磁化率实验报告1

磁化率的测定

08材化2 叶辉青 200830750230

1 实验目的

1.1 掌握古埃(Gouy)法测定磁化率的原理和方法。

1.2 测定三种络合物的磁化率，求算未成对电子数，判断其配键类型。

1.3 了解磁天平的原理与测定方法。

1.4 熟悉特斯拉计的使用。

2 实验原理

2.1 磁化率

物质在外磁场中，会被磁化并感生一附加磁场，其磁场强度H′与外磁场强度H之和称为该物质的磁感应强度B，即

B=H+H′ (1)

H′与H方向相同的叫顺磁性物质，相反的叫反磁性物质。还有一类物质如铁、钴、镍及其合金，H′比H大得多（H′/H）高达10⁴，而且附加磁场在外磁场消失后并不立即消失，这类物质称为铁磁性物质。物质的磁化可用磁化强度I来描述，H′=4πI。对于非铁磁性物质，I与外磁场强度H成正比

I=KH (2)

式中，K为物质的单位体积磁化率(简称磁化率)，是物质的一种宏观磁性质。在化学中常用单位质量磁化率χm或摩尔磁化率χM表示物质的磁性质，它的定义是

χm=K/ρ (3)

χM=MK/ρ (4)

式中，ρ和M分别是物质的密度和摩尔质量。由于K是无量纲的量，所以χm和χM的单位分别是cm³/g和cm³/mol，磁感应强度SI单位是特［斯拉］(T)，而过去习惯使用的单位是高斯(G)，1T=104G。

2.2 分子磁矩与磁化率

物质的磁性与组成它的原子、离子或分子的微观结构有关，在反磁性物质中，由于电子自旋已配对，故无永久磁矩。但是内部电子的轨道运动，在外磁场作用下产生的拉摩进动，会感生出一个与外磁场方向相反的诱导磁矩，所以表示出反磁性。其χM就等于反磁化率χ反，且χM<0。在顺磁性物质中，存在自旋未配对电子，所以具有永久磁矩。在外磁场中，永久磁矩顺着外磁场方向排列，产生顺磁性。顺磁性物质的摩尔磁化率χM是摩尔顺磁化率与摩尔反磁化率之和，即

χM=χ顺+χ反 (5)

通常χ顺比χ反大约１～３个数量级，所以这类物质总表现出顺磁性，其χM>0。顺磁化率与分子

永久磁矩的关系服从居里定律

χM=N_Aμ²_M/(3KT) （6）

式中，NA为Avogadro常数，K是波尔兹曼常数，T是热力学温度，μm为分子永久磁矩。由此可见

χ_M=N_Aμ²_M/(3KT)+ χ_反（7）

由于χ反不随温度变化(或变化极小)，所以只要测定不同温度下的χM对1/T作图，截矩即为χ反，由斜率可求μm。由于比χ顺小得多，所以在不很精确的测量中可忽略χ反作近似处理

χ_M=χ_顺 =N_Aμ²_M/(3KT) （8）

顺磁性物质的μm与未成对电子数n的关系为

（9）

式中，是玻尔磁子，其物理意义是:单个自由电子自旋所产生的磁矩。

2.3 磁化率与分子结构

(6)式将物质的宏观性质χM与微观性质μm联系起来。由实验测定物质的χM，根据(8)式可求得μm，进而计算未配对电子数n。这些结果可用于研究原子或离子的电子结构，判断络合物分子的配键类型。络合物分为电价络合物和共价络合物。电价络合物中心离子的电子结构不受配位体的影响，基本上保持自由离子的电子结构，靠静电库仑力与配位体结合，形成电价配键。在这类络合物中，含有较多的自旋平行电子，所以是高自旋配位化合物。共价络合物则以中心离子空的价电子轨道接受配位体的孤对电子，形成共价配键，这类络合物形成时，往往发生电子重排，自旋平行的电子相对减少，所以是低自旋配位化合物。例如Co³⁺其外层电子结构为3d⁶，在络离子(CoF6)^3-中，形成电价配键，电子排布为：

此时，未配对电子数n=4，μm=4.9μ_B。Co以上面的结构与6个F^-以静电力相吸引形成电价络合物。而在［Co(CN)6］^3-中则形成共价配键，其电子排布为：

此时，n=0，μm=0。Co³⁺将6个电子集中在3个3d轨道上，6个CN^-的孤对电子进入Co³⁺的六个空轨道，形成共价络合物。

2.4 古埃法测定磁化率

χ样=

在精确的测量中，通常用莫尔氏盐来标定磁场强度，它的单位质量磁化率与温度的关系为

3 仪器药品

3.1 仪器

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。

3.2 药品

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

4.1 磁极中心磁场强度的测定

4.2 用特斯拉计测量

按说明书校正好特斯拉计。将霍尔变送器探头平面垂直放入磁极中心处。接通励磁电源，调节“调压旋钮”逐渐增大电流，至特斯拉计表头示值为350mT，

记录此时励磁电流值I。以后每次测量都要控制在同一励磁电流，使磁场强度

相同，在关闭电源前应先将励磁电流降

至零。

4.3 用莫尔氏盐标定

4.3.1 取一干洁的空样品管悬挂在磁天平左臂挂钩上，样品管应与磁极中心线平齐，注意样品管不要与磁极相触。准确称取空管的质量W空管(H=0)，重复称取三次取其平均值。接通励磁电源调节电流为I。记录加磁场后空管的称量值W空管(H=H)，重复三次取其平均值。

4.3.2 取下样品管，将莫尔氏盐通过漏斗装入样品管，边装边在橡皮垫上碰击，使样品均匀填实，直至装满，继续碰击至样品高度不变为止，用直尺测量样品高度h。用与①中相同步骤称取W_{空管+样品}(H=0)和W_{空管+样品}(H=0.3T),W_{空管+样品}(H=0.35T),W_{空管+样品}(H=0.4T)测量毕将莫尔氏盐倒入试剂瓶中。

4.4 测定未知样品的摩尔磁化率χM

同法分别测定FeSO₄·7H₂O和K₄Fe(CN)₆·3H₂O的W空管(H=0)、W空管(H=0.3),W空管(H=0.35),W空管(H=0.4);W_{空管+样品}(H=0)和W_{空管+样品}(H=0.3),W_{空管+样品}(H=0.35),W_{空管+样品}(H=0.4)。

5 注意事项

5.1 所测样品应研细。

5.2 样品管一定要干净。ΔW空管=W空管(H=H)-W空管(H=0)>0时表明样品管不干净，应更换。

5.3 装样时不要一次加满，应分次加入，边加边碰击填实后，再加再填实，尽量使样品紧密均匀。

5.4 挂样品管的悬线不要与任何物体接触。

5.5 加外磁场后，应检查样品管是否与磁极相碰。

6 数据处理

6.1 记录所得数据并处理