磁化率的測定(實驗報告)

1、磁化率的測定1.實驗?zāi)康?1.1測定物質(zhì)的摩爾磁化率，推算分子磁矩，估計分子內(nèi)未成對電子數(shù)，判斷分子配鍵的類型。1.2掌握古埃(Gouy)磁天平測定磁化率的原理和方法。2.實驗原理 2.1摩爾磁化率和分子磁矩物質(zhì)在外磁場H0作用下，由于電子等帶電體的運動，會被磁化而感應(yīng)出一個附加磁場H'。物質(zhì)被磁化的程度用磁化率表示，它與附加磁場強度和外磁場強度的比值有關(guān)：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(xué)上常用摩爾磁化率m表示磁化程度，它與的關(guān)系為式中M、分別為物質(zhì)的摩爾質(zhì)量與密度。m的單位為m3·mol 1。物質(zhì)在

2、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(yīng)的“分子電流”，相應(yīng)產(chǎn)生一種與外磁場方向相反的感應(yīng)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m稱為反磁磁化率，用反表示，且反<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µm0。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，

3、Pt等，表現(xiàn)出的順磁磁化率用順表示。但它在外磁場作用下也會產(chǎn)生反向的感應(yīng)磁矩，因此它的m是順磁磁化率順。與反磁磁化率反之和。因|順|»|反|，所以對于順磁性物質(zhì)，可以認為m順，其值大于零，即m>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)。對于順磁性物質(zhì)而言，摩爾順磁磁化率與分子磁矩µm關(guān)系可由居里郎之萬公式表示：式中L為阿伏加德羅常數(shù)(6.022 ×1023mol1)，、k為玻爾茲曼常數(shù)(1.3806×10-23J·K1)，µ0為真空磁導(dǎo)率（4×

4、;107N·A2，T為熱力學(xué)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(jié)構(gòu)的依據(jù)。分子磁矩由分子內(nèi)未配對電子數(shù)n決定，其關(guān)系如下：式中µB為玻爾磁子，是磁矩的自然單位。µB=9.274 ×10-24J·T-1(T為磁感應(yīng)強度的單位，即特斯拉)。 求得n值后可以進一步判斷有關(guān)絡(luò)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(jié)構(gòu)為3d64s04p0。如以它作為中心離子與6個H20配位體形成Fe(H20)62+絡(luò)離子，是電價絡(luò)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(jié)構(gòu)，此時n=4。如下圖所示：如果Fe2

5、+離子與6個CN離子配位體形成Fe(CN)64絡(luò)離子，則是共價絡(luò)合物。這時其中Fe2+離子的外電子層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，n=0。見圖2-64所示：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。2.2摩爾磁化率的測定本實驗用古埃磁天平測定物質(zhì)的摩爾磁化率m，測定原理如圖2所示。一個截面積為A的樣品管，裝入高度為h、質(zhì)量為m的樣品后，放入非均勻磁場中。樣品管底部位于磁場強度最大之處，即磁極中心線上，此處磁場強度為H。樣品最高處磁場強度為零。前已述及，對于順磁性物質(zhì)，此時產(chǎn)生的附加磁場與原磁場同向，即物質(zhì)內(nèi)磁場強度增大，在磁場中受到吸引力。設(shè)0為空

6、氣的體積磁化率，可以證明，樣品管內(nèi)樣品受到的力為：考慮到m/hA，而0值很小，相應(yīng)的項可以忽略，可得在磁天平法中利用精度為0.1mg的電子天平間接測量F值。設(shè)m0為空樣品管在有磁場和無磁場時的稱量值的變化，m為裝樣品后在有磁場和無磁場時的稱量值的變化，則式中、g為重力加速度(9.81m·s2)。可得磁場強度H可由特斯拉計或CT5高斯計測量。應(yīng)該注意，高斯計測量的實際上是磁感應(yīng)強度B，單位為T(特斯拉)，1T=104高斯。磁場強度H可由B =µ0 H關(guān)系式計算得到，H的單位為A·m1。也可用已知磁化率的莫爾氏鹽標定。莫爾氏鹽的摩爾磁化率與熱力學(xué)溫度T的關(guān)系為：式中M

7、為莫爾氏鹽的摩爾質(zhì)量(kg·mol1)。3.實驗步驟3.1打開勵磁電源開關(guān)，電流表，打開電子天平的電源，并按下“清零”按鈕，毫特斯拉計表頭調(diào)零，然后調(diào)節(jié)磁場強度約為100mT，檢查霍爾探頭是否在磁場最強處，并固定其位置，使試管盡可能在兩磁頭中間（磁場最強處）；3.2取一支清潔、干燥的空樣品管，懸掛在天平一端的掛鉤上，使樣品管的底部在磁極中心連線上，準確稱量空樣品管；3.3慢慢調(diào)節(jié)磁場強度為300（mT），等電子天平讀數(shù)穩(wěn)定之后，讀取電子天平的讀數(shù)；3.4慢慢調(diào)節(jié)磁場強度讀數(shù)至350（mT），讀取電子天平的讀數(shù)；3.5慢慢調(diào)節(jié)磁場強度讀數(shù)高至400（mT），等30秒，然后下降至350（

