實驗六 磁化率的測定

1、實驗十六 磁化率的測定實驗目的及要求1）掌握古埃（Gouy ）法測定磁化率的原理和方法。2）通過測定一些絡合物的磁化率，求算未成對電子數和判斷這些分子的配鍵類型。實驗原理1）磁化率物質在外磁場作用下，物質會被磁化產生一附加磁場。物質的磁感應強度等于萬十矛=外育+苻（16.1）式中B0為外磁場的磁感應強度；B為附加磁感應強度；H為外磁場強度；p 0為真空磁導率，其數值等于4n X10-7N/A2。物質的磁化可用磁化強度M來描述，M也是矢量，它與磁場強度成正比。羊（16.2）式中Z為物質的體積磁化率。在化學上常用質量磁化率x m或摩爾磁化率X M來表示物質的 磁性質。m(16.3) (16.4)式

2、中p、M分別是物質的密度和摩爾質量。2）分子磁矩與磁化率Xm = %順+ X逆對于順磁性物質，X順 I X逆I，可作近似處理，X M=x順。對于逆磁性物質，則只 有X逆，所以它的X M=X逆:人第三種情況是物質被磁化的強度與外磁場強度不存在正比關系，而是隨著外磁場強度的 增加而劇烈增加，當外磁場消失后，它們的附加磁場，并不立即隨之消失，這種物質稱為鐵 磁性物質。磁化率是物質的宏觀性質，分子磁矩是物質的微觀性質，用統(tǒng)計力學的方法可以得到摩 爾順磁化率X順和分子永久磁矩p m間的關系= 3 KT = T物質的磁性與組成物質的原子，離子或分子的微觀結構有關，當原子、離子或分子的兩 個自旋狀態(tài)電子數不

3、相等，即有未成對電子時，物質就具有永久磁矩。由于熱運動，永久磁 矩的指向各個方向的機會相同，所以該磁矩的統(tǒng)計值等于零。在外磁場作用下，具有永久磁 矩的原子，離子或分子除了其永久磁矩會順著外磁場的方向排列。（其磁化方向與外磁場相 同，磁化強度與外磁場強度成正比），表觀為順磁性外，還由于它內部的電子軌道運動有感 應的磁矩，其方向與外磁場相反，表觀為逆磁性，此類物質的摩爾磁化率（M是摩爾順磁化 率X順和摩爾逆磁化率X逆的和。（16.6）式中N0為阿佛加德羅常數；K為波爾茲曼常數；T為絕對溫度。物質的摩爾順磁磁化率與熱力學溫度成反比這一關素，稱為居里定律，是居里 首先在實驗中發(fā)現(xiàn)，C為居里常數。物質的

4、永久磁矩產。與它所含有的未成對電子數n的關系為引：的）（16.7）式中p B為玻爾磁子，其物理意義是單個自由電子自旋所產生的磁矩。 悶=湍羅= 9.274 X lOfj/T（16.8）式中h為普朗克常數；me為電子質量。因此，只要實驗測欲M，即可求出p m，算出未 成對電子數。這對于研究某些原子或離子的電子組態(tài)，以及判斷絡合物分子的配鍵類型 是很有意義的。3）磁化率的測定古埃法測定磁化率裝置如圖II一 281所示。將裝有樣品的圓柱形玻管如圖16.1 所示方式懸掛在兩磁極中間，使樣品底部處于兩磁極的中心。亦即磁場強度最強區(qū)域， 樣品的頂部則位于磁場強度最弱，甚至為零的區(qū)域。這樣，樣品就處于一不均

5、勻的磁場中，設樣品的截面積為A,樣品管的長度方向為dS的體積，AdS在非均 勻磁場中所受到的作用力dF為(16.9)dF = Xt0HAdS圖16.1古埃磁天平示意圖dH式中心為磁場強度梯度，對于順磁性物質的作用力，指向場強度最大的方向，反磁性物質 則指向場強度弱的方向，當不考慮樣品周圍介質（如空氣，其磁化率很?。┖虷。的影響時， 整個樣品所受的力為F = XpAHdS當樣品受到磁場作用力時，天平的另一臂加減砝碼使之平衡， 后的質量差，則F = -XqH2A = gm = 空管+樣抽Am 空管）(16.10)設m為施加磁場前(16.11)m由于m，pa代入（16.10）式整理得_。（膈空管+樣

