實驗六 磁化率的測定

1、實驗十六 磁化率的測定實驗?zāi)康募耙?）掌握古埃（Gouy ）法測定磁化率的原理和方法。2）通過測定一些絡(luò)合物的磁化率，求算未成對電子數(shù)和判斷這些分子的配鍵類型。實驗原理1）磁化率物質(zhì)在外磁場作用下，物質(zhì)會被磁化產(chǎn)生一附加磁場。物質(zhì)的磁感應(yīng)強度等于萬十矛=外育+苻（16.1）式中B0為外磁場的磁感應(yīng)強度；B為附加磁感應(yīng)強度；H為外磁場強度；p 0為真空磁導(dǎo)率，其數(shù)值等于4n X10-7N/A2。物質(zhì)的磁化可用磁化強度M來描述，M也是矢量，它與磁場強度成正比。羊（16.2）式中Z為物質(zhì)的體積磁化率。在化學(xué)上常用質(zhì)量磁化率x m或摩爾磁化率X M來表示物質(zhì)的 磁性質(zhì)。m(16.3) (16.4)式

2、中p、M分別是物質(zhì)的密度和摩爾質(zhì)量。2）分子磁矩與磁化率Xm = %順+ X逆對于順磁性物質(zhì)，X順 I X逆I，可作近似處理，X M=x順。對于逆磁性物質(zhì)，則只 有X逆，所以它的X M=X逆:人第三種情況是物質(zhì)被磁化的強度與外磁場強度不存在正比關(guān)系，而是隨著外磁場強度的 增加而劇烈增加，當外磁場消失后，它們的附加磁場，并不立即隨之消失，這種物質(zhì)稱為鐵 磁性物質(zhì)。磁化率是物質(zhì)的宏觀性質(zhì)，分子磁矩是物質(zhì)的微觀性質(zhì)，用統(tǒng)計力學(xué)的方法可以得到摩 爾順磁化率X順和分子永久磁矩p m間的關(guān)系= 3 KT = T物質(zhì)的磁性與組成物質(zhì)的原子，離子或分子的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，當原子、離子或分子的兩 個自旋狀態(tài)電子數(shù)不

3、相等，即有未成對電子時，物質(zhì)就具有永久磁矩。由于熱運動，永久磁 矩的指向各個方向的機會相同，所以該磁矩的統(tǒng)計值等于零。在外磁場作用下，具有永久磁 矩的原子，離子或分子除了其永久磁矩會順著外磁場的方向排列。（其磁化方向與外磁場相 同，磁化強度與外磁場強度成正比），表觀為順磁性外，還由于它內(nèi)部的電子軌道運動有感 應(yīng)的磁矩，其方向與外磁場相反，表觀為逆磁性，此類物質(zhì)的摩爾磁化率（M是摩爾順磁化 率X順和摩爾逆磁化率X逆的和。（16.6）式中N0為阿佛加德羅常數(shù)；K為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度。物質(zhì)的摩爾順磁磁化率與熱力學(xué)溫度成反比這一關(guān)素，稱為居里定律，是居里 首先在實驗中發(fā)現(xiàn)，C為居里常數(shù)。物質(zhì)的

4、永久磁矩產(chǎn)。與它所含有的未成對電子數(shù)n的關(guān)系為引：的）（16.7）式中p B為玻爾磁子，其物理意義是單個自由電子自旋所產(chǎn)生的磁矩。 悶=湍羅= 9.274 X lOfj/T（16.8）式中h為普朗克常數(shù)；me為電子質(zhì)量。因此，只要實驗測欲M，即可求出p m，算出未 成對電子數(shù)。這對于研究某些原子或離子的電子組態(tài)，以及判斷絡(luò)合物分子的配鍵類型 是很有意義的。3）磁化率的測定古埃法測定磁化率裝置如圖II一 281所示。將裝有樣品的圓柱形玻管如圖16.1 所示方式懸掛在兩磁極中間，使樣品底部處于兩磁極的中心。亦即磁場強度最強區(qū)域， 樣品的頂部則位于磁場強度最弱，甚至為零的區(qū)域。這樣，樣品就處于一不均

