磁化率測定實驗的優(yōu)化

磁化率測定實驗的優(yōu)化商錦婷2010301040139

楊斯文2010301040129化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院2010級化類一班【摘要】磁化率測定是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要方法之一，用于某些有機物、稀土元素化合物、配合物、金屬催化劑和自由基體系的研究，從而了解物質(zhì)內(nèi)部電子分布，化學(xué)鍵以及電子結(jié)構(gòu)有關(guān)的問題。本文根據(jù)古埃磁天平的超順磁性質(zhì)，使用古埃磁天平研究磁流體的磁性(磁化率和磁化強度)和穩(wěn)定性?！娟P(guān)鍵詞】古埃磁天平；磁化率；磁性；順磁性；逆磁性；不成對電子數(shù)；d電子構(gòu)型?！疽浴糠彩翘幱诖艌鲋心軌?qū)Υ艌霭l(fā)生影響的物質(zhì)都屬于磁介質(zhì)。根據(jù)物質(zhì)在外磁場中表現(xiàn)出的特性，物質(zhì)可粗略地分為三類：順磁性物質(zhì)，抗磁性物質(zhì)，鐵磁性物質(zhì)。本實驗中用磁天平，使用控制變量法測定不同磁場強度，不同樣品高度下的磁化率。通過比較標準數(shù)據(jù)，探究在電磁場產(chǎn)生外加磁場時，得出最適的磁場強度和樣品的高度?！緦嶒灢糠帧恳?、 實驗?zāi)康恼莆展虐?Gouy)磁天平測定磁化率的原理和方法。通過對一些配位化合物磁化率的測定，計算中心離子的不成對電子數(shù)，并判斷d電子的排布情況和配位體場的強弱。探究樣品高度、磁場強弱對磁化率的測定造成的影響，改進細節(jié)。二、 實驗原理摩爾磁化率和分子磁矩物質(zhì)在外磁場作用下，由于電子等帶電體的運動，會被磁化而感應(yīng)出一個附加磁場物質(zhì)被磁化的程度用磁化率X表示，它與附加磁場強度和外磁場強度的比值有關(guān)：H=4nxH ⑴H為附加磁場強度，H外磁場強度，x為無因次量，稱為物質(zhì)的體積磁化率，簡稱磁化率，表示單位體積內(nèi)磁場強度的變化，反映了物質(zhì)被磁化的難易程度.化學(xué)上常用摩爾磁化率Xm表示磁化程度，它與X的關(guān)系為Xm=xM/p (2)式中M、p分別為物質(zhì)的摩爾質(zhì)量與密度.X的單位為m3molT.m物質(zhì)在外磁場作用下的磁化現(xiàn)象有三種：第一種，物質(zhì)的原子、離子或分子中沒有自旋未成對的電子，即它的分子磁矩Mm=0.當它受到外磁場作用時，內(nèi)部會產(chǎn)生感應(yīng)的'分子電流”，相應(yīng)產(chǎn)生一種與外磁場方向相反的感應(yīng)磁矩.如同線圈在磁場中產(chǎn)生感生電流，這一電流的附加磁場方向與外磁場相反這種物質(zhì)稱為反磁性物質(zhì)，如Hg、Cu、Bi等.稱為反磁磁化率，用X反表示，且X<0.第二種，物質(zhì)的原子、離子或分子中存在自旋未成對的電子，它的電子角動量總和不等于零，分子磁矩pm+0.這些雜亂取向的分子磁矩在受到外磁場作用時，其方向總是趨向于與外磁場同方向，這種物質(zhì)稱為順磁性物質(zhì)，如Mn、Cr、Pt等，表現(xiàn)出的順磁磁化率用X順表示.第三種，物質(zhì)被磁化的強度隨著外磁場強度的增加而劇烈增強，而且在外磁場消失后其磁性并不消失.這種物質(zhì)稱為鐵磁性物質(zhì).對于順磁性物質(zhì)而言，摩爾順磁磁化率與分子磁矩P關(guān)系可由居里一郎之萬公式表示:mTOC\o"1-5"\h\zX順斗0財/") ⑶式中匕為阿伏加德羅常數(shù)(6.022x1023mo「1)A為玻爾茲曼常數(shù)(1.3806x10-23J?K-1)7 2扃為真空磁導(dǎo)率(4nxl0N?A)，7為熱力學(xué)溫度.式(3)可作為由實驗測定磁化率來研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的依據(jù).分子磁矩Pm由分子內(nèi)未配對電子數(shù)〃決定，其關(guān)系如下：Mm=Mb[〃(n+2)]1/2 (4)24 -1式中％為玻爾磁子，是磁矩的自然單位.％=9.274x10J?T(7為磁感應(yīng)強度的單位，即特斯拉).求得〃值后可以進一步判斷有關(guān)絡(luò)合物分子的配鍵類型.例如，F(xiàn)e2+離子在自由離子狀態(tài)下的外層電子結(jié)構(gòu)為3d64s°4p°.如以它作為中心離子與6個H。配位體形成[Fe(HO)]2+TOC\o"1-5"\h\z2 2 6絡(luò)離子，是電價絡(luò)合物.其中Fe2+離子仍然保持原自由離子狀態(tài)下的電子層結(jié)構(gòu)，此時〃=4.見圖所示：④①①GXD O OOON 4a VFe2+在自由離子狀態(tài)下的外層電子結(jié)構(gòu)如果Fe離子與6個CN離子配位體形成[Fe(CN)6]4絡(luò)離子，則是共價絡(luò)合物.這時其中Fe2+離子的外電子層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，n=0.見圖所示：

