络合物磁化率的测定

院系：化学化工学院  专业：化学工程与工艺   学号：

姓名：   实验日期：20##-11-27   指导老师：

一、实验目的

1．掌握古埃法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．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于

        B=+B′=H+B′              （Ⅱ—30—1）

式中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；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。

         M=χH               （Ⅱ—30—2）

式中χ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′=M=χH             （Ⅱ—30—3）

将（Ⅱ—30—3）代入（Ⅱ—30—1）式得：

        B=（1+χ）H=H                  （Ⅱ—30—4）

式中μ称为物质的（相对）磁化率。

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。

         χm=χ/ρ                 （Ⅱ—30—5）

         χM = Mχm=（Mχ）/ρ              （Ⅱ—30—6）

式中ρ、M分别是物质的密度和摩尔质量。χm的单位是m3/kg，χM的单位是m3/mo。

2．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χμ和摩尔逆磁化率χ0的和

       χM=χμ+χ0             （Ⅱ—30—7）

但由于χμ>>|χ0|，故顺磁性物质的μ>1，χM>0，可以近似地把χμ当作χM，即

          χM≈χμ             （Ⅱ—30—8）

3．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χμ和分子永久磁矩μm间的关系

      χμ=（Lμm2μ0）/3kT=C/T      （Ⅱ—30—9）

式中L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。

分子的摩尔逆磁磁化率χ0是由诱导磁矩产生的，它与温度的依赖关系很小。因此具有永久磁矩的物质的摩尔磁化率χM与磁矩间的关系为：

   χM=χ0+（Lμm2μ0）/3kT≈（Lμm2μ0）/3kT （Ⅱ—30—10）

该式将物质的宏观物理性质（χM）和其微观性质（μm）联系起来了，因此只要实验测得χM，代入（Ⅱ—30—10）式就可算出永久磁矩μm。

物质的永久永久磁矩μm和它所包含的未成对电子书n的关系可用下式表示：

     μm=[n（n+2）]1/2μB          （Ⅱ—30—11）

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。

   μB=eh/4πme=9.274078*10-24A·m2    （Ⅱ—30—12）

式中h为普朗克常数；me为电子质量。

H可由己知单位质量磁化率的莫尔氏盐来间接标定，χM与温度的关系为

χM=[1.1938/（T+1）]*10^-4

三、实验仪器及药品

古埃磁天平 ，软质玻璃样品管

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

装样品工具（研钵、角匙、小漏斗、玻棒）

四、实验步骤

1．取一只清洁干燥的空样品管悬挂在天平的挂钩上，使样品管正好于磁极中心平齐，但样品管不可与磁极相接触，也不与探头接触。

2．测定“空管”的质量

（1）在电流为0时,准确称取空样品管质量；

（2）调节电流旋钮，使电流为0.6mA时，记录称量结果；

注：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。

（7）计算两个0mA和0.6mA时的空样品管质量的平均值，作为空样品管的质量值；

（8）重复测定一次，最后取两次测定的平均值，作为空样品管质量的最终值。

3．测定“样品+空管”的质量

（1）用莫尔氏盐标定外磁场的强度H

取下空样品管，装入事先研细并干燥过的莫尔氏盐，并不断让样品管地步在软垫上轻轻碰击，样品均匀填实，直至样品高度超过10cm，继续碰击至样品高度不变为止。精确测量样品的高度。

（2）用上述方法测量（样品+空管）的质量和磁场中的质量。

分别测定FeSO4·7H2O(分析纯)、莫尔氏盐（NH4）2SO4·FeSO4·6H2O(分析纯)、K4Fe(CN)6·3H2O(分析纯)的摩尔磁化率。

五、数据处理

T=20℃=293.15K，h=14cm=0.14m, N₀= 6.023×10^23,K= K=1.38×10^-23 J/K

μ_B=9.274*10^-24A^.m²，g=9.80,μ₀=4∏10^-07N^.A^-2

莫尔氏盐：(NH4)2SO4 ?FeSO4? 6H2O，M=0.3921Kg/mol

X_M=9500/(T+1)*4*3.14*10^-09*M=9500/(294.55+1)*4*3.1410^-09*0.3921=1.58*10^-07 m^3.mol^-1,

=1.58*10^-07,得：H=2.1583*10^+05A^.M^-1。

亚铁氰化钾:K4[Fe (CN)6] ?3H2O,M=0.422 Kg/mol

=3.06*10^-10m^3.mol^-1,

χm =χ_顺 = (N0μ0μm2)/3kT=3.06*10^-10/M=7.25*10^-10

得：μ_m= 3.42*10^-24J^.T^-1

μ₀/μ_B= 3.69E-01  由： 得n=0

硫酸亚铁：FeSO4?7H2O，M=0.278 Kg/mol

= 4.087*10^-8 m^3.mol^-1,

χm =χ_顺 = (N₀μ₀μ_m²)/3kT=4.087*10^-8/0.278=1.47*10^-7

得：μ_m= 4.87*10^-23 J^.T^-1

μ₀/μ_B= 5.25，n(n+2)=27.6,得n≈4.