5、勻的磁場中，設(shè)樣品的截面積為A,樣品管的長度方向為dS的體積，AdS在非均 勻磁場中所受到的作用力dF為(16.9)dF = Xt0HAdS圖16.1古埃磁天平示意圖dH式中心為磁場強度梯度，對于順磁性物質(zhì)的作用力，指向場強度最大的方向，反磁性物質(zhì) 則指向場強度弱的方向，當不考慮樣品周圍介質(zhì)（如空氣，其磁化率很小）和H。的影響時， 整個樣品所受的力為F = XpAHdS當樣品受到磁場作用力時，天平的另一臂加減砝碼使之平衡， 后的質(zhì)量差，則F = -XqH2A = gm = 空管+樣抽Am 空管）(16.10)設(shè)m為施加磁場前(16.11)m由于m，pa代入（16.10）式整理得_。（膈空管+樣

6、品一空管）gM（16.12）式中h為樣品高度；m為樣品質(zhì)量；M為樣品摩爾質(zhì)量；p為樣品密度；p 0為真空磁 導(dǎo)率。p 0=47n X10-7N/A2。磁場強度H可用“特斯拉計”測量，或用已知磁化率的標準物質(zhì)進行間接測量。例如用莫爾鹽（NH） SO FeSO 6H0，已知莫爾鹽的x與熱力學(xué)溫度T的關(guān)系式為X 4k X IO- m/Kg(16.13)儀器與藥品古埃磁天平（包括電磁鐵，電光天平，勵磁電源）1套;特斯拉計1臺;軟質(zhì)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。莫爾氏鹽（NH）cSO,FeSO 6H 0（分析純）;FeSO7H 0（分析純）;KFe（CN

7、）（分析 純）;K4Fe（CN）6 3H20（分析純）。實驗步驟1）將特斯拉計的探頭放入磁鐵的中心架中，套上保護套，調(diào)節(jié)特斯拉計的數(shù)字顯示為 “0”。2）除下保護套，把探頭平面垂直置于磁場兩極中心，打開電源，調(diào)節(jié)“調(diào)壓旋鈕,”使電流增大至特斯拉計上顯示約“0.3T”，調(diào)節(jié)探頭上下、左右位置，觀察數(shù)字顯示值，把探 頭位置調(diào)節(jié)至顯示值為最大的位置，此乃探頭最佳位置。用探頭沿此位置的垂直線，測定離 磁鐵中心的高處Ho,這也就是樣品管內(nèi)應(yīng)裝樣品的高度。關(guān)閉電源前，應(yīng)調(diào)節(jié)調(diào)壓旋鈕使 特斯拉計數(shù)字顯示為零。，3）用莫爾氏鹽標定磁場強度。取一支清潔的干燥的空樣品管懸掛在磁天平的掛鉤上， 使樣品管正好與磁極中

8、心線齊平，（樣品管不可與磁極接觸，并與探頭有合適的距離。）準確 稱取空樣品管質(zhì)量（H=0）時，得mi（H）；調(diào)節(jié)旋鈕，使特斯拉計數(shù)顯為“）.300T”（H，迅速 稱量，得mi （Hi），逐漸增大電流，使特斯拉計數(shù)顯為“0.350T” （H2），稱量得mH），然后 略微增大電流，接著退至（0.350T）H2，稱量得m2（H2），將電流降至數(shù)顯為“0.300T” （H時， 再稱量得m2 （Hi），再緩慢降至數(shù)顯為“0. 000T” （H0），又稱取空管質(zhì)量得m2 （H0） 0這樣 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。空管（HQ =+ 板2（孤）(16.14)說

