物理化学实验报告
院系 化学化工学院
班级 化学071
学号 07111102
姓名 陈海佳
实验名称 络合物的磁化率测定
日期 2010.3.18 同组者姓名 陈海佳包耀耀
室温 14.55 ℃ 气压 101.21KPa
成绩
一、目的和要求
1、掌握古埃法测定磁化率的原理和方法;
2、测定一些化合物的磁化率;
3、了解磁化率数据对推断未成对电子数和分子配键类型的作用。
二、基本原理
1、在外磁场的作用下,物质会被磁化产生附加磁感应强度,则物质内部的磁感应强度等
在上式中,为附加磁感应强度,H为外磁场强度,为真空磁导率,为体积磁化率,M为物质的磁化强度,为物质的相对磁导率。
在化学中常用质量磁化率或摩尔磁化率来表示物质的磁性质,定义为:
其单位为m3.mol-1
2. 物质的磁性一般可分为三种: 顺磁性, 反磁性和铁磁性。
a .反磁性是指磁化方向和外磁场方向相反时所产生的磁效应。反磁物质的< 0(电子的拉摩进动产生一个与外磁场方向相反的诱导磁矩,导致物质具有反磁性)。
b. 顺磁性是指磁化方向和外磁场方向相同时所产生的磁效应,顺磁物质的 > 0。(外磁场作用下,粒子如原子、分子、离子,中固有磁矩产生的磁效应)。
c. 铁磁性是指在低外磁场中就能达到饱和磁化,去掉外磁场时,磁性并不消失,呈现出滞后现象等一些特殊的磁效应。
3假定分子间无相互作用,应用统计力学方法,可以导出摩尔顺磁磁化率 和永久磁矩之间的关系 C为居里常数
与温度的依赖关系很小,即可忽略不计。
4物质的顺磁性来源于电子的自旋相联系的磁矩,物质的磁矩永久与它所包含的未成对电子数n可用下式表示:
其h为普朗克常数,为电子的质量。
5络合物可分为电价络合物和共价络合物。络合物的中央离子与配位体之间依靠静电库仑力结合起来的叫电价配键。共价络合物则是以中央离子的空的价电子轨道接受配位体的孤电子形成共价配键,往往会发生重排。
三、仪器、试剂
古埃磁天平 软质玻璃样品管
直尺 药匙 小漏斗
FeSO4·7H2O(分析纯) 莫尔氏盐(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O(分析纯)
K4Fe(CN)6·3H2O(分析纯)
四、实验步骤
一.按操作规程及注意事项细心启动磁天平
二.用已知的莫尔氏盐标定特定的磁场强度
1标定步骤如下
(1)取一只干净的空样品管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;然后将励磁稳流电流开关接通,0T时称得空样品管质量;
(2)由小到大调节励磁电流旋钮使得磁场强度值H为0.300T,准确称取空样品管的质量;
(3)继续有小到大调节使得磁场强度为0.350T,再称质量;
(4)继续将磁场强度升至0.400T,然后将磁场强度降至0.350T,再称空样品管的质量,再将磁场强度降至0.300T,再称质量;最后调到0T,在称重。
2取下样品管,将研细的莫尔氏盐通过小漏斗装入样品管中,装填时使得样品均匀填实,并使样品高度为12cm,同上法,在相应的磁场强度下进行测量,完毕,将光中的莫尔氏盐倒入回收瓶中。
3、测定FeSO4·7H2O和K4Fe(CN)6·3H2O的摩尔磁化率
在标定好的同一样品管中分别装入FeSO4·7H2O和K4Fe(CN)6·3H2O,重复上述实验步骤分别测定样品的摩尔磁化率。
五、原始数据
六、数据处理
实验温度 T=14.55℃
莫尔氏盐 M=392g/mol FeSO4·7H2O M=278g/mol
K4Fe(CN)6·3H2O M=422g/mol
莫尔氏盐的摩尔磁化率为:
由以上数据显示可知:当n接近4时,为电价化合物,则FeSO4·7H2O为电价化合物;当n接近0时,为共价化合物,则K4Fe(CN)6·3H2O为共价化合物。
结果分析:
在0.300T和0.350T磁化率下,FeSO4?7H2O的未成对电子数为4.385和4.196,两者相差不是很大,接近与4;K4Fe(CN)6?3H2O的未成对电子数为0.312和0.308,两者也比较接近,接近于零,但是存在着一定的误差,从以下几方面分析:
1装样时可能样品没有均匀填实,测量样品的装填高度时用直尺量的也不精确;
2样品管的底部与磁极中心线可能没有齐平。
七、思考题
1试比较用高斯计和莫尔氏盐标定的相应励磁电流下的磁场强度值,并分析两者测定结果差异的原因.
高斯计测得的磁场强度比摩尔氏盐标定的磁场小,因为摩尔氏盐测的是磁场中心的磁场强度,高斯计测的是磁铁中心下面的磁场。
2不同励磁电流下测得的样品摩尔磁化率是否相同?实验结果若不同应如何解释?
