磁化率的测定

实验一磁化率的测定

【实验目的】

①掌握古埃（Gouy）磁天平测定物质磁化率的实验原理和技术。

②通过对一些配位化合物磁化率的测定，计算中心离子的不成对电子数，并判断d 电子的排布情况和配位体场的强弱。

【实验原理】

（1）物质的磁性

物质在磁场中被磁化，在外磁场强度H的作用下产生附加磁场，该物质内部的磁感应强度B为：

B＝H+4πI＝H+4πκH①式中，I称为体积磁化强度，物理意义是单位体积的磁矩。式中的κ＝I/H称为物质的体积磁化率。I和κ分别除以物质的密度ρ可以得到σ和χ，σ＝I/ρ称为克磁化强度；χ＝κ/ρ称为克磁化率或比磁化率。χm＝κM/ρ称为摩尔磁化率（M是物质的摩尔质量）。这些数据都可以从实验测得，是宏观磁性物质。在顺磁、反磁性研究中常用到χ和χm，铁磁性研究中常用到I、σ。

不少文献中按宏观磁性物质，把物质分成反磁性物质、顺磁性物质和铁磁性物质以及亚铁磁性物质、反铁磁性物质几类。其中，顺磁性物质的χm＞0而反磁性物质的χm ＜0。

（2）古埃法（Gouy）测定磁化率

古埃法是一种简便的测量方法，主要用在顺磁测量。简单的装置包括磁场和测力装置两部分。调节电流大小，磁头间距离大小，可以控制磁场强度大小。测力装置可以用分析天平。为了测量不同温度的数据，要使用变温、恒温和测温装置。

样品放在一个长圆柱形玻璃管内，悬挂在磁场中，样品管下端在磁极中央处，另一端则在磁场强度为零处。

样品在磁场中受到一个作用力。

d F＝κHA d H

式中，A表示圆柱玻璃管的截面积。

样品在空气中称量，必须考虑空气修正，即

d F＝(κ－κ0)Ha d H

κ0表示空气的体积磁化率，整个样品的受力是积分问题：

F ＝∫(κ－κ0)HA d H ＝1/2(κ－κ0)A (H 2－H 02) ②

因H 0＜＜H ，且忽略κ0，则

F ＝1/2κAH 2 ③

式中，F 可以通过样品在有磁场和无磁场的两次称量的质量差来求出。

F ＝(△m 样－△m 空) g ④

式中，△m 样为样品管加样品在有磁场和无磁场时的质量差；△m 空为空样品管在有场和无磁场时的质量差；g 为重力加速度。

则有，2

2F

k AH = 而m kM

χρ

=

，m Ah

ρ=

样品

，h 为样品高度，A 为样品管截面积，m 样品为样品质量。 222(2)m m m g h M AH m m H F

M kM Ah

χρ===样空样品样品－ ⑤

只要测量样品重量的变化、磁场强度H 以及样品高度h ，即可根据式⑤计算样品的摩尔磁化率。 在实际工作中是采用已准确知道磁化率数值的校准样品来标定磁场，根据式⑤

) (()m m m M h m m m M h χχ==⨯⨯校准剂样品空样品样品

样品校准剂校准剂空样品校准剂校准剂

－－ ⑥

常用的校准样品有(NH 4)2SO 4FeSO 4·6H 2O(莫氏盐)，HgCo(CNS)4、Ni(en)3S 2O 3。其中，(NH 4)2SO 4FeSO 4·6H 2O 的磁化率符合公式

41.1938

101

T χ-=⨯+ ⑦

式中，T 是绝对温度。

()()m m m M h m m m M h χχ==⨯⨯校准剂样品样品空样品样品

校准剂校准剂空样品校准剂校准剂

－－

（3）简单络合物的磁性与未成对电子

对于第一过渡系列元素络合物，它们的磁矩实验值大多符合

m B μ= ⑧

式中，n 是分子中未成对电子数；μB 是电子磁矩的基本单位，称为玻尔磁子（Bohrmagneton ）。

249.27410/4B eh

J T mc

μπ-⨯==

而磁矩与摩尔顺磁磁化率之间有如下关系：

2

73410A m m K N T

μχπ-⨯=⨯ ⑨

式中，N A 为阿伏伽德罗常数；K 为波兹曼常数；T 为绝对温度。

根据式⑨可以利用测量出的物质的摩尔顺磁化率χm 计算出μm ，然后根据式⑧计算样品的未成对电子数。若测得的则表示物质是反磁性物质χm ＜0，未成对电子数为零。

【仪器与试剂】

（1）仪器：磁天平1台，样品管1支，直尺1把，温度计1支。 （2）试剂：莫尔氏盐(NH 4)2SO 4FeSO 4·6H 2O ，分析纯；

硫酸亚铁FeSO 4·7H 2O ，分析纯； 亚铁氰化钾K 4Fe(CN)6·3H 2O ，分析纯。

【实验步骤】

标定磁场强度方法如下。

①取一支清洁干燥的样品管悬挂在磁天平的挂钩上，称质量得m 空。 ②调节磁天平电流开关，由小至大调节至指定位置1（1A ），测质量得m 空1。 ③继续调大电流开关，至位置2（3A ），测质量得m 空2。

④继续升高电流至位置3（4A ），停留约20s ，然后调小电流从位置3回到位置2，测质量得m 空2’。

⑤继续调小电流回到位置1，测质量得m 空1’。

⑥关闭电流测质量得m空’。

室内温度 29.5℃仪器编号 07UC0576

表1 数据记录表（空管）

⑦装入已经研细的莫氏盐，装样尽量填实，样品要装至距离管口约1~2cm处，用直尺测量装样的高度，将样品管放入磁天平，按照控管的测量方法测量样品管的重量。

表2 样品：莫氏盐，装样高度：13.7 cm

⑧倒出样品管中的莫氏盐，将样品管清洗干净，吹干。装入研细的硫酸亚铁，装样高度和莫氏盐尽量相同，用同样的方法测量硫酸亚铁的数据。

⑨导出样品观众的硫酸亚铁，将样品管清洗干净，吹干。装入研细的亚铁氰化钾，装样高度和莫氏盐尽量相同，用同样的方法测量亚铁氰化钾的数据。