實(shí)驗(yàn)一磁化率的測(cè)定.doc

磁化率的測(cè)定實(shí)驗(yàn)報(bào)告1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.1 掌握古埃(Gouy)法測(cè)定磁化率的原理和方法。1.2 測(cè)定三種絡(luò)合物的磁化率，求算未成對(duì)電子數(shù)，判斷其配鍵類型。2. 實(shí)驗(yàn)原理2.1 磁化率物質(zhì)在外磁場(chǎng)中，會(huì)被磁化并感生一附加磁場(chǎng)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度 H 與外磁場(chǎng)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)H 與H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、鈷、鎳及其合金，H 比H大得多（H / H）高達(dá)10 4，而且附加磁場(chǎng)在外磁場(chǎng)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，H =4I。對(duì)于非鐵磁性物質(zhì)，I與外磁場(chǎng)強(qiáng)度H成正比I = KH (2)式中，K為物質(zhì)的單位體積磁化率(簡(jiǎn)稱磁化率)，是物質(zhì)的一種宏觀磁性質(zhì)。在化學(xué)中常用單位質(zhì)量磁化率或摩爾磁化率表示物質(zhì)的磁性質(zhì)，它的定義是 (3) (4)式中，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，所以和的單位分別是cm3g-1和cm3mol-1 。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)，1T=104G。2.2 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(duì)，故無永久磁矩。但是內(nèi)部電子的軌道運(yùn)動(dòng)，在外磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的拉摩進(jìn)動(dòng)，會(huì)感生出一個(gè)與外磁場(chǎng)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，且 0。在順磁性物質(zhì)中，存在自旋未配對(duì)電子，所以具有永久磁矩。在外磁場(chǎng)中，永久磁矩順著外磁場(chǎng)方向排列， 產(chǎn)生順磁性。 順磁性物質(zhì)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(gè)數(shù)量級(jí)，所以這類物質(zhì)總表現(xiàn)出順磁性，其。順磁化率與分子永久磁矩的關(guān)系服從居里定律 (6)式中，NA為Avogadro常數(shù); K為Boltzmann常數(shù)(1.3810 -16ergK -1 ); T為熱力學(xué)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(cè)定不同溫度下的對(duì)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(cè)量中可忽略作近似處理(cm-3mol-1) (8)順磁性物質(zhì)的與未成對(duì)電子數(shù)n的關(guān)系為 (9)式中，是玻爾磁子，其物理意義是:單個(gè)自由電子自旋所產(chǎn)生的磁矩.= 9.27310-21ergG-1 = 9.37310-28ergG-1 = 9.27310-24JT-12.3 磁化率與分子結(jié)構(gòu)(6)式將物質(zhì)的宏觀性質(zhì)與微觀性質(zhì)聯(lián)系起來。由實(shí)驗(yàn)測(cè)定物質(zhì)的，根據(jù)(8)式可求得，進(jìn)而計(jì)算未配對(duì)電子數(shù)n。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(jià)絡(luò)合物和共價(jià)絡(luò)合物。 電價(jià)絡(luò)合物中心離子的電子結(jié)構(gòu)不受配位體的影響，基本上保持自由離子的電子結(jié)構(gòu)，靠靜電庫侖力與配位體結(jié)合，形成電價(jià)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(jià)絡(luò)合物則以中心離子空的價(jià)電子軌道接受配位體的孤對(duì)電子，形成共價(jià)配鍵，這類絡(luò)合物形成時(shí)，往往發(fā)生電子重排，自旋平行的電子相對(duì)減少，所以是低自旋配位化合物。例如Co3+其外層電子結(jié)構(gòu)3d6，在絡(luò)離子(CoF6)3-中，形成電價(jià)配鍵，電子排布為：此時(shí)，未配對(duì)電子數(shù)n=4， =4.9。Co以上面的結(jié)構(gòu)與6個(gè)F-以靜電力相吸引形成電價(jià)絡(luò)合物。而在Co(CN) 63-中則形成共價(jià)配鍵，其電子排布為：此時(shí)，n=0， =0。Co 3+將 6 個(gè)電子集中在3個(gè)3d軌道上，6 個(gè)CN -的孤對(duì)電子進(jìn)入Co 3+的六個(gè)空軌道，形成共價(jià)絡(luò)合物。2.4 古埃法測(cè)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(chǎng)強(qiáng)度最大的區(qū)域(Hmax)，管頂端則位于場(chǎng)強(qiáng)最弱(甚至為零)的區(qū)域(H0)。整個(gè)樣品管處于不均勻磁場(chǎng)中。設(shè)圓柱形樣品的截面積為A，沿樣品管長(zhǎng)度方向上dz長(zhǎng)度的體積Adz在非均勻磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度;dH/dz為場(chǎng)強(qiáng)梯度，積分上式得 (11)式中，K0為樣品周圍介質(zhì)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(shí)，整個(gè)樣品受到的力為 (12)在非均勻磁場(chǎng)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(cè)定時(shí)在天平右臂加減砝碼使之平衡。