磁化率的測定(共7頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上實(shí)驗(yàn)十六 磁化率的測定1 摘要磁化率的測定是一個(gè)經(jīng)典的磁學(xué)測量方法。1889年Gouy1建立了在均勻磁場中測量磁化率的古埃法，1964年Mulay2設(shè)計(jì)了在非均勻磁聲中測定磁化率的Faraday法。摩爾磁化率定義為摩爾磁化率密度分子量質(zhì)量磁化率體積磁化率（2.16.1）據(jù)k的特點(diǎn)將物質(zhì)分為三類：k>0稱順磁性物質(zhì)；k<0稱反磁性物質(zhì)；另外有少數(shù)物質(zhì)的k值與外磁場H有關(guān)，隨外磁場強(qiáng)度的增加而急劇地增強(qiáng)，且伴有剩磁現(xiàn)象，稱此為鐵磁性物質(zhì)（如鐵、鈷、鎳等）。凡原子分子中具有自旋未配對電子的物質(zhì)都是存在固有磁矩的順磁性物質(zhì)。這些原子分子的磁矩象小磁鐵一樣，在外磁場

2、中總是趨向順著磁場方向定向排列，但原子分子的熱運(yùn)動(dòng)又使這些磁矩趨向混亂，在一定溫度下這兩個(gè)因素達(dá)成平衡，使原子分子磁矩部分順著磁場方向定向排列而得以增強(qiáng)物質(zhì)內(nèi)部的磁場，顯示順磁性。凡是原子分子中電子自旋已配對的物質(zhì)，一般是反磁性的物質(zhì)。大部分物質(zhì)屬反磁性。其原因是物質(zhì)內(nèi)部電子軌道運(yùn)動(dòng)受外磁場作用，感應(yīng)出“分子電流”而產(chǎn)生與外磁場方向相反的誘導(dǎo)磁矩。一般說來，原子分子中含電子數(shù)目較多電子活動(dòng)范圍較大時(shí)，其反磁化率就較大。實(shí)際上順磁物質(zhì)的磁化率除了分子磁矩定向排列所產(chǎn)生的c順外，同時(shí)還包含有感應(yīng)所產(chǎn)生的反磁化率c反，即：cM=c順+c反由于c順比c反大13個(gè)數(shù)量級，因此順磁性物質(zhì)的反磁性被掩蓋而表

3、現(xiàn)出順磁性。在不很精確的計(jì)算中，可近似地視c順為cM。順磁化率與分子磁矩的關(guān)系一般服從居里定律分子磁矩阿佛加德羅常數(shù)（2.16.2）玻爾磁子波茲曼常數(shù)（2.16.2）式將物質(zhì)的宏觀性質(zhì)cM與物質(zhì)的微觀性質(zhì)m聯(lián)系起來，因此可通過實(shí)驗(yàn)測定cM來計(jì)算物質(zhì)分子的永久磁矩m。實(shí)驗(yàn)表明，對自由基或其它具有未成對電子的分子和某些第一族過渡元素離子的磁矩m與未成對電子數(shù)n的關(guān)系為 （2.16.3）聯(lián)系（2.16.2）和（2.16.3）兩式，可直接得到n的表達(dá)式 （2.16.4）關(guān)鍵詞：順磁 反磁 分子磁矩 摩爾磁化率 古埃氏天平2 儀器藥品 磁化率的測定通?？捎霉舱穹ɑ蛱炱椒?。本實(shí)驗(yàn)用古埃天平法。測量原理如圖

4、2.16.1。 yxzASN圖2.16.1 古埃氏天平原理當(dāng)一個(gè)截面為A的圓柱體放入一個(gè)非均勻的磁場中，物體的一個(gè)小體積元dV沿磁場梯度方向受力，其 式中，m0是真空的導(dǎo)磁系數(shù)，k是單位體積的磁化率，A是圓柱形樣品管的截面積。沿垂直于磁場方向懸掛一個(gè)樣品，下端放于磁鐵的極縫中心，當(dāng)通電使電磁鐵產(chǎn)生磁場后，該處是磁場強(qiáng)度很大的均勻磁場（約5000-10000高斯），對反磁性物質(zhì)，物質(zhì)中磁感比周圍的減少，因此受到向低磁場方向力的作用；對順磁性物質(zhì)，磁感是增加的，因此受到向高磁場方向力的作用。所受力的大小F為 式中，H1是極縫中心處的磁場強(qiáng)度，H0是樣品頂端處的磁場強(qiáng)度，k0和H0一般可忽略不計(jì)，因

