絡(luò)合物磁化率的測定

絡(luò)合物磁化率的測定院系：化學(xué)化工學(xué)院專業(yè)：化學(xué)工程與工藝學(xué)號(hào)：姓名：實(shí)驗(yàn)日期：2014-11-27指導(dǎo)老師：一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．掌握古埃法磁天平測定物質(zhì)磁化率的基本原理和實(shí)驗(yàn)方法；2．通過對(duì)一些絡(luò)合物的磁化率測定，推算其不成對(duì)電子數(shù)，判斷這些分子的配鍵類型。

二、實(shí)驗(yàn)原理1．在外磁場的作用下，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)度等于

B=QUOTE+B′=QUOTEH+B′

（Ⅱ—30—1）式中QUOTE為外磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度；B′為附加磁感應(yīng)強(qiáng)度；H為外磁場強(qiáng)度；QUOTE為真空磁導(dǎo)率，其數(shù)值等于4π×10-7N／A2。物質(zhì)的磁化可用磁化強(qiáng)度M來描述，M也是矢量，它與磁場強(qiáng)度成正比。

M=χH

（Ⅱ—30—2）式中χ為物質(zhì)的體積磁化率，是物質(zhì)的一種宏觀磁性質(zhì)。B′與M的關(guān)系為：

B′=QUOTEM=χQUOTEH

（Ⅱ—30—3）將（Ⅱ—30—3）代入（Ⅱ—30—1）式得：

B=（1+χ）QUOTEH=QUOTEH（Ⅱ—30—4）式中μ稱為物質(zhì)的（相對(duì)）磁化率?；瘜W(xué)上常用質(zhì)量磁化率χm或摩爾磁化率χM來表示物質(zhì)的磁性質(zhì)。

χm=χ/ρ

（Ⅱ—30—5）

χM=Mχm=（Mχ）/ρ（Ⅱ—30—6）式中ρ、M分別是物質(zhì)的密度和摩爾質(zhì)量。χm的單位是m3/kg，χM的單位是m3/mo。

2．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(dāng)原子、離子或分子的兩個(gè)自旋狀態(tài)電子數(shù)不相等，即有未成對(duì)電子時(shí)，物質(zhì)就具有永久磁矩。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。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(huì)順著外磁場的方向排列。(其磁化方向與外磁場相同，磁化強(qiáng)度與外磁場強(qiáng)度成正比)，表觀為順磁性外，還由于它內(nèi)部的電子軌道運(yùn)動(dòng)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χM是摩爾順磁化率χμ和摩爾逆磁化率χ0的和

χM=χμ+χ0

（Ⅱ—30—7）但由于χμ>>|χ0|，故順磁性物質(zhì)的μ>1，χM>0，可以近似地把χμ當(dāng)作χM，即

χM≈χμ

（Ⅱ—30—8）3．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(jì)力學(xué)的方法可以得到摩爾順磁化率χμ和分子永久磁矩μm間的關(guān)系

χμ=（Lμm2μ0）/3kT=C/T

（Ⅱ—30—9）式中L為阿佛加德羅常數(shù)；k為波爾茲曼常數(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(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，C為居里常數(shù)。分子的摩爾逆磁磁化率χ0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χM與磁矩間的關(guān)系為：

χM=χ0+（Lμm2μ0）/3kT≈（Lμm2μ0）/3kT（Ⅱ—30—10）該式將物質(zhì)的宏觀物理性質(zhì)（χM）和其微觀性質(zhì)（μm）聯(lián)系起來了，因此只要實(shí)驗(yàn)測得χM，代入（Ⅱ—30—10）式就可算出永久磁矩μm。物質(zhì)的永久永久磁矩μm和它所包含的未成對(duì)電子書n的關(guān)系可用下式表示：

μm=[n（n+2）]1/2μB

（Ⅱ—30—11）式中μB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。

μB=eh/4πme=9.274078*10-24A·m2

（Ⅱ—30—12）式中h為普朗克常數(shù)；me為電子質(zhì)量。H可由己知單位質(zhì)量磁化率的莫爾氏鹽來間接標(biāo)定，χM與溫度的關(guān)系為χM=[1.1938/（T+1）]*10^-4三、實(shí)驗(yàn)儀器及藥品古埃磁天平

，軟質(zhì)玻璃樣品管FeSO4·7H2O(分析純)，莫爾氏鹽（NH4）2SO4·FeSO4·6H2O(分析純)，K4Fe(CN)6·3H2O(分析純)裝樣品工具（研缽、角匙、小漏斗、玻棒）