8、mT），讀取電子天平的讀數(shù)；3.6將磁場強度讀數(shù)降至300（mT），讀取電子天平的讀數(shù)；3.7再將磁場強度讀數(shù)調(diào)至最小，讀取電子天平的讀數(shù)；3.8取下樣品管，裝入莫爾氏鹽(在裝填時要不斷將樣品管底部敲擊木墊，使樣品粉末填實)，直到樣品高度至試管標記處，按照上面的步驟分別測量其在0（mT）、300（mT）、350（mT）時候電子天平的讀數(shù)；（注：上述調(diào)節(jié)電流由小到大、再由大到小的測定方法，是為了抵消實驗時磁場剩磁現(xiàn)象的影響。）3.9樣品的摩爾磁化率測定用標定磁場強度的樣品管分別裝入樣品1亞鐵氰化鉀K4Fe(CN)6·3H20和樣品2硫酸亞鐵FeS04·7H20，按上述相同的步

9、驟測量其在0（mT）、300（mT）、350（mT）時候電子天平的讀數(shù)。4.數(shù)據(jù)記錄與處理數(shù)據(jù)表：室溫oC稱量m/g磁場強度/mT03003504003503000空管16.498816.502216.4903/16.492816.494616.4904莫爾鹽19.397719.535119.5788/19.582519.536319.4014亞鐵氰化鉀19.038219.029019.0235/19.033119.032919.0375硫酸亞鐵19.304819.484719.5314/19.539919.479519.30764.1由上表數(shù)據(jù)分別計算樣品管及樣品在無磁場時的質(zhì)量（m）和在不

10、同磁場強度下的質(zhì)量變化（m）：磁化強度/mT空管m/g莫爾鹽m/g亞鐵氰化鉀m/g硫酸亞鐵m/g00.0084-0.00170.00070.00083000.0076-0.0012-0.00390.0052350-0.0025-0.0037-0.0096-0.00854.2各樣品在不同條件下的摩爾磁化率m、分子磁矩并估算其不成對電子數(shù)n根據(jù)求莫爾鹽的摩爾磁化率:溫度T=(24.9+273.15)K M莫爾鹽=392.14g/mol M硫酸亞鐵=278.02 g/mol M六氰合鐵（II）酸鉀=422.39 g/molm=L0m2/3kTL=6.022 ×1023mol1,k=1.38

11、06×10-23J·K1，µ0=4×107N·A2，µB=9.274 ×10-24J·T-1莫爾氏鹽的摩爾磁化率 =×392.14×10-3=1.57×10-7m3/mol-1當H=0.3T,m標 = 3.0373g,m樣品1=2.5326g,m樣品2=2.9837g樣1= -6.48×10-9m3/mol-1因為樣1小于0，所以m不存在，則n=0樣2=5.82×10-8m3/mol-1m=3.08×10-23J·T-1 n=2.47當H=0.3

12、5T,m標=3.0891g,m樣品1=2.5357g,m樣品2=3.0441g樣1=-2.91×10-9m3/mol-1m因為樣1小于0，所以m不存在，則n=0樣2= 5.62×10-8m3/mol-1m=3.03×10-23J·T-1 n=2.414.3這個是Fe2+，配合上6個CN-，sd2p3雜化Fe本身帶26個電子Ar3s2 2d8 3p0失去兩個電子，Ar2d8，按能量最小分布，以及CN-強配體，為0 2 2 2 2，故有0對孤對電子，所以在0.3T和3.5T中，所測得的亞鐵氰化鉀的孤對電子數(shù)較為準確；4.4 FeSO4*7H2O的成單電子數(shù)為

13、4，順磁性。顯然，實驗中所測的數(shù)據(jù)明顯偏小，可能的原因為：機器不穩(wěn)定，調(diào)整的磁場不穩(wěn)定；裝樣品時不均勻，測出來的數(shù)據(jù)不準確；標定空管時，標定出來的數(shù)據(jù)不準確。5.誤差分析實驗所得結(jié)果與文獻值比較符合，但還是存在一定的誤差，造成誤差的可能原因及需注意的事項有：1、由于實驗實際操作時所使用的儀器已經(jīng)沒有玻璃門，故稱量時應(yīng)盡量不要有大動作的走動，或太多人圍觀、說話等，應(yīng)該盡量保持整個稱量過程是在沒有太多干擾磁場的因素的環(huán)境下進行。2、樣品管一定要干凈。W空管=W空管(H=H)-W空管(H=0)>0時表明樣品管不干凈，應(yīng)更換。裝在樣品管內(nèi)的樣品要均勻緊密、上下一致、端面平整、高度測量準確。樣品管的底部要位于磁極極縫的中心,與兩磁極兩端距離相等。3、由于樣品都是研磨完后一段時間才開始測量的，不排除樣品會發(fā)生相應(yīng)的吸水和失水，致使分子量會發(fā)生變化，使最后所計算出來的結(jié)果存在誤差。4、測量樣品高度h的誤差嚴重影響實驗的精度，這從摩爾磁化率的計算公式 可以看出來。而由于最上面的那些樣品粉末不能壓緊壓平，測量高度h的誤差還是比較大的。5、裝樣不緊密也會帶來較大誤差推導(dǎo)公式時用到了密度，最后表現(xiàn)在高度h中?！把b樣不緊密”也就是說實際堆密度比理論密度小，這樣高度h就會比理論值偏大，即使很準確地測量出高度h，它還是比理論值有一個正的絕對誤差。6、勵磁