKIp(4)式中,p和M分別是物質(zhì)的密度和摩爾質(zhì)量.由于K是無量綱的量,所以乙和1m的單位分別是cm和cm、mol/.磁感應(yīng)強(qiáng)度SI單位是特斯拉(T),而過去習(xí)慣使用的單位是高斯(G),1TT04G.4 .2分子磁矩與磁化率物質(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,故無永久磁矩.但是內(nèi)部電子的軌道運(yùn)動,在外磁場作用下產(chǎn)生的拉摩進(jìn)動,會感生出一個與外磁場方向相反的誘導(dǎo)磁矩,所以表示出反磁性.其就等于反磁化率筋且XM<0o在順磁性物

3、質(zhì)中,存在自旋未配對電子,所以具有永久磁矩.在外磁場中,永久磁矩順著外磁場方向排列,產(chǎn)生順磁性.順磁性物質(zhì)的摩爾磁化率為m是摩爾順磁化率與摩爾反磁化率之和,即/順+/反(5)通常有比族大約13個數(shù)量級,所以這類物質(zhì)總表現(xiàn)出順磁性,其然0.順磁化率與分子永久磁矩的關(guān)系服從居里定律,順=-式中,式為Avogadro常數(shù)；K為Boltzmann常數(shù)(1.38X10-erg*K_1);T為熱力學(xué)溫度;4m為分子永久磁矩(ergG).由此可得*M=：片+,反由于/反不隨溫度變化(或變化極小),所以只要測定不同溫度下的7M對1"作圖,截矩即為無由斜率可求.由于比九小得多,所以在不很精確的測量中可

4、忽略筋作近似處理然=加=婷(cm-3m.)(8)順磁性物質(zhì)的m與未成對電子數(shù)n的關(guān)系為4m=/J0?+2)(9)式中,是為玻爾磁子,其物理意義是:單個自由電子自旋所產(chǎn)生的磁矩./zB=9.273xlO-21erg*G,=9.373xlO-28erg*Gl=9.273x1024!*!-12.3 磁化率與分子結(jié)構(gòu)式將物質(zhì)的宏觀性質(zhì)1m與微觀性質(zhì)m聯(lián)系起來.由實(shí)驗(yàn)測定物質(zhì)的癡,根據(jù)(8)式可求得進(jìn)而計算未配對電子數(shù)no這些結(jié)果可用于研究原子或離子的電子結(jié)構(gòu),判斷絡(luò)合物分子的配鍵類型.絡(luò)合物分為電價絡(luò)合物和共價絡(luò)合物.電價絡(luò)合物中央離子的電子結(jié)構(gòu)不受配位體的影響,根本上保持自由離子的電子結(jié)構(gòu),靠靜電庫

5、侖力與配位體結(jié)合,形成電價配鍵.在這類絡(luò)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(luò)合物那么以中央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(luò)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C03+其外層電子結(jié)構(gòu)3d6,在絡(luò)離子(C°F6)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=4.90C.以上面的結(jié)構(gòu)與6個F-以靜電力相吸引形成電價絡(luò)合物.而在Co(CN)63-中那么形成共價配鍵,其電子排布為：此時,n=0,=°.Co3+將6個電子集中在3個3d軌道上,6個CN-的孤對

6、電子進(jìn)入C03+的六個空軌道,形成共價絡(luò)合物.2.4 古埃法測定磁化率圖【古埃磁天平示意圖1 .磁鐵2 .樣品管3 .電光天平古埃磁天平如圖I所示.天平左臂懸掛一樣品管,管底部處于磁場強(qiáng)度最大的區(qū)域(Hmax),管頂端那么位于場強(qiáng)最弱(甚至為零)的區(qū)域(Ho).整個樣品管處于不均勻磁場中.設(shè)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表示為dF=KAHdz(10)dz.式中,K為體積磁化率;H為磁場強(qiáng)度;為場強(qiáng)梯度,積分上式得F=(11)式中,Ko為樣品周圍介質(zhì)的體積磁化率(通常是空氣,Ko值很小).如果Ko可以忽略,且Ho=O時,整個樣品受到的

