磁化率的测定

数据记录
实验温度：13.8℃=286.95K 气压:85.34KPa
m0/mg
空管 莫尔盐 (M=392.14g/mol) FeSO4·7H20 (M=278.03g/mol)
m1/mg
m2/mg
m2′/mg
m1′/mg 15.1767 21.8371 22.0919
m0′/mg 15.1766 21.8303 22.0849
当不考虑样品周围介质(如空气，其磁化率很小)和 H。的影响时，整个样品所 受的力为
当样品受到磁场作用力时，天平平衡时，设∆m 为施加磁场前后的质量差，则
由于
代入(16.10)式整理得
上式中，α=2 磁场强度 H 可用“特斯拉计”测量，而本实验用的是已知磁化率的标准物质进 行间接测量。本实验用的是用莫尔盐[(NH4)2SO4·FeSO4·6H20]，已知莫尔盐的 χm 与热力学温度 T 的关系式为
μ������ × 10 ‒ 23 （J/T）
χ������(������������������)
‒7 ‒8
‒9
������2
̅ ������
FeSO4·7H20 K3Fe(CN)6 K4Fe(CN)6·3H2 0
1.181 × 10 2.065 × 10
1.218 × 10 2.280 × 10
χ������ (������1 = 100������������) χ������ (������2 = 200������������)
‒7 ‒8
‒9
������3/������������
- 7
- 7
× 392.14 = 1.626 × 10 ������1
‒7 ‒8
‒8பைடு நூலகம்
������3/������������������ ������
m0 空管+样品，m1 空管+样品，m2 空管+样品，m2′空管+样品，m1′空管+样品， m0′空管+样品，求出△m 空管+样品(H1)和△m 空管+样品(H2)。
5.同一样品管中，同法分别测定 FeSO4·7H2O，K3Fe(CN)6 和 K4[Fe(CN)6]·3H20 的
△m 空管+样品(H1)和△m 空管+样品(H2)。
3.对于络合物，存在两种结合方式：电价配键和共价配键。在共价配键中，为 了多的成键，往往会发生电子重排，如下： Fe2+ 自由离子的电子组态：
Fe2+ 外层电子重排的电子组态：
由上可看出电价配键结合，与共价配键结合时，未成对电子数不同，从而会引 起摩尔磁化率的变化。 4.磁化率的测定。 古埃法测定磁化率时，使样品底部处于两磁极的中心，样品的顶部则位于磁场 强度最弱，甚至为零的区域。这样，样品就处于一不均匀的磁场中，设样品的 截面积为 A，样品管的长度方向为 dS 的体积，AdS 在非均匀磁场中所受到的作 用力 dF 为
21.9325 21.9336 21.9370 21.9372 22.4179 22.4179 22.4176 22.4177
21.9337 22.4178
21.9326 22.4179
8.8cm 9.0cm
数据处理
m0/mg
空管 莫尔盐 FeSO4·7H20 K3Fe(CN)6 K4Fe(CN)6·3H2 0 15.1765 21.8304 22.0852 21.9326 22.4179
分析与讨论
1、 实验测得的数据与理论值之间存在一定偏差，推测其原因如下： 1） 样品的填实程度不同，空隙间的氧气含量就不同，由此引起的误差无法 排除； 2） 整个实验过程中温度并不恒定； 3） 测量样品高度时存在一定的读数误差； 4） 实验测量空管的过程中，天平的示数几近不变，有两个可能：a 天平本 身的灵敏度有问题；b.玻璃管的材质决定了其不产生感应磁场。
思考题：
1.理论上，在不同的励磁电流测得的样品摩尔磁化率应该是相同的。因为摩尔 磁化率是物质本身的性质，至于物质本身的结构特征有关，而与外界磁化电流 的变化无关，所以励磁电流的变化对它没有影响。但由于试验误差和各种干扰 因素会导致最后测得的结果会有一定的偏差。 2.古埃天平测定磁化率的精密度与以下因素有关： 1） 样品管的悬挂位置：正处于两磁极之间，底部与磁极中心线齐平，悬挂样 品管的悬线勿与任何物体接触； 2） 探头是否正常：钢管是否松动，探头平面是否与磁场方向垂直； 3） 温度光照：温度不宜过高，不宜强光照射，不宜在腐蚀性气体场合下使用；
磁化率的测定
实验目的
1.了解物质磁化现象的化学根源；学习磁天平测定磁化率的原理和方法。 2.了解古埃法测量顺磁物质摩尔磁化率的技术。 3.推算分子磁矩、未成对电子数，并判断分子配键类型。
实验原理
1.物质在外磁场作用下，会磁化产生一附加磁场：
式中 B0 为外磁场的磁感应强度；B′为附加磁感应强度；H 为外磁场强度； μ0 为真空磁导率，其数值等于 4π×10-7N／A2。 物质的磁化可用磁化强度 M 来描述，M 也是矢量，它与磁场强度成正比。
