文档介绍：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=4πχH0 (1)
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χm = χM/ρ(2)
式中M、ρ分别为物质的摩尔质量与密度。χm的单位为m 3 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µ m = 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 m ≠ 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 是顺磁磁化率与反磁磁化率之和。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µ m关系可由居里-郎之万公式表示: χm =χ顺= (Lμ0μm)/3kT (3)
式中L为阿伏加德罗常数(×1023 mol−1),k为玻尔兹曼常数( 6×10−23J·K−1 ),µ 0为真空磁导率(4 π×10−7 N·A−2),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µ m 由分子内未配对电子数n 决定,其关系如下:
(4)
式中µ B为玻尔磁子,是磁矩的自然单位。µ B = ×10−24 J􀁸T−1(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H2O配位体形成[Fe (H2O)6] 2+ 络离子,是电价络合物。其中Fe 2+ 离子仍然保持原自由离子状态下的电子层结构,此时n = 4。如果Fe2+ −离子配位体形成[Fe (CN)6] 4−络离子,则是共价络合物。这时其中Fe 2+ 离子的外电子层结构发生变化,n = 0。
显然,其中6个空轨道形成d2sp3的6个杂化轨道,−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(NH4)2SO4 •FeSO4• 6H2O,亚铁氰化钾K4[Fe