實(shí)驗(yàn)十磁化率的測(cè)定

1、配合物磁化率測(cè)定的實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握古埃法磁天平測(cè)定物質(zhì)磁化率的基本原理和實(shí)驗(yàn)方法。2、 用古埃磁天平測(cè)定 fesq 7h2o k4fe（ cn 6 - 3h0這兩種配合物的磁化率，推算其 不成對(duì)電子數(shù)，從而判斷其分子的配鍵類型。二、實(shí)驗(yàn)原理1、物質(zhì)的磁性在外磁場(chǎng)的作用下，物質(zhì)會(huì)被磁化產(chǎn)生附加磁感應(yīng)強(qiáng)度，則物質(zhì)內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為仁? 1 -（ 1）式中b0為外磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；丄;"為物質(zhì)磁化產(chǎn)生的附加磁感應(yīng)強(qiáng)度； h為外磁場(chǎng)強(qiáng) 度；卩0為真空磁導(dǎo)率，卩0= 4 n x 10-7n- a2。物質(zhì)的磁化可用磁化強(qiáng)度 m來描述，m也是 一個(gè)矢量，它與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比_'-

2、_r li （2）式中 稱為物質(zhì)的體積磁化率，是物質(zhì)的一種宏觀磁性質(zhì)。與m的關(guān)系為八'二-二i'7（3）將（3）式代入（1）式得'-：、.、'（4）式中 稱為物質(zhì)的（相對(duì)）磁導(dǎo)率?；瘜W(xué)上常用單位質(zhì)量磁化率或摩爾磁化率 二來表示物質(zhì)的磁性質(zhì)，它們的定義為式中 為物質(zhì)密度，"-為物質(zhì)的摩爾質(zhì)量。：的單位是 m3kg-1。的單位是3-1m mol 。2、三種磁化現(xiàn)象物質(zhì)的原子、分子或離子在外磁場(chǎng)作用下的磁化現(xiàn)象有三種情況。在外磁場(chǎng)作用下感應(yīng)出其磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)強(qiáng)有些物質(zhì)本身并不呈現(xiàn)磁性， 但由于它內(nèi)部的電子軌道運(yùn)動(dòng), 一個(gè)誘導(dǎo)磁矩來， 表現(xiàn)為一個(gè)附加磁場(chǎng)，

3、磁矩的方向與外磁場(chǎng)相反，度成正比，并隨著外磁場(chǎng)的消失而消失，這類物質(zhì)稱為逆磁性物質(zhì)，其q某些物質(zhì)的原子、分子或離子本身具有永久磁矩，由于熱運(yùn)動(dòng)，永久磁矩的指向各個(gè)方向的機(jī)會(huì)相同，所以該磁矩的統(tǒng)計(jì)值等于零。矩會(huì)順著外磁場(chǎng)方向排列， 其磁化方向與外磁場(chǎng)相同，但它在外磁場(chǎng)作用下，一方面永久磁 其磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比； 另方面，物質(zhì)內(nèi)部的電子軌道運(yùn)動(dòng)的磁化方向與外磁場(chǎng)相反，因此，這類物質(zhì)在外磁場(chǎng)表現(xiàn)的附加磁場(chǎng)是上述兩者作用的總結(jié)果。我們稱具有永久磁矩的物質(zhì)為順磁性物質(zhì)。顯然此類物質(zhì)的摩爾磁化率是摩爾順磁化率有永久磁矩的物質(zhì)的摩爾磁化率與摩爾磁矩間的關(guān)系為有永久磁矩的物質(zhì)的摩爾磁化率與摩爾磁矩間的

4、關(guān)系為削出-'壯(7)某些物質(zhì)被磁化的強(qiáng)度與外磁場(chǎng)強(qiáng)度之間不存在正比關(guān)系，而是隨著外磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而劇烈的增加，當(dāng)外磁場(chǎng)消失后，這種物質(zhì)的磁性并不消失，呈現(xiàn)出滯后的現(xiàn)象。這種物 質(zhì)稱為鐵磁性物質(zhì)。和分子永3、磁化率假定分子間無相互作用，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方法，可以導(dǎo)出摩爾順磁化率久摩爾磁矩的關(guān)系為3kt(8)式中na為阿佛加德羅常數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，t為絕對(duì)溫度。 物質(zhì)的摩爾順磁磁化率與溫度成反比的這一關(guān)系，稱為居里定律。分子的摩爾逆磁磁化率；匸=是由誘導(dǎo)磁矩產(chǎn)生的，它與溫度的依賴關(guān)系很小。因此具有永久磁矩的物質(zhì)的摩爾磁化率與摩爾磁矩間的關(guān)系為+沁g3kt物質(zhì)的永久摩爾磁矩 二和它所含有