5） 实验所用样品中残余部分上组剩下的，可能已经变质； 6） 样品管的清洁程度前后很有可能并不一致，可能里面残留有少量水分或 有机溶剂从而对实验结果造成一定影响。 7） 实验台间距较近，而且环境也相对较吵，所以天平读数的准确度无法保 证。 2、实验预习很重要，如果事先准备充分，对于实验中的很多突发情况可以很快 作出反应，对于数据的合理性也会比较敏感。
对于顺磁性物质，χ 顺 >>∣χ 逆∣，可作近似处理，χM=χ 顺 。对于逆磁性物 质，则只有 χ 逆，所以它的 χM=χ 逆。 第三种情况是物质被磁化的强度与外磁场强度不存在正比关系，而是随着外磁 场强度的增加而剧烈增加，当外磁场消失后，它们的附加磁场，并不立即随之
消失，这种物质称为铁磁性物质。 磁化率是物质的宏观性质，分子磁矩是物质的微观性质，用统计力学的方 法可以得到摩尔顺磁化率 χ 顺和分子永久磁矩 μm 间的关系
m1/mg
15.1766 21.8368 22.0920 21.9337 22.4179
m2/mg
15.1767 21.8552 22.1124 21.9371 22.4177
m0/mg m1/mg m2/mg Δm /m 1
g 6.6539 6.9087 6.7561 7.2414 6.6602 6.9154 6.7571 7.2413 6.6785 6.9357 6.7604 7.2410
- 7
Δm2/mg
样品高度
0.0063 0.0067 0.0010 -0.0001
0.0246 0.0270 0.0043 -0.0003
9.1 9.1 8.8 9.0
莫尔盐：
9500 × 4π × 10 ‒ 9 = 4.1459 × 10 χ������ = 286.95 +1 χ������ = χ������ ∙ ������ = 4.1459 × 10
样品高度
15.1765 15.1767 15.1767 15.1766 21.8305 21.8365 21.8549 21.8554 22.0854 22.0920 22.1123 22.1125
9.1cm 9.1cm
K3Fe(CN)6 (M=329.24g/mol) K4Fe(CN)6·3H20 (M=422.39g/mol)
4） 空样品管需干燥洁净，每次装样高度，均匀度需相同； 5） 调节磁场变化的速度应尽量前后一致。
式中 K 为波尔兹曼常数；T 为绝对温度。 物质的永久磁矩与它所含有的未成对电子数 n 的关系为
μ������ = 797.7 χ������������ ∙ μ������ ∴ ������ = 797.72χ������������ + 1 ‒ 1
式中 μB 为玻尔磁子，其物理意义是单个自由电子自旋所产生的磁矩。
经过两中物质摩尔磁化率的比较，可得到下式：
χ M1 Δm1 * m 2 M 1 χ M2 Δm 2 * m1M 2
实验步骤
1.将特斯拉计垂直放入两个电极的中心，然后左右，上下调节特斯拉计，直至 出现一个最大值，然后调零。 2.将探头垂直置于磁场两极中心，打开电源，调节旋钮，是电流增大至特斯拉 计上显示 300mT，然后取出特斯拉计取出，用探头沿此物质的垂直线，测定 H0=0 的地方。 3.取一支清洁的干燥的空样品管悬挂在磁天平的挂钩上，使样品管正好与磁极 中心线齐平，准确称取空样品管质量(H=0)时，得 m0；调节旋钮，使特斯拉计数 显为 300mT(H1)，迅速称量，得 m1，逐渐增大电流，使特斯拉计数显为 350mT (H2)，称量得 m2，然后略微增大电流，接着退至 350mTH2,称量得 m2′，将电流 降至数显为 300mT (H1)时，再称量得 m1 ′，再缓慢降至数显为 0T (H0)，又称 取空管质量得 m0′(H0)。 4.取下样品管用小漏斗装入事先研细并干燥过的莫尔氏盐并不断让样品管底部 在软垫上轻轻碰击，使样品均匀填实，直至所要求的高度，按前述方法将装 有莫尔盐的样品管置于磁天平上称量，重复称空管时的路程，得
1.200 × 10 2.172 × 10
‒ 2.467 × 10
‒ 1.948 × 10
‒ 2.208 × 10
3.75 3.82 3.79 4 1.18 1.27 1.23 1 0.26 0.18 0.23 0
4.543 1.606 0
由上述实验数据可得，FeSO4·7H20 未成对电子数为 4，为弱场高自旋的电价配 合物；K3Fe(CN)6 的未成对电子数为 1，为强场低自旋的共价配合物； K4Fe(CN)6·3H20 的未成对电子数为 0，为强场低自旋的共价配合物。
在化学上常用质量磁化率 χm 或摩尔磁化率 χM 来表示物质的磁性质。
2.分子磁矩与磁化率 当原子、离子或分子的两个自旋状态电子数不相等，即有未成对电子时，物质 就具有永久磁矩。由于热运动，永久磁矩的指向各个方向的机会相同，所以该 磁矩的统计值等于零。在外磁场作用下，具有永久磁矩的原子，离子或分子除 了其永久磁矩会顺着外磁场的方向排列。表观为顺磁性外，还由于它内部的电 子轨道运动有感应的磁矩，其方向与外磁场相反，表观为逆磁性，此类物质的 摩尔磁化率 χM 是摩尔顺磁化率 χ 顺和摩尔逆磁化率 χ 逆的和。