6、品一空管）gM（16.12）式中h為樣品高度；m為樣品質量；M為樣品摩爾質量；p為樣品密度；p 0為真空磁 導率。p 0=47n X10-7N/A2。磁場強度H可用“特斯拉計”測量，或用已知磁化率的標準物質進行間接測量。例如用莫爾鹽（NH） SO FeSO 6H0，已知莫爾鹽的x與熱力學溫度T的關系式為X 4k X IO- m/Kg(16.13)儀器與藥品古埃磁天平（包括電磁鐵，電光天平，勵磁電源）1套;特斯拉計1臺;軟質玻璃樣品管4 只;樣品管架1個;直尺1只;角匙4只;廣口試劑瓶4只;小漏斗4只。莫爾氏鹽（NH）cSO,FeSO 6H 0（分析純）;FeSO7H 0（分析純）;KFe（CN

7、）（分析 純）;K4Fe（CN）6 3H20（分析純）。實驗步驟1）將特斯拉計的探頭放入磁鐵的中心架中，套上保護套，調節(jié)特斯拉計的數字顯示為 “0”。2）除下保護套，把探頭平面垂直置于磁場兩極中心，打開電源，調節(jié)“調壓旋鈕,”使電流增大至特斯拉計上顯示約“0.3T”，調節(jié)探頭上下、左右位置，觀察數字顯示值，把探 頭位置調節(jié)至顯示值為最大的位置，此乃探頭最佳位置。用探頭沿此位置的垂直線，測定離 磁鐵中心的高處Ho,這也就是樣品管內應裝樣品的高度。關閉電源前，應調節(jié)調壓旋鈕使 特斯拉計數字顯示為零。，3）用莫爾氏鹽標定磁場強度。取一支清潔的干燥的空樣品管懸掛在磁天平的掛鉤上， 使樣品管正好與磁極中

8、心線齊平，（樣品管不可與磁極接觸，并與探頭有合適的距離。）準確 稱取空樣品管質量（H=0）時，得mi（H）；調節(jié)旋鈕，使特斯拉計數顯為“）.300T”（H，迅速 稱量，得mi （Hi），逐漸增大電流，使特斯拉計數顯為“0.350T” （H2），稱量得mH），然后 略微增大電流，接著退至（0.350T）H2，稱量得m2（H2），將電流降至數顯為“0.300T” （H時， 再稱量得m2 （Hi），再緩慢降至數顯為“0. 000T” （H0），又稱取空管質量得m2 （H0） 0這樣 調節(jié)電流由小到大，再由大到小的測定方法是為了抵消實驗時磁場剩磁現(xiàn)象的影響?？展埽℉Q =+ 板2（孤）(16.14)說

9、空管(S) =+ Am2(Zf2)D(16.15)式中心；W 一 一 “（：）；，）； 以，（此,）。4）取下樣品管用小漏斗裝入事先研細并干燥過的莫爾氏鹽，并不斷讓樣品管底部在軟 墊上輕輕碰擊，使樣品均勻填實，直至所要求的高度，（用尺準確測量），按前述方法將裝有 莫爾鹽的樣品管置于磁天平上稱量，重復稱空管時的路程，得 TOC o 1-5 h z m（H ）， m（H ）， m（H ）， m（H ）， m（H ）， m（H ），1空管+樣品01空管+樣品11空管+樣品22空管+樣品22空管+樣品12空管+樣品0求出5空管+樣品（H和5空管+樣品（H）。5）同一樣品管中，同法分別測定FeSO -

10、7HO，K Fe（CN）和K Fe（CN） : - 3H 0的4236462m空管+樣品（H和5空管%測定后的樣品均要倒回試劑瓶，可重復使用。實驗注意事項1）所測樣品應事先研細，放在裝有濃硫酸的干燥器中干燥。2）空樣品管需干燥潔凈。裝樣時應使樣品均勻填實。3）稱量時，樣品管應正好處于兩磁極之間，其底部與磁極中心線齊平。懸掛樣品管的 懸線勿與任何物件相接觸。4）樣品倒回試劑瓶時，注意瓶上所貼標志，切忌倒錯瓶子。數據記錄與處理1)將所測數據列表樣品名稱W空管/gW空管/g W空管/gW空管呻/gW空管呻/g W空管呻/gW樣品/g樣品高度(cm)(H=0)(H=H)(H=0)(H=H)由莫爾鹽的單

11、位質量磁化率和實驗數據計算磁場強度值。 計算FeS0 7HO、K Fe(CN)和K Fe(CN) - 3H 0的x ，p 和未成對電子數。4236462mm根據未成對電子數討論FeS04 - 7H2O和K4Fe(CN)6 - 3H20中Fe2+的最外層電子結構以及由此構成的配鍵類型。467)思考題不同勵磁電流下測得的樣品摩爾磁化率是否相同？用古埃磁天平測定磁化率的精密度與哪些因素有關？8.討論1)用測定磁矩的方法可判別化合物是共價絡合物還是電價絡合物。共價絡合物則以中 央離子的空價電子軌道接受配位體的孤對電子，以形成共價配價鍵，為了盡可能多成鍵，往 往會發(fā)生電子重排，以騰出更多的空的價電子軌道

