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磁化率测定

Ⅰ、目的要求

1、测定物质的摩尔磁化率，推算分子磁矩，估计分子内未成对电子数，判断分子配键的类型。

2、掌握古埃(Gouy)磁天平测定磁化率的原理和方法。 Ⅱ、仪器与试剂 莫尔氏盐(NH4)2S04·FeS04·6H20 亚铁氰化钾K4[Fe(CN)6]·3H20 硫酸亚铁FeS04·7H20 玻璃样品管、装样品工具(包括研钵、角匙、小漏斗等) 古埃磁天平(包括磁极、励CT5型高斯计 磁电源、电子天平等) Ⅲ、实验原理

1、摩尔磁化率和分子磁矩

物质在外磁场H0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H'。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：

χ为无因次量，称为物质的体积磁化率，简称磁化率，表示单位体积内磁场强度的变化，反映了物质被磁化的难易程度。化学上常用摩尔磁化率χm表示磁化程度，它与χ的关系为

式中M、ρ分别为物质的摩尔质量与密度。χm的单位为m3·mol －1。

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顺，其值大于零，即χm>0。 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：

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×

－7－2

10-23J·K－1)，μ0为真空磁导率（4π×10N·A，T为热力学温度。式((2-136)可作为由实验测定磁化率来研究物质内部结构的依据。

分子磁矩由分子内未配对电子数n决定，其关系如下：

式中μB为玻尔磁子，是磁矩的自然单位。μB=9.274 ×10J·T(T为磁感应强度的单位，即特斯拉)。

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H20配位体形成[Fe(H20)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。见图2-63所示：

-24

-1

如果Fe离子与6个CN离子配位体形成[Fe(CN)6]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。见图2-64所示：

2+

－

4－

显然，其中6个空轨道形成dsp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。

2、摩尔磁化率的测定

本实验用古埃磁天平测定物质的摩尔磁化率χm，测定原理如图2-65所示。 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H。样品最高处磁场强度为零。前已述及，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：

2

3

以式((2-135)代入式((2-138)，并考虑到ρ＝m/hA，而χ忽略，可得

0

值很小，相应的项可以

在磁天平法中利用精度为0.1mg的电子天平间接测量F值。设△m0为空样品管在有磁场和无磁场时的称量值的变化，△m为装样品后在有磁场和无磁场时的称量值的变化，则

式中、g为重力加速度(9.81m·s)。将式(2-139)代入式(2-140)，可得

－2

磁场强度H可由特斯拉计或CT5高斯计测量。应该注意，高斯计测量的实际上是磁感应强度

B，单位为T(特斯拉)，1T=104高斯。磁场强度H可由B =μ0 H关系式计算得到，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

B率?m与热力学温度T的关系为：

式中M为莫尔氏盐的摩尔质量((kg·mol－1)。

Ⅳ、实验步骤

1、磁场强度分布的测定

(1)、分别在特定励磁电流((I1=2.0A， I2=4.0A， I3=6.0A)的条件下，用高斯计测定从磁场中心起，每提高lcm处的磁场强度，直至离磁场中心线20cm处为止。

(2)、重复上述实验，并求各高度处的磁场强度平均值。 2、用莫尔氏盐标定在特定励磁电流下的磁场强度H

(1)、取一支清洁、干燥的空样品管，悬挂在天平一端的挂钩上，使样品管的底部在磁极中心连线上。准确称量空样品管。然后将励磁电流电源接通，依次称量电流在2.0A， 4.0A，6.0A时的空样品管。接着将电流调至7A，然后减小电流，再依次称量电流在6.0A，4.0A，2.0A时的空样品管。将励磁电流降为零时，断开电源开关，再称量一次空样品管。由此可求出样品质量MO及电流在2.0A，4.0A，6.0A时的△m0(应重复一次取平均值)。

上述调节电流由小到大、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。

(2)、取下样品管，装入莫尔氏盐(在装填时要不断将样品管底部敲击木垫，使样品粉末填实)，直到样品高度约15cm为止。准确测量样品高度h,测量电流为零时莫尔氏盐的质量mB及2.0A,4.0A,6.0A时的△mB的平均值。

3、样品的摩尔磁化率测定