絡(luò)合物的磁化率的測(cè)定

絡(luò)合物的磁化率的測(cè)定班級(jí)：2012級(jí)化學(xué)（1）班 學(xué)號(hào)：20125051163姓名：馮亞威成績(jī)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握古埃（Gouy）法測(cè)定磁化率的原理和方法。2．測(cè)定兩種絡(luò)合物的磁化率，求算未成對(duì)電子數(shù)，判斷其配鍵類型。二、實(shí)驗(yàn)原理1、在外磁場(chǎng)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=B+B,二"H+B, ①00式中B為外磁場(chǎng)的感應(yīng)強(qiáng)度；B,為物質(zhì)磁化產(chǎn)生的附加磁感應(yīng)強(qiáng)度；H為外磁場(chǎng)0的強(qiáng)度；卩為真空磁導(dǎo)率，其數(shù)值等于4兀x10一7N-A-2。0物質(zhì)的磁化可用磁化強(qiáng)度M來描述，M也是一個(gè)矢量；它與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比TOC\o"1-5"\h\zM=xH ②式中X稱為物質(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'=卩M=xuH ③00將③式代入①式得：B=G+%加H=呼H ④00式中u稱為物質(zhì)的（相對(duì)）磁導(dǎo)率?；瘜W(xué)中常用質(zhì)量磁化率X或摩爾磁化率X來表示物質(zhì)的磁性質(zhì)，它們的定義mM為：XM=M-X式中P為物質(zhì)密度，M為物質(zhì)的摩爾質(zhì)量。X的單位是m3-kg-i，x的單位是mMm3-mol-12、物質(zhì)的原子、分子或離子在外磁場(chǎng)的作用下的磁化現(xiàn)象存在三種情況。（1） .物質(zhì)本身并不呈現(xiàn)磁性，但由于它內(nèi)部的電子軌道運(yùn)動(dòng)，在外磁場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生拉莫進(jìn)動(dòng)，感應(yīng)出一個(gè)誘導(dǎo)磁矩來，表現(xiàn)為一個(gè)附加磁場(chǎng)，磁矩的方向與外磁場(chǎng)相反，其磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，并隨著外磁場(chǎng)的消失而消失，這類物質(zhì)稱為逆磁性物質(zhì)，其卩VI,XV0。M（2） .物質(zhì)的原子、分子或離子本身具有永久磁矩，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。但它在外磁場(chǎng)的作用下，一方面永久磁矩會(huì)順著外磁場(chǎng)方向排列，其磁化方向與外磁場(chǎng)相同，而磁化強(qiáng)度與外磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比；另一方面物質(zhì)內(nèi)部的電子軌道運(yùn)動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生拉莫進(jìn)動(dòng)，其磁化方向與外磁場(chǎng)相反，因此這類物質(zhì)在外磁場(chǎng)下表現(xiàn)的附加磁場(chǎng)是上述兩者作用的結(jié)果，通常稱具有永久磁矩的物質(zhì)為順磁性物質(zhì)。顯然，此類物質(zhì)的摩爾磁化率是摩爾順X磁化率X和摩爾逆磁化率X兩部分之和X二X+X⑦TOC\o"1-5"\h\zM 卩 0 M 卩0但由于X>>k|，故順磁性物質(zhì)的卩>1,X>0,可以近似地把X當(dāng)作X，卩 1 0 M 卩 M即X心X ⑧\o"CurrentDocument"M 卩

（3）.物質(zhì)被磁化的強(qiáng)度與外磁場(chǎng)強(qiáng)度之間不存在正比關(guān)系，而是隨著外磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而劇烈的增強(qiáng)，當(dāng)外磁場(chǎng)消失后，這種物質(zhì)的磁性并不消失，呈現(xiàn)出滯后現(xiàn)象。這種物質(zhì)稱為鐵磁性物質(zhì)。3、假定分子間無相互作用，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，可以導(dǎo)出摩爾順磁化率和永久磁矩之間的定量關(guān)系TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"Ly2卩 cY= m―0=\o"CurrentDocument"y 3kT T式中L為阿伏伽德羅常數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)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)系，是居里（CurieP）在室驗(yàn)中首先發(fā)現(xiàn)的，所以該是稱為居里定律，C稱為居里常數(shù)。