文档介绍：磁化率的测定
,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。
(Gouy)磁天平测定磁化率的原理和方法。
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( ×1023mol-1),、k为玻尔兹曼常数(×10-23J·K-1),µ0为真空磁导率(4π×10-7N·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= ×10-24J·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。如下图所示:
如果Fe2+-离子配位体形成[)6]4-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:
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。
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