磁化率的测定

结构化学实验报告

题目：磁化率的测定

报告作者： 学 号： 班 级： 级化教 班 指导老师： 彭斌老师 实验时间： 年 月 日

磁化率的测定

一、【实验目的】

1．掌握古埃（Gouy）磁天平测定物质磁化率的实验原理和技术。

2．通过对一些配合物磁化率的测定，计算中心离子的不成对电子数．并判断d电子的排布情况和配位体场的强弱。

二、【实验原理】

（1）物质的磁性

物质在磁场中被磁化，在外磁场强度H(A·m-1)的作用下，产生附加磁场H'。这时该物质内部的磁感应强度B为外磁场强度H与附加磁场强度H'之和： B＝H十H'＝H+4πI=H十4πκH (1)

式中，I称为体积磁化强度，物理意义是单位体积的磁矩，式中的κ=I/H称为物质的体积磁化率、表示单位体积物质的磁化能力，是无量纲的物理量。I和κ分别除以物质的密度ρ可以得到σ和χ，σ=I/ρ称为克磁化强度；χ=κ/ρ称为克磁化率或比磁化率。Χm=κM/ρ称为摩尔磁化率（M是物质的摩尔质量）。这些实验数据都可以从实验测得，是宏观磁性质。在顺磁、反磁性研究中常用到χ和χm，铁磁性研究中常用到I、σ。 不少文献中按宏观磁性质，把物质分成反磁性物质、顺磁性物质和铁磁性物质以及亚铁磁性物质、反铁磁性物质几类。其中顺磁性物资的χm>0而反磁性物质的χm<0。 （2）古埃法（Gouy）测定磁化率 古埃法是一种简便的测量方法，主要用在顺磁测量。简单的装置包括磁场和测力装置两部分。调节电流大小，磁头间距离大小，可以控制磁场强度大小。测力装置可以用分析天平。为了测量不同温度的数据，要使用变温、恒温和测温装置。

样品放在一个长圆柱形玻璃管内，悬挂在磁场中，样品管下端在磁极处，另一端则在磁场强度为零处。

样品在磁场中受到一个作用力。

dFHAdH

式中，A表示圆柱玻璃管的截面积。 样品在空气中称量，必须考虑空气修正，即

dF(0)HAdH

0表示空气的体积磁化率，整个样品的受力是个积分问题：

H01F0AHdH0A(H2H02)H2

1FAH22因H0<式中，F可以通过样品在有磁场和无磁场的两次称量的质量差来求出。

F(m样m空)g

式中，Δm样为样品管加样品在有磁场和无磁场时的质量差；Δm空为空样品管在有磁场和无磁场时的质量差；g为重力加速度。

则有，

2FAH2

m而

Mm样品，Ah，h为样品高度，A为样品管截面积，m样品为样品质量。

2FMAH22(m样m空)ghMmmm样品H2样品Ah①

只要测量样品重量的变化，磁场强度H以及样品高度h，即可根据公式①计算样品的摩尔磁

化率。

在实际工作中是采用已准确知道磁化率数值的校准样品来标定磁场，根据①式：

样品(m样品mm空)m校准剂M样品h样品校准剂(m校准剂m空)m样品M校准剂h校准剂②

(m样品mm空)m校准剂M样品h样品样品校准剂(m校准剂m空)m样品M校准剂h校准剂③

常用的校准样品有（NH4）2SO4 FeSO4·6H2O（莫氏盐）、HgCo（CNS）4、Ni（en）3S2O3。其中，（NH4）2SO4 FeSO4·6H2O的磁化率符合公式：

