结构化学实验报告磁化率的测定

华南师范大学实验报告

学生姓名 学 号

专 业 化学（师范） 年级、班级 课程名称 结构化学实验 实验项目 磁化率的测定

实验类型 实验时间 2013 年 10 月 29 日

实验指导老师 实验评分

1. 实验目的

（1）掌握古埃(Gouy)法测定磁化率的实验原理和方法；

（2）测定三种络合物的磁化率，求算未成对电子数，判断其配键类型。

2．实验原理

2.1 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m χ或摩尔磁化率M χ表示物质的磁性质，它的定义

是

χm = K/ρ (3) χM = MK/ρ (4)

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m χ和

M χ的单位分别是cm 3·g -1和cm 3·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

2.2 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，会产生一个与外磁场方向相反的诱导磁矩，所以表示出反磁性。其A 就等于反磁化率B ，且C 。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A 是摩尔顺磁化率与摩尔反磁化率之和，即

M χ= χ顺+χ反 (5)

通常χ顺比χ反大约1-3个数量级，所以这类物质总是表现出顺磁性，其M χ >0。顺磁化率与分子永久磁矩的关系服从居里定律

23A m m N KT μχ= (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；m μ为分子永久磁矩(erg·G -1

)。由此可得

23A m M N KT μχχ=+反 （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M χ对1/T 作图，截距即为χ反，由斜率可求m μ。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

231(.)3A m M m N cm mol KT

μχχ-== （8） 顺磁性物质的m μ与未成对电子数n 的关系为：

(2)m B n n μμ=+ （9）

式中，B μ是波尔磁子，其物理意义是：单个自由电子自旋产生的磁矩。

2112812419.273109.273109.27310B erg G J G J T μ------=⨯⋅=⨯⋅=⨯⋅

2.3 磁化率与分子结构

（6）式将物质的宏观性质M χ与微观性质m μ联系起来。由实验测定物质的M χ，根据（8）式可求得m μ，进而计算未配对电子数n 。这些结果可用于研究原子或离子的电子结构，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，所以是低自旋配位化合物。例如Co 3+其外层电子结构为3d 6，在络离子(CoF 6)3-

中，形成电价配键，电子排布为：

此时，未配位电子数n =4，m μ =4.9B μ。Co 3+

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)6］3-中则形成共价配键，其电子排布为：

此时，n =0，m μ =0。Co 3+

将6个电子集中在3个3d 轨道上，6个CN-的孤对电子进入Co 3+的6个空轨道，形成共价络合物。

2.4 古埃法测定磁化率

图1 古埃磁天平示意图

1.磁铁;

2.样品管;

3.电光天平。

古埃法天平如图所示。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（H 0）。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：

dH dF KAH dz dz

= （10） 式中，K 为体积磁化率；H 为磁场强度；dH/dz 为场强梯度，上式积分得：

22001()()2

F K K H H A =-- (11) 式中，K 0为样品周围介质的体积磁化率（通常是空气，K 0值很小）。如果K 0可以忽略，且H 0=0时，整个样品受到的力为：

212

F KH A = （12） 在非均匀磁场中，顺磁场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