相同有求摩尔磁化率的公式可知,莫尔磁化率的大小与励磁电流无关。
八、实验总结
1、装样时应使样品均匀填实,测量样品的装填高度应一致;
2、通电和断电前,务必将电源旋钮调到最小或励磁电流为零,励磁电流的升降应平稳、缓慢;
3、样品管应悬于两磁极之间,底部与磁极中心线齐平。
4、在挂样品管之前,应把天平打开,去零。
第二篇:磁化率的测定
实验报告:磁化率测定
一、实验目的
1. 掌握古埃 (Gouy)磁天平测定磁化率的原理和方法。
2. 测定三种络合物的磁化率,求算未成对电子数,判断分子配键的类型。
二、实验原理
1 .磁化与磁化率
外加磁场作用下:
其中,为外磁场的磁感应强度;为物质磁化产生并附加的磁感应强度;H为外磁场强度。为真空磁导率,数值为。
物质的磁化强度用M表示
χ为体积磁化率,又分为质量磁化率χm=χ/ρ和摩尔磁化率χM=Mχ/ρ
2. 摩尔磁化率和分子磁矩
物质在外磁场作用下,由于电子等带电体的运动,会被磁化而感应出一个附加磁场。物质被磁化的程度用磁化率χ表示,它与附加磁场强度和外磁场强度的比值有关:
物质在外磁场作用下的磁化现象有三种:
第一种,物质的原子、离子或分子中没有自旋未成对的电子,即它的分子磁矩μm = 0。当它受到外磁场作用时,内部会产生感应的“分子电流”,相应产生一种与外磁场方向相反的感应磁矩。如同线圈在磁场中产生感生电流,这一电流的附加磁场方向与外磁场相反。这种物质称为反磁性物质,如Hg、Cu、Bi等。它的χm称为反磁磁化率,用χ反表示,且χ反< 0。
第二种,物质的原子、离子或分子中存在自旋未成对的电子,它的电子角动量总和不等于零,分子磁矩μm ≠ 0。这些杂乱取向的分子磁矩在受到外磁场作用时,其方向总是趋向于与外磁场同方向,这种物质称为顺磁性物质,如Mn、Cr、Pt等,表现出的顺磁磁化率用χ顺表示。但它在外磁场作用下也会产生反向的感应磁矩,因此它的χm是顺磁磁化率χ顺与反磁磁化率χ反之和。因,所以对于顺磁性物质,可以认为χm=χ顺,其值大于零。
第三种,物质被磁化的强度随着外磁场强度的增加而剧烈增强,而且在外磁场消失后其磁性并不消失。这种物质称为铁磁性物质。
对于顺磁性物质而言,摩尔顺磁磁化率与分子磁矩μm关系可由居里——郎之万公式表示:
这个公式是在顺磁性下的近似计算。
式中:L为阿伏加德罗常数(6.022×1023 mol?1),k为玻尔兹曼常数(1.3806×10?23 J·K?1 ),μ0为真空磁导率(4 π×10?7N·A?2),T为热力学温度。
分子磁矩μm由分子内未配对电子数n 决定,其关系如下:
式中μ B为玻尔磁子,是磁矩的自然单位。μB = 9.274 ×10?24 J·T?1
求得n值后可以进一步判断有关络合物分子的配键类型。
例如,Fe 2+离子在自由离子状态下的外层电子结构为3d 64s 04p 0。如以它作为中心离子与6个H 2O配位体形成 [Fe (H 2O) 6] 2+络离子,是电价络合物。其中Fe 2+离子仍然保持原自由离子状态下的电子层结构,此时n = 4。
如果Fe 2+离子与6个CN ?离子配位体形成[Fe(CN) 6] 4?络离子,则是共价络合物。这时其中Fe 2+离子的外电子层结构发生变化,n = 0。
显然,其中6个空轨道形成d2sp3的6个杂化轨道,它们能接受6个CN?离子中的6对孤对电子,形成共价配键。
3. 古埃法测定摩尔磁化率
右图为古埃天平示意图
一个截面积为A的样品管,装入高度为h、质量为m的样品后,放入非均匀磁场中。样品管底部位于磁场强度最大之处,即磁极中心线上,此处磁场强度为 。样品最高处磁场强度为零。对于顺磁性物质,此时产生的附加磁场与原磁场同向,即物质内磁场强度增大,在磁场中受到吸引力。设χ0为空气的体积磁化率,可以证明,样品管内样品受到的力为:
一把来说,χ0周围介质磁导率(一般是空气),值很小相应的项可以忽略,再考虑到前后的增重可得:
由于 , ,所以:
磁场强度H可由特斯拉计测量。H的单位为A·m?1。也可用已知磁化率的莫尔氏盐标定。莫尔氏盐的摩尔磁化率χm与热力学温度T的关系为:
四实验步骤
1.仪器预热,取下保护套,接通电源,调零。
2.取四只大小相近干净干燥的空样品管分别悬挂在磁天平上,样品与磁极中心线平起。各称量三次去平均值。调节旋钮使电流为4A。再次称量四只空样品管,测量三次去平均值。
3.将电流调回0,消磁30分钟。期间装样,其中第一只样品管加标准莫尔盐,其余三只加样品。样品管装样时不断震荡保证均匀填实,高度距管口1-2cm为宜。测量样品高度。确定消磁后,测量已装样的样品重量,称量三次取平均值。调节旋钮使电流为4A。再次测量四只装样后的样品管。称量三次去平均值。
五、数据处理
数据结果如下:
1、 用莫尔盐求外磁场强度H
T=294K
χm= ·4л×10-9 = ·4л×10-9 = 4.05×10-10(m3·g-1)
χM= Mχm = 392×4.05×10-10 = 1.59×10-7(m3·mol-1)
又 χM=
故 H=
=
=6.30×106(A·m-1)
2、 其他磁性材料测定
K3Fe(CN)6
M=329g·mol-1
ΧM= = = 2.82×10-8(m3·mol-1)
又
=9.274×10-24 J·T-1
故n=1.5 即未成对电子数为1
FeSO4·7H2O
M=278g·mol-1
ΧM= = = 1.89×10-7(m3·mol-1)
又
=9.274×10-24 J·T-1
故未成对电子数n=4
K4Fe(CN)6·3H2O
M=422g·mol-1
ΧM= = = -5.15×10-9(m3·mol-1)<0
故没有未成对电子