產(chǎn)品型號：MB-1A

產(chǎn)品編號：MB-1A

實(shí)驗三十二   磁化率的測定

【目的要求】

1. 掌握古埃(Gouy)法測定磁化率的原理和方法。

2. 測定三種絡(luò )合物的磁化率，求算未成對電子數，判斷其配鍵類(lèi)型。

3. 熟悉特斯拉計的使用。

【實(shí)驗原理】

1. 在外磁場(chǎng)作用下，物質(zhì)會(huì )被磁化并產(chǎn)生附加磁感應強度，則物質(zhì)的磁感應強度為

Ｂ＝Ｂ₀＋Ｂ′＝µ_０H＋Ｂ′                           (1)

式中Ｂ₀為外磁場(chǎng)的磁感應強度；Ｂ′為物質(zhì)磁化產(chǎn)生的附加磁感應強度；H為外磁場(chǎng)強度；    µ_０為真空磁導率，其數值等于4π×10^-7N·A^-2。

物質(zhì)的磁化可用磁化強度I來(lái)描述，I也是矢量，它與磁場(chǎng)強度成正比

I＝χH                                  (2)

式中χ為物質(zhì)的體積磁化率。

在化學(xué)上常用質(zhì)量磁化率χ_m或摩爾磁化率χ_M表示物質(zhì)的磁性質(zhì)，它的定義是

χ_m＝χ/ρ                                  (3)

χ_M＝M·χ/ρ                                (4)

式中，ρ、M分別是物質(zhì)的密度和摩爾質(zhì)量。χ_m和χ_M的單位分別是m³·kg^-1和m³·mol^-1。

2. 分子磁矩與磁化率

物質(zhì)的磁性與組成它的原子、離子或分子的微觀(guān)結構有關(guān)，在反磁性物質(zhì)中，由于電子自旋已配對，故無(wú)磁矩。但由于內部電子的軌道運動(dòng)，在外磁場(chǎng)作用下會(huì )產(chǎn)生拉摩進(jìn)動(dòng)，感生出一個(gè)與外磁場(chǎng)方向相反的誘導磁矩，所以表示出反磁性。其χ_M就等于反磁化率χ_反，且χ_M＜0。在順磁性物質(zhì)中，存在自旋未配對電子，所以具有磁矩。在外磁場(chǎng)中，磁矩順著(zhù)外磁場(chǎng)方向排列，產(chǎn)生順磁性。順磁性物質(zhì)的摩爾磁化率χ_M是摩爾順磁化率與摩爾反磁化率之和，即

                               (5)

通常χ_順》|χ_反|，所以這類(lèi)物質(zhì)總表現出順磁性，其χ_M＞0。

順磁化率與分子磁矩的關(guān)系服從居里定律

                           (6)

式中，N_A為Avogadro常數；K為Boltzmann常數；T為熱力學(xué)溫度；μ_m為分子磁矩。由此可得

                             (7)

由于χ_反不隨溫度變化(或變化極小)，所以只要測定不同溫度下的χ_M對1/T作圖，截矩即為     χ_反，由斜率可求μ_m。由于χ_反比χ_順小得多，所以在不很精確的測量中可忽略χ_反作近似處理

                              (8)

順磁性物質(zhì)的μ_m與未成對電子數n的關(guān)系為

μ_m＝μ_B                                 (9)

式中，µ_B是玻爾磁子，其物理意義是單個(gè)自由電子自旋所產(chǎn)生的磁矩。

μ_B＝ ＝9.274×10^-24J·T^-1

3. 磁化率與分子結構

(7)式將物質(zhì)的宏觀(guān)性質(zhì)χ_M與微觀(guān)性質(zhì)μ_m 聯(lián)系起來(lái)。由實(shí)驗測定物質(zhì)的χ_M，根據(8)式可求得μ_m，進(jìn)而計算未配對電子數n。這些結果可用于研究原子或離子的電子結構，判斷絡(luò )合物分子的配鍵類(lèi)型。

