物化實驗-實驗報告-磁化率

華南師范大學實驗報告課程名稱：結構實驗實驗項目：磁化率的測定一、實驗題目：磁化率的測定二、實驗目的1.掌握古埃(Gouy)磁天平測定磁化率的原理和方法。2.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。三、實驗原理1、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，會被磁化而感應出一個附加磁場。物質(zhì)被磁化的程度用磁化率χ表示，它與附加磁場強度和外磁場強度的比值有關：Hˊ=4πχH0(1)χ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?；瘜W上常用摩爾磁化率χm表示磁化程度，它與χ的關系為χm=χM/ρ(2)式中M、ρ分別為物質(zhì)的摩爾質(zhì)量與密度。χm的單位為m3mol?1。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μm=0。當它受到外磁場作用時，內(nèi)部會產(chǎn)生感應的“分子電流”，相應產(chǎn)生一種與外磁場方向相反的感應磁矩。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。它的稱為反磁磁化率，用表示，且<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μm≠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)出的順磁磁化率用表示。但它在外磁場作用下也會產(chǎn)生反向的感應磁矩，因此它的χm是順磁磁化率與反磁磁化率之和。因|χ順|>>|χ反|，所以對于順磁性物質(zhì)，可以認為χm=χ順，其值大于零，即χm>0。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)。.簡單絡合物的磁性與未成對電子2、對于順磁性物質(zhì)而言，摩爾順磁磁化率與分子磁矩μm關系可由居里－郎之萬公式表示：χm=χ順=(NAμ0μm)/3kT(3)式中NA為阿伏加德羅常數(shù)（6.022×1023mol?1），k為玻爾茲曼常數(shù)(1.3806×10?23J·K?1)，μ0為真空磁導率（4π×10?7N·A?2），T為熱力學溫度。式(2-136)可作為由實驗測定磁化率來研究物質(zhì)內(nèi)部結構的依據(jù)。分子磁矩μm由分子內(nèi)未配對電子數(shù)n決定，其關系如下：(4)式中μB為玻爾磁子，是磁矩的自然單位。μB=9.274×10?24JT?1（T為磁感應強度的單位，即特斯拉）。求得n值后可以進一步判斷有關絡合物分子的配鍵類型。例如，F(xiàn)e2+離子在自由離子狀態(tài)下的外層電子結構為3d64s04p0。如以它作為中心離子與6個H2O配位體形成[Fe(H2O)6]2+絡離子，是電價絡合物。其中Fe2+離子仍然保持原自由離子狀態(tài)下的電子層結構，此時n=4。如果Fe2+離子與6個CN?離子配位體形成[Fe(CN)6]4?絡離子，則是共價絡合物。這時其中Fe2+離子的外電子層結構發(fā)生變化，n=0。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?離子中的6對孤對電子，形成共價配鍵。3、古埃法測定磁化率古埃磁天平法是測定物質(zhì)磁化率的實驗方法之一，實驗裝置見儀器說明中圖1。在圓柱形的玻璃樣品管中放入測定樣品，把樣品管懸掛在天平的掛勾上，使樣品管的底部處于外磁場強度最強處，即電磁鐵兩極的中心位置。樣品管中的樣品要緊密、均勻，且量要足夠多，樣品管的上端要處于外磁場強度小到可以忽略的位置，甚至為零的區(qū)域。這樣，樣品就處于一不均勻的磁場中，設樣品的截面積為A，樣品管的長度方向為的體積,在非均勻磁場中所受到的作用力為式中為磁場中心位置的強度，為磁場強度梯度，對于順磁性物質(zhì)的作用力指向磁場強度最大的方向，反磁性物質(zhì)則指向磁場強度最弱的方向，當不考慮樣品周圍介質(zhì)（如空氣，其磁化率很?。┖虷0的影響時，整個樣品所受的力為（13）若空樣品管在無外磁場作用和有外磁場作用兩種情況下的重量差為，同一樣品管裝有樣品后在無外磁場和有外磁場作用時的重量差為，則（14）式中為重力加速度，由（13）和（14）式得：（15）已知、，測得和，由（15）式可求算出。實驗中可以通過高斯計直接測量，亦可采用標準樣品標定。后一種方法是在樣品管中裝入標準樣，做同樣的實驗測定有：（16）有，k=所以Xm=圖1實驗儀器裝置圖一般以莫爾氏鹽［］為標準樣，它的摩爾磁化率與溫度的關系為式中為熱力學溫度，M莫為莫爾氏鹽的摩爾質(zhì)量kg/mol。由實驗測得樣品的摩爾磁化率后，求算分子磁矩，再根據(jù)式（4）估算未成對電子數(shù)。四、注意事項1. 所測樣品應事先研細，放在裝有濃硫酸的干燥器中干燥?？諛悠饭苄韪稍餄崈?。裝樣時應使樣品均勻填實。稱量時，樣品管應正好處于兩磁極之間，其底部與磁極中心線齊平。懸掛樣品管的懸線勿與任何物件接觸。4.樣品倒回試劑瓶時，注意瓶上所貼標志，切記倒錯瓶子五、試劑與儀器試劑：莫爾氏鹽(NH4)2SO4?FeSO4?6H2O，亞鐵氰化鉀K4[Fe(CN)6]?3H2O，硫酸亞鐵FeSO4?7H2O。儀器：古埃磁天平（包括磁極、勵磁電源、電子天平等），CT5型高斯計，玻璃樣品管，裝樣品工具（包括研缽、角匙、小漏斗等）。六、實驗步驟標定磁場強度方法如下。1、取一只清潔干燥的樣品管懸掛在磁天平的掛鉤上，測量得m空。2、調(diào)節(jié)電流開關，至1A，測得m空。3、繼續(xù)調(diào)大電流，至3A，測得m空。4、繼續(xù)調(diào)大電流，至4A，停留一定時間后，調(diào)小電流回到3A.測得m空。5、繼續(xù)調(diào)小電流到1A，測得m空6、關閉電流測得m空。表1數(shù)據(jù)記錄表（空管）電流/A空管質(zhì)量/gm/g（電流升高）（電流降低）平均值0137、裝入已經(jīng)研細的莫氏鹽，裝樣盡量填實，用直尺測量裝樣的高度，將樣品放入磁天平，按照空管的方法測量樣品管的重量。表2樣品：莫氏鹽，裝樣高度：電流/A空管質(zhì)量/gm/g（電流升高）（電流降低）平均值0138、倒出莫氏鹽，洗凈樣品管，吹干。裝入研細的硫酸亞鐵，裝樣高度盡量和莫氏鹽相同，用同樣的方法測量硫酸亞鐵的數(shù)據(jù)。表3樣品：硫酸亞鐵，裝樣高度：電流/A空管質(zhì)量/gm/g（電流升高）（電流降低）平均值0139、倒出硫酸亞鐵，洗凈樣品管，吹干。裝入研細的亞鐵氰化鉀，裝樣高度盡量和莫氏鹽相同，用同樣的方法測量亞鐵氰化鉀的數(shù)據(jù)。表4樣品：亞鐵氰化鉀，裝樣高度：電流/A空管質(zhì)量/gm/g（電流升高）（電流降低）平均值013七數(shù)據(jù)處理1.計算校準樣品的磁化率2.根據(jù)式計算待測樣品的磁化率，取平均值。3、由摩爾磁化率計算樣品的未成對電子數(shù)八思考題1.簡述實驗操作應注意的問題。答：a、所測樣品應事先研細，放在裝有濃硫酸的干燥器中干燥。b、空樣品管需干燥潔凈。裝樣時應使樣品均勻填實。c、稱量時，樣品管應正好處于兩磁極之間，其底部與磁極中心線齊平。懸掛樣品管的懸線勿與任何物件接觸。d、樣品倒回試劑瓶時，注意瓶上所貼標志，切記倒錯瓶子2. 用古埃磁天平測定磁化率的精密度與哪些因素有關？答1．材料性質(zhì)的影響：古埃磁天平只能測量弱磁性物質(zhì)。對于強磁性物質(zhì)，將樣品管懸于磁極的中心位置時，樣品管立即被吸附在磁極上，無法進行測量。

