磁化率测定 实验目的 1.测定物质的摩尔磁化率,推算分子磁矩,估计分子内未成对电子数,判 断分子配键的类型 2.掌握古埃(Gouy)磁天平测定磁化率的原理和方法。 二实验原理 摩尔磁化率和分子磁矩 物质在外磁场作用下,由于电子等带电体的运动,会被磁化而感应出一个附 加磁场。物质被磁化的程度用磁化率ⅹ表示,它与附加磁场强度和外磁场强度 的比值有关:H=4IxH0 ⅹ为无因次量,称为物质的体积磁化率,简称磁化率,表示单位体积内磁场强 度的变化,反映了物质被磁化的难易程度。化学上常用摩尔磁化率ⅹ表示磁 化程度,它与x的关系为xn=xMp 式中M、p分别为物质的摩尔质量与密度。m的单位为m3mol 物质在外磁场作用下的磁化现象有三种: 第一种,物质的原子、离子或分子中没有自旋未成对的电子,即它的分子 磁矩μm=0。当它受到外磁场作用时,内部会产生感应的“分子电流”,相应产 生一种与外磁场方向相反的感应磁矩。如同线圈在磁场中产生感生电流,这 电流的附加磁场方向与外磁场相反。这种物质称为反磁性物质,如Hg、Cu、 Bi等。它的称为反磁磁化率,用表示,且<0。 第二种,物质的原子、离子或分子中存在自旋未成对的电子,它的电子角
磁化率测定 一 实验目的 1. 测定物质的摩尔磁化率，推算分子磁矩，估计分子内未成对电子数，判 断分子配键的类型。 2. 掌握古埃 (Gouy)磁天平测定磁化率的原理和方法。 二 实验原理 摩尔磁化率和分子磁矩 : 物质在外磁场作用下，由于电子等带电体的运动，会被磁化而感应出一个附 加磁场。物质被磁化的程度用磁化率χ表示，它与附加磁场强度和外磁场强度 的比值有关： Hˊ=4πχH0 (1) χ为无因次量，称为物质的体积磁化率，简称磁化率，表示单位体积内磁场强 度的变化，反映了物质被磁化的难易程度。化学上常用摩尔磁化率 χm表示磁 化程度，它与 χ 的关系为 χm = χM/ρ (2) 式中 M、ρ 分别为物质的摩尔质量与密度。χm的单位为 m 3 mol −1。 物质在外磁场作用下的磁化现象有三种： 第一种，物质的原子、离子或分子中没有自旋未成对的电子，即它的分子 磁矩 µm = 0。当它受到外磁场作用时，内部会产生感应的“分子电流”，相应产 生一种与外磁场方向相反的感应磁矩。如同线圈在磁场中产生感生电流，这一 电流的附加磁场方向与外磁场相反。这种物质称为反磁性物质，如 Hg、Cu、 Bi 等。它的称为反磁磁化率，用表示，且<0。 第二种，物质的原子、离子或分子中存在自旋未成对的电子，它的电子角
动量总和不等于零,分子磁矩μm≠0。这些杂乱取向的分子磁矩在受到外磁场 作用时,其方向总是趋向于与外磁场同方向,这种物质称为顺磁性物质,如 Mn、Cr、Pt等,表现出的顺磁磁化率用表示 但它在外磁场作用下也会产生反向的感应磁矩,因此它的ⅹ是顺磁 磁化率与反磁磁化率之和。因x则>>x威,所以对于顺磁性物质,可以认 为ⅹm=x顺,其值大于零,即xm>0。 第三种,物质被磁化的强度随着外磁场强度的増加而剧烈增强,而且 在外磁场消失后其磁性并不消失。这种物质称为铁磁性物质。 对于顺磁性物质而言,摩尔顺磁磁化率与分子磁矩μm关系可由居里 郎之万公式表示:xm=X顺=(LH0Hm)/3kT(3) 式中L为阿伏加德罗常数(6022×102mol),k为玻尔兹曼常数(138 ×102J·K),以0为真空磁导率(4m×10N·A2),T为热力学温度 式(2-136)可作为由实验测定磁化率来研究物质内部结构的依据。分子磁矩 um由分子内未配对电子数n决定,其关系如下 um=HRyn(n+ 2) (4) 式中μB为玻尔磁子,是磁矩的自然单位。μB=9274×10JT(T为 磁感应强度的单位,即特斯拉)。 求得n值后可以进一步判断有关络合物分子的配键类型。例如,Fe离子 在自由离子状态下的外层电子结构为3d4s4p。如以它作为中心离子与6 个H2O配位体形成Fe(H2O)l络离子,是电价络合物。其中Feˉ离子 仍然保持原自由离子状态下的电子层结构,此时n=4。如果Fe离子与
