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（6.022×1023 mol?1），k为玻尔兹曼常数(1.380 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 = 9.274 ×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+ 离子与6个CN ? 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，它们能接受6个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 (NH4)2SO4 ?FeSO4? 6H2O，亚铁氰化钾K4[Fe (CN)6] ?3H2O，硫酸亚铁FeSO4?7H2O。 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 1 = 2.0A，I 2 = 4.0A，I 3 = 6.0A）的条件下，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 0及电流在2.0A、4.0A、6.0A时的?m0 （应重复一次取平均值）。 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 品高度h，测量电流为零时莫尔氏盐的质量mB及2.0A、4.0A、6.0A时的?mB 的平均值。 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I1=2.0A，I 2 = 4.0A，I 3 = 6.0A时的 χm 、μ m以及未成对电子数n。 4. 试讨论亚铁氰化钾和硫酸亚铁中Fe2+离子的外电子层结构和配键类型。 六 思考题 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mB、? mB 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变化。）