物化實(shí)驗(yàn)-實(shí)驗(yàn)報(bào)告-磁化率

華南師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱：結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：磁化率的測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)題目：磁化率的測(cè)定二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握古埃(Gouy)磁天平測(cè)定磁化率的原理和方法。2.通過對(duì)一些配位化合物磁化率的測(cè)定，計(jì)算中心離子的不成對(duì)電子數(shù)，并判斷d電子的排布情況和配位體場(chǎng)的強(qiáng)弱。三、實(shí)驗(yàn)原理1、摩爾磁化率和分子磁矩:物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下，由于電子等帶電體的運(yùn)動(dòng)，會(huì)被磁化而感應(yīng)出一個(gè)附加磁場(chǎng)。物質(zhì)被磁化的程度用磁化率χ表示，它與附加磁場(chǎng)強(qiáng)度和外磁場(chǎng)強(qiáng)度的比值有關(guān)：Hˊ=4πχH0(1)χ為無因次量，稱為物質(zhì)的體積磁化率，簡(jiǎn)稱磁化率，表示單位體積內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)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χm表示磁化程度，它與χ的關(guān)系為χm=χM/ρ(2)式中M、ρ分別為物質(zhì)的摩爾質(zhì)量與密度。χm的單位為m3mol?1。物質(zhì)在外磁場(chǎng)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(duì)的電子，即它的分子磁矩μm=0。當(dāng)它受到外磁場(chǎng)作用時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)的“分子電流”，相應(yīng)產(chǎn)生一種與外磁場(chǎng)方向相反的感應(yīng)磁矩。如同線圈在磁場(chǎng)中產(chǎn)生感生電流，這一電流的附加磁場(chǎng)方向與外磁場(chǎng)相反。這種物質(zhì)稱為反磁性物質(zhì)，如Hg、Cu、Bi等。它的稱為反磁磁化率，用表示，且<0。第二種，物質(zhì)的原子、離子或分子中存在自旋未成對(duì)的電子，它的電子角動(dòng)量總和不等于零，分子磁矩μm≠0。這些雜亂取向的分子磁矩在受到外磁場(chǎng)作用時(shí)，其方向總是趨向于與外磁場(chǎng)同方向，這種物質(zhì)稱為順磁性物質(zhì)，如Mn、Cr、Pt等，表現(xiàn)出的順磁磁化率用表示。但它在外磁場(chǎng)作用下也會(huì)產(chǎn)生反向的感應(yīng)磁矩，因此它的χm是順磁磁化率與反磁磁化率之和。因|χ順|>>|χ反|，所以對(duì)于順磁性物質(zhì)，可以認(rèn)為χm=χ順，其值大于零，即χm>0。第三種，物質(zhì)被磁化的強(qiáng)度隨著外磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而劇烈增強(qiáng)，而且在外磁場(chǎng)消失后其磁性并不消失。這種物質(zhì)稱為鐵磁性物質(zhì)。.簡(jiǎn)單絡(luò)合物的磁性與未成對(duì)電子2、對(duì)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：χm=χ順=(NAμ0μm)/3kT(3)式中NA為阿伏加德羅常數(shù)（6.022×1023mol?1），k為玻爾茲曼常數(shù)(1.3806×10?23J·K?1)，μ0為真空磁導(dǎo)率（4π×10?7N·A?2），T為熱力學(xué)溫度。式(2-136)可作為由實(shí)驗(yàn)測(cè)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μm由分子內(nèi)未配對(duì)電子數(shù)n決定，其關(guān)系如下：(4)式中μB為玻爾磁子，是磁矩的自然單位。