5、而簡化為 在用上式測定磁化率時(shí)，多與標(biāo)準(zhǔn)樣品相比較。應(yīng)用同一樣品管且樣品長度相等時(shí)，有 （2.16.5）便成為測定磁化率的依據(jù)。藥品：基準(zhǔn)物（莫爾氏鹽）（NH4）2SO4×FeSO4×6H2O（A×R）被測試樣：FeSO4×7H2O（A×R）；黃血鹽K4Fe(CN) 6×3H2O（A×R）裝樣工具：軟質(zhì)玻璃樣品管、研缽、角匙、小漏斗、玻棒。3 預(yù)習(xí)提問（1） 什么叫物質(zhì)的順磁、反磁和鐵磁性？（2） 簡述用古埃法測定物質(zhì)磁化率的原理 。（3） 理論上黃血鹽絡(luò)合物的鍵型？空間立體幾何結(jié)構(gòu)應(yīng)是什么樣的？與FeSO4×7H

6、2O是否有差別？（4） 測定中樣品管底部為什么要正好與磁極中心線平齊？（5） 如何調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度？將粉末樣品裝管填實(shí)至樣品高度達(dá)樣品管刻度(13.0厘米)，塞上塞子掛在磁天平鉤上，在無磁場及有磁場下稱量并記錄。換樣品時(shí)，倒出樣品并洗凈、吹干樣品管。將莫爾氏鹽與待測固樣在研缽中研細(xì)，裝在廣口瓶中備用。取干燥樣品管掛在磁天平上，調(diào)節(jié)樣品管底部在極縫中心刻度處。Y藥品準(zhǔn)備N數(shù)據(jù)處理 三種試樣？二種電流？無磁場下稱重、記錄A1磁場下稱重、記錄N空樣品管自無磁場至有磁場，勵(lì)磁（小®大）電流增大方向，及與此相反方向（大®?。┻M(jìn)行二次不同方式的稱重測試求平均值。二次磁勵(lì)電流分別是3A及5A

7、左右。Y4操作5數(shù)據(jù)處理（1） 實(shí)驗(yàn)要求： 將實(shí)驗(yàn)所有稱重?cái)?shù)據(jù)填入下表，如：室溫：18°C 大氣壓 100.150kPa 實(shí)驗(yàn)日期1981.4. ZJNU空樣品管W0(小®大)/gW0”(大®小)/g/gDW0無勵(lì)磁電流14.943614.943114.94342.8A14.942714.942314.9425-0.00094.8A14.941014.940614.9408-0.0026莫爾氏鹽W1(小®大)/gW1”(大®小)/g/gDW1無勵(lì)磁電流23.047823.048723.04832.8A23.118223.118623.11840

8、.07014.8A23.251723.255323.25250.2042FeSO4×7H2OW2(小®大)/gW2”(大®小)/g/gDW2無勵(lì)磁電流23.006423.006723.00662.8A23.102223.102423.10230.09574.8A23.279523.286023.28280.2762黃血鹽W3(小®大)/gW3”(大®小)/g/gDW3無勵(lì)磁電流22.004522.004922.00472.8A22.002822.003122.0030-0.00174.8A22.000022.000022.0000-0.0047

9、 計(jì)算： 由莫爾氏鹽的單位質(zhì)量磁化率和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算磁場強(qiáng)度值。 高斯 高斯 計(jì)算FeSO4×7H2O和黃血鹽K4Fe(CN) 6×3H2O的cM、mM及它們的未成對電子數(shù)。 由（2.16.2）式計(jì)算 xyzFe2+圖2.16.2 Fe(CN)64-中6個(gè)共價(jià)鍵的相對位置 由（2.16.3）式計(jì)算對于FeSO4×7H2On2+2n-5.4=0 n=4對于黃血鹽K4Fe(CN) 6×3H2On2+2n-0.6=0 n=0 據(jù)未成對電子數(shù)討論FeSO4×7H2O和黃血鹽K4Fe(CN) 6×3H2O的最外層電子結(jié)構(gòu)以及由此構(gòu)成的配鍵類型。由