7、力為F=；KH2A(12)在非均勻磁場中,順磁性物質(zhì)受力向下所以增重;而反磁性物質(zhì)受力向上所以減重.測定時在天平右臂加減硅碼使之平衡.設(shè)為施加磁場前后的稱量差,那么F=-KH2A=gAW(13)2由于K=4R,0=代入上式得MhAZ.w=力而1-(cmmol-1)(14)式中,AW空件+樣為樣品管加樣品后在施加磁場前后的稱量差(g)；卬飾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,)；h為樣品高度(cm);M為樣品的摩爾質(zhì)量(g-mol1);W為樣品的質(zhì)量(g);H為磁極中央磁場強(qiáng)度(G)0在精確的測量中,通常用莫爾氏鹽來標(biāo)定磁場強(qiáng)度,它的單位質(zhì)量磁化率與溫度的關(guān)系為

8、Zm=F7x10"6(cm3,gl)(3 .儀器藥品3.1 儀器古埃磁天平(包括電磁鐵,電光天平,勵磁電源)1套;特斯拉計1臺;軟質(zhì)玻璃樣品管4只;樣品管架1個;直尺1只;角匙4只;廣口試劑瓶4只;小漏斗4只.3.2 藥品莫爾氏鹽(NH4)2SO4FeSO46H2O(分析純);FeSO47H9(分析純)；K3Fe(CN"(分析純)；K4Fe(CN)63H2O(分析純).4 .實(shí)驗(yàn)步驟4.1 磁極中央磁場強(qiáng)度的測定4.1.1 古埃磁天平的使用接通勵磁電源,連接好并校正好特斯拉計,將霍爾變送器探頭平面垂直放入磁極中央處,調(diào)節(jié)霍爾探頭位置Hmax位置并標(biāo)記,.調(diào)節(jié)“調(diào)壓旋鈕逐漸增

9、大電流,至特斯拉計表頭示值為350mT,記錄此時勵磁電流值I.,以后每次測量都要限制在同一勵磁電流,使磁場強(qiáng)度相同,在關(guān)閉電源前應(yīng)先將勵磁電流降至零.4.1.2 用莫爾氏鹽標(biāo)定測量空管質(zhì)量,調(diào)節(jié)電流旋、旋鈕式磁場強(qiáng)度依次為OmT,300mT,350mT,記下此時空管的質(zhì)量,調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度為400mT,停留等示數(shù)穩(wěn)定30s,逐步降低電流使磁場強(qiáng)度依次為350mT,300mT,OmT,再次記下空管質(zhì)量.取下樣品管,將莫爾氏鹽通過漏斗裝入樣品管,邊裝邊在橡皮墊上碰擊,使樣品均勻填實(shí),直至裝滿,繼續(xù)碰擊至樣品高度不變?yōu)橹?用直尺測量樣品高度h.用與中相同步驟稱取W空管+桿晶(H=0)和W上行+樣晶(H=

10、Hmax),測量畢將莫爾氏鹽倒入試劑瓶中.4.2 測定未知樣品的摩爾磁化率7M同法分別測定FeSO4-7H2O,K3Fe(CN)6和K4Fe(CN)6-3H2O的W空/(H=0)、W鈉(H=Hmax)、W空管+桿晶(H=0)和W空甘+桿期H=Hmax).5 .實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理5 .1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)室溫t=29.0磁場強(qiáng)度/T0.000.300.350.400.350.300.00空管質(zhì)量/g13.573813.575613.573613.575813.576113.5763莫爾氏鹽質(zhì)量/g20.373920.377920.379830s20.379120.378820.3750樣品1質(zhì)量/g21.

11、138021.146321.149321.140021.138921.1337樣品2質(zhì)量/g20.189020.182120.181820.180620.179120.1811根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果樣品一為FeSO47H2O,樣品二為KFeCN63H2O.由上表數(shù)據(jù)得出在不同磁場變化下樣品及空管的質(zhì)量變化,如下表所示：磁化強(qiáng)度/mT空管Am/g莫爾氏鹽Aiii'gFeSO4e7H2OAm/gK4Fe(CN)6*3H2OAm/g0-0.0025-0.00110.00430.0079300-0.0005-0.00090.00740.0030350-0.00220.00070.00930.00125.