六、误差分析

1、由于样品都是研磨完后一段时间才开始测量的，不排除样品会发生相应的吸水和失水，致使分子量会发生变化，使最后所计算出来的结果存在误差。

2测量样品高度h的误差严重影响实验的精度，这从摩尔磁化率的计算公式  可以看出来。而由于最上面的那些样品粉末不能压紧压平，测量高度h的误差还是比较大的。

3励磁电流不能每次都准确地定在同一位置，只能说是保证大概在这个位置附近，因此实际上磁场强度并非每次都是一致的。所以，励磁电流的变化应平稳、缓慢，调节电流时不宜用力过大。加上或去掉磁场时，勿改变永磁体在磁极架上的高低位置及磁极间矩，使样品管处于两磁极的中心位置，尽量使磁场强度前后比较一致。

七、思考题

1．不同励磁电流下测得的样品摩尔磁化率是否相同?

答：相同，摩尔磁化率是物质特征的物理性质，不会因为励磁电流的不同而变。但是在不同励磁电流下测得的cM稍有不同，。主要原因在于天平测定臂很长（约50cm），引起Dw的变化造成的，当然温度的变化也有一定影响。

2．用古埃磁天平测定磁化率的精密度与哪些因素有关?

答：（1）样品管的悬挂位置：正处于两磁极之间，底部与磁极中心线齐平，悬挂样品管的悬线勿与任何物体相接触；

（2）摩尔探头是否正常：钢管是否松动，若松动，需坚固；

（3）温度光照：温度不宜高于60℃，不宜强光照射，不宜在腐蚀性气体场合下使用；

（4）摩尔探头平面与磁场方向要垂直；

（5）空样品管需干燥洁净，每次装样高度，均匀度需一样，测量结果的精密才高。

3．样品在玻璃管中的填充密度对测量有何影响？

答：当填充密度不足，即压不紧使，可能出现所测物质的密度ρ减少，根据χM=Mχm=（Mχ）/ρ，会使得χM值偏大。

4．用本实验方法判别共价配键还是电价配键有何局限性？

答：用测定磁矩的方法是判别共价配键还是电价配键的主要方法，但有时以共价配键或电价配键相结合的络离子含有同数的未成对电子，就不能适用，如Zn(未成对电子数为零)，它的共价络离子，如Zn(CN)42-，Zn(NH3)42+等，和电价络离子，如 Zn(H2O)42+等，其磁矩均为零，所以对于Zn2+来说就无法用测定磁矩的方法来判别其配键的性质。

第二篇：络合物的磁化率测定实验数据处理的改进

第9卷第3期20xx年3月南阳师范学院学报

JournalofNanyangNormalUniversityVo.l9No?3

Mar.2010

络合物的磁化率测定实验数据处理的改进

李玉玲,曹丰璞,刘克成,杨启超,行文茹

(南阳师范学院化学与制药工程学院,河南南阳473061)

??摘?要:对络合物的磁化率测定实验数据处理提出了一些改进,希望能简化此次庞大的实验数据处理过程,通过实验数据我们可快速、简便地判断出该络合物的结构类型.

关键词:络合物;磁化率;改进

中图分类号:O641.4???文献标识码:A???文章编号:1671-6132(2010)03-0036-02

0?引言

测定物质磁化率主要用来判断物质分子中是否存在未成对电子,而确定样品的未成对电子数,对研究自由基和顺磁分子结构,研究过渡金属离子价态和配位场理论是十分重要的.Gouy磁天平法

是测定物质磁化率的实验方法之一,也是大学物理化学实验教学中较为容易实现的磁化率测定方法.因此,国内外物理化学实验指导书中,物质的磁化率测定实验大多采用了Gouy磁天平法前,国内物理化学实验指导书

[2-10]

[1-10]

可计算出样品的未成对电子数n.

