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：B=其中，B0为外磁场的磁感应强度；B'为物质磁化产生并附加的磁感应强度；H为外磁场强度。μ0物质的磁化强度用M表示Mχ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/ρ2.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：H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χ顺≫χ反，所以对于顺磁性物质，可以认为χm=χ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：χ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（6.022×1023mol−1），k为玻尔兹曼常数(1.3806×10−23J·K−1)，μ0为真空磁导率（4π×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：μ式中μB为玻尔磁子，是磁矩的自然单位。μB=9.274×10−24J·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，Fe2+离子在自由离子状态下的外层电子结构为3d64s04p0。如以它作为中心离子与6个H2O配位体形成[Fe(H2O)6]2+络离子，是电价络合物。其中Fe2+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Fe2+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Fe2+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：F=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∆m可得：F=由于χ=χMρMχ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：χ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：无磁有磁（4A）一二三平均一二三平均m空管113.587813.587713.588013.587813.587913.587813.587713.5878218.266818.267318.267618.267218.266618.266818.266918.2668314.246914.246714.246814.246814.246014.246314.246514.2463422.689722.689522.689622.689622.688922.689222.689222.6891m空管+样品1（18.2cm）24.904224.904324.904424.904324.968424.968524.968524.96852（17.5cm）30.480330.480630.480530.480530.495130.495530.495430.49533（18.2cm）24.889024.889224.889124.889124.971324.971524.971624.97154（17.5cm）32.131532.131832.131732.131732.129432.129632.129832.1296用莫尔盐求外磁场强度HT=294Kχm=9500T+1·4л×10-9=9500295·4л×10-9=4.05×10-10（m3·gχM=Mχm=392×4.05×10-10=1.59×10-7（m3·mol-1）又χM=2故H=2=2=6.30×106（A·m-1）其他磁性材料测定K3Fe(CN)6M=329g·mol-1ΧM=2（∆m空管+样品-∆m空管）ghMμ0mH2又μμM=μBnn+2μ故n=1.5即未成对电子数为1FeSO4·7H2OM=278