10、于FeSO4×7H2O有4個(gè)未成對電子數(shù)，可推斷其中Fe2+的最外層電子結(jié)構(gòu)為3d4p4s基本上保持自由離子的電子結(jié)構(gòu)，屬于電價(jià)絡(luò)合物。而黃血鹽n=0，電子均成對，F(xiàn)e2+的外層電子結(jié)構(gòu)發(fā)生了重排3d4p4s 騰出了2個(gè)3d空軌道來，再與4s和4p軌道進(jìn)行d2sp3雜化，構(gòu)成以Fe2+為中心的指向正八面體各個(gè)頂角的6個(gè)空軌道，以此來容納6個(gè)CN-中C原子上的孤對電子，形成6個(gè)共價(jià)配鍵（圖2.16.2）。（2） 結(jié)果要求及文獻(xiàn)值(293K時(shí))3FeSO4×7H2O cM=1.12(±0.1)´10-2c×g×s n= 4K4Fe(CN)

11、 6×3H2O cM=0.172(±0.1)´10-3c×g×s n=0K3Fe(CN) 6 cM=2.29(±0.5)´10-3c×g×s n=1CuSO4×5H2O cM=1.46(±0.5)´10-1c×g×s n=16. 點(diǎn)評(1) 實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵 注意裝樣的均勻性，粉末樣品在管中的裝填要求均勻，否則，由此引起的相對誤差可達(dá)±3%。采用多次反復(fù)測定并取平均值，可使誤差減少到±1%。 置樣品底部于磁極的中心線上，即最強(qiáng)磁場處。樣品管應(yīng)

12、足夠長，使其上端所處的磁場強(qiáng)度可以忽略不計(jì)。 樣品管的磁化率應(yīng)予校正。如采用中央封閉，下部真空，上部裝樣品的特制樣品管，并置于中央最強(qiáng)磁場位置，樣品所受作用力可視為互相抵消，便無須進(jìn)行玻璃磁化率校正。 避免空氣對流的影響，有條件時(shí)可采用真空系統(tǒng)。 選用合適的標(biāo)準(zhǔn)樣品，需根據(jù)測量目的選用，一般選取易得的、穩(wěn)定性好、純度高、重現(xiàn)性好的標(biāo)準(zhǔn)樣品，且希望標(biāo)準(zhǔn)樣品的磁化率和密度盡可能和測試樣品相近。其磁化率的溫度校正也應(yīng)遵循居里規(guī)則且其溫度系數(shù)小的物質(zhì)，有利于減少誤差。一般用水作為標(biāo)定低磁化率的標(biāo)準(zhǔn)樣品，表2.16.1列出在不同溫度下的物質(zhì)質(zhì)量磁化率數(shù)據(jù)。在精度的標(biāo)定中，必須除去溶解在水中的氣泡，更應(yīng)注

13、意別讓器壁上沾有小氣泡。在較高磁化率范圍的標(biāo)定，可采用氯化鎳溶液作為標(biāo)準(zhǔn)樣品，30%NiCl2溶液的摩爾磁化率在20°C時(shí)為（4433±12）´10-6cm3×mol-1。在高磁化率范圍內(nèi)，通常采用莫爾鹽為標(biāo)準(zhǔn)樣品，用莫爾鹽時(shí)必須注意裝樣的均勻性。常用的標(biāo)準(zhǔn)樣品列于表2.16.2中。 表2.16.1 水的質(zhì)量磁化率溫度/°C1510152025304050-c´1060.718960.719320.720670.721310.721830.722240.722580.722860.72361 表2.16.2 常用標(biāo)準(zhǔn)樣品的磁化率標(biāo)準(zhǔn)樣

14、品磁化率c´106 cm3×mol-1溫度/°C水-0.72020汞-0.16818NaCl-0.51720鉑-0.95620蔗糖-0.566Mohr鹽9500/T+1NiCl2溶液(10031p/T)-0.720(1-p)注：T為絕對溫度，p為NiCl2的重量百分?jǐn)?shù) 防止鐵磁性物質(zhì)的混入，不可使用含鐵、鎳的角匙或鑷子。(2) 調(diào)節(jié)不同勵(lì)磁電流，測定不同磁場強(qiáng)度下的磁化率，利用Honda-Owen方法4可對鐵磁性不純物質(zhì)進(jìn)行校正。(3) 測定磁化率的主要方法若將測定原理和檢出方法相結(jié)合則構(gòu)成各種各樣的測磁化率方法。近年來，電子技術(shù)的發(fā)展使測定漸趨自動(dòng)化。測量方法大