动量总和不等于零，分子磁矩 µm ≠ 0。这些杂乱取向的分子磁矩在受到外磁场 作用时，其方向总是趋向于与外磁场同方向，这种物质称为顺磁性物质，如 Mn、Cr、Pt 等，表现出的顺磁磁化率用表示。 但它在外磁场作用下也会产生反向的感应磁矩，因此它的 χm 是顺磁 磁化率与反磁磁化率之和。因|χ顺|>>|χ反|，所以对于顺磁性物质，可以认 为χm =χ顺，其值大于零，即χm>0。 第三种，物质被磁化的强度随着外磁场强度的增加而剧烈增强，而且 在外磁场消失后其磁性并不消失。这种物质称为铁磁性物质。 对于顺磁性物质而言，摩尔顺磁磁化率与分子磁矩 µ m关系可由居里 －郎之万公式表示： χm =χ顺 = (Lμ0μm)/3kT (3) 式中 L 为阿伏加德罗常数（6.022×1023 mol −1），k 为玻尔兹曼常数(1.380 6 ×10 −23J·K −1 )，µ0为真空磁导率（4 π×10 −7 N·A −2），T 为热力学温度。 式(2-136)可作为由实验测定磁化率来研究物质内部结构的依据。分子磁矩 µm 由分子内未配对电子数 n 决定，其关系如下： = n(n + 2) m B (4) 式中 µB为玻尔磁子，是磁矩的自然单位。µB = 9.274 ×10 −24 JT −1（T 为 磁感应强度的单位，即特斯拉）。 求得 n 值后可以进一步判断有关络合物分子的配键类型。例如，Fe2+ 离子 在自由离子状态下的外层电子结构为 3d6 4s0 4p0。如以它作为中心离子与 6 个 H2O 配位体形成[Fe (H2O)6 ] 2+ 络离子，是电价络合物。其中 Fe 2+ 离子 仍然保持原自由离子状态下的电子层结构，此时 n = 4。 如果 Fe2+ 离子与
6个CN离子配位体形成[Fe(CNA“络离子,则是共价络合物。这时其 中Fe离子的外电子层结构发生变化,n=0。 显然,其中6个空轨道形成dsp的6个杂化轨道,它们能接受6个 CN离子中的6对孤对电子,形成共价配键 三试剂与仪器 试剂:莫尔氏盐CNH4)SO4·FeSO4·6H2O,亚铁氰化钾 KlFe(Cn) 3HO,硫酸亚铁FeSO·THO 仪器:古埃磁天平(包括磁极、励磁电源、电子天平等),CT5型高 斯计,玻璃样品管,装样品工具(包括研钵、角匙、小漏斗等) 四实验步骤 1.磁场强度分布的测定 (1)分别在特定励磁电流(I1=20A,I2=40A,I3=60A)的条件 下,用高斯计测定从磁场中心起,每提高lcm处的磁场强度,直至离磁 场中心线20cm处为止 (2)重复上述实验,并求各高度处的磁场强度平均值。 2.用莫尔氏盐标定在特定励磁电流下的磁场强度H (1)取一支清洁、干燥的空样品管,悬挂在天平一端的挂钩上,使样 品管的底部在磁极中心连线上。准确称量空样品管。然后将励磁电流电 源接通,依次称量电流在20A、40A、60A时的空样品管。接着将电 流调至7A,然后减小电流,再依次称量电流在60A、40A、2.0A时的 空样品管。将励磁电流降为零时,断开电源开关,再称量一次空样品管
6 个 CN − 离子配位体形成[Fe (CN)6 ] 4− 络离子，则是共价络合物。这时其 中 Fe 2+ 离子的外电子层结构发生变化，n = 0。 显然，其中 6 个空轨道形成 d 2 sp 3的 6 个杂化轨道，它们能接受 6 个 CN − 离子中的 6 对孤对电子，形成共价配键。 三 试剂与仪器 试剂：莫尔氏盐 (NH4 ) 2SO4 •FeSO4• 6H2O，亚铁氰化钾 K4 [Fe (CN)6 ] •3H2O，硫酸亚铁 FeSO4•7H2O。 仪器：古埃磁天平（包括磁极、励磁电源、电子天平等），CT5 型高 斯计，玻璃样品管，装样品工具（包括研钵、角匙、小漏斗等）。 四 实验步骤 1. 磁场强度分布的测定 (1) 分别在特定励磁电流（I 1 = 2.0A，I 2 = 4.0A，I 3 = 6.0A）的条件 下，用高斯计测定从磁场中心起，每提高 1cm 处的磁场强度，直至离磁 场中心线 20cm 处为止。 (2) 重复上述实验，并求各高度处的磁场强度平均值。 2. 用莫尔氏盐标定在特定励磁电流下的磁场强度 H (1) 取一支清洁、干燥的空样品管，悬挂在天平一端的挂钩上，使样 品管的底部在磁极中心连线上。准确称量空样品管。然后将励磁电流电 源接通，依次称量电流在 2.0A、4.0A、6.0A 时的空样品管。接着将电 流调至 7A，然后减小电流，再依次称量电流在 6.0A、4.0A、2.0A 时的 空样品管。将励磁电流降为零时，断开电源开关，再称量一次空样品管
由此可求出样品质量m0及电流在20A、40A、60A时的△mo(应重复 次取平均值 上述调节电流由小到大、再由大到小的测定方法,是为了抵消实验 时磁场剩磁现象的影响。 (2)取下样品管,装入莫尔氏盐(在装填时要不断将样品管底部敲击 木垫,使样品粉末填实),直到样品高度约15cm为止。准确测量样 品高度h,测量电流为零时莫尔氏盐的质量m及20A、40A、60A时 的△mB的平均值 3.样品的摩尔磁化率测定 用标定磁场强度的样品管分别装入亚铁氰化钾与硫酸亚铁,同上要 求测定其h、m及20A、40A、60A时的△m 五数据处理 1.分别描绘在特定励磁电流为20A、40A、60A时的磁场强度随着 距离磁场中心线高度而变化的分布曲线 2.由莫尔氏盐的磁化率和实验数据,计算各特定励磁电流相应的磁 场强度值,并与高斯计测量值进行比较。 3.由亚铁氰化钾与硫酸亚铁的实验数据,分别计算和讨论在 I=2.0A,I2=40A,I3=6.0A时的xm、μm以及未成对电子数n 4.试讨论亚铁氰化钾和硫酸亚铁中Fe离子的外电子层结构和配键 类型。 六思考题 简述用古埃磁天平法测定磁化率的基本原理
由此可求出样品质量 m 0及电流在 2.0A、4.0A、6.0A 时的∆m0 （应重复 一次取平均值）。 上述调节电流由小到大、再由大到小的测定方法，是为了抵消实验 时磁场剩磁现象的影响。 (2) 取下样品管，装入莫尔氏盐（在装填时要不断将样品管底部敲击 木垫，使样品粉末填实），直到样品高度约 15cm 为止。准确测量样 品高度 h，测量电流为零时莫尔氏盐的质量 mB及 2.0A、4.0A、6.0A 时 的∆mB 的平均值。 3. 样品的摩尔磁化率测定 用标定磁场强度的样品管分别装入亚铁氰化钾与硫酸亚铁，同上要 求测定其 h、m 及 2.0A、4.0A、6.0A 时的∆m。 五 数据处理 1. 分别描绘在特定励磁电流为 2.0A、4.0A、6.0A 时的磁场强度随着 距离磁场中心线高度而变化的分布曲线。 2. 由莫尔氏盐的磁化率和实验数据，计算各特定励磁电流相应的磁 场强度值，并与高斯计测量值进行比较。 3. 由亚铁氰化钾与硫酸亚铁的实验数据，分别计算和讨论在 I 1=2.0A，I 2 = 4.0A，I 3 = 6.0A 时的 χm 、µm以及未成对电子数 n。 4. 试讨论亚铁氰化钾和硫酸亚铁中 Fe2+离子的外电子层结构和配键 类型。 六 思考题 1. 简述用古埃磁天平法测定磁化率的基本原理
2.本实验中为什么样品装填高度要求在15cm左右? 3.在不同的励磁电流下测定的样品摩尔磁化率是否相同?为什么? 实验结果若有不同应如何解释? 4.从摩尔磁化率如何计算分子内未成对电子数及判断其配键类型? 5.在什么条件下可以由计算待测样品的摩尔磁化率?(式中mB、△ m3分别为莫尔氏盐的质量和莫尔氏盐在有磁场和无磁场时的称量值的 变化。)
2. 本实验中为什么样品装填高度要求在 15 cm 左右？ 3. 在不同的励磁电流下测定的样品摩尔磁化率是否相同？为什么？ 实验结果若有不同应如何解释？ 4. 从摩尔磁化率如何计算分子内未成对电子数及判断其配键类型？ 5. 在什么条件下可以由计算待测样品的摩尔磁化率？（式中 mB、∆ mB 分别为莫尔氏盐的质量和莫尔氏盐在有磁场和无磁场时的称量值的 变化。）