磁化率的测定.ppt

Department of Chemistry 磁化率的测定 一、实验目的 二、实验原理 三、药品仪器 四、实验步骤 五、实验记录 六、数据处理 八、注意事项 九、思考题 七、结果分析与讨论 实验目的 1.用古埃法测定物质的磁化率，求算其顺磁性原子（离子）的未成对电子数。 2.掌握古埃法测定磁化率的实验原理和技术。 实验原理 物质受到外磁场的作用会发生磁化，除铁磁性物质外磁化强度I正比于外磁场的磁场强度H。 I = kH (1) 比例常数k称为物质的体积磁化率。在化学研究工作中，常用单位质量磁化率χ 和摩尔磁化率χM，它们的定义分别是： χ = k/d χM = k/d·M 式中：d、M分别为物质的密度和相对分子质量。 物质的磁性一般可分为反磁性、顺磁性和铁磁性。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，反磁质的χ 0。在外磁场作用下，电子的拉摩进动产生了一个与外磁场方向相反的诱导磁矩是具有反磁性的原因。反磁性是普遍存在的。摩尔反磁磁化率χD可表示为： 式中：m为电子质量；e为电子电荷；c为光速；ri为i电子离核的距离；NA为阿佛加得罗常数。 顺磁性是指磁化方向和外磁场方向相同所产生的磁效应，顺磁质的χ 0。 在外磁场作用下，使原子、离子或分子的固有磁矩顺着磁场方向转向是顺磁性产生的原因。 摩尔顺磁磁化率χP可表示为： 式中：μm为分子磁矩；k为玻兹曼常数；T为绝对温度。 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。磁畴的存在是物质具有铁磁性的原因。 物质的摩尔磁化率χM为顺磁磁化率χP和反磁磁化率χD之和。即 χM = χP+χD （4） 因为│χP││χD│，所以在不是很精确的计算中，可作如下处理 χM = χP （5） 将(3)式代入(5)式得： 通过实验测得磁化率就能确定分子的磁矩。 分子的磁矩决定于电子的轨道运动和自旋 运动状况。 式中：PJ为总角动量；r为旋磁比（ m为电子质量；c为光速；g为朗德因子， ）； 即 J为总内量子数J = L+S；L为总轨道量子数；S为总自旋量子数；μB为玻尔磁子，即 由于基态分子中电子的轨道角动量是相互抵消的，即纯自旋时L = 0，所以J = S，代入（8）式得g = 2，因此（7）式可以写为 由于单个电子的自旋量子数为1/2，如有n个未成对的电子则其总的自旋量子数S = n/2，代入(9)式，得到分子磁矩和未配对电子数的关系式 进而得到有关简单分子的电子结构、络合物键型的某些信息。 测定磁化率有多种方法，本实验用古埃法，此法通过测定物质在不均匀磁场中受到的力，从而求出物质的磁化率。 把样品装于圆形样品管中悬于两磁极中间，一端位于磁极间磁场强度最大区域H，而另一端则位于磁场强度很弱的区域H0，则样品在沿样品管方向所受的力F可用下式表示： 式中：χ为质量磁化率；m为样品质量；H为磁场强度； 为沿样品管方向的磁场梯度。 设样品管高度为l 时，把（11）式移项积分得整个样品所受的力为： 如果H0忽略不计，则（12）式可简化为： 用磁天平测出样品加磁场前后的质量变化ΔW，显然 式中：g为重力加速度，整理后得： 等式右边各项都可以由实验直接测得，由此可以求出物质的摩尔磁化率。 外磁场强度可用高斯计直接测量或用已知磁化率的标准物质进行标定。常用的标准物质有(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O、CuSO4·5H2O、HgCo(SCN)4、NaCl、苯等等。本实验用莫尔氏盐(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O标定外磁场强度，测定CuSO4·5H2O、K4[Fe(CN)6]·3H2O、FeSO4·7H2O的磁化率，求金属离子的磁矩并考察其电子配对状况。 药品仪器 1.古埃磁天平 ； 2.软质玻璃样品管 ； 3.装样品工具（包括角匙，小漏斗，玻璃棒，研钵） ； 4.FeSO4·7H2O（A.R.） ； 5.K4[Fe(CN)6]·3H2O（A.R.） ； 6.(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O（A.R.） ； 7.CuSO4·5H2O（A.R.） ； CTP-ⅠA磁天平 实验步骤 标定某一固定励磁电流时的磁场强度 测定样品的摩尔磁化率 1.用已知磁化率的莫尔氏盐标定某一固定励磁电流时的磁场强度。逐步调节励磁电流由小变大到5A。 (1)用细铜丝把样品管悬于磁极的中心位置，测定空管在加励磁电流前后磁场中的质量。求出空管在加磁场前后的质量变化ΔW管，重复测定三次，取平均值。 （2）把已经研细的莫尔氏盐通过小漏斗