1.1938104T1④

式中，T是绝对温度。

（3）简单络合物的磁性与未成对电子

对于第一过渡系列元素络合物，它们的磁矩实验值大多符合

⑤

式中，n是分子中未成对电子数；μB是电子磁矩的基本单位，称为波尔磁子。

Beh9.2741024J/T4mc⑥

而磁矩μm与摩尔顺磁磁化率χm之间有如下关系：

NmAm41073KT⑦

式中，NA为阿伏伽德罗常数；K为波兹曼常数；T为绝对温度。

根据⑦式可以利用测量出的物质的摩尔顺磁化率χm计算出μm，然后根据⑤式计算样品的未成对电子数。若测得的χm<0则表示物质是反磁性物质，未成对电子数为零。

2三、【仪器及试剂】

（1）仪器 磁天平(上海复旦天欣科教仪器有限公司 50026)一台，样品管一支，直尺一把，温度计一支。

（2）试剂 莫尔氏盐（NH4）2SO4 FeSO4·6H2O，分析纯；硫酸亚铁FeSO4·7H2O，分析纯；亚铁K4Fe（CN）6·3H2O，分析纯。

四、【实验步骤与数据记录】

标定磁场强度方法如下：

（1）取一支清洁干燥的样品管悬挂在磁天平的挂钩上，称质量得m空。 （2）调节磁天平电流开关，由小至大调节至指定位置1A，测质量得m空1。 （3）继续调大电流开关至3A，测质量得m空2。 （4）继续升高电流至4A，停留一定时间（稳定读数），然后调小电流从4A回到3A，测质量得m空2’。

（5）继续调小电流回到1A，测得质量得m空1’。 （6）关闭电流测质量得m空’。 表1 数据记录表（空管） 电流/A 0 1 3 空管质量/g I（电流升高） 16.3516 16.3517 16.3514 II（电流降低） 16.3516 16.3514 16.3513 平均值 16.3516 16.35155 16.35135 -0.00005 -0.0002 Δm空 /g （7）装入已经研细的莫氏盐，装样尽量填实，样品要装至距离管口约1~2cm处，用直尺测量装样的高度，将样品管放入磁天平，按照空管的测量方法测量样品管的重量。 表2 样品：莫氏盐，装样高度：13.5 cm 电流/A 0 1 3 空管+样本质量/g I（电流升高） 28.4009 28.4046 28.4312 II（电流降低） 28.4006 28.4046 28.4323 平均值 28.40075 28.4046 28.43175 0.00385 0.02715 Δm /g （8）倒出样品管中的莫氏盐，将样品管清洗干净，吹干。装入研细的硫酸亚铁，装样高度和莫氏盐尽量相同，用同样的方法测量硫酸亚铁的数据。 表3 样品：硫酸亚铁，装样高度：13.4 cm 电流/A 0 1 3 空管+样本质量/g I（电流升高） 29.0040 29.0092 29.0488 II（电流降低） 29.0037 29.0097 29.0491 平均值 29.00385 29.00945 29.045 0.0056 0.03905 Δm /g （9）倒出样品管中的硫酸亚铁，将样品管清洗干净，吹干。装入研细的亚铁，装样高度和莫氏盐尽量相同，用同样的方法测量亚铁的数据。 表4 样品：亚铁，装样高度：13.5 cm 电流/A 空管+样本质量/g I（电流升高） II（电流降低） 平均值 Δm /g 0 1 3 26.7772 26.7770 26.7767 26.7774 26.7774 26.7767 26.7773 26.7772 26.7767 -0.0001 -0.0005

五、【数据处理】

（1）样品的磁化率 T=30℃=303.15K M莫氏盐=392.14g/mol

1.1938104T1=3.925×10-7 m3/kg=1.539×10-7m3/mol

（2）待测样品的摩尔磁化率χm

由③式可计算电流为1A时，FeSO4·7H2O的摩尔磁化率：

硫酸亚铁(m硫酸亚铁m空)m莫氏盐M硫酸亚铁h硫酸亚铁(m莫氏盐m空)m硫酸亚铁M莫氏盐h莫氏盐莫氏盐



0.00565g12.04915g278.0313.4cm1.53910-7m3/mol0.0039g12.65225g392.1413.5cm

7310m/mol 1.494282同理可以分别计算电流强度为1A、3A时，FeSO4·7H2O、K4Fe（CN）6·3H2O的摩尔磁

化率

数据处理如下表： 电流/A （（（1 0.0039 ）/g 0.00565 -0.00015 ）/g 392.14 278.03 422.39 12.04915 12.65225 10.4257 3 0.02735 0.03925 -0.0007 m莫氏盐m空m硫酸亚铁m空）/g m亚铁m空 M莫氏盐M硫酸亚铁 M亚铁m莫氏盐m硫酸亚铁m亚铁 m（硫酸亚铁）/ m3·mol-1 1.494282107 1.480237×10-7 -4.9034×10-9 m（亚铁）/ m3·mol-1 -7.368667×10-9 则FeSO4·7H2O的摩尔磁化率平均值为：