12、2計算各樣品的摩爾磁化率、永久磁矩卜噎和未配對電子數(shù)n.實(shí)驗(yàn)中通常由莫爾氏鹽標(biāo)定磁場強(qiáng)度所以由公式14得2SW空管體品-AW空管ghM樣(a),2AW銷+標(biāo)準(zhǔn)-W空管ghM標(biāo)5cM標(biāo)一加開(b).計喀那么得到言壽輪霍根據(jù)公式得摩爾鹽的單位質(zhì)量磁化率,T=302.15K,Mm氏前=392.14g/mol,得益=3.1338xly5cnrg-i,莫爾氏鹽的摩爾磁化率為無=此常=329.14x3.1338x105=1.0314x10-2cm3/mol0且1'查閱文獻(xiàn)得MFeSO4«7H2O=278.01g/mol,MK4Fe(cN)6*3H2O=383.24g/mol,>KT

13、Pb=9.273x1O:'ergeG-1.當(dāng)H=300mT時,m=6.8020g,m樣i=7.5668g,ni祥2=6.6048g.樣i=3.1338x10,x6.8020x0.0068-0.0008278.01x-0.0039-0.00087.5668=1.516x10"2cm?/mol3x302.15x1.38乂10-隈1.516x10-=5.ol2x10-erg-G6.02x10-Jni=5.13由于,<故1am不存在,n2=0o當(dāng)H=350mT時,mh；=6.8048g,m樣i=7.5700g,m杵2=6.6065g.3x30215xL38xl()T6x1.33

14、4x10-2V6.02xlO2-=5.265xlO-20ergG,n2=4.76由于,M<故1am不存在,n2=0o查閱文獻(xiàn)得出樣品二六氨合鐵酸H鉀的孤電子個數(shù)為0,樣品一七水合硫酸亞鐵的孤電子個數(shù)為4,從測得兩次數(shù)據(jù)分別為5.13和4.76,明顯數(shù)據(jù)偏大.5.3 根據(jù)和n討論絡(luò)合物中央離子最外層電子結(jié)構(gòu)和配鍵類型.樣品一FeSO4-7H2O的結(jié)構(gòu)式為氏(11)(氏0)6SOr+O,即中央原子Fe2+|周圍的6個水分子配位,形成的是正八面體空間結(jié)構(gòu).其化合價為+2,樣品二K4Fe(CN)63H2O的結(jié)構(gòu)式為K4Fe(II)(CN)6-3H2O,即中央原子Fe?+由周圍的6個鼠根離子配位,

15、形成的也是正八面體空間結(jié)構(gòu).化合價為-4o5.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析實(shí)驗(yàn)中,測得樣品一得實(shí)驗(yàn)結(jié)果明顯偏大主要原因有機(jī)器所采用的交流電電壓不是恒定,致使在測量的過程中,磁場強(qiáng)度發(fā)生變化,導(dǎo)致獨(dú)處的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定；裝樣時:樣品不夠緊密、均勻；尋找磁場最大值Hmax和H.時,由于試管不是固定住,操作不方便,導(dǎo)致在標(biāo)記時位置不夠準(zhǔn)確：測量的過程中操作不夠細(xì)致,不能保證勵磁電流每次試驗(yàn)時都相同,只能保證在一個較小的范圍內(nèi),使測量結(jié)果產(chǎn)生誤差.同學(xué)的走動,以及裝樣后試管在懸掛時不能立即穩(wěn)定,接觸器材壁等,影響電子天平的讀數(shù)不穩(wěn)定,產(chǎn)生數(shù)據(jù)方面的誤差.樣品研磨顆粒度不夠細(xì),放置空氣時間過久使分子脫水或吸水都對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響.6 .思考題6.3 本實(shí)驗(yàn)測定筋,時用了那些近似處理？實(shí)驗(yàn)中忽略了分子在外磁場的作用下產(chǎn)生的反磁性,由于順磁性遠(yuǎn)大于反磁性,在不精確的實(shí)驗(yàn)中忽略了反磁性的作用,使近似等于物質(zhì)表現(xiàn)出的順磁性.還有忽略順磁性物質(zhì)逆磁磁化率的影響,忽略樣品柱遠(yuǎn)