9、空管(S) =+ Am2(Zf2)D(16.15)式中心；W 一 一 “（：）；，）； 以，（此,）。4）取下樣品管用小漏斗裝入事先研細并干燥過的莫爾氏鹽，并不斷讓樣品管底部在軟 墊上輕輕碰擊，使樣品均勻填實，直至所要求的高度，（用尺準確測量），按前述方法將裝有 莫爾鹽的樣品管置于磁天平上稱量，重復(fù)稱空管時的路程，得 TOC o 1-5 h z m（H ）， m（H ）， m（H ）， m（H ）， m（H ）， m（H ），1空管+樣品01空管+樣品11空管+樣品22空管+樣品22空管+樣品12空管+樣品0求出5空管+樣品（H和5空管+樣品（H）。5）同一樣品管中，同法分別測定FeSO -

10、7HO，K Fe（CN）和K Fe（CN） : - 3H 0的4236462m空管+樣品（H和5空管%測定后的樣品均要倒回試劑瓶，可重復(fù)使用。實驗注意事項1）所測樣品應(yīng)事先研細，放在裝有濃硫酸的干燥器中干燥。2）空樣品管需干燥潔凈。裝樣時應(yīng)使樣品均勻填實。3）稱量時，樣品管應(yīng)正好處于兩磁極之間，其底部與磁極中心線齊平。懸掛樣品管的 懸線勿與任何物件相接觸。4）樣品倒回試劑瓶時，注意瓶上所貼標志，切忌倒錯瓶子。數(shù)據(jù)記錄與處理1)將所測數(shù)據(jù)列表樣品名稱W空管/gW空管/g W空管/gW空管呻/gW空管呻/g W空管呻/gW樣品/g樣品高度(cm)(H=0)(H=H)(H=0)(H=H)由莫爾鹽的單

11、位質(zhì)量磁化率和實驗數(shù)據(jù)計算磁場強度值。 計算FeS0 7HO、K Fe(CN)和K Fe(CN) - 3H 0的x ，p 和未成對電子數(shù)。4236462mm根據(jù)未成對電子數(shù)討論FeS04 - 7H2O和K4Fe(CN)6 - 3H20中Fe2+的最外層電子結(jié)構(gòu)以及由此構(gòu)成的配鍵類型。467)思考題不同勵磁電流下測得的樣品摩爾磁化率是否相同？用古埃磁天平測定磁化率的精密度與哪些因素有關(guān)？8.討論1)用測定磁矩的方法可判別化合物是共價絡(luò)合物還是電價絡(luò)合物。共價絡(luò)合物則以中 央離子的空價電子軌道接受配位體的孤對電子，以形成共價配價鍵，為了盡可能多成鍵，往 往會發(fā)生電子重排，以騰出更多的空的價電子軌道

12、來容納配位體的電子對。例如Fe2+外層含 有6個d電子，它可能有兩種配布結(jié)構(gòu)。 TOC o 1-5 h z Fe(II)未成對電子數(shù)為0，p m=0。Fe2+離子外電子層結(jié)構(gòu)發(fā)生了重排，形成6個d2sp3 軌道，它們能接受6個CN-離子的6個孤對電子，形成6個共價配鍵。如Fe(CN)64-絡(luò)離子， 磁矩為0，是共價絡(luò)合物。63d454。Q。OOOO3d4s4/O OOO圖II一 282 Fe。外層電子配布結(jié)構(gòu)圖Fe2+(I)是Fe2+離子在自由離子狀態(tài)下外層電子結(jié)構(gòu)3d64s0p0，當它與6個H2O配位體形 成絡(luò)離子Fe(H20)2+，由于H20有相當大的偶極矩，與中心離子Fe2+以庫侖靜電引

