磁化率的测定(实验报告)

磁化率的测定

1.实验目的

1.1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。

1.2掌握古埃(Gouy)磁天平测定磁化率的原理和方法。

2.实验原理

2.1摩尔磁化率和分子磁矩

物质在外磁场H0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H'。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：

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

式中M、ρ分别为物质的摩尔质量与密度。χm的单位为m3·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χm称为反磁磁化率，用χ反表示，且χ反<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χ顺表示。

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χ顺。与反磁磁化率χ

反之和。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µm关系可由居里－郎之万公式表示：

式中L为阿伏加德罗常数(6.022 ×1023mol－1)，、k为玻尔兹曼常数(1.3806×10-23J·K－1)，µ0为真空磁导率（4π×10－7N·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。

分子磁矩由分子内未配对电子数n决定，其关系如下：

式中µB为玻尔磁子，是磁矩的自然单位。µB=9.274 ×10-24J·T-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3d64s04p0。如以它作为中心离子与6个H20配位体形成[Fe(H20)6]2+络离子，是电价络合物。其中Fe2＋离子仍然保持原自由离子状态下的电子层结构，此时n=4。如下图所示：

如果Fe2+离子与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Fe2+离子的外电子层结构发生变化，n=0。见图2-64所示：

显然，其中6个空轨道形成d2sp3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。

2.2摩尔磁化率的测定

本实验用古埃磁天平测定物质的摩尔磁化率χm，测定原理

如图2所示。

一个截面积为A的样品管，装入高度为h、质量为m的样

品后，放入非均匀磁场中。样品管底部位于磁场强度最大之处，

即磁极中心线上，此处磁场强度为H。样品最高处磁场强度为

零。前已述及，对于顺磁性物质，此时产生的附加磁场与原磁

场同向，即物质内磁场强度增大，在磁场中受到吸引力。设χ0为空气的体积磁化率，可以证明，样品管内样品受到的力为：

考虑到ρ＝m/hA，而χ0值很小，相应的项可以忽略，可得

在磁天平法中利用精度为0.1mg的电子天平间接测量F值。设△m0为空样品管在有磁场和无磁场时的称量值的变化，△m为装样品后在有磁场和无磁场时的称量值的变化，则

式中、g为重力加速度(9.81m·s－2)。可得

磁场强度H可由特斯拉计或CT5高斯计测量。应该注意，高斯计测量的实际上是磁感应强度B，单位为T(特斯拉)，1T=104高斯。磁场强度H可由B =µ0 H关系式计算得到，H的单位为A·m－1。也可

与热力学温度T的关系为：

用已知磁化率的莫尔氏盐标定。莫尔氏盐的摩尔磁化率B

m

式中M为莫尔氏盐的摩尔质量(kg·mol－1)。

3.实验步骤

3.1打开励磁电源开关，电流表，打开电子天平的电源，并按下“清零”按钮，毫特斯拉计表头调零，

然后调节磁场强度约为100mT，检查霍尔探头是否在磁场最强处，并固定其位置，使试管尽可能在两磁头中间（磁场最强处）；

3.2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；

3.3慢慢调节磁场强度为300（mT），等电子天平读数稳定之后，读取电子天平的读数；

3.4慢慢调节磁场强度读数至350（mT），读取电子天平的读数；

3.5慢慢调节磁场强度读数高至400（mT），等30秒，然后下降至350（mT），读取电子天平的读数；

3.6将磁场强度读数降至300（mT），读取电子天平的读数；

3.7再将磁场强度读数调至最小，读取电子天平的读数；

3.8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)，直到样品高度至试管标记处，按照上面的步骤分别测量其在0（mT ）、300（mT ）、350（mT ）时候电子天平的读数；

（注：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。） 3.9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样品1亚铁氰化钾K 4[Fe(CN)6]·3H 20和样品2硫酸亚铁FeS04·7H 20，按上述相同的步骤测量其在0（mT ）、300（mT ）、350（mT ）时候电子天平的读数。

4.数据记录与处理

数据表：室温o C

称量m/g

磁场强度/mT

0 300 350 400 350 300 0 空管 16.4988 16.5022 16.4903 / 16.4928 16.4946 16.4904 莫尔盐 19.3977 19.5351 19.5788 / 19.5825 19.5363 19.4014 亚铁氰化钾 19.0382 19.0290 19.0235 / 19.0331 19.0329 19.0375 硫酸亚铁

19.3048

19.4847

19.5314

/

19.5399

19.4795

19.3076

4.1由上表数据分别计算样品管及样品在无磁场时的质量（m ）和在不同磁场强度下的质量变化（△m ）： 磁化强度/mT

空管△m/g 莫尔盐△m/g 亚铁氰化钾△m/g

硫酸亚铁△m/g

0 0.0084 -0.0017 0.0007 0.0008 300 0.0076 -0.0012 -0.0039 0.0052 350

-0.0025

-0.0037

-0.0096

-0.0085

4.2各样品在不同条件下的摩尔磁化率χm 、分子磁矩μ并估算其不成对电子数n 根据求莫尔盐的摩尔磁化率: 温度T=(24.9+273.15)K

M 莫尔盐=392.14g/mol M 硫酸亚铁=278.02 g/mol M 六氰合铁（II ）酸钾=422.39 g/mol χm =L μ0μm 2/3kT

L=6.022 ×1023mol －1,k=1.3806×10-23J·K －1，µ0=4π×10－7

N·

A －2，µ

B =9.274 ×10-24J·T -1 莫尔氏盐的摩尔磁化率B m

χ

π41

1095009

⨯+⨯-T =×392.14×10-3=1.57×10-7m 3/mol -1