磁化率的测定

磁化率的测定

一、目的要求

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

1.磁化率

物质在外磁场中，会被磁化并感生一附加磁场，其磁场强度H′与外磁场强度H之和称为该物质的磁感应强度B，即

B = H + H′ (1)

H′与H方向相同的叫顺磁性物质，相反的叫反磁性物质。还有一类物质如铁、钴、镍及其合金，H′比H大得多（H′/H）高达104，而且附加磁场在外磁场消失后并不立即消失，这类物质称为铁磁性物质。

物质的磁化可用磁化强度I来描述，H′=4πI。对于非铁磁性物质，I与外磁场强度H成正比I = KH

(2)

式中，K为物质的单位体积磁化率(简称磁化率)，是物质的一种宏观磁性质。在化学中常用单位质量磁化率χm或摩尔磁化率χM表示物质的磁性质，它的定义是

χ

= K/ρ (3)

m

χ

= MK/ρ (4)

M

式中，ρ和M分别是物质的密度和摩尔质量。由于K是无量纲的量，所以χm

和χM的单位分别是cm3·g-1和cm3·mol-1。

磁感应强度SI单位是特［斯拉］(T)，而过去习惯使用的单位是高斯(G)，1T=104G。

2.分子磁矩与磁化率

物质的磁性与组成它的原子、离子或分子的微观结构有关，在反磁性物质中，由于电子自旋已配对，故无永久磁矩。但是内部电子的轨道运动，在外磁场作用下产生的拉摩进动，会感生出一个与外磁场方向相反的诱导磁矩，所以表示出反磁性。其χM就等于反磁化率χ反，且χM<0。在顺磁性物质中，存在自旋未配对电子，所以具有永久磁矩。在外磁场中，永久磁矩顺着外磁场方向排列，产生顺磁性。顺磁性物质的摩尔磁化率χM是摩尔顺磁化率与摩尔反磁化率之和，即χ

=χ顺 + χ反 (5)

M

通常χ顺比χ反大约１～３个数量级，所以这类物质总表现出顺磁性，其χM>0。

顺磁化率与分子永久磁矩的关系服从居里定律

(6)

式中，N A为Avogadro常数;K为Boltzmann常数(1.38×10-16erg·K-1);T为热力学温度;μm为分子永久磁矩(erg·G-1)。由此可得

(7)

由于χ反不随温度变化(或变化极小)，所以只要测定不同温度下的χM对1/T作图，截矩即为χ反，由斜率可求μm。由于比χ顺小得多，所以在不很精确的测量中可忽略χ反作近似处理

(8)

顺磁性物质的μm与未成对电子数n的关系为

(9)

式中，是玻尔磁子，其物理意义是:单个自由电子自旋所产生的磁矩。

μ

=9.273×1

B

0-21erg·G-1=9.273×10-28J·G-1=9.273×-24J·T-1

3.磁化率与分子结构

(6)式将物质的宏观性质χM与微观性质μm联系起来。由实验测定物质的χ

，根据(8)式可求得μm，进而计算未配对电子数n。这些结果可用于研究原子M

或离子的电子结构，判断络合物分子的配键类型。

络合物分为电价络合物和共价络合物。电价络合物中心离子的电子结构不受配位体的影响，基本上保持自由离子的电子结构，靠静电库仑力与配位体结合，形成电价配键。在这类络合物中，含有较多的自旋平行电子，所以是高自旋配位化合物。共价络合物则以中心离子空的价电子轨道接受配位体的孤对电子，形成共价配键，这类络合物形成时，往往发生电子重排，自旋平行的电子相对减少，

)3-中，所以是低自旋配位化合物。例如Co3+其外层电子结构为3d6，在络离子(CoF

6

形成电价配键，电子排布为：

此时，未配对电子数n=4，μm =4.9μB。Co3+以上面的结构与6个F-以静电力相吸引形成电价络合物。而在［Co(CN)

］3-中则形成共价配键，其电子排布为：

6

此时，n=0，μm =0。Co3+将6个电子集中在3个3d轨道上，6个CN-的孤对电子进入Co3+的六个空轨道，形成共价络合物。

4.古埃法测定磁化率

古埃磁天平如图Ⅲ-29-1所示。天平左臂悬挂一样品管，管底部处于磁场强度最大的区域(H)，管顶端则位于场强最弱(甚至为零)的区域(H0)。整个样品

管处于不均匀磁场中。设圆柱形样品的截面积为

A，沿样品管长度方向上dz长度的体积Adz在非

均匀磁场中受到的作用力dF为

(10)

式中，K为体积磁化率;H为磁场强度;dH/dz为

场强梯度，积分上式得

(11)

式中，K0为样品周围介质的体积磁化率(通常是空气，K0值很小)。如果K0可以忽略，且H0=0时，整个样品受到的力为

(12)

在非均匀磁场中，顺磁性物质受力向下所以增重;而反磁性物质受力向上所以减重。测定时在天平右臂加减砝码使之平衡。设ΔW为施加磁场前后的称量差，则

(13)

由于代入上式得

(14)

式中，ΔW空管+样品为样品管加样品后在施加磁场前后的称量差(g);ΔW空管为空样品管在施加磁场前后的称量差(g);g为重力加速度(980cm·s-2);h为样品高度(cm);M为样品的摩尔质量(g·mol-1);W为样品的质量(g);H为磁极中心磁场强度(G)。

在精确的测量中，通常用莫尔氏盐来标定磁场强度，它的单位质量磁化率与温度的关系为

三、仪器与试剂

莫尔氏盐

(NH4)2S04·FeS04·6H20亚铁氰化钾

K4[Fe(CN)6]·3H20

硫酸亚铁FeS04·7H20

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)

图1古埃磁天平示意图

1.磁铁;

2.样品管;

3.电光天平