磁化率测定
一 实验目的
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。 二 实验原理
摩尔磁化率和分子磁矩 :
物质在外磁场作用下，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。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: Hˊ=4πχH (1) 0
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 χ表示磁m化程度，它与χ的关系为 χχM/ρ (2)m =
?3 1式中M、ρ 分别为物质的摩尔质量与密度。χ的单位为m 。 m
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µ = 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m
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。它的称为反磁磁化率，用表示，且<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µ ? 0。这些杂乱取向的分子磁矩在受到外磁场m
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表示。
是顺磁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 磁化率与反磁磁化率之和。因|χ|>>|χ|，所以对于顺磁性物质，可以认顺反
为χ =χ，其值大于零，即χ>0。 顺mm
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µ 关系可由居里m,郎之万公式表示: χ =χ= (Lμμ)/3kT (3) 顺m 0m
?23 1
式中L为阿伏加德罗常数(6.022×10mol)，k为玻尔兹曼常数(1.380 6
????231 7 2
×10J?K)，µ 为真空磁导率(4 π×10N?A)，T为热力学温度。0
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µ 由分子内未配对电子数n 决定，其关系如下: m
,,,n(n，2) (4) mB
??24 1式中µ 为玻尔磁子，是磁矩的自然单位。µ = 9.274 ×10J?T(T为BB
磁感应强度的单位，即特斯拉)。
2+ 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，Fe离子
600
在自由离子状态下的外层电子结构为3d4s4p。如以它作为中心离子与6
2+ 2+ 个HO配位体形成[Fe (HO)] 络离子，是电价络合物。其中Fe 离子226
2+ 仍然保持原自由离子状态下的电子层结构，此时n = 4。 如果Fe离子与
?? 4
6个CN 离子配位体形成[Fe (CN)] 络离子，则是共价络合物。这时其6
2+
中Fe 离子的外电子层结构发生变化，n = 0。
23
sp的6个杂化轨道，它们能接受6个显然，其中6个空轨道形成d
?
CN离子中的6对孤对电子，形成共价配键。
三 试剂与仪器
试剂:莫尔氏盐 (NH)SO6HO，亚铁氰化钾K[Fe (CN)]FeSO•• 424 4 2463HO，硫酸亚铁FeSOO。 7H••242
仪器:古埃磁天平(包括磁极、励磁电源、电子天平等)，CT5型高斯计，玻璃样品管，装样品工具(包括研钵、角匙、小漏斗等)。 四 实验步骤
1. 磁场强度分布的测定
(1) 分别在特定励磁电流(I = 2.0A，I = 4.0A，I = 6.0A)的条件1 2 3 下，用高斯计测定从磁场中心起，每提高1cm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m 及电流在2.0A、4.0A、6.0A时的?m(应重复00 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
及2.0A、4.0A、6.0A时品高度h，测量电流为零时莫尔氏盐的质量mB
的?m的平均值。 B
3. 样品的摩尔磁化率测定
用标定磁场强度的样品管分别装入亚铁氰化钾与硫酸亚铁，同上要求测定其h、m及2.0A、4.0A、6.0A时的?m。
五 数据处理
1. 分别描绘在特定励磁电流为2.0A、4.0A、6.0A时的磁场强度随着距离磁场中心线高度而变化的分布曲线。
2. 由莫尔氏盐的磁化率和实验数据，计算各特定励磁电流相应的磁场强度值，并与高斯计测量值进行比较。
3. 由亚铁氰化钾与硫酸亚铁的实验数据，分别计算和讨论在I=2.0A，I = 4.0A，I = 6.0A时的 χ、µ 以及未成对电子数n。 12 3 m m
2+
4. 试讨论亚铁氰化钾和硫酸亚铁中Fe离子的外电子层结构和配键类型。
六 思考
题
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1. 简述用古埃磁天平法测定磁化率的基本原理。
2. 本实验中为什么样品装填高度要求在15 cm左右,
3. 在不同的励磁电流下测定的样品摩尔磁化率是否相同,为什么,
实验结果若有不同应如何解释,
4. 从摩尔磁化率如何计算分子内未成对电子数及判断其配键类型,
、? 5. 在什么条件下可以由计算待测样品的摩尔磁化率,(式中mBm分别为莫尔氏盐的质量和莫尔氏盐在有磁场和无磁场时的称量值的B
变化。)
浙公网安备 33021202002483