5、未成對(duì)電子數(shù)n的關(guān)系為:j,i, '+' '；（ 10）式中,為玻爾磁子，其物理意義是單個(gè)自由電子自旋所產(chǎn)生的磁矩。妒孟=必血j卅(9)式將物質(zhì)的宏觀物理性質(zhì)和其微觀性質(zhì)丄！聯(lián)系起來，因此只要實(shí)驗(yàn)測(cè)得代入(9)式就可求出永久摩爾磁矩-'l ,再用(10)式即可求得含有的未成對(duì)電子數(shù)n。磁矩測(cè)量對(duì)于研究某些原子或離子的電子結(jié)構(gòu)，判斷配合物分子的配鍵類型是很有意 義的。通常認(rèn)為配合物可分為電價(jià)配合物和共價(jià)配合物兩種。電價(jià)配合物是指中心離子與配位體之間是依靠靜電引力結(jié)合起來的，這種化學(xué)鍵叫電價(jià)配鍵。 這時(shí)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)

6、。 共價(jià)配合物則是以中心離子的空的價(jià)電 子軌道接受配位體的孤對(duì)電子以形成共價(jià)配鍵，這時(shí)中心離子往往發(fā)生電子重排，以騰出更多空的內(nèi)層價(jià)d軌道來容納配位體的電子對(duì)。例如，fe2+在自由離子狀態(tài)下的3d軌道電子結(jié)構(gòu)是：當(dāng)它與6個(gè)h0配位體形成配離子時(shí)，中心離子fe2+仍然保持著上述自由離子狀態(tài)下的 電子結(jié)構(gòu)，故此配合物是電價(jià)配合物。而黃血鹽k4fe(cn) 6，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得 卩=0,貝u n= 0,中心離子fe2+的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生重排：®®®oo故k4fe(cn) 6是共價(jià)配合物4、磁化率的測(cè)定古埃法測(cè)定磁化率的原理如圖6- 1所示。將裝有樣品的圓柱形玻璃管如圖所示方式懸掛

7、在兩磁極中間， 使樣品的底部處于兩極中心，即磁場(chǎng)強(qiáng)度h最強(qiáng)的區(qū)域，樣品的頂部則處于最上部磁場(chǎng)強(qiáng)度 h0幾乎為零處。這樣，樣品管就處于不均勻的磁場(chǎng)中。設(shè)樣品管的截面 積為s,樣品管長度方向?yàn)?dz的體積sdz在非均勻磁場(chǎng)中所受到的作用力df(11)dh式中 為一個(gè)磁子的磁矩，一二 為磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度。對(duì)于順磁性物質(zhì)，作用力指向磁場(chǎng)強(qiáng)度大的方向，對(duì)于逆磁性物質(zhì)則指向磁場(chǎng)強(qiáng)度小的方向。樣品管中所有樣品受的力：丁仗-©血加譽(yù)血=& - ©）地丹當(dāng)樣品受到磁場(chǎng)作用力時(shí)，天平的另一臂上加減砝碼使之平衡。設(shè)m為施加磁場(chǎng)前后的質(zhì)量差，則式中為樣品高度，m為樣品質(zhì)量，g為重力加速度，m為

8、樣品的摩爾質(zhì)量。（14） 式中空氣的體積磁化率- - ：" ：'，因樣品管體積很小，故常予以忽略。該式右邊的各項(xiàng)都可實(shí)驗(yàn)測(cè)得，由此求出樣品的摩爾磁化率。h可由己知單位質(zhì)量磁化率的莫爾鹽來間接標(biāo)定（與溫度的關(guān)系為9500 ，心乙=x 4x10-m3- kg -1 ），也可直接測(cè)量。在求樣品的摩爾磁化率圖6 1古埃磁天平示意圖1 磁鐵；2 樣品管；3天平時(shí)，為簡化運(yùn)算，可做如下處理:(15)2lmgkmn(16)將（16）式除以（15）式，可得%叭(17)由（9）式“97心誹血(18)戸耳歷t （19）由（17），(18)，（19）式就可簡便的求出樣品的三、儀器與試劑1、儀器，軟