15、致分為兩種類型：感應(yīng)法，檢測在磁場中物體所受感應(yīng)的大小，通常是電學(xué)的方法，例如用感應(yīng)電橋、振蕩器或核磁共振等方法。受力法，測定物體在磁場中所受力的大小，來求磁化率。作為測定方法中最簡易的Gouy法以及Faraday法就是此種類型。根據(jù)受力法派生的測定方法，有測定純液體和溶液磁化率的Quincke法和測定氣體磁化率的Rankine法等。表2.16.3列出測定磁化率的主要方法。 表2.16.3 測定磁化率的主要方法方法磁場條件樣品的物理特性最低用量應(yīng)用誤差溫度控制W.Gouy法均勻磁場，推薦用3000Oe的電磁鐵或50000Oe的永久磁鐵粉末固體，純液體和溶液0.5g固體5mL液體僅應(yīng)用于反磁性和

16、順磁性物質(zhì)±0.1%可在廣泛的范圍內(nèi)控制Quincke法同上純液體和溶液5mL同上±0.1%限制在體系的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)之間Faraday法磁場強(qiáng)度同Gouy法,不均勻磁場的為常數(shù)粉末固體數(shù)mg反磁性、順磁性和鐵磁性物質(zhì)±0.15%控溫容易，控溫范圍同Gouy法Rankine法低磁場15100 Oe純液體、溶液和氣體2mL僅反磁性和順磁性物質(zhì)±0.1%同Quincke法感應(yīng)法(Induction)除研究鐵磁體外，不需外加磁場固體或液體0.5g固體或5mL液體反磁性、順磁性物質(zhì)，用特殊裝置可以研究鐵磁性物質(zhì)大于±0.1% （4）Gouy法磁天平具有操作

17、簡便，無論對順磁性或反磁性的固體或液體試樣都能進(jìn)行測定等到優(yōu)點(diǎn)，但是需用樣品量多，對粉末樣品由于其裝樣的不均勻、不同一性而引起的誤差較大，不能用于鐵磁性及超順磁性物質(zhì)的研究，通常也不適用于各向異性磁化率的測定，在應(yīng)用上受到一定的限制。Faraday磁天平卻能彌補(bǔ)以上的不足，它具有用量少，易于恒溫等優(yōu)點(diǎn)。Faraday磁天平的特點(diǎn)是使樣品懸掛在一個(gè)不均勻的磁場內(nèi)，但的值保持恒定，這時(shí)所受力為F=gDW=kVC，式中C=，又k=c×d=c×故通常用標(biāo)準(zhǔn)樣品求出b值，可見Faraday法的精度不依賴于樣品的均勻性，而僅僅取決于樣品區(qū)域的的一致性。7解題研判（1）不同勵(lì)磁電流下測得

18、的樣品摩爾磁化率是否相同？如果測量結(jié)果不同應(yīng)如何解釋？解相同，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）用本實(shí)驗(yàn)方法判別共價(jià)配鍵還是電價(jià)配鍵有何局限性？解 用測定磁矩的方法是判別共價(jià)配鍵還是電價(jià)配鍵的主要方法，但有時(shí)以共價(jià)配鍵或電價(jià)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(jià)絡(luò)離子，如Zn(CN)42-，Zn(NH3)42+等，和電價(jià)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)。（3）實(shí)驗(yàn)如何根據(jù)所測來推斷FeSO4×7H2O的結(jié)構(gòu)？解實(shí)驗(yàn)測得FeSO4×7H2O的未成對電子數(shù)n=4，則Fe2的配位體的可能構(gòu)型：是以Fe2為中心的四角雙錐正八面體。解:設(shè)DW樣品空管0.0800克，天平讀數(shù)精度為0.0002克，D（DW樣品空管DW受金）=0.0002´2+0.0002´2=0.0008克。則設(shè)W8克，DW0.0002´20.0004克，樣品實(shí)際高度h的影響，樣品填裝管內(nèi)不可能十分均勻和重現(xiàn)，因此粉末樣品的磁化率測量精度必受影響，設(shè)樣品