磁化率的測定實驗報告1. 實驗目的1.1 掌握古埃(Gouy)法測定磁化率的原理和方法。1.2 測定三種絡合物的磁化率，求算未成對電子數，判斷其配鍵類型。2. 實驗原理2.1 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10 4，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 =4I。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或摩爾磁化率表示物質的磁性質，它的定義是 (3) (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，所以和的單位分別是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。2.2 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。但是內部電子的軌道運動，在外磁場作用下產生的拉摩進動，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。其就等于反磁化率，且 0。在順磁性物質中，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， 產生順磁性。 順磁性物質的摩爾磁化率是摩爾順磁化率與摩爾反磁化率之和，即 (5)通常比大約13個數量級，所以這類物質總表現出順磁性，其。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; K為Boltzmann常數(1.3810 -16ergK -1 ); T為熱力學溫度;為分子永久磁矩(ergG -1 )。由此可得 (7)由于不隨溫度變化(或變化極小)，所以只要測定不同溫度下的對1/T作圖，截矩即為，由斜率可求。由于比小得多，所以在不很精確的測量中可忽略作近似處理(cm-3mol-1) (8)順磁性物質的與未成對電子數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生的磁矩.= 9.27310-21ergG-1 = 9.37310-28ergG-1 = 9.27310-24JT-12.3 磁化率與分子結構(6)式將物質的宏觀性質與微觀性質聯系起來。由實驗測定物質的，根據(8)式可求得，進而計算未配對電子數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n=4， =4.9。Co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， =0。Co 3+將 6 個電子集中在3個3d軌道上，6 個CN -的孤對電子進入Co 3+的六個空軌道，形成共價絡合物。2.4 古埃法測定磁化率1. 磁鐵2. 樣品管3. 電光天平圖 古埃磁天平示意圖古埃磁天平如圖所示。天平左臂懸掛一樣品管，管底部處于磁場強度最大的區域(Hmax)，管頂端則位于場強最弱(甚至為零)的區域(H0)。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表示為 （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 (cm3mol-1) (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 (cm3g-1) (15)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); FeSO47H2O(分析純); K3Fe(CN)6(分析純);K4Fe(CN)63H2O(分析純)。4. 實驗步驟4.1 磁極中心磁場強度的測定 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心處，調節霍爾探頭位置Hmax 位置并標記，。調節“調壓旋鈕”逐漸增大電流，至特斯拉計表頭示值為350mT，記錄此時勵磁電流值 I。，以后每次測量都要控制在同一勵磁電流， 使磁場強度相同， 在關閉電源前應先將勵磁電流降至零。 4.1.2 用莫爾氏鹽標定測量空管質量，調節電流旋、旋鈕式磁場強度依次為0mT, 300mT, 350mT, 記下此時空管的質量，調節磁場強度為400mT，停留等示數穩定30s， 逐步降低電流使磁場強度依次為350mT, 300mT, 0mT, 再次記下空管質量。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，直至裝滿，繼續碰擊至樣品高度不變為止，用直尺測量樣品高度h。用與中相同步驟稱取W 空管+樣品(H=0)和W空管+樣品 (H=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同法分別測定FeSO47H2O，K3Fe(CN)6和K4Fe(CN)63H2O的W空管(H=0)、W空管(H=Hmax)、W空管+樣品(H=0)和W空管+樣品(H=Hmax)。5. 實驗數據記錄與處理5.1 實驗數據 室溫 t=29.0磁場強度/T0.000.300.350.400.350.300.00空管質量/g13.573813.575613.573630s13.575813.576113.5763莫爾氏鹽質量/g20.373920.377920.379820.379120.378820.3750樣品1質量/g21.138021.146321.149321.140021.138921.1337樣品2質量/g20.189020.182120.181820.180620.179120.1811根據實驗結果樣品一為FeSO47H2O，樣品二為K4Fe(CN)63H2O。由上表數據得出在不同磁場變化下樣品及空管的質量變化，如下表所示：磁化強度/mT空管m/g莫爾氏鹽m/gFeSO47H2Om/gK4Fe(CN)63H2O m/g0-0.0025-0.00110.00430.0079300-0.0005-0.00090.00740.0030350-0.00220.00070.00930.00125.2 計算各樣品的摩爾磁化率、永久磁矩和未配對電子數n。實驗中通常由莫爾氏鹽標定磁場強度所以由公式（14）得 (a)， (b)。計算，則得到。根據公式得摩爾鹽的單位質量磁化率，T=302.15K, M莫爾氏鹽=392.14g/mol, 得3.133810-5 cm3g-1，莫爾氏鹽的摩爾磁化率為=329.143.133810-5=1.031410-2cm3/mol。 且，查閱文獻得MFeSO47H2O=278.01g/mol，MK4Fe(CN)63H2O=383.24g/mol，B=9.27310-21ergG-1。 當H=300mT時，m標=6.8020g，m樣1=7.5668g，m樣2=6.6048g。，n1=5.13因為 0，故m不存在，n2=0。 當H=350mT時，m標=6.8048g，m樣1=7.5700g，m樣2=6.6065g。，n2=4.76因為 0，故m不存在，n2=0。查閱文獻得出樣品二六氰合鐵酸（）鉀的孤電子個數為0，樣品一七水合硫酸亞鐵的孤電子個數為4，從測得兩次數據分別為5.13和4.76，明顯數據偏大。5.3根據m和n討論絡合物中心離子最外層電子結構和配鍵類型。樣品一FeSO47H2O的結構式為 Fe(II)(H2O)6 SO4H2O，即中心原子Fe2+由周圍的6個水分子配位，形成的是正八面體空間結構。其化合價為+2，樣品二K4Fe(CN)63H2O的結構式為K4 Fe(II)(CN)63H2O，即中心原子Fe2+由周圍的6個氰根離子配位，形成的也是正八面體空間結構。化合價為 -4。5.4 實驗結果分析實驗中，測得樣品一得實驗結果明顯偏大主要原因有機器所采用的交流電電壓不是恒定，致使在測量的過程中，磁場強度發生變化，導致獨處的數據不穩定；裝樣時，樣品不夠緊密、均勻；尋找磁場最大值Hmax和H0時，由于試管不是固定住，操作不方便，導致在標記時位置不夠準確；測量的過程中操作不夠細致，不能保證勵磁電流每次試驗時都相同，只能保證在一個較小的范圍內，使測量結果產生誤差。同學的走動，以及裝樣后試管在懸掛時不能立即穩定，接觸器材壁等，影響電子天平的讀數不穩定，產生數據方面的誤差。樣品研磨顆粒度不夠細，放置空氣時間過久使分子脫水或吸水都對實驗結果產生影響。6. 思考題6.1本實驗測定時用了那些近似處理？實驗中忽略了分子在外磁場的作用下產生的反磁性，由于順磁性遠大于反磁性，在不精確的實驗中忽略了反磁性的作用，使近似等于物質表現出的順磁性。還有忽略順磁性物質逆磁磁化率的影響，忽略樣品柱