实验六 磁化率的测定

实验十六磁化率的测定

1.实验目的及要求

1）掌握古埃(Gouy)法测定磁化率的原理和方法。

2）通过测定一些络合物的磁化率，求算未成对电子数和判断这些分子的配键类型。

2.实验原理

1）磁化率

物质在外磁场作用下，物质会被磁化产生一附加磁场。物质的磁感应强度等于

（16.1）

式中B0为外磁场的磁感应强度；B′为附加磁感应强度；H为外磁场强度；μ0为真空磁导率，其数值等于4π×10-7N／A2。

物质的磁化可用磁化强度M来描述，M也是矢量，它与磁场强度成正比。

（16.2）

式中Z为物质的体积磁化率。在化学上常用质量磁化率χm或摩尔磁化率χM来表示物质的磁性质。

(16.3)

(16.4)

式中ρ、M分别是物质的密度和摩尔质量。

2）分子磁矩与磁化率

物质的磁性与组成物质的原子，离子或分子的微观结构有关，当原子、离子或分子的两个自旋状态电子数不相等，即有未成对电子时，物质就具有永久磁矩。由于热运动，永久磁矩的指向各个方向的机会相同，所以该磁矩的统计值等于零。在外磁场作用下，具有永久磁矩的原子，离子或分子除了其永久磁矩会顺着外磁场的方向排列。(其磁化方向与外磁场相同，磁化强度与外磁场强度成正比)，表观为顺磁性外，还由于它内部的电子轨道运动有感应的磁矩，其方向与外磁场相反，表观为逆磁性，此类物质的摩尔磁化率χM是摩尔顺磁化率χ顺和摩尔逆磁化率χ逆的和。

对于顺磁性物质，χ顺>>∣χ逆∣，可作近似处理，χM=χ顺。对于逆磁性物质，则只有χ逆，所以它的χM=χ逆。

第三种情况是物质被磁化的强度与外磁场强度不存在正比关系，而是随着外磁场强度的增加而剧烈增加，当外磁场消失后，它们的附加磁场，并不立即随之消失，这种物质称为铁磁性物质。

磁化率是物质的宏观性质，分子磁矩是物质的微观性质，用统计力学的方法可以得到摩尔顺磁化率χ顺和分子永久磁矩μm间的关系

（16.6）

式中N0为阿佛加德罗常数；K为波尔兹曼常数；T为绝对温度。

物质的摩尔顺磁磁化率与热力学温度成反比这一关素，称为居里定律，是居里

首先在实验中发现，C为居里常数。

物质的永久磁矩产。与它所含有的未成对电子数n的关系为

（16.7）

式中μB为玻尔磁子，其物理意义是单个自由电子自旋所产生的磁矩。

（16.8）

式中h为普朗克常数；m e为电子质量。因此，只要实验测得χM，即可求出μm，算出未成对电子数。这对于研究某些原子或离子的电子组态，以及判断络合物分子的配键类型是很有意义的。

3）磁化率的测定

古埃法测定磁化率装置如图Ⅱ一28—1所示。将装有样品的圆柱形玻管如图16.1所示方式悬挂在两磁极中间，使样品底部处于两磁极的中心。亦即磁场强度最强区域，样品的顶部则位于磁场强度最弱，甚至为零的区域。这样，样品就处于

一不均匀的磁场中，设样品的截面积为A，样品管的长度方向为dS的体积，AdS在非均匀磁场中所受到的作用力dF为

(16.9)

图16.1 古埃磁天平示意图

式中为磁场强度梯度，对于顺磁性物质的作用力，指向场强度最大的方向，反磁性物质

则指向场强度弱的方向，当不考虑样品周围介质(如空气，其磁化率很小)和H。的影响时，整个样品所受的力为

(16.10)

当样品受到磁场作用力时，天平的另一臂加减砝码使之平衡，设∆m为施加磁场前后的质量差，则

(16.11)

由于代入(16.10)式整理得

(16.12)

式中h为样品高度；m为样品质量；M为样品摩尔质量；ρ为样品密度；μ0为真空磁导率。μ0=47π×10-7N／A2。

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。例如用莫尔盐[(NH4)2SO4·FeSO4·6H20]，已知莫尔盐的χm与热力学温度T的关系式为

(16.13)

3.仪器与药品

古埃磁天平(包括电磁铁，电光天平，励磁电源)1套;特斯拉计1台;软质玻璃样品管4只;样品管架1个;直尺1只;角匙4只;广口试剂瓶4只;小漏斗4只。

莫尔氏盐(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O(分析纯);FeSO4·7H2O(分析纯);K3Fe(CN)6(分析纯);K4Fe(CN)6·3H2O(分析纯)。

4.实验步骤

1）将特斯拉计的探头放入磁铁的中心架中，套上保护套，调节特斯拉计的数字显示为“0”。

2）除下保护套，把探头平面垂直置于磁场两极中心，打开电源，调节“调压旋钮”，使电流增大至特斯拉计上显示约“0.3T”，调节探头上下、左右位置，观察数字显示值，把探头位置调节至显示值为最大的位置，此乃探头最佳位置。用探头沿此位置的垂直线，测定离磁铁中心的高处Ho，这也就是样品管内应装样品的高度。关闭电源前，应调节调压旋钮使特斯拉计数字显示为零。，

3）用莫尔氏盐标定磁场强度。取一支清洁的干燥的空样品管悬挂在磁天平的挂钩上，使样品管正好与磁极中心线齐平，(样品管不可与磁极接触，并与探头有合适的距离。)准确称取空样品管质量(H=0)时，得m1(H0)；调节旋钮，使特斯拉计数显为“0.300T”(H1)，迅速称量，得m1(H1)，逐渐增大电流，使特斯拉计数显为“0.350T” (H2)，称量得m1(H2)，然后略微增大电流，接着退至(0.350T)H2,称量得m2(H2)，将电流降至数显为“0.300T” (H1)时，再称量得m2 (H1)，再缓慢降至数显为“0．000T” (H0)，又称取空管质量得m2 (H0)。这样调节电流由小到大，再由大到小的测定方法是为了抵消实验时磁场剩磁现象的影响。

(16.14)

(16.15)

式中；

；

；

。

4）取下样品管用小漏斗装入事先研细并干燥过的莫尔氏盐，并不断让样品管底部在软垫上轻轻碰击，使样品均匀填实，直至所要求的高度，(用尺准确测量)，按前述方法将装有莫尔盐的样品管置于磁天平上称量，重复称空管时的路程，得

m1空管+样品(H0)，m1空管+样品(H1)，m1空管+样品(H2)，m2空管+样品(H2)，m2空管+样品(H1)，m2空管+样品(H0)，求出△m空管+样品(H1)和△m空管+样品(H2)。．

5）同一样品管中，同法分别测定FeSO4·7H2O，K3Fe(CN)6和K4[Fe(CN)6]·3H20的

△m空管+样品(H1)和△m空管+样品(H2)。

测定后的样品均要倒回试剂瓶，可重复使用。

5.实验注意事项

1）所测样品应事先研细，放在装有浓硫酸的干燥器中干燥。

2）空样品管需干燥洁净。装样时应使样品均匀填实。

3）称量时，样品管应正好处于两磁极之间，其底部与磁极中心线齐平。悬挂样品管的悬线勿与任何物件相接触。

4）样品倒回试剂瓶时，注意瓶上所贴标志，切忌倒错瓶子。