1.49428210-71.48023710-7m1.48726910-7m3/mol2

K4Fe（CN）6·3H2O的摩尔磁化率平均值为：

-7.36866710-9-4.903410-9m6.13606610-9m3/mol2

（3）根据χm计算样品的未成对电子数

a、FeSO4·7H2O

NmAm41073KT由得：

m3mKT31.48726010-7m3/mol1.3806621023J/K303.15K7NA4106.021023410723210 4.968478又因为当n=1时，μ

当n=2时，μ当n=3时，μ当n=4时，μ当n=5时，μ

J2/T2

、μB=9.274078×10-24，所以：

m=1.6063×10-23 J2/T2； m=2.6231×10-23 J2/T2； m=3.5918×10-23 J2/T2； m=4.5434×10-23 J2/T2； m=5.4866×10-23 J2/T2。

23224.77810J/Tm由此可以看出，当n=4时，μm=4.968478×10-23 J2/T2，接近，

则FeSO4·7H2O的未成对电子数是4。

b、K4Fe（CN）6·3H2O

-936.13606610m/mol0，故亚铁是反磁性物质，未成对电子数为0。m因为

六、【实验思考与讨论】

①测定空样品管的重量的操作过程中，不要用手、脚、胳膊或身子碰挤或挪动操作台和天平

②装在样品管内的样品要均匀紧密、上下一致、端面平整、高度测量准确

③天平称量时，必须关上磁极架外面的玻璃门，以免空气流动对称量的影响。

④ 注意装样的均匀性，粉末样品在管中的装填要求均匀，否则，由此引起的相对误差可

达 3%。采用多次反复测定并取平均值，可使误差减少到 1%。

⑤ 置样品底部于磁极的中心线上，即最强磁场处。样品管应足够长，使其上端所处的磁场强度可以忽略不计。

⑥ 避免空气对流的影响，有条件时可采用真空系统。

⑦ 选用合适的标准样品，需根据测量目的选用，一般选取易得的、稳定性好、纯度高、重现性好的标准样品，且希望标准样品的磁化率和密度尽可能和测试样品相近。在高磁化率范围内，通常采用莫尔盐为标准样品，用莫尔盐时必须注意装样的均匀性。 ⑧防止铁磁性物质的混入，不可使用含铁、镍的角匙或镊子。

⑨测定磁化率的主要方法为受力法——测定物体在磁场中所受力的大小来求磁化率。作为测定方法中最简易的Gouy法，其条件总结如表： 方法 W.Gouy 法 磁场条件 均匀磁场，推荐用3000~150000Oe的电磁铁或50000Oe的永久磁铁 样品的物理特性 粉末固体，纯液体和溶液 最低用量 0.5g固体 5mL液体 应用 仅应用于反磁性和顺磁性物质 误差 0.1% 温度控制 可在广泛的范围内控制 ⑩Gouy法磁天平具有操作简便，无论对顺磁性或反磁性的固体或液体试样都能进行测定等到优点，但是需用样品量多，对粉末样品由于其装样的不均匀、不同一性而引起的误差较大，不能用于铁磁性及超顺磁性物质的研究，通常也不适用于各向异性磁化率的测定，在应用上受到一定的。

七、【思考题】

讨论被测化合物的中心离子[Fe2+]的d电子排布

答：Fe的核外电子排布为3d6 4s2，则Fe2＋的核外电子排布为3d6。

（1）在FeSO4·7H2O中，因为[Fe2+]的未成对电子数是4，则其d电子排布为 电子即为高自旋排布，H2O为弱场配体。

（2）在K4Fe(CN)6·3H2O中，因为[Fe2+]的未成对电子数为0，则其d电子排布为 电子即为低自旋排布，CN-为强场配体。

参考文献

[1] 何广平，南俊民 等. 物理化学实验[M]. 北京：化学工业出版社，2007.12 [2] 柯伊侃.大学化学实验[M]. 北京：化学工业出版社，2001