絡(luò )合物分為電價(jià)絡(luò )合物和共價(jià)絡(luò )合物。電價(jià)絡(luò )合物中心離子的電子結構不受配位體的影響，基本上保持自由離子的電子結構，靠靜電庫侖力與配位體結合，形成電價(jià)配鍵。在這類(lèi)絡(luò )合物中，含有較多的自旋平行電子，所以是高自旋配位化合物。共價(jià)絡(luò )合物則以中心離子空的價(jià)電子軌道接受配位體的孤對電子，形成共價(jià)配鍵，這類(lèi)絡(luò )合物形成時(shí)，往往發(fā)生電子重排，自旋平行的電子相對減少，所以是低自旋配位化合物。例如Co³⁺其外層電子結構為3d⁶，在絡(luò )離子(CoF₆)^3-中，形成電價(jià)配鍵，電子排布為：

此時(shí)，未配對電子數n=4，μ_m =4.9μ_B。Co³⁺以上面的結構與6個(gè)F^-以靜電力相吸引形成電價(jià)絡(luò )合物。而在［Co(CN)₆］^3-中則形成共價(jià)配鍵，其電子排布為：

此時(shí)，n=0，μ_m =0。Co³⁺將6個(gè)電子集中在3個(gè)3d軌道上，6個(gè)CN^-的孤對電子進(jìn)入Co³⁺的六個(gè)空軌道，形成共價(jià)絡(luò )合物。

4. 古埃法測定磁化率

古埃磁天平MB-1A如圖2-32-1所示。將樣品管懸掛在天平上，樣品管底部處于磁場(chǎng)強度的區域(H)，管頂端則位于場(chǎng)強最弱(甚至為零)的區域(H₀)。整個(gè)樣品管處于不均勻磁場(chǎng)中。設圓柱形樣品的截面積為A，沿樣品管長(cháng)度方向上dz長(cháng)度的體積Adz在非均勻磁場(chǎng)中受到的作用力dF為

在非均勻磁場(chǎng)中，順磁性物質(zhì)受力向下所以增重；而反磁性物質(zhì)受力向上所以減重。設ΔW為施加磁場(chǎng)前后的質(zhì)量差，則

                           (13)

由于 代入上式得

                                         (14)

式中，ΔW_{空管＋樣品}為樣品管加樣品后在施加磁場(chǎng)前后的質(zhì)量差；ΔW_空管為空樣品管在施加磁場(chǎng)前后的質(zhì)量差；g為重力加速度；h為樣品高度；M為樣品的摩爾質(zhì)量；W為樣品的質(zhì)量。

磁場(chǎng)強度H可用“特斯拉計"測量，或用已知磁化率的標準物質(zhì)進(jìn)行間接測量。例如用莫爾氏鹽來(lái)標定磁場(chǎng)強度，它的質(zhì)量磁化率χ_m與熱力學(xué)溫度T的關(guān)系為

                (m³·kg ^-1)                    (15)

【儀器試劑】 詳見(jiàn)/product_view.asp?id=62

儀器生產(chǎn)廠(chǎng)家：南大萬(wàn)和

磁天平MB-1A   1臺(電磁鐵，恒流源，特斯拉計一體)

樣品管4支；樣品管架1個(gè)；直尺1把。

(NH₄)₂SO₄·FeSO₄·6H₂O(A.R.)；K₄Fe(CN)₆·3H₂O(A.R.)；FeSO₄·7H₂O(A.R.)；K₃Fe(CN)₆(A.R.)。

技術(shù)參數：
1.電磁鐵:    古埃型   單軛鐵
   中心磁場(chǎng)0.85T、磁柱直徑40mm、磁隙寬度6~40mm、
2、勵磁電流： 輸出10A   
3、特斯拉計：測量范圍0~1.2T             
4、線(xiàn)性度±1％   
5、恒流源數字顯示0~10A連續可調
6、尺寸 :    700×550×950 mm       
7、重量約150Kg 5.Size : 700×550×950 mm       