μB=9.274×10?24JT?1（T為磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位，即特斯拉）。求得n值后可以進(jìn)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(gè)H2O配位體形成[Fe(H2O)6]2+絡(luò)離子，是電價(jià)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(shí)n=4。如果Fe2+離子與6個(gè)CN?離子配位體形成[Fe(CN)6]4?絡(luò)離子，則是共價(jià)絡(luò)合物。這時(shí)其中Fe2+離子的外電子層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，n=0。顯然，其中6個(gè)空軌道形成d2sp3的6個(gè)雜化軌道，它們能接受6個(gè)CN?離子中的6對(duì)孤對(duì)電子，形成共價(jià)配鍵。3、古埃法測(cè)定磁化率古埃磁天平法是測(cè)定物質(zhì)磁化率的實(shí)驗(yàn)方法之一，實(shí)驗(yàn)裝置見儀器說明中圖1。在圓柱形的玻璃樣品管中放入測(cè)定樣品，把樣品管懸掛在天平的掛勾上，使樣品管的底部處于外磁場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)處，即電磁鐵兩極的中心位置。樣品管中的樣品要緊密、均勻，且量要足夠多，樣品管的上端要處于外磁場(chǎng)強(qiáng)度小到可以忽略的位置，甚至為零的區(qū)域。這樣，樣品就處于一不均勻的磁場(chǎng)中，設(shè)樣品的截面積為A，樣品管的長(zhǎng)度方向?yàn)榈捏w積,在非均勻磁場(chǎng)中所受到的作用力為式中為磁場(chǎng)中心位置的強(qiáng)度，為磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度，對(duì)于順磁性物質(zhì)的作用力指向磁場(chǎng)強(qiáng)度最大的方向，反磁性物質(zhì)則指向磁場(chǎng)強(qiáng)度最弱的方向，當(dāng)不考慮樣品周圍介質(zhì)（如空氣，其磁化率很?。┖虷0的影響時(shí)，整個(gè)樣品所受的力為（13）若空樣品管在無外磁場(chǎng)作用和有外磁場(chǎng)作用兩種情況下的重量差為，同一樣品管裝有樣品后在無外磁場(chǎng)和有外磁場(chǎng)作用時(shí)的重量差為，則（14）式中為重力加速度，由（13）和（14）式得：（15）已知、，測(cè)得和，由（15）式可求算出。實(shí)驗(yàn)中可以通過高斯計(jì)直接測(cè)量，亦可采用標(biāo)準(zhǔn)樣品標(biāo)定。后一種方法是在樣品管中裝入標(biāo)準(zhǔn)樣，做同樣的實(shí)驗(yàn)測(cè)定有：（16）有，k=所以Xm=圖1實(shí)驗(yàn)儀器裝置圖一般以莫爾氏鹽［］為標(biāo)準(zhǔn)樣，它的摩爾磁化率與溫度的關(guān)系為式中為熱力學(xué)溫度，M莫為莫爾氏鹽的摩爾質(zhì)量kg/mol。由實(shí)驗(yàn)測(cè)得樣品的摩爾磁化率后，求算分子磁矩，再根據(jù)式（4）估算未成對(duì)電子數(shù)。四、注意事項(xiàng)1. 所測(cè)樣品應(yīng)事先研細(xì)，放在裝有濃硫酸的干燥器中干燥。空樣品管需干燥潔凈。裝樣時(shí)應(yīng)使樣品均勻填實(shí)。稱量時(shí)，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接觸。4.樣品倒回試劑瓶時(shí)，注意瓶上所貼標(biāo)志，切記倒錯(cuò)瓶子五、試劑與儀器試劑：莫爾氏鹽(NH4)2SO4?FeSO4?6H2O，亞鐵氰化鉀K4[Fe(CN)6]?3H2O，硫酸亞鐵FeSO4?7H2O。儀器：古埃磁天平（包括磁極、勵(lì)磁電源、電子天平等），CT5型高斯計(jì)，玻璃樣品管，裝樣品工具（包括研缽、角匙、小漏斗等）。六、實(shí)驗(yàn)步驟標(biāo)定磁場(chǎng)強(qiáng)度方法如下。1、取一只清潔干燥的樣品管懸掛在磁天平的掛鉤上，測(cè)量得m空。2、調(diào)節(jié)電流開關(guān)，至1A，測(cè)得m空。3、繼續(xù)調(diào)大電流，至3A，測(cè)得m空。4、繼續(xù)調(diào)大電流，至4A，停留一定時(shí)間后，調(diào)小電流回到3A.測(cè)得m空。