12、來容納配位體的電子對。例如Fe2+外層含 有6個d電子，它可能有兩種配布結構。 TOC o 1-5 h z Fe(II)未成對電子數為0，p m=0。Fe2+離子外電子層結構發(fā)生了重排，形成6個d2sp3 軌道，它們能接受6個CN-離子的6個孤對電子，形成6個共價配鍵。如Fe(CN)64-絡離子， 磁矩為0，是共價絡合物。63d454。Q。OOOO3d4s4/O OOO圖II一 282 Fe。外層電子配布結構圖Fe2+(I)是Fe2+離子在自由離子狀態(tài)下外層電子結構3d64s0p0，當它與6個H2O配位體形 成絡離子Fe(H20)2+，由于H20有相當大的偶極矩，與中心離子Fe2+以庫侖靜電引

13、力相結合 而成電價配鍵，此絡合物是電價絡合物。電價配鍵不需中心離子騰出空軌道，也就是中心離 子與配位體的相對大小和中心離子所帶的電荷。所以測定絡離子的磁矩是判別共價配鍵和電 價配鍵的主要方法，但有時以共價配鍵或電價配鍵相結合的絡離子含有同數的未成對電子， 就不能適用。如Zn(未成對電子數為零)，它的共價絡離子如Zn(CN)42-，ZNH+等，和電 價絡離子，如Zn(H2O)42+等，其磁矩均為零，所以對于Zn2+來說，就無法用測定、磁矩的方法， 來判別其配鍵的性質。2)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鍵，因此，這些分子 的總自旋矩也等于零，它們必然是反磁性的。巴斯卡(Pa

14、scol)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。此結論可用于研究有機物分子結 構。3）從磁性測量中還能得到一系列其它資料。例如測定物質磁化率對溫度和磁場強度的 依賴性可以判斷是順磁性，反磁性或鐵磁性的定性結果。對合金磁化率測定可以得到合金組 成，也可研究生物體系中血液的成分等等。4）磁化率的單位從CGS磁單位制改用國際單位SI制，必須注意換算關系。質量磁化率， 摩爾磁化率的換算關系分別為lm3/kg（SI 單位）=土 X 103cm3/g（CGS 電磁制）lm3/mol（SI 單位）= X 106cm3/mol（CGS 電磁制）磁場強度H（A/m）與磁

15、感應強度B（特斯拉）之間的關系（驟A/m） X 。= 10-叮5）古埃磁天平古埃磁天平是由全自動電光分析天平，懸線（尼龍絲或琴弦），樣品管，電磁鐵，勵磁電 源，DTM 一 3A特斯拉計，霍爾探頭，照明系統(tǒng)等部件構成。磁天平的電磁鐵由單桅水冷卻 型電磁鐵構成，磁極直徑為40mm，磁極矩為10mm40mm，電磁鐵的最大磁場強度可達0.6 特斯拉。勵磁電源是220V的交流電源，用整流器將交流電變?yōu)橹绷麟?，經濾波串聯(lián)反饋輸 入電磁鐵，如圖16.3，勵磁電流可從0調至10A。圖16.3簡易古埃磁天平電源線路示意圖磁場強度測量用DTM 一 3A特斯拉計。儀器傳感器是霍爾探頭，其結構如圖16.4所示。（1）

16、測量原理霍爾效應在一塊半導體單晶薄片的縱向二端通電流IH，此時半導體中的電子沿著IH反 方移動，見圖16.5，當放入垂直于半導體平面的磁場H中，則電子會受到磁場力F的作用 而發(fā)生偏轉（勞侖茲力），使得薄片的一個橫端上產生電子積累，造成二橫端面之間有電場， 即產生電場力凡阻止電子偏轉作用，當Fg一 Fe時，電子的積累達到動態(tài)平衡，產生一個穩(wěn) 定的霍爾電勢vh，這現(xiàn)象稱為霍爾效應。e圖16.4霍爾探頭圖16.5霍爾效應原理示意圖其關系式:V n = KHI IfBcosO 式中ih為工作電流；b為磁感應強度；kh為元件靈敏度；vh為霍爾電勢；e為磁場方向和 半導體面的垂線的夾角。由式(16.16)可知，當半導體材料的幾何尺寸固定，IH由穩(wěn)流電源固定，則匕與被測磁 場H成正比。當霍爾探頭固定e =00時(即磁場方向與霍爾探頭平面垂直時輸入最大，)匕 H 的信號通