分子的摩爾逆磁率磁化率y是由誘導(dǎo)磁矩產(chǎn)生的，它與溫度的依賴關(guān)系很小。0因此具有永久磁矩的物質(zhì)的摩爾磁化率Y與磁矩間的關(guān)系為：MLy2y Ly2yYM=Y+m OQ mYM0 3kT 3kT該式將物質(zhì)的宏觀物理性質(zhì)（X）和其微觀性質(zhì)C）聯(lián)系起來了，因此只要測(cè)得MmX，代入⑩式就可算出永久磁矩卩。Mm4、物質(zhì)的順磁性來自與電子的的自旋相聯(lián)系的磁矩。電子有兩個(gè)自旋狀態(tài)。如果原子、分子或離子中兩個(gè)自旋狀態(tài)的電子數(shù)目不相等，則該物質(zhì)在外磁場(chǎng)中就呈現(xiàn)順磁性。這是由于每一個(gè)軌道上不能存在兩個(gè)自旋狀態(tài)相同的電子（泡利原理），因而各個(gè)軌道上成對(duì)電子自旋所產(chǎn)生的磁矩是相互抵消的，所以只有存在未成對(duì)電子的物質(zhì)才具有永久磁矩，她在外磁場(chǎng)中表現(xiàn)出順磁性。物質(zhì)的永久磁矩卩和它所包含的未成對(duì)電子數(shù)n的關(guān)系可用下式表示:mTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"卩=Jn(n+2加 m\o"CurrentDocument"m B卩B稱為玻爾(Bohr)磁子，其物理意義是單個(gè)自由電子自旋所產(chǎn)生的磁矩卩=_^=9.274078x10-24A?m2 12B4兀me式中h為普朗克常數(shù)，m為電子質(zhì)量。e5、由實(shí)驗(yàn)測(cè)定物質(zhì)的，代入式求出，再根據(jù)式算得未成對(duì)電子數(shù)n這對(duì)于研究某些原子或離子的電子組態(tài)，以及判斷絡(luò)合物分子的配件類型是很有意義的。絡(luò)合物分為電價(jià)絡(luò)合物和共價(jià)絡(luò)合物。電價(jià)絡(luò)合物中心離子的電子結(jié)構(gòu)不受配位體的影響，基本上保持自由離子的電子結(jié)構(gòu)，靠靜電庫(kù)侖力與配位體結(jié)合，形成電價(jià)配鍵。在這類絡(luò)合物中，含有較多的自旋平行電子，所以是高自旋配位化合物。共價(jià)絡(luò)合物則以中心離子空的價(jià)電子軌道接受配位體的孤對(duì)電子，形成共價(jià)配鍵，這類絡(luò)合物形成時(shí)，往往發(fā)生電子重排，自旋平行的電子相對(duì)減少，所以是低自旋配位化合物。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3d64so4po。如以它作為中心離子與6個(gè)HO配位體形成[Fe(HO)]2+絡(luò)離子，是電226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。見圖所示：如①①CD? O OOO3時(shí) A.: -i/fFe2+在自由離子狀態(tài)下的外層電子結(jié)構(gòu)如果Fe2+離子與6個(gè)CN-1離子配位體形成[Fe(CN)]4-絡(luò)離子，則是共價(jià)絡(luò)合物。6這時(shí)其中Fe2+離子的外電子層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，n=0。見圖所示：iJ 2Fe2+外層電子結(jié)構(gòu)的重排顯然，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。三、實(shí)驗(yàn)儀器藥品試劑：莫爾氏鹽(NH4)2SO4?FeSO4,亞鐵氰化鉀K4[Fe(CN)6】,硫酸亞鐵FeSO4儀器：古埃磁天平(包括磁極、勵(lì)磁電源、電子天平等)，軟質(zhì)玻璃樣品管，裝樣品工具(包括研缽、角匙、小漏斗等)。四、 實(shí)驗(yàn)步驟Am二m—m磁無磁場(chǎng)1、測(cè)量空管無磁場(chǎng)時(shí)的質(zhì)量m ，然后測(cè)量電流為0.6A時(shí)空管的質(zhì)量m。求無磁場(chǎng) 無出Am?？展?、 裝相應(yīng)的樣品，測(cè)無磁場(chǎng)時(shí)的質(zhì)量，然后測(cè)量電流為0.6A時(shí)的質(zhì)量，求出Am。樣品2\Am —Am)ghMM3、利用X= 樣*空 空+一X計(jì)算X，利用莫爾氏鹽的X計(jì)算m 卩mH2 p空 m m0H。4、 利用X計(jì)算卩和n。mm5、 整理儀器。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理實(shí)驗(yàn)溫度：15°C無電流電流為0.6AAm空管的質(zhì)量/g25.368125.3680lx10-4空管加(NH4)2SO4-FeSO4的質(zhì)量/g38.164838.16682x10-3