5、繼續(xù)調(diào)小電流到1A，測(cè)得m空6、關(guān)閉電流測(cè)得m空。表1數(shù)據(jù)記錄表（空管）電流/A空管質(zhì)量/gm/g（電流升高）（電流降低）平均值0137、裝入已經(jīng)研細(xì)的莫氏鹽，裝樣盡量填實(shí)，用直尺測(cè)量裝樣的高度，將樣品放入磁天平，按照空管的方法測(cè)量樣品管的重量。表2樣品：莫氏鹽，裝樣高度：電流/A空管質(zhì)量/gm/g（電流升高）（電流降低）平均值0138、倒出莫氏鹽，洗凈樣品管，吹干。裝入研細(xì)的硫酸亞鐵，裝樣高度盡量和莫氏鹽相同，用同樣的方法測(cè)量硫酸亞鐵的數(shù)據(jù)。表3樣品：硫酸亞鐵，裝樣高度：電流/A空管質(zhì)量/gm/g（電流升高）（電流降低）平均值0139、倒出硫酸亞鐵，洗凈樣品管，吹干。裝入研細(xì)的亞鐵氰化鉀，裝樣高度盡量和莫氏鹽相同，用同樣的方法測(cè)量亞鐵氰化鉀的數(shù)據(jù)。表4樣品：亞鐵氰化鉀，裝樣高度：電流/A空管質(zhì)量/gm/g（電流升高）（電流降低）平均值013七數(shù)據(jù)處理1.計(jì)算校準(zhǔn)樣品的磁化率2.根據(jù)式計(jì)算待測(cè)樣品的磁化率，取平均值。3、由摩爾磁化率計(jì)算樣品的未成對(duì)電子數(shù)八思考題1.簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)操作應(yīng)注意的問題。答：a、所測(cè)樣品應(yīng)事先研細(xì)，放在裝有濃硫酸的干燥器中干燥。b、空樣品管需干燥潔凈。裝樣時(shí)應(yīng)使樣品均勻填實(shí)。c、稱量時(shí)，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接觸。d、樣品倒回試劑瓶時(shí)，注意瓶上所貼標(biāo)志，切記倒錯(cuò)瓶子2. 用古埃磁天平測(cè)定磁化率的精密度與哪些因素有關(guān)？答1．材料性質(zhì)的影響：古埃磁天平只能測(cè)量弱磁性物質(zhì)。對(duì)于強(qiáng)磁性物質(zhì)，將樣品管懸于磁極的中心位置時(shí)，樣品管立即被吸附在磁極上，無法進(jìn)行測(cè)量。

2．磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響：對(duì)于弱磁性物質(zhì)，如果磁場(chǎng)強(qiáng)度過大，將樣品管懸于磁極的中心位置時(shí)，樣品管也有被磁極吸附而傾斜的現(xiàn)象，給測(cè)量帶來困難，或者天平顯得極不靈敏而無法進(jìn)行測(cè)量。因此在實(shí)驗(yàn)前應(yīng)適當(dāng)調(diào)整電流的大小，尋找合適的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

3．實(shí)驗(yàn)操作的影響：由于弱磁性物質(zhì)在加磁場(chǎng)前后質(zhì)量差異較小，因此測(cè)量時(shí)應(yīng)細(xì)心操作，正確讀數(shù)，否則將產(chǎn)生巨大的實(shí)驗(yàn)誤差。八、討論與總結(jié)1. 用測(cè)定磁矩的方法可判別化合物是共價(jià)絡(luò)合物還是電價(jià)絡(luò)合物。共價(jià)絡(luò)合物則以中央離子的空價(jià)電子軌道接受配位體的孤對(duì)電子，以形成共價(jià)配價(jià)鍵，為了盡可能多成鍵，往往會(huì)發(fā)生電子重排，以騰出更多的空的價(jià)電子軌道來容納配位體的電子對(duì)。2.有機(jī)化合物絕大多數(shù)分子都是由反平行自旋電子對(duì)而形成的價(jià)鍵，因此，這些分子的總自旋磁矩也等于零，它們必然是反磁性的。巴斯卡（Pascol）分析了大量有機(jī)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(jī)物分子結(jié)構(gòu)。圖Fe2+外層電子配布結(jié)構(gòu)圖3.從磁性測(cè)量中還能得到一系列其它資料。例如測(cè)定物質(zhì)磁化率對(duì)溫度和磁場(chǎng)強(qiáng)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(duì)合金磁化率測(cè)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(guó)際單位SI制