9、質(zhì)玻璃樣品管。古埃磁天平，裝樣品工具（包括研缽、角匙、小漏斗、玻璃棒）2、試劑莫爾氏鹽（nh） 2so feso 6ho（分析純），fesq 7ho （分析純），/fe （cn 6 3ho（分析純）四、實(shí)驗(yàn)步驟1、 按照古埃磁天平的操作規(guī)程開啟磁天平，并記錄實(shí)驗(yàn)溫度t2、調(diào)整霍爾探頭的位置，使之處于磁場(chǎng)中心最強(qiáng)處在某一勵(lì)磁電流下， 擰松霍爾探頭兩邊的有機(jī)玻璃螺絲，稍微轉(zhuǎn)動(dòng)探頭，使特斯拉計(jì)的讀數(shù)最大，此即為最佳位置。3、磁場(chǎng)兩極中心處磁場(chǎng)強(qiáng)度h的測(cè)定（1） 用特斯拉計(jì)測(cè)量當(dāng)勵(lì)磁電流于 1a, 3a,5a,3a,1a時(shí)相應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，將數(shù)據(jù)記錄。（2）用已知二j的莫爾氏鹽標(biāo)定勵(lì)磁電流下的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

10、將空樣品管洗凈吹干，掛在鉤上稱量，讀數(shù)w空管。輕旋電流開關(guān)使電流表指針到0a,再依次將電流表指針調(diào)為1a, 3a,5a,3a,1a，每次均稱量空樣品管w（ i ）。畢后，將勵(lì)磁電流降至零，每次稱量空樣品管，斷開電源，再稱一次空樣品管。計(jì)算電流在升、降過程中同 樣的電流值下空樣品管稱量的平均值，以及電流為1a, 3a,5a時(shí)空樣品管的質(zhì)量與 0a時(shí)空樣品管的質(zhì)量差。囤向樣品管內(nèi)裝入預(yù)先研細(xì)的莫爾氏鹽，量出樣品高度h，重復(fù)上述操作。記錄各勵(lì)磁電流下樣品管+樣品的總質(zhì)量，并由0a下的總質(zhì)量差值計(jì)算出樣品的質(zhì)量。將樣品管洗凈吹干，將莫爾氏鹽換成feso 7h2o與&fe （cn 6 3h2q重

11、復(fù)步驟o .五、數(shù)據(jù)記錄及處理（1）由特斯拉計(jì)測(cè)得勵(lì)磁電流i=1a , 3a,5a,3a,1a時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度室溫：16.7 cb（ i 升時(shí)）/mtb（ 1 降時(shí)）/mtb （平均）/mt-1h/a mi=1a75.377.676.4560837.0i=3a209.8213.0211.4168226.8i=5a342.8345.2344.0273746.5t=290k莫爾氏鹽的摩爾磁化率：丄=3.265e-5cm-3 .g-1=1.269e-8m3.mol-1（2）由莫爾氏鹽的摩爾磁化率和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定勵(lì)磁電流下的磁場(chǎng)強(qiáng)度值i/aw （i升 時(shí)）/gw （1降時(shí)）/gw （平 均）/gawo/gh

12、/cmw樣品/g空樣品 管08.66698.66638.6666018.66748.66668.66700.000438.66798.66678.66730.000758.66838.66728.66780.0012莫爾氏 鹽012.596112.596512.596304.63.9297112.603912.604812.60440.0081312.659612.661512.66060.0643512.768812.771412.77010.1738fesq 7h2o013.013113.012613.012904.44.3463113.024913.025013.02500.012131

13、3.111313.113213.11230.0994513.281213.285113.28320.2703ktfe(cn)6 3h2o013.163713.162713.163204.64.4972113.164113.163013.16360.0004313.163913.162913.16340.0002513.162413.162113.1623-0.0009由14,15式帶入數(shù)據(jù)可得:hi=17560.5 a/m甩=20249.4 a/m出=33570.8 a/m(3) 按式(14)計(jì)算 h1、h3 和 h5 時(shí) feso 7h0與fe (cn 6 3h2o的由公式可得:feso 7

14、h2o4fe (cn 6 3h2oh仁 17560.5 a/m時(shí),3=1.516e-7m / mol3=1.509e-9 m /molh2=20249.4 a/m時(shí)，二j =1.496e-7 m 3/mol3=0.813e-9 m /molh3=33570.8 a/m時(shí)，亠=1.513e-7 m 3/mol3=1.206e-9 m / mol(4) 由式(11)計(jì)算 feso 7h2o與 fe (cn-3h2o分子的永久磁矩 八：廿鮎+譬心黔由二-:一一.丄 公式，已知?jiǎng)t易得*feso 7ho 的為 4.543e-23a.m 2k(fe (cn6 3ho的,為1.315e-24a.m由 jl-

