物化实验_实验报告_磁化率

学生姓名： 周雁飞 学号 ： 20072401057 专 业 ： 化学教育专业 年级、班级 ： 2007级2班 课程名称：结构实验 实验项目：磁化率的测定 实验类型：□验证□设计□综合 实验时间：2009年11月20日 一、实验题目：磁化率的测定 二、实验目的

1. 掌握古埃 (Gouy)磁天平测定磁化率的原理和方法。

2. 通过对一些配位化合物磁化率的测定，计算中心离子的不成对电子数，并判断d电子的排布情况和配位体场的强弱。

三、 实验原理

1、摩尔磁化率和分子磁矩 :

物质在外磁场作用下，由于电子等带电体的运动，会被磁化而感应出一个附加磁场。物质被磁化的程度用磁化率χ表示，它与附加磁场强度和外磁场强度的比值有关：

Hˊ=4πχH0 (1)

χ为无因次量，称为物质的体积磁化率，简称磁化率，表示单位体积内磁场强度的变化，反映了物质被磁化的难易程度。化学上常用摩尔磁化率 χm表示磁化程度，它与χ的关系为

χm = χM/ρ (2) 式中M、ρ 分别为物质的摩尔质量与密度。χm的单位为m mol。

物质在外磁场作用下的磁化现象有三种：

第一种，物质的原子、离子或分子中没有自旋未成对的电子，即它的分子磁矩µ m = 0。当它受到外磁场作用时，内部会产生感应的“分子电流”，相应产生一种与外磁场方向相反的感应磁矩。如同线圈在磁场中产生感生电流，这一电流的附加磁场方向与外磁场相反。这种物质称为反磁性物质，如Hg、Cu、Bi等。它的称为反磁磁化率，用表示，且<0。

第二种，物质的原子、离子或分子中存在自旋未成对的电子，它的电子角动量总和不等于零，分子磁矩µ m ≠ 0。这些杂乱取向的分子磁矩在受到外磁场作用时，其方向总是趋向于与外磁场同方向，这种物质称为顺磁性物质，如Mn、Cr、Pt等，表现出的顺磁磁化率用表示。

但它在外磁场作用下也会产生反向的感应磁矩，因此它的 χm 是顺磁磁化率与反磁磁化率之和。因|χ顺|>>|χ反|，所以对于顺磁性物质，可以认为χm =χ顺，其值大于零，即χm>0。

第三种，物质被磁化的强度随着外磁场强度的增加而剧烈增强，而且在外磁场消失后其磁性并不消失。这种物质称为铁磁性物质。 .简单络合物的磁性与未成对电子

2、对于顺磁性物质而言，摩尔顺磁磁化率与分子磁矩µ m关系可由居里－郎之万公式表示： χm =χ

顺

3 −1

= (NAμ0μm)/3kT (3)

式中NA为阿伏加德罗常数（6.022×10mol），k为玻尔兹曼常数(1.380 6×10

−7

−2

23 −1−23

J·K)，µ 0为

−1

真空磁导率（4 π×10N·A），T为热力学温度。式(2-136)可作为由实验测定磁化率来研究物质内部结构的依据。 分子磁矩µ m 由分子内未配对电子数n 决定，其关系如下：

mBn(n2) (4)

−24

式中µ B为玻尔磁子，是磁矩的自然单位。µ B = 9.274 ×10特斯拉）。

6

0

0

JT（T为磁感应强度的单位，即

2+

−1

求得n值后可以进一步判断有关络合物分子的配键类型。例如，Fe

2+

离子在自由离子状态下的外层

2+

电子结构为3d4s4p。如以它作为中心离子与6个H2O配位体形成[Fe (H2O)6] 络合物。其中Fe

−

络离子，是电价

2+

离子仍然保持原自由离子状态下的电子层结构，此时n = 4。 如果Fe

4−

离子与

6个CN 离子配位体形成[Fe (CN)6] 结构发生变化，n = 0。

2

络离子，则是共价络合物。这时其中Fe

−

2+

离子的外电子层

显然，其中6个空轨道形成dsp的6个杂化轨道，它们能接受6个CN离子中的6对孤对电子，形成共价配键。

3、古埃法测定磁化率

古埃磁天平法是测定物质磁化率的实验方法之一，实验装置见仪器说明中图1。在圆柱形的玻璃样品管中放入测定样品，把样品管悬挂在天平的挂勾上，使样品管的底部处于外磁场强度最强处，即电磁铁两极的中心位置。样品管中的样品要紧密、均匀，且量要足够多，样品管的上端要处于外磁场强度小到可以忽略的位置，甚至为零的区域。这样，样品就处于一不均匀的磁场中，设样品的截面积为A，样品管的长度方向为 ds的体积, Ads在非均匀磁场中所受到的作用力df为

3

dfHAdsdH dsdH式中H为磁场中心位置的强度， dS为磁场强度梯度，对于顺磁性物质的作用力指向磁场强

度最大的方向，反磁性物质则指向磁场强度最弱的方向，当不考虑样品周围介质（如空气，其磁化率很小）和H0的影响时，整个样品所受的力为

dH1dsAH2 （13） Hds2若空样品管在无外磁场作用和有外磁场作用两种情况下的重量差为W0，同一样品管装有样品后在无外磁场和有外磁场作用时的重量差为W，则

f(WW0)g （14）

式中g为重力加速度，由（13）和（14）式得：

1H2A(WW0)g （15） 2已知H、A，测得W和W0，由（15）式可求算出。实验中可以通过高斯计直接测量H，亦可采用标准样品标定。后一种方法是在样品管中装入标准样，做同样的实验测定有：

