实验一 磁化率测定

实验一 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. 掌握磁天平测定磁化率的原理和方法。

二 实验原理

1.测定磁化率

磁天平如图1所示。将样品管悬挂在天平上，样品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(H 0)。整个样品管处于不均匀磁场中。

图1 古埃磁天平示意图

1-磁铁；2-样品管

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。则

()2M 2WH

ghM W W χ空管样品空管∆-∆=+ 式中，M χ为摩尔磁化率(m 3·mol −1)；ΔW 空管＋样品为样品管加样品后在施加磁场前后的质量差(克)，即)(H W W 空管空管=Δ)(0空管W -；ΔW 空管为空样品管在施加磁场前后的质量差(克)，即

)()(0Δ样品＋空管样品＋空管样品＋空管W H W W -=；g 为重力加速度(9.8 N·

kg −1)，即；h 为样品高度(m)；M 为样品的摩尔质量(kg·mol −1)；W 为样品的质量(克)。

磁场强度H 可用“特斯拉计”测量，或用已知磁化率的标准物质进行间接测量。例如用莫尔氏盐来标定磁场强度，莫尔氏盐的摩尔磁化率B M χ与热力学温度T 的关系为：

)(1041

9500139--⋅⨯⨯⨯+=mol m M T B M πχ 式中，M 为莫尔氏盐的摩尔质量(kg·mol −1)；T 为热力学温度(K)。

2. 分子磁矩与摩尔磁化率

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，即0=m μ，n=0。但由于内部电子的轨道运动，在外磁场作用下会产生拉摩进动，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。

B M m βT χμ•≈7797.

式中，T为热力学温度（K）；μm为分子永久磁矩；n为分子内未配对电子数；β

B

为玻尔磁子，是磁矩的自然单位（9.274 ×10−24 J·T-1)。

而顺磁性分子磁矩

m

μ可由分子内未配对电子数n 决定，其关系如下：

)

(2

+

=n

n

β

μ

B

m

求得n值后可以进一步判断有关络合物分子的配键类型。

三试剂与仪器

试剂：莫尔氏盐(NH

4)

2

SO

4

·FeSO

4

·6H

2

O，亚铁氰化钾K4Fe(CN)6·3H2O，硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)，

五水硫酸铜(CuSO4·5H2O )。

仪器：磁天平（包括磁极、励磁电源、电子天平等），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. 磁极中心磁场强度的测定

(1) 将特斯拉计探头放在磁铁的中心架上，取下保护套，未通电源时，将电流和特斯拉计调到最小，把探头平面垂直于磁场两极中心。接通电源，调节“电流调节器”使电流增大至特斯拉计上示值为0.35T，记录此时电流值I。以后每次测量都要控制在同一电流，使磁场强度相同。在关闭电源前应先将特斯拉计示值调为零。

(2) 用莫尔氏盐标定取一支清洁干燥的空样品管悬挂在磁天平上，样品管应与磁极中心线平齐，注意样品管不要与磁极相触。准确称取空管的质量W空管(0)，然后接通电源，调节电流为I，使特斯拉计上示值为0.35T，记录加磁场后空管的称量值W空管(0.35T)，继续稍微增加电流，然后又减小电流到I，称量使特斯拉计上示值为0.35T时空管的称量值W空管(0.35T)，将励磁电流降为零时，断开电源开关，再称量一次空样品管质量W空管(0)，取平均值求得无磁场时空管质量W空管(0)和有磁场时空管质量W空管(0.35T)。

取下样品管，将研钵研细的莫尔氏盐通过漏斗装入样品管，边装边在橡皮垫上碰击，使样品均匀填实，直至样品高度为14～15cm为宜，继续碰击至样品高度不变为止，用直尺测量样品高度h。按前述方法称取W管+样品(0)和W管+样品(0.35T)，测量完毕将莫尔氏盐倒回试剂瓶中。

2. 测定未知样品的摩尔磁化率χM

同法分别测定FeSO4·7H2O，CuSO4·5H2O和K4Fe(CN)6·3H2O的W空管(0)、W空管(0.35T)、W 空管+样品

(0)和W空管+样品(0.35T)。

五数据处理

1. 根据实验数据计算外加磁场强度H，并计算三个样品的摩尔磁化率χM、永久磁矩μm和未配对电子数n。

2. 根据μm和n讨论络合物中心离子最外层电子结构和配键类型。

六思考题

1. 为什么可用莫尔氏盐来标定磁场强度?

2. 样品的填充高度和密度以及在磁场中的位置有何要求？如果样品填充高度不够，对测量结果有何影响?