【實(shí)驗步驟】

1. 磁極中心磁場(chǎng)強度的測定

(1) 用特斯拉計測量

將特斯拉計探頭放在磁鐵的中心架上，套上保護套，調節特斯拉計數字顯示為零。除下保護套，把探頭平面垂直于磁場(chǎng)兩極中心。接通電源，調節“調壓旋鈕"使電流增大至特斯拉計上示值為0.35T，記錄此時(shí)電流值I。以后每次測量都要控制在同一電流，使磁場(chǎng)強度相同。在關(guān)閉電源前應先將特斯拉計示值調為零。

(2) 用莫爾氏鹽標定

取一支清潔干燥的空樣品管懸掛在磁天平上，樣品管應與磁極中心線(xiàn)平齊，注意樣品管不要與磁極相觸。準確稱(chēng)取空管的質(zhì)量W_空管(H=0)，重復稱(chēng)取三次取其平均值。接通電源，調節電流為I，記錄加磁場(chǎng)后空管的稱(chēng)量值W_空管(H=H)，重復三次取其平均值。

取下樣品管，將莫爾氏鹽通過(guò)漏斗裝入樣品管，邊裝邊在橡皮墊上碰擊，使樣品均勻填實(shí)，直至裝滿(mǎn)，繼續碰擊至樣品高度不變?yōu)橹?，用直尺測量樣品高度h。按前述方法稱(chēng)取       W_{空管+樣品}(H=0)和W_{空管+樣品}(H=H)，測量完畢將莫爾氏鹽倒回試劑瓶中。

2. 測定未知樣品的摩爾磁化率χ_M

同法分別測定FeSO₄·7H₂O，K₃Fe(CN)₆和K₄Fe(CN)₆·3H₂O的W_空管(H=0)、W_空管(H=H)、W_{空管+樣品}(H＝0)和W_{空管+樣品}(H＝H)。

【注意事項】

—            —   所測樣品應研細并保存在干燥器中。

—            —   樣品管一定要干燥潔凈。如果空管在磁場(chǎng)中增重，表明樣品管不干凈，應更換。

—            —   裝樣時(shí)盡量把樣品緊密均勻地填實(shí)。

—            —   掛樣品管的懸線(xiàn)及樣品管不要與任何物體接觸。

【數據處理】

1. 根據實(shí)驗數據計算外加磁場(chǎng)強度H，并計算三個(gè)樣品的摩爾磁化率χ_M、磁矩μ_m和未配對電子數n。

2. 根據μ_m和n討論絡(luò )合物中心離子最外層電子結構和配鍵類(lèi)型。

3. 根據(14)式計算測量FeSO₄·7H₂O的摩爾磁化率的相對誤差，并指出哪一種直接測量對結果的影響?

思   考   題

1. 本實(shí)驗在測定χ_M時(shí)作了哪些似近處理?

2. 為什么可用莫爾氏鹽來(lái)標定磁場(chǎng)強度?

3. 樣品的填充高度和密度以及在磁場(chǎng)中的位置有何要求？如果樣品填充高度不夠，對測量結果有何影響?

【討論】

1. 有機化合物絕大多數分子都是由反平行自旋電子對而形成的價(jià)鍵，因此其總自旋矩等于零，是反磁性的。巴斯卡(Pascol)分析了大量有機化合物的摩爾磁化率的數據，總結得到分子的摩爾反磁化率具有加和性。此結論可以用于研究有機物分子的結構。

2. 從磁性的測量中還可以得到一系列其他的信息。例如測定物質(zhì)磁化率對溫度和磁場(chǎng)強度的依賴(lài)性可以定性判斷是順磁性、反磁性或鐵磁性的。對合金磁化率的測定可以得到合金的組成，也可研究生物體系中血液的成分等等。

3. 本書(shū)中磁化率采用的是國際單位SI制，但許多書(shū)中仍使用CGS磁單位制，必須注意換算關(guān)系。

質(zhì)量磁化率、摩爾磁化率單位制的換算關(guān)系分別為：

1m³·kg^-1 (SI單位)= (1/4p)′10³cm³·g^-1(CGS電磁制)

1m³·mol^-1 (SI單位)= (1/4p)′10⁶cm³·mol^-1(CGS電磁制)

另外，磁場(chǎng)強度H(A·m^-1)與磁感應強度B（T）之間存在如下關(guān)系：