設(shè)W為施加磁場(chǎng)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(chǎng)前后的稱量差 ( g ); W空管為空樣品管在施加磁場(chǎng)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(zhì)量(gmol-1); W為樣品的質(zhì)量( g ); H為磁極中心磁場(chǎng)強(qiáng)度( G )。在精確的測(cè)量中， 通常用莫爾氏鹽來標(biāo)定磁場(chǎng)強(qiáng)度， 它的單位質(zhì)量磁化率與溫度的關(guān)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(lì)磁電源)1套;特斯拉計(jì)1臺(tái);軟質(zhì)玻璃樣品管4只;樣品管架1個(gè);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(shí)驗(yàn)步驟4.1 磁極中心磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)定 4.1.1 古埃磁天平的使用接通勵(lì)磁電源，連接好并校正好特斯拉計(jì)，將霍爾變送器探頭平面垂直放入磁極中心處，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”逐漸增大電流，至特斯拉計(jì)表頭示值為350mT，記錄此時(shí)勵(lì)磁電流值 I。，以后每次測(cè)量都要控制在同一勵(lì)磁電流， 使磁場(chǎng)強(qiáng)度相同， 在關(guān)閉電源前應(yīng)先將勵(lì)磁電流降至零。 4.1.2 用莫爾氏鹽標(biāo)定測(cè)量空管質(zhì)量，調(diào)節(jié)電流旋、旋鈕式磁場(chǎng)強(qiáng)度依次為0mT, 300mT, 350mT, 記下此時(shí)空管的質(zhì)量，調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度為400mT，停留等示數(shù)穩(wěn)定30s， 逐步降低電流使磁場(chǎng)強(qiáng)度依次為350mT, 300mT, 0mT, 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(cè)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(cè)量畢將莫爾氏鹽倒入試劑瓶中。4.2 測(cè)定未知樣品的摩爾磁化率同法分別測(cè)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(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(chǎng)強(qiáng)度/T0.000.300.350.400.350.300.00空管質(zhì)量/g13.573813.575613.573630s13.575813.576113.5763莫爾氏鹽質(zhì)量/g20.373920.377920.379820.379120.378820.3750樣品1質(zhì)量/g21.138021.146321.149321.140021.138921.1337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K4Fe(CN)63H2O。由上表數(shù)據(jù)得出在不同磁場(chǎng)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(jì)算各樣品的摩爾磁化率、永久磁矩和未配對(duì)電子數(shù)n。實(shí)驗(yàn)中通常由莫爾氏鹽標(biāo)定磁場(chǎng)強(qiáng)度所以由公式（14）得 (a)， (b)。計(jì)算，則得到。根據(jù)公式得摩爾鹽的單位質(zhì)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(xiàn)得MFeSO47H2O=278.01g/mol，MK4Fe(CN)63H2O=383.24g/mol，B=9.27310-21ergG-1。 當(dāng)H=300mT時(shí)，m標(biāo)=6.8020g，m樣1=7.5668g，m樣2=6.6048g。，n1=5.13因?yàn)?0，故m不存在，n2=0。 當(dāng)H=350mT時(shí)，m標(biāo)=6.8048g，m樣1=7.5700g，m樣2=6.6065g。，n2=4.76因?yàn)?0，故m不存在，n2=0。查閱文獻(xiàn)得出樣品二六氰合鐵酸（）鉀的孤電子個(gè)數(shù)為0，樣品一七水合硫酸亞鐵的孤電子個(gè)數(shù)為4，從測(cè)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)m和n討論絡(luò)合物中心離子最外層電子結(jié)構(gòu)和配鍵類型。樣品一FeSO47H2O的結(jié)構(gòu)式為 Fe(II)(H2O)6 SO4H2O，即中心原子Fe2+由周圍的6個(gè)水分子配位，形成的是正八面體空間結(jié)構(gòu)。其化合價(jià)為+2，樣品二K4Fe(CN)63H2O的結(jié)構(gòu)式為K4 Fe(II)(CN)63H2O，即中心原子Fe2+由周圍的6個(gè)氰根離子配位，形成的也是正八面體空間結(jié)構(gòu)?；蟽r(jià)為 -4。5.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析實(shí)驗(yàn)中，測(cè)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(cè)量的過程中，磁場(chǎng)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(shí)，樣品不夠緊密、均勻；尋找磁場(chǎng)最大值Hmax和H0時(shí)，由于試管不是固定住，操作不方便，導(dǎo)致在標(biāo)記時(shí)位置不夠準(zhǔn)確；測(cè)量的過程中操作不夠細(xì)致，不能保證勵(lì)磁電流每次試驗(yàn)時(shí)都相同，只能保證在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差。同學(xué)的走動(dòng)，以及裝樣后試管在懸掛時(shí)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(shí)間過久使分子脫水或吸水都對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。6. 思考題6.1本實(shí)驗(yàn)測(cè)定時(shí)用了那些近似處理？實(shí)驗(yàn)中忽略了分子在外磁場(chǎng)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