磁化率的測定

1、磁化率的測定1 .實驗目的測定物質(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。掌握古埃（Gouy）磁天平測定磁化率的原理和方法。2 .實驗原理摩爾磁化率和分子磁矩物質(zhì)在外磁場H作用下，由于電子等帶電體的運動，會被磁化而感應出一個附加磁場H'。物質(zhì)被磁化的程度用磁化率x表示，它與附加磁場強度和外磁場強度的比值有關(guān)：x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。化學上常用摩爾磁化率Xm表示磁化程度，它與X的關(guān)系為式中MP分別為物質(zhì)的摩爾質(zhì)量與密度。Xm的單位為m3mol物質(zhì)在外磁場作用下的磁化現(xiàn)象有三種

2、: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，mm=0o當它受到外磁場作用時，內(nèi)部會產(chǎn)生感應的“分子電流”，相應產(chǎn)生一種與外磁場方向相反的感應磁矩。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xm稱為反磁磁化率，用x反表不，且x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，分這種物質(zhì)稱為順磁性物質(zhì)， 如Mn, Cr ,X m是順磁磁化率 X順。與反磁磁化率X m= X順，其值大于零，即 X m>0。子磁矩mW0。這些雜亂取向的分子磁矩在受到外

3、磁場作用時，其方向總是趨向于與外磁場同方向,Pt等，表現(xiàn)出的順磁磁化率用X順表示。但它在外磁場作用下也會產(chǎn)生反向的感應磁矩，因此它的X反之和。因|X順1?1X反I,所以對于順磁性物質(zhì)，可以認為第三種，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科m關(guān)系可由居里一郎之萬公式表示:“儲E3kT式中L為阿伏加德羅常數(shù)X1023moli),、k為玻爾茲曼常數(shù)X10-23J-kT),科0為真空磁導率(4兀X107NA-2,T為熱力學溫度。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)

4、。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WB為玻爾磁子，是磁矩的自然單位。科B=X1024JrT為磁感應強度的單位，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Z勾為3d64s°4p°。如以它作為中心離子與6個H20配位體形成Fe(H20)6廣絡離子，是電價絡合物。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=4o如下圖所示：3dFe1*在自由國下的外層電子"構(gòu)如果Fe2+離子與6個CN離子配位體形成Fe(CN)6”絡離子，則是共價絡合物。這時其中Fe2+離子的外電子層結(jié)構(gòu)

5、發(fā)生變化，n=0。見圖2-64所示：fJ*外層電/姑構(gòu)的用禮顯然，其中6個空軌道形成d2sp3的6個雜化軌道，它們能接受6個CM離子中的6對孤對電子，形成共價配鍵。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Xm,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Ho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圖23場磁大r法測定朦用X0為空氣的體積磁化率，可以證明，樣品管向，即物質(zhì)內(nèi)磁場強度增大，在磁場中受到吸引力。設內(nèi)樣品受到的力為：考慮到p

6、=m/hA,而0值很小，相應的項可以忽略，可得ImXH-2Mh在磁天平法中利用精度為白電子天平間接測量F值。設!)!0為空樣品管在有磁場和無磁場時的稱量值的變化，!)!為裝樣品后在有磁場和無磁場時的稱量值的變化，則F=(削叫Jg式中、g為重力加速度(9.81m-s2)o可得2(A/n-Afficl)f!hMA/u-4喑=W1耕羊=/標AAX=磁場弓雖度H可由特斯拉計或CT5高斯計測量。應該注意，高斯計測量的實際上是磁感應強度B,單位為T(特斯拉)，1T=104高斯。磁場強度H可由B=科0H關(guān)系式計算得到，H的單位為A-mT。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；與熱力學溫度T的

7、關(guān)系為：ZmX109(m1'>nol')7+1式中M為莫爾氏鹽的摩爾質(zhì)量(kg-mol-)。3 .實驗步驟打開勵磁電源開關(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)；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；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)；慢慢調(diào)節(jié)磁場弓雖度讀數(shù)至350(mT,讀取電子天平的讀數(shù)；慢慢調(diào)節(jié)磁場強度讀數(shù)高至400(m

8、l),等30秒，然后下降至350(mT,讀取電子天平的讀數(shù)；將磁場強度讀數(shù)降至300(mT),讀取電子天平的讀數(shù)；再將磁場強度讀數(shù)調(diào)至最小，讀取電子天平的讀數(shù)；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。）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亞鐵氧化鉀K4Fe（CN）63屋0和樣品2硫酸亞鐵FeSCT7H0,按上述相同的步驟測量其在0（mT、300

9、（ml）、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磁場弓II度/mT03003504003503000空管/莫爾鹽/亞鐵氧化鉀/硫酸亞鐵/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）和在不同磁場強度下的質(zhì)量變化（n）:磁化弓雖度/mT空管m/g莫爾鹽m/g亞鐵氧化鉀m/g硫酸亞鐵4m/g0300350各樣品在不同條件下的摩爾磁化率xm分子磁矩小并估算其不成對電子數(shù)n4加*.Hk10-m，.mol11根據(jù)八1求莫爾鹽的摩爾磁化率：溫度T=+KM莫爾鹽"molM硫酸亞鐵=g/molM六氧合鐵（ii）酸鉀=g/mol2xm=La0m/3kTL=

10、X1023mol1,k=X10-23JK1,0=4ttX107NA2,仙b=x10-24Jr19莫爾氏鹽的摩爾磁化率：9500104=xx10-3=x10-7m/mol-1T1當H=,m標=,m樣品產(chǎn)，m樣品2=_mfe管樣品i-mfe管x樣1-x標m標m空管標71-m空管J = X10-9m3/mol-1m羊品1m空管樣品2- m空管x樣2=x標m標m空管 標準- mte管町場=xi0-8n3/mol-1m樣品2因為x樣i小于0,所以mm不存在，則n=0pm=X10-23J丁1mB.n(n2)n=當H=,mi標=,m樣品1=,m樣品2=J =x 10-9m/mol-1m羊品1_m空管樣品1-

11、m空管x樣1=x標mfem空管標71-m空管因為、樣1小于0,所以pm不存在，則n=0mw2-mte管M樣品2仃89_.-1x樣2=x標m標=X10m/molm空管標7g-mfe管m樣品2m=x10-23J丁1b-n(n2)n=這個是Fe2+,配合上6個CN,sd2p3雜化Fe本身帶26個電子Ar3s22d83p0失去兩個電子,Ar2d8,按能量最小分布，以及CN強配體,為02222，故有0對孤對電子，所以在和中，所測得的亞鐵氟化鉀的孤對電子數(shù)較為準確；FeSO*7H2O的成單電子數(shù)為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

12、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，故稱量時應盡量不要有大動作的走動，或太多人圍觀、說話等，應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。AW空管=亞空管(H=H)-W空管(H=0)>0時表明樣品管不干凈，應更換。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M2-WF一WE,ghgMa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hWH的誤差還是比較大的。5、裝樣不緊密也會帶來較大誤差一一推導M2-WF一WghgMa公式時用到了密度p,最后MWH2表現(xiàn)在高度h中。“裝樣不緊密”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、勵磁電流不能每次都準確地定