oooe:Fe2+外層電子結(jié)構(gòu)的重排顯然，其中6個空軌道形成d2sp3的6個雜化軌道，它們能接受6個CN--1離子中的6對孤對電子，形成共價配鍵.摩爾磁化率的測定本實驗用古埃磁天平測定物質(zhì)的摩爾磁化率Xm，測定原理如圖所示.一個截面積為■的樣品管，裝入高度為爪質(zhì)量為m的樣品后，放入非均勻磁場中.樣品管底部位于磁場強度最大之處，即磁極中心線上，此處磁場強度為H.樣品最高處磁場強度為零.前已述及，對于順磁性物質(zhì)，此時產(chǎn)生的附加磁場與原磁場同向，即物質(zhì)內(nèi)磁場強度增大，在磁場中受到吸引力.設(shè)X0為空氣的體積磁化率，可以證明，樣品管內(nèi)樣品受到的力為：F=0.5*mXmH2|j0/M*h （5）在磁天平法中利用精度為0.1mg的電子天平間接測量F值.設(shè)Am。為空樣品管在有磁場和無磁場時的稱量值的變化，Am為裝樣品后在有磁場和無磁場時的稱量值的變化，則(6)Xm=2x（Am-Am0如hMp0+m+B2(6)磁場強度飽由特斯拉計或CT5高斯計測量.應(yīng)該注意，特斯拉計測量的實際上是磁感應(yīng)強度B，單位為T（特斯拉），1T=104高斯.磁場強度H可由關(guān)系式計算得到.三、 儀器與試劑古埃磁天平一臺（磁天平，電子天平，勵磁電源）平底軟質(zhì)玻璃樣品管一支裝樣品工具一套（包括研缽、牛角匙、小漏斗、竹針、棉簽、玻璃棒）刻度尺一支摩爾氏鹽（NH4）2SO4FeSO46H2O（分析純）；K3Fe（CN）6（分析純）；四、 實驗步驟（1） 測量不同磁場強度下空管的質(zhì)量打開磁天平電源開關(guān)，待儀器穩(wěn)定后，旋轉(zhuǎn)電流調(diào)節(jié)按鈕使天平讀數(shù)為零，并將磁場強度歸零。打開電子天平開關(guān)，按調(diào)零按鈕是天平讀數(shù)為零。取一支潔凈、干燥的空樣品管掛在天平下方的橡皮塞上，在無磁場的條件下測量，待樣品管穩(wěn)定且天平讀數(shù)穩(wěn)定后，讀出天平讀數(shù)，測量三次并記錄。旋轉(zhuǎn)電流調(diào)節(jié)按鈕，分別測量電流強度為2.00A2.50A2.70A2.90A3.10A，在不同的電流強度下測量空樣品管質(zhì)量，每個電流強度測量三次并記錄。（2） 測量不同磁場強度下摩爾氏鹽質(zhì)量，標定磁場強度將樣品管取下，將研磨好的摩爾氏鹽樣品粉末通過小漏斗裝入樣品管，邊裝便用玻璃棒壓實，是樣品上下均勻，樣品高度保持在5cm，并使其端面平整，用刻度尺測量樣品高度h并記錄。將樣品管掛在天平下方的橡皮塞上，在無磁場的條件下測量，待樣品管穩(wěn)定且天平讀數(shù)穩(wěn)定后，讀出天平讀數(shù)，測量三次并記錄。將電流緩慢調(diào)節(jié)至2.00A2.50A2.70A2.90A3.10A，依次測量樣品管質(zhì)量三次并記錄。改變樣品高度至7cm9cm，如上步操作測量質(zhì)量記錄。測定完畢后，用竹簽將樣品松動，倒入回收瓶中，然后將清洗樣品管，用棉簽擦去管壁上水珠，然后用吹風(fēng)機將樣品管吹干。（3） 測量不同磁場強度下K3Fe（CN）6質(zhì)量在保持保持磁極間距不變的情況下，使用上述樣品管，重復(fù)上步（2）步驟，測定K3Fe（CN）6樣品的質(zhì)量并記錄。（4） 記錄實驗時的溫度，將研缽中的樣品倒入回收瓶，清洗樣品管，清理實驗臺面。（5） 將所記錄數(shù)據(jù)填入下面表格并根據(jù)公式計算磁化率。五、實驗數(shù)據(jù)記錄及處理室溫t=10.5°C------<^/A空管0.002.002.502.702.903.10磁感應(yīng)強度以/mT0201.1246.6265.9285.8307.0質(zhì)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