2．磁場強度的影響：對于弱磁性物質(zhì)，如果磁場強度過大，將樣品管懸于磁極的中心位置時，樣品管也有被磁極吸附而傾斜的現(xiàn)象，給測量帶來困難，或者天平顯得極不靈敏而無法進行測量。因此在實驗前應適當調(diào)整電流的大小，尋找合適的磁場強度。

3．實驗操作的影響：由于弱磁性物質(zhì)在加磁場前后質(zhì)量差異較小，因此測量時應細心操作，正確讀數(shù)，否則將產(chǎn)生巨大的實驗誤差。八、討論與總結1. 用測定磁矩的方法可判別化合物是共價絡合物還是電價絡合物。共價絡合物則以中央離子的空價電子軌道接受配位體的孤對電子，以形成共價配價鍵，為了盡可能多成鍵，往往會發(fā)生電子重排，以騰出更多的空的價電子軌道來容納配位體的電子對。2.有機化合物絕大多數(shù)分子都是由反平行自旋電子對而形成的價鍵，因此，這些分子的總自旋磁矩也等于零，它們必然是反磁性的。巴斯卡（Pascol）分析了大量有機化合物的摩爾磁化率的數(shù)據(jù)，總結得到分子的摩爾反磁化率具有加和性。此結論可用于研究有機物分子結構。圖Fe2+外層電子配布結構圖3.從磁性測量中還能得到一系列其它資料。例如測定物質(zhì)磁化率對溫度和磁場強度的依賴性可以判斷是順磁性，反磁性或鐵磁性的定性結果。對合金磁化率測定可以得到合金組成，也可研究生物體系中血液的成分等等。4.磁化率的單位從CGS磁單位制改用國際單位SI制