13、力相結(jié)合 而成電價配鍵，此絡(luò)合物是電價絡(luò)合物。電價配鍵不需中心離子騰出空軌道，也就是中心離 子與配位體的相對大小和中心離子所帶的電荷。所以測定絡(luò)離子的磁矩是判別共價配鍵和電 價配鍵的主要方法，但有時以共價配鍵或電價配鍵相結(jié)合的絡(luò)離子含有同數(shù)的未成對電子， 就不能適用。如Zn(未成對電子數(shù)為零)，它的共價絡(luò)離子如Zn(CN)42-，ZNH+等，和電 價絡(luò)離子，如Zn(H2O)42+等，其磁矩均為零，所以對于Zn2+來說，就無法用測定、磁矩的方法， 來判別其配鍵的性質(zhì)。2)有機化合物絕大多數(shù)分子都是由反平行自旋電子對而形成的價鍵，因此，這些分子 的總自旋矩也等于零，它們必然是反磁性的。巴斯卡(Pa

14、scol)分析了大量有機化合物的摩爾 磁化率的數(shù)據(jù)，總結(jié)得到分子的摩爾反磁化率具有加和性。此結(jié)論可用于研究有機物分子結(jié) 構(gòu)。3）從磁性測量中還能得到一系列其它資料。例如測定物質(zhì)磁化率對溫度和磁場強度的 依賴性可以判斷是順磁性，反磁性或鐵磁性的定性結(jié)果。對合金磁化率測定可以得到合金組 成，也可研究生物體系中血液的成分等等。4）磁化率的單位從CGS磁單位制改用國際單位SI制，必須注意換算關(guān)系。質(zhì)量磁化率， 摩爾磁化率的換算關(guān)系分別為lm3/kg（SI 單位）=土 X 103cm3/g（CGS 電磁制）lm3/mol（SI 單位）= X 106cm3/mol（CGS 電磁制）磁場強度H（A/m）與磁

15、感應(yīng)強度B（特斯拉）之間的關(guān)系（驟A/m） X 。= 10-叮5）古埃磁天平古埃磁天平是由全自動電光分析天平，懸線（尼龍絲或琴弦），樣品管，電磁鐵，勵磁電 源，DTM 一 3A特斯拉計，霍爾探頭，照明系統(tǒng)等部件構(gòu)成。磁天平的電磁鐵由單桅水冷卻 型電磁鐵構(gòu)成，磁極直徑為40mm，磁極矩為10mm40mm，電磁鐵的最大磁場強度可達0.6 特斯拉。勵磁電源是220V的交流電源，用整流器將交流電變?yōu)橹绷麟?，?jīng)濾波串聯(lián)反饋輸 入電磁鐵，如圖16.3，勵磁電流可從0調(diào)至10A。圖16.3簡易古埃磁天平電源線路示意圖磁場強度測量用DTM 一 3A特斯拉計。儀器傳感器是霍爾探頭，其結(jié)構(gòu)如圖16.4所示。（1）

16、測量原理霍爾效應(yīng)在一塊半導(dǎo)體單晶薄片的縱向二端通電流IH，此時半導(dǎo)體中的電子沿著IH反 方移動，見圖16.5，當放入垂直于半導(dǎo)體平面的磁場H中，則電子會受到磁場力F的作用 而發(fā)生偏轉(zhuǎn)（勞侖茲力），使得薄片的一個橫端上產(chǎn)生電子積累，造成二橫端面之間有電場， 即產(chǎn)生電場力凡阻止電子偏轉(zhuǎn)作用，當Fg一 Fe時，電子的積累達到動態(tài)平衡，產(chǎn)生一個穩(wěn) 定的霍爾電勢vh，這現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。e圖16.4霍爾探頭圖16.5霍爾效應(yīng)原理示意圖其關(guān)系式:V n = KHI IfBcosO 式中ih為工作電流；b為磁感應(yīng)強度；kh為元件靈敏度；vh為霍爾電勢；e為磁場方向和 半導(dǎo)體面的垂線的夾角。由式(16.16)可知，當半導(dǎo)體材料的幾何尺寸固定，IH由穩(wěn)流電源固定，則匕與被測磁 場H成正比。當霍爾探頭固定e =00時(即磁場方向與霍爾探頭平面垂直時輸入最大，)匕 H 的信號通