络合物的磁化率测定

络合物的磁化率测定

一、实验目的

1.掌握古埃(Gouy)磁天平测定物质磁化率的基本原理和实验方法；

2.通过对一些络合物的磁化率测定，推算其不成对电子数，判断这些分子的配键类型。

二、实验原理

1．磁化率的定义

在外磁场作用下，物质会被磁化而产生附加磁感应强度，物质内部的磁感应强度等于

B=B

+B’=μ0H+B’(1)

式中B0为外磁场的磁感应强度；B’为物质磁化产生的附加磁感应强度；H为外

磁场强度；μ

=4π×N·A-2为真空磁导率。

物质的磁化可用磁化强度M来描述，M也是一个矢量，它与磁场强度成正比

M=H(2)

式中称为物质的体积磁化率，是物质的一种宏观磁性质。B’与M的关系为

B’=μ

0M=μ

H(3)

将(3)代入(1)得

B=(1+)μ

0H=μμ

H(4)

式中μ称为物质的相对磁导率。

化学上常用单位质量磁化率或摩尔磁化率来表示物质的磁性质，它们的定义为： = （5） =M·= （6）

式中ρ为物质密度，M为物质的摩尔质量。的单位是m³·kg-1，的单位是m³·mol-1。2．物质的原子、分子或离子在外磁场作用下的三种磁化现象

第一种情况是物质本身不呈现磁性，但由于其内部的电子轨道运动，在外磁场作用下会产生拉摩进动，感应出一个诱导磁矩来，表现为一个附加磁场，磁矩的方向与外磁场相反，其磁化强度与外磁场强度呈正比，并随着外磁场的消失而消失，这类物质称为逆磁性物质，其μ<1，<0。

第二种情况是物质的原子、分子或离子本身具有永久磁矩μm，由于热运动，永久磁矩指向各个方向的机会相同，所以该磁矩的统计值等于零。但在外磁场作用下，永久磁矩会顺着外磁场方向排列，其磁化方向与外磁场相同，其磁化强度与外磁场强度成正比，此物质内部的电子轨道运动也会产生拉摩进动，其磁化方向与外磁场相反。这类物质被称为顺磁性物质。显然，此类物质的摩尔磁化率是摩尔顺磁化率和摩尔逆磁化率之和

=+ (7)

由于≫||，故有

≈(8)

顺磁性物质的μ＞1，＞0。

第三种情况是物质被磁化的强度与外磁场强度之间不存在正比关系，而是随外磁

场强度的增加呈剧烈增强，当外磁场消失后，这种物质的磁性并不消失，呈现出滞后的现象，这类物质称为铁磁性物质。

3．假定分子之间无相互作用，根据居里(Curie P)定律。物质的摩尔顺磁化率与永久磁矩之间的关系是

== (9)

式中L为阿伏伽德罗常数（L=6.02×mol-1）；k为波尔兹曼常数(k=1.3806×)；T 为热力学温度；C为居里常数。

由式(7)知

=+≈ (10) 该式将物质的宏观物理性质和其微观物理性质联系起来，因此只要实验测得，代入式(11)就可算出永久磁矩。

4．物质的顺磁性来自与电子的自旋相联系的磁矩。各个轨道上成对电子自旋所产生的磁矩是相互抵消的，只有存在未成对电子的物质才具有永久磁矩，它在外磁场中表现出顺磁性。

物质的永久磁矩μm和它所包含的未成对电子数n的关系可用下式表示

= (11) 称为波尔磁子，其物理意义是单个自由电子自旋所产生的磁矩。

==9.274078× A· (12) 式中h（h=6.626×J·s）为普朗克常数，（=9.109× kg）为电子质量。

5.由天平分别称得装有被测样品的样品管和不装样品的空样品管在有外加磁场

和无外加磁场时的质量变化，则有△m= m

磁场- m

无磁场

（13）

=×4π× m3/kg ○1 = ○2

= ○3

由得= ○4

式中均是在无磁场下的质量。

6．由实验测定物质的 m

磁场和m

无磁场

，代入式(13)中求出△m，再根据式○1算得标

准物的，从而由○4可得，再代入式（10）可得，继而由式（11）求得未成对电子数n，判断物质的配键类型。

FeSO

4·7H

2

O中Fe2+外层电子组态：

↑↓↑↑↑↑

3d 4s 4p

K 4Fe(CN)

6

·3H

2

O中Fe2+外层电子组态：

↑↓↑↓↑↓

3d 4s 4p

三、实验仪器和药品

仪器：古埃磁天平、软质玻璃样品管、装样品工具（包括研钵、角匙、小漏斗、玻璃棒等）

药品：FeSO

4·7H

2

O（分析纯）、莫尔氏盐（NH

4

）

2

SO

4

·FeSO

4

·6H

2

O（分析纯）、

K 4Fe（CN）

6

H

2

O（分析纯）

四、实验步骤

1．按操作规程及注意事项细心启动磁天平。

2．用已知的M的莫尔氏盐标定对应于特定励磁电流值的磁场强度。

标定步骤如下：

（1）取一支洁净干燥的空样品管悬挂在古埃磁天平的挂钩上，使样品管底部正好与磁极中心线齐平，准确称得空样品管质量；然后将励磁稳流电流开关接通，将电流调到8.0A，H=43.7mT,稳定时迅速且准确得称取此时空样品管的质量，记录数据；

（2）取下样品管，将事先研磨细的莫尔氏盐通过小漏斗装入样品管中，在填装中要不断的将样品管底部敲击木垫，使样品均匀的填实，至装满为止（约16cm 高）。用直尺准确测量样品高度h。同上法，将装有莫尔氏盐的样品管置于古埃磁天平中，在相应的励磁电流I=8.0A下进行测量，记录数据。

3.测定亚铁氰化钾和硫酸亚铁的摩尔磁化率。

在标定磁场强度用的同种规格的样品管，分别装入亚铁氰化钾和硫酸亚铁，重复上述（2）的实验步骤分别测定样品的摩尔磁化率，记录实验数据。

五、实验数据记录与处理

无磁场磁场

的质量）

由式○1可得=×4×3.14× )m3/kg=4.20× m3/kg

对于K

4Fe(CN)

6

·3H

2

O，由式○4得

=× m³·mol-1

=-4.07× m³·mol-1<0

因 <0,则K

4Fe(CN)

6

·3H

2

O为逆磁性物质，Fe2+最外层无孤对电子存在。

对于FeSO

4·7H

2

O，

=× m³·mol-1

=4.03× m³·mol-1>0

因 >0，则FeSO

4·7H

2

O为顺磁性物质，Fe2+最外层有孤对电子存在。

由式(10)得== A·即 =7.90× A·

由式（11）得()=+2n,即+2n=72.56，因n是正值，则解得n=7.58≈8，实际FeSO

4·7H

2

O

中Fe2+的外层有4个孤对电子，而测得的为8个孤对电子，则说明误差相对较大。

六、误差分析

引起误差的原因主要有：

1.没有把样品管底与磁极中心线平行，导致磁场不均匀。

2.测空管时，管内残留有少量原先无法除去的杂质。