已知莫爾氏鹽的x與熱力學(xué)溫度T的關(guān)系式為x=9500x4兀X10-9m3-kg-1,由MM此可以得出莫爾氏鹽的X為X=4.112x10-7m3-kg-1 ⑴MM2 —Am丿ghMM已知X=——樣+空彳空g—+Mx，其中h為樣品的實(shí)際高度，m為無外加m 卩mH2 p空0磁場(chǎng)時(shí)樣品的質(zhì)量，M為樣品的摩爾質(zhì)量，P為樣品的密度，真空磁導(dǎo)率卩二4kx10-7N-A-2，空氣的體積磁化率x二3.64x10-7，但因樣品管體積很小,0空故常常忽略。X=人X10一1X】°J10-3X°8X°」8X284x1°-3 ?M 4kx10-7x38.1648x10-3xH2由⑴⑵得H二9827.6由xM2(A由xM2(Am-AmM+PX空和已計(jì)算出的H得出FeSO4的無電流電流為0.6AAm空管的質(zhì)量/g25.369725.37003x10-4空管加FeSO/g37.246937.24993x10-3=3.205x10-7m3kg-12x§x10-3—3x10-4厶10-3x9.8x0.18x152x10-3

4kx10-=3.205x10-7m3kg-1由XM=X0+導(dǎo)?導(dǎo)和b=丫^^得卩m=九373X10-23 -6無電流電流為0.6AAm空管的質(zhì)量/g25.369025.36922x10-4空管加K4[Fe(CN)6]的質(zhì)量/g34.709534.70994x10-4同理可得K4[Fe（CN）6]的xM2xCxlO-4一2xlO-41<10一3x9.8x0.18x368xlO-3X= =6.167x10-sm3-kg-1M 4^x10-7x34.7095x10-3xH2由X=X+°卩：卩o沁°卩：卩o和卩=-n（n+2）^1得卩=3.1308x10-23,n-3M 人0 3kT 3kT m'、 m六、問題討論與分析1、 在相同勵(lì)磁電流下，前后兩次測(cè)量的結(jié)果有無差別？磁場(chǎng)強(qiáng)度是否一致？在不同勵(lì)磁電流下測(cè)得樣品的摩爾磁化率是否相同？答：在相同勵(lì)磁電流下，前后兩次測(cè)量的結(jié)果通常有差別。由于電磁鐵的磁芯所用的磁導(dǎo)材料不是理想的軟磁體，在電流為零沒有外加磁場(chǎng)時(shí)，存在一定的剩磁。因此，在升降電流時(shí)，在相同的電流強(qiáng)度下，實(shí)際所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度有一定的差異。在不同勵(lì)磁電流下測(cè)得樣品的摩爾磁化率應(yīng)相同，因摩爾磁化率是物質(zhì)的特質(zhì)。2、 樣品的裝填高度及其在磁場(chǎng)中的位置有何要求？如果樣品管的底部不在極縫中心，對(duì)測(cè)量結(jié)果有何影響？標(biāo)準(zhǔn)樣品和待測(cè)樣品的裝填高度不一致對(duì)實(shí)驗(yàn)有何影響？同一樣品的不同裝填高度對(duì)實(shí)驗(yàn)有何影響？答：樣品粉末要填實(shí)，裝填高度與磁極上沿齊平；樣品管的底部要置于電磁鐵的極縫中心。如果樣品管的底部不在極縫中心，則（1）樣品有可能處于梯度相反的磁場(chǎng)中，樣品受到的一部分磁力會(huì)被抵消而使測(cè)量結(jié)果偏低；（2）只有在極縫中心位置，才是磁場(chǎng)梯度為零的起點(diǎn)，這是原理中計(jì)算的基本要求,以保證樣品位于有足夠梯度變化的磁場(chǎng)中,減少測(cè)量的相對(duì)誤差。在實(shí)驗(yàn)容許的高度范圍內(nèi)，對(duì)于同一樣品，不同的裝填高度下測(cè)得的磁化率相同，對(duì)實(shí)驗(yàn)無影響。3、 裝樣不平行引入的誤差有多大？影響本實(shí)驗(yàn)結(jié)果的主要因素有哪些？答：（1）由于最上面的那些樣品粉末不能壓緊壓平，由式2^\m—Aw）MX二一樣——匚+MX可知，測(cè)量高度h的誤差比較大，導(dǎo)致樣品頂端磁場(chǎng)m |nmH2 p空0強(qiáng)度的偏差。（2）影響磁化率測(cè)定的因素很多。但主要因素（與實(shí)驗(yàn)成敗和實(shí)驗(yàn)原理有關(guān)）是：a.制樣方式：樣品要磨細(xì)且均勻，樣品要與標(biāo)樣保持相同的填充高度。b.樣品管在磁場(chǎng)中的位置：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七、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1、由于實(shí)驗(yàn)實(shí)際操作時(shí)所使用的儀器已經(jīng)沒有玻璃門，故稱量時(shí)應(yīng)盡量不要有大動(dòng)作的走動(dòng)，或太多人圍觀、說話等，應(yīng)該盡量保持整個(gè)稱量過程是在沒有太多干擾磁場(chǎng)的因素的環(huán)境下進(jìn)行。2、 樣品管一定要干凈。AW空管=W空管(H=H)-W空管(H=0)>0時(shí)表明樣品管不干凈，應(yīng)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(cè)量準(zhǔn)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(shí)間才開始測(cè)量的，不排除樣品會(huì)發(fā)生相應(yīng)的吸水和失水，