四、實(shí)驗(yàn)步驟1．取一只清潔干燥的空樣品管懸掛在天平的掛鉤上，使樣品管正好于磁極中心平齊，但樣品管不可與磁極相接觸，也不與探頭接觸。2．測定“空管”的質(zhì)量（1）在電流為0時(shí),準(zhǔn)確稱取空樣品管質(zhì)量；（2）調(diào)節(jié)電流旋鈕，使電流為0.6mA時(shí)，記錄稱量結(jié)果；注：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(shí)驗(yàn)時(shí)磁場剩磁現(xiàn)象的影響。（7）計(jì)算兩個(gè)0mA和0.6mA時(shí)的空樣品管質(zhì)量的平均值，作為空樣品管的質(zhì)量值；（8）重復(fù)測定一次，最后取兩次測定的平均值，作為空樣品管質(zhì)量的最終值。3．測定“樣品+空管”的質(zhì)量（1）用莫爾氏鹽標(biāo)定外磁場的強(qiáng)度H取下空樣品管，裝入事先研細(xì)并干燥過的莫爾氏鹽，并不斷讓樣品管地步在軟墊上輕輕碰擊，樣品均勻填實(shí)，直至樣品高度超過10cm，繼續(xù)碰擊至樣品高度不變?yōu)橹?。精確測量樣品的高度。（2）用上述方法測量（樣品+空管）的質(zhì)量和磁場中的質(zhì)量。分別測定FeSO4·7H2O(分析純)、莫爾氏鹽（NH4）2SO4·FeSO4·6H2O(分析純)、K4Fe(CN)6·3H2O(分析純)的摩爾磁化率。五、數(shù)據(jù)處理T=20℃=293.15K，h=14cm=0.14m,N0=6.023×10^23,K=K=1.38×10^-23J/KμB=9.274*10^-24A.m2，g=9.80,μ0=4∏10^-07N.A-2莫爾氏鹽：(NH4)2SO4?FeSO4?6H2O，M=0.3921Kg/molXM=9500/(T+1)*4*3.14*10^-09*M=9500/(294.55+1)*4*3.1410^-09*0.3921=1.58*10^-07m3.mol-1,=1.58*10^-07,得：H=2.1583*10^+05A.M-1。亞鐵氰化鉀:K4[Fe(CN)6]?3H2O,M=0.422Kg/mol第一次磁感應(yīng)強(qiáng)度0A0.6A空瓶/g24.463524.4643△m(空）0.0008加樣品后/g32.918832.9184△m（加樣）/g-0.0004差值/g-0.0012樣品重m/g8.4553=3.06*10^-10m3.mol-1,χm=χ順=(N0μ0μm2)/3kT=3.06*10^-10/M=7.25*10^-10得：μm=3.42*10^-24J.T-1μ0/μB=3.69E-01由：得n=0硫酸亞鐵：FeSO4?7H2O，M=0.278Kg/mol第一次磁感應(yīng)強(qiáng)度0A0.6A空瓶/g24.463524.4643△m(空）0.0008加樣品后/g35.718235.7207△m（加樣）/g0.0025差值/g0.0017樣品重m/g11.2947=4.087*10^-8m3.mol-1,χm=χ順=(N0μ0μm2)/3kT=4.087*10^-8/0.278=1.47*10^-7得：μm=4.87*10^-23J.T-1μ0/μB=5.25，n(n+2)=27.6,得n≈4.六、誤差分析1、由于樣品都是研磨完后一段時(shí)間才開始測量的，不排除樣品會(huì)發(fā)生相應(yīng)的吸水和失水，致使分子量會(huì)發(fā)生變化，使最后所計(jì)算出來的結(jié)果存在誤差。2測量樣品高度h的誤差嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)的精度，這從摩爾磁化率的計(jì)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。3勵(lì)磁電流不能每次都準(zhǔn)確地定在同一位置，只能說是保證大概在這個(gè)位置附近，因此實(shí)際上磁場強(qiáng)度并非每次都是一致的。所以，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，盡量使磁場強(qiáng)度前后比較一致。七、思考題1．不同勵(lì)磁電流下測得的樣品摩爾磁化率是否相同?答：相同，摩爾磁化率是物質(zhì)特征的物理性質(zhì)，不會(huì)因?yàn)閯?lì)磁電流的不同而變。但是在不同勵(lì)磁電流下測得的cM稍有不同，。主要原因在于天平測定臂很長（約50cm），引起Dw的變化造成的，當(dāng)然溫度的變化也有一定影響。2．用古埃磁天平測定磁化率的精密度與哪些因素有關(guān)?答：（1）樣品管的懸掛位置：正處于兩磁極之間，底部與磁極中心線齊平，懸掛樣品管的懸線勿與任何物體相接觸；（2）摩爾探頭是否正常：鋼管是否松動(dòng)，若松動(dòng)，需堅(jiān)固；（3）溫度光照：溫度不宜高于60℃，不宜強(qiáng)光照射，不宜在腐蝕性氣體場合下使用；（4）摩爾探頭平面與磁場方向要垂直；（5）空樣品管需干燥潔凈，每次裝樣高度，均勻度需一樣，測量結(jié)果的精密才高。3．樣品在玻璃管中的填充密度對(duì)測量有何影響？答：當(dāng)填充密度不足，即壓不緊使，可能出現(xiàn)所測物質(zhì)的密度ρ減少，根據(jù)χM=Mχm=（Mχ）/ρ，會(huì)使得χM值偏大。