15、i(5) 由式(12)計(jì)算fesq 7h2o與kfe ( cn 6 3h2o的未成對(duì)電子數(shù) n可計(jì)算的feso 7ho的 n4k(fe (cn 6 3ho的 n0(6 )根據(jù)未成對(duì)電子數(shù)，討論鐵二離子的最外層電子結(jié)構(gòu)及由此構(gòu)成的配建類型feso 4 7h2o的結(jié)構(gòu)式為fe(ii)(h2o)6 so4 h2o，即中心原子 fe2+由周圍的 個(gè)水分子配位，形成的是正八面體空間結(jié)構(gòu)。k4fe(cn) 6 3h2o的結(jié)構(gòu)式為 k4 fe(ii)(cn) 6 3h2o，即中心原子 fe2+由周圍的6 氰根離子配位，形成的也是正八面體空間結(jié)構(gòu)。cncnfig 1.兩個(gè)正八面體結(jié)構(gòu)的配合物修正項(xiàng)如3kt&l

16、t;h3345k t_m。所以nah 只是在p的一階近似下表現(xiàn)為不六、注意事項(xiàng)1、測(cè)定空樣品管的重量的操作過程中，不要用手、腳、胳膊或身子碰擠或挪動(dòng)操作臺(tái) 和天平。2、 減弱或去掉磁場(chǎng)時(shí)，也是緩緩?fù)≌{(diào)，停頓，再緩緩?fù)≌{(diào)，在2a處足足停頓5分 鐘，再緩緩調(diào)至零。3、天平稱量時(shí)，必須關(guān)上磁極架外面的玻璃門，以免空氣流動(dòng)對(duì)稱量的影響。4、勵(lì)磁電流的變化應(yīng)平穩(wěn)、緩慢，調(diào)節(jié)電流時(shí)不宜用力過大。加上或去掉磁場(chǎng)時(shí)，勿改變永磁體在磁極架上的高低位置及磁極間矩，使樣品管處于兩磁極的中心位置，磁場(chǎng)強(qiáng)度前后一致。5、裝在樣品管內(nèi)的樣品要均勻緊密、上下一致、端面平整、高度測(cè)量準(zhǔn)確。七、思考題1、試比較用高斯計(jì)和莫

17、爾氏鹽標(biāo)定的相應(yīng)勵(lì)磁電流下的磁場(chǎng)強(qiáng)度值，并分析兩者測(cè)定 結(jié)果差異的原因。高斯計(jì)測(cè)得的磁場(chǎng)強(qiáng)度比摩爾氏鹽標(biāo)定的磁場(chǎng)小，因?yàn)槟柺消}測(cè)的是磁場(chǎng)中心的磁場(chǎng)強(qiáng)度，高斯計(jì)測(cè)的是磁鐵中心下面的磁場(chǎng)。2、不同勵(lì)磁電流下測(cè)得的樣品摩爾磁化率是否相同？如果測(cè)量結(jié)果不用應(yīng)如何解釋?不同。3kt這一關(guān)系式是經(jīng)典電磁理論的統(tǒng)計(jì)力學(xué)結(jié)果，它把磁矩取向視為可以 h u 二 連續(xù)變化的；但是基于量子力學(xué)理論， 磁矩取向是量子化的而不能連續(xù)改變，上述p對(duì)tth磁場(chǎng)強(qiáng)度h足夠大時(shí)，必須考慮t的高階的線性關(guān)系只是在 kt <<1條件下的一階近似。隨h改變的常數(shù)；當(dāng)高階修正項(xiàng)不能忽略時(shí)，摩爾磁化率x m表現(xiàn)為隨磁場(chǎng)強(qiáng)度

18、 h （因而也隨勵(lì)磁電流i）改變的量。八、結(jié)果與討論1、配位場(chǎng)的電子結(jié)構(gòu)的討論配合物分子的配位場(chǎng)電子軌道依次是(a1g)(t1u)(eg)(t2g)(e*g)(t*1u)(a*1g)fe(ll)(h2o)62+，其中心原子 fe2+提供6個(gè)3d電子，周圍6 個(gè)水分子配體共提供12個(gè)配位電子，6+12=18電子。又因?yàn)樗肿邮侨跖潴w，故fe(ii)(h2o)62+的配位場(chǎng)電子結(jié)構(gòu)為(a1g)2(t1u)6(eg)4(t2g)4(e*g)2。可見在(t2g)和(e*g)軌道上各有2個(gè)未成對(duì)電子，共有 n=4 ;另外按照雜化軌道理論稱之為sp3d2型配鍵。所以feso4 7h2o是弱場(chǎng)高自旋的電價(jià)配合物。fe(ll)(cn)64-,其中心原子 fe2+提供6個(gè)