1标H2A(W标－W0)g （16） 2 fH0(0)AH有，k=

2F AH2所以Xm=

图1 实验仪器装置图

一般以莫尔氏盐［(NH4)2Fe(SO4)26H2O］为标准样，它的摩尔磁化率与温度的关系为

式中T为热力学温度，M莫为莫尔氏盐的摩尔质量kg/mol。由实验测得样品的摩尔磁化率KM后，求算分子磁矩，再根据式（4）估算未成对电子数n。

四、注意事项

1. 所测样品应事先研细，放在装有浓硫酸的干燥器中干燥。

2、空样品管需干燥洁净。装样时应使样品均匀填实。

3、称量时，样品管应正好处于两磁极之间，其底部与磁极中心线齐平。悬挂样品管的悬线勿与任何物件接触。

4.样品倒回试剂瓶时，注意瓶上所贴标志，切记倒错瓶子

五、试剂与仪器

试剂：莫尔氏盐 (NH4)2SO4 •FeSO4• 6H2O，亚铁K4[Fe (CN)6] •3H2O，硫酸亚铁FeSO4•7H2O。

仪器：古埃磁天平（包括磁极、励磁电源、电子天平等），CT5型高斯计，玻璃样品管，装样品工具（包括研钵、角匙、小漏斗等）。

六、 实验步骤

标定磁场强度方法如下。

1、取一只清洁干燥的样品管悬挂在磁天平的挂钩上，测量得m空。 2、调节电流开关，至1A，测得m空。 3、继续调大电流，至3A，测得m空。

4、继续调大电流，至4A，停留一定时间后， 调小电流回到3A.测得m空。 5、继续调小电流到1A，测得m空 6、关闭电流测得m空 。

表1 数据记录表（空管）

电流/A 空管质量/g （电流升高） （电流降低） 0 1 3 平均值 m/g 7、装入已经研细的莫氏盐，装样尽量填实，用直尺测量装样的高度，将样品放入磁天平，按照空管的方法测量样品管的重量。

表2 样品：莫氏盐，装样高度：

电流/A 空管质量/g （电流升高） （电流降低） 0 1 3 平均值 m/g 8、倒出莫氏盐，洗净样品管，吹干。装入研细的硫酸亚铁，装样高度尽量和莫氏盐相同，用同样的方法测量硫酸亚铁的数据。

表3 样品：硫酸亚铁，装样高度：

电流/A 空管质量/g （电流升高） （电流降低） 平均值 m/g 0 1 3 9、倒出硫酸亚铁，洗净样品管，吹干。装入研细的亚铁，装样高度尽量和莫氏盐相同，用同样的方法测量亚铁的数据。

表4 样品：亚铁，装样高度：

电流/A 空管质量/g （电流升高） （电流降低） 0 1 3 平均值 m/g 七 数据处理

1. 计算校准样品的磁化率

2.根据式 计算待测样品的磁化率，取平均值。

3、由摩尔磁化率计算样品的未成对电子数

八 思考题

1. 简述实验操作应注意的问题。

答：a、所测样品应事先研细，放在装有浓硫酸的干燥器中干燥。

b、空样品管需干燥洁净。装样时应使样品均匀填实。

c、称量时，样品管应正好处于两磁极之间，其底部与磁极中心线齐平。悬挂样品管的悬线勿与任何物件接触。

d、样品倒回试剂瓶时，注意瓶上所贴标志，切记倒错瓶子

2. 用古埃磁天平测定磁化率的精密度与哪些因素有关？

答1．材料性质的影响： 古埃磁天平只能测量弱磁性物质。对于强磁性物质，将样品管悬于磁极的中心位置时，样品管立即被吸附在磁极上，无法进行测量。

2．磁场强度的影响： 对于弱磁性物质，如果磁场强度过大，将样品管悬于磁极的中心位置时，样品管也有被磁极吸附而倾斜的现象，给测量带来困难，或者天平显得极不灵敏而无法进行测量。因此在实验前应适当调整电流的大小，寻找合适的磁场强度。

3．实验操作的影响：由于弱磁性物质在加磁场前后质量差异较小，因此测量时应细心操作，正确读数，否则将产生巨大的实验误差。

八、讨论与总结

1. 用测定磁矩的方法可判别化合物是共价络合物还是电价络合物。共价络合物则以离子的空价电子轨道接受配位体的孤对电子，以形成共价配价键，为了尽可能多成键，往往会发生电子重排，以腾出更多的空的价电子轨道来容纳配位体的电子对。

2. 有机化合物绝大多数分子都是由反平行自旋电子对而形成的价键，因此，这些分子的总自旋磁矩也等于零，它们必然是反磁性的。巴斯卡（Pascol）分析了大量有机化合物的摩尔磁化率的数据，总结得到分子的摩尔反磁化率具有加和性。此结论可用于研究有机物分子结构。

图 Fe2+外层电子配布结构图

3.从磁性测量中还能得到一系列其它资料。例如测定物质磁化率对温度和磁场强度的依赖性可以判断是顺磁性，反磁性或铁磁性的定性结果。对合金磁化率测定可以得到合金组成，也可研究生物体系中血液的成分等等。

4.磁化率的单位从CGS磁单位制改用国际单位SI制，必须注意换算关系。质量磁化率 ，

摩尔磁化率的换算关系分别为

/ ㎏(SI单位) =[1/（4π）] ×103 ㎝3 /g（CGS 电磁制） 3

1m

1m

3 / mol(SI单位) = [1/（4π）]×106 ㎝3 / mol（CGS电磁制）

九 参考文献

【1】何广平，男俊民 等. 物理化学实验 。北京：化学工业出版社，2007。12

【2】韩喜江，张云天。物理化学实验。哈尔滨：哈尔滨工业出版社，2004，4

【3】傅献彩，沈云霞，姚天杨。物理化学，第四版。北京：高等教育出版社，1990