--.電流/A摩爾氏鹽 -....0.002.002.502.702.903.105.0cm磁感應(yīng)強度p/mT0198.0247.6265.6285.5307.7質(zhì)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磁感應(yīng)強度p/mT0197.3206.4266.2286.6305.9質(zhì)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磁感應(yīng)強度p/mT0197.2246.9266.3286.1305.9質(zhì)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-- 電流/A鐵氰化鉀 --.0.002.002.502.702.903.105.0cm磁感應(yīng)強度p/mT0196.1245.7265.4285.2307.7質(zhì)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磁感應(yīng)強度p/mT0197.3246.3266.6285.93056質(zhì)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磁感應(yīng)強度p/mT0197.3248.4267.4286.6305.9質(zhì)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）以摩爾氏鹽（7.0cm）B=197.3mT標定△W尸WJ—W空=0.0021g AW舟'樣一W樣=0.0503gW=W樣一W空=5.4265gxM=2（AW樣-Aw空）ghM/WH2xm=3.337X10-5cma/g xm=MxH=1912G=191.2mTAH=6.1mT（二）相同樣品高度，不同外加磁場強度1、計算摩爾氏鹽（7.0cm）不同磁場下的磁化率H=B-AH=200.3mT△W舟、樣一W樣=0.0777g W=W樣一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'樣一W樣=0.0909g W=W樣一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樣—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、計算鐵氤化鉀（7.0cm）不同磁場下的磁化率H=B-△H=191.2mT△W舟、樣—W樣=0.0117g W=W樣一W空=6.2544g日m2=n(n+2)七2 n=1H=B-△H=240.2mT△W△W樣=可、樣一W樣=°.0186gW=W樣一W空=6.273籠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樣—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、樣一W樣=0.0250g W=W樣一W空=6.2550g2(AW^-AW^)ghMT"' X =2.11X10-3cm3/mol八M日日m=2.0302X10-20erg/GW=W=W樣一W空=3.8416gXM=1.28X10-2cm3/mol日m2=n(n+2)瞄 n=1（三）、磁場相同，高度不同1、計算摩爾氏鹽（I=2.7A）不同高度下的磁化率①h=5.0cm H=B-△H=259.5mT△W『W、樣一W樣=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'樣—W樣=°.Mm—3KTxm

Na日m=4.9969X10-20erg/Gy=n（n+2）瞄n=5②h=7.0cmH=B-△H=260.1mT△W/W'樣—W樣=°.090籠W=W樣—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樣—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、計算鐵氤化鉀①h=5.0cmH=B-△H=259.3mT△W^W'樣一W￡0.0205g W=W樣一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樣一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'樣一W樣二0.0213^W=W樣一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、實驗結(jié)果與討論

本次實驗中通過控制變量法，首先固定樣品高度，測量不同外加磁場強度下樣品的質(zhì)量；再固定外加磁場強度，測量不同樣品高度時的樣品質(zhì)量，通過公式求算不同情況下樣品的摩爾磁化率，與查閱化學(xué)手冊所得值的數(shù)據(jù)最接近所采取的實驗條件，即為測量磁化率的優(yōu)化條件。查蘭氏化學(xué)手冊得：樣品摩爾磁化率(cm人3/mol人(-1))摩爾氏鹽1.29*10人(-2)鐵氤化鉀2.88*10人(-3)1、結(jié)果表達(1)相同樣品高度，不同外加磁場強度樣品高度約等于7cm摩(mT)197.3(2A)200.3(2.5A)260.1(2.7A)280.5(3A)爾摩爾磁化率M/mOD)1.56*10人(-2)1.86*10人(-2)1.31*10人(-2)1.31*10人(-2)氏與資料值的相對誤差(20.9344.191.551.55鐵氤化鉀(mT) 191.2(2A) 240.2(2.5A) 260.5(2.7A) 279.0(3A)鐵氤化鉀摩爾磁化癩人3/mW1)) 1.90*10人(-3) 2.06*10人(-3) 2.10*10人(-3) 2.11*10人(-3)與資料值的相對誤差(34.03 28.47 27.08 27