一般数据处理均采用如下方式:

第一步:根据公式(3)由摩尔氏盐的质量磁化率?m算出其摩尔磁化率?M:

?M(标)=?m(标)M(标)=(标)

T+1

(3)

第二步:依据第一步的实验结果以及相应的实验数据和公式(4)计算出相应励磁电流下的磁场强度H:

?M=

2[?m(试管+样品)-?m空管]ghM

2

?0mH

(4)

-9

.目

中,有关Gouy

磁天平法测定磁化率的原理均采用了如下方式:

物质的摩尔磁化率?M包含未成对电子的永久磁矩定向排列产生的顺磁化率?顺和外磁场诱导产生的反磁化率?反两部分,即?M=?顺+?反.顺磁性物质?M??顺(?顺>>?反);而反磁性物质?M??反(?顺?0).顺磁性物质的摩尔磁化率?M与分子的永久磁矩?m和温度T的关系通常服从居里(Curie)定律,关系式为:

?M=?顺=

NA??C0

=T3 T

2

m

式中,h为装样的高度,M为样品的摩尔质量,m为无磁场强度时样品的质量,H为磁场强度.

第三步:再依据公式(4)和相应的实验数据计算出各个待测样品的?M,然后代入公式(1)和(2)便可算出所测样品的永久磁矩?m和未成对电子数n.

(1)

1?实验数据处理的改进

第一步的公式(3)我们可以简化为如下形式:

?M(标样)

(标样)=

T+1

-3

式中,NA为Avogadro常数, 为Boltzmann常数,?0为真空导磁率.

实验证明,自由基和其他具有未成对电子的分子及第一过渡系元素离子的磁矩?m与未成对电子数n的关系为:

?m=

n(n+2)?B

(2)

式中,?B为Bohr磁子.由实验测得样品的摩尔磁化率?M,代入居里定律可计算出分子磁矩?m,从而

收稿日期:2009-10-09

(5)

对于第二步完全可以省略掉,不用计算磁场强度H,直接依据公式(5)计算出待测样品的?M.因为对于不同的样品,公式(4)中的h,?0,H三个量是相同的.只需在装样品时保证待测样品管装样的高度与莫尔氏盐装样的高度一致就行了.

基金项目:南阳师范学院基金项目(nynu200613)

作者简介:李玉玲(),女,,讲师,.

?第3期李玉玲等:络合物的磁化率测定实验数据处理的改进!37!

?M(待测)[?m(试管+样品)-?m(空管)]待测M(待测)m(标样)

=M(标样)[?m(试管+样品)-?m(空管)]标样M(标样)m(待测)

(6)

我们把式(5)代入式(6)又可演绎为如下形式:?M(待测)=

[?m(试管+样品)-?m(空管)]待测M(待测)m(标样)

1.212

[?m(试管+样品)-?m(空管)]标样m(待测)(T+1)10(7)这样简化后,我们可以不用算出标样的摩尔磁化率?M及磁场强度H的值,根据相应的实验数据和实验温度只需一步便可计算出待测样的摩尔磁化率?M.

对于第三步,算出待测样品的摩尔磁化率?M

后,接着计算待测样品的永久磁矩?m和未成对电子数n,也有人作如下简化处理:

可将公式(1)演化为如下形式:

?m=

?=

M

A?0

!

A?0?B

-23

[11]

-3

便可计算出待测样的摩尔磁化率?M及其未成对电子数n.这样简化后,通过实验数据我们可快速、简

便地判断出该络合物的结构类型.

参?考?文?献

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将Avogadro常数NA=6.023 10mol、Bo ltzmann常数 =1.38 109.274 10

-24

J/K、Bohr磁子?B=

-7

J/T和真空导磁率?0=4! 10?.4m=797

?MT!?B

2

H/m带入,计算可得:

(9)(10)

对比公式(2)和(9),我们可以得到如下形式:

n(n+2)=797.4T?M

2?结论

综上所述,我们只需式(7)和式(10)两个公式

Improvementonthedataprocessingofthecomplexsusceptibility

measurationexperiment

LIYu ling,CAOFeng pu,LIUKe cheng,YANGQi chao,XINGWen ru

(SchoolofChemistryandPharmaceuticalEngineering,NanyangNormalUniversity,Nanyang473061,China)Abstract:Gouymagnetizationbalancemethodisthenormalmethodofmeasuringthecomplexsusceptibility.This

experimenttechniqueiseasy,butitsdateprocessingwehaveseeninthebookisveryfussy.Inthepaper,wemprovedthemethodofthedateprocessingsoastopredigestthisenorimousdataprocessing.Keywords:complex;susceptibility;improverment