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络合物磁化率的测定
一.目的要求
1、掌握古埃法测定磁化率的原理和方法。
2、通过测定一些络合物的磁化率,推算其不成对电子数,判断这些分子的配键类型。
二.根本原理
1、磁化率
物质在外磁场作用下,物质会被磁化产生一附加磁场。物质的磁感应强度等于
〔16.1〕
式中B0为外磁场的磁感应强度;B′为附加磁感应强度;H为外磁场强度;μ0为真空磁导率,其数值等于4π×10-7N/A2。
物质的磁化可用磁化强度M来描述,M也是矢量,它与磁场强度成正比。
〔16.2〕
式中Z为物质的体积磁化率。在化学上常用质量磁化率χm或摩尔磁化率χM来表示物质的磁性质。
(16.3)
(16.4)
式中ρ、M分别是物质的密度和摩尔质量。
2、分子磁矩与磁化率
物质的磁性与组成物质的原子,离子或分子的微观结构有关,当原子、离子或分子的两个自旋状态电子数不相等,即有未成对电子时,物质就具有永久磁矩。由于热运动,永久磁矩的指向各个方向的时机相同,所以该磁矩的统计值等于零。在外磁场作用下,具有永久磁矩的原子,离子或分子除了其永久磁矩会顺着外磁场的方向排列。(其磁化方向与外磁场相同,磁化强度与外磁场强度成正比),表观为顺磁性外,还由于它内部的电子轨道运动有感应的磁矩,其方向与外磁场相反,表观为逆磁性,此类物质的摩尔磁化率χM是摩尔顺磁化率χ顺和摩尔逆磁化率χ逆的和。
对于顺磁性物质,χ顺∣χ逆∣,可作近似处理,χM=χ顺。对于逆磁性物质,那么只有χ逆,所以它的χM=χ逆。
第三种情况是物质被磁化的强度与外磁场强度不存在正比关系,而是随着外磁场强度的增加而剧烈增加,当外磁场消失后,它们的附加磁场,并不立即随之消失,这种物质称为铁磁性物质。
磁化率是物质的宏观性质,分子磁矩是物质的微观性质,用统计力学的方法可以得到摩尔顺磁化率χ顺和分子永久磁矩μm间的关系
〔16.6〕
式中N0为阿佛加德罗常数;K为波尔兹曼常数;T为绝对温度。
物质的摩尔顺磁磁化率与热力学温度成反比这一关素,称为居里定律,是居里
首先在实验中发现,C为居里常数。
物质的永久磁矩产。与它所含有的未成对电子数n的关系为
〔16.7〕
式中μB为玻尔磁子,其物理意义是单个自由电子自旋所产生的磁矩。
〔16.8〕
式中h为普朗克常数;me为电子质量。因此,只要实验测得χM,即可求出μm,算出未成对电子数。这对于研究某些原子或离子的电子组态,以及判断络合物分子的配键类型是很有意义的。
3、磁化率的测定
古埃法测定磁化率装置如图Ⅱ一28—1所示。将装有样品的圆柱形玻管如图16.1所示方式悬挂在两磁极中间,使样品底部处于两磁极的中心。亦即磁场强度最强区域,样品的顶部那么位于磁场强度最弱,甚至为零的区域。这样,样品就处于
一不均匀的磁场中,设样品的截面积为A,样品管的长度方向为dS的体积,AdS在非均匀磁场中所受到的作用力dF为
(16.9)
式中为磁场强度梯度,对于顺磁性物质的作用力,指向场强度最大的方向,反磁性物质那么指向场强度弱的方向,当不考虑样品周围介质(如空气,其磁化率很小)和H。的影响时,整个样品所受的力为
(16.10)
当样品受到磁场作用力时,天平的另一臂加减砝码使之平衡,设?m为施加磁场前后的质量差,那么
(16.11)
由于代入(16.10)式整理得
(16.12)
式中h为样品高度;m为样品质量;M为样品摩尔质量;ρ为样品密度;μ0为真空磁导率。μ0=47π×10-7N/A2。
磁场强度H可用“特斯拉计”测量,或用磁化率的标准物质进行间接测量。例如用莫尔盐[(NH4)2SO4·FeSO4·6H20],莫尔盐的χm与热力学温度T的关系式为
(16.13)
三.仪器与试剂
古埃磁天平软质玻璃样品管FeSO4·7H2O(分析纯)
K4Fe(CN)6·3H2O(分析纯)莫尔氏盐(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O(分析纯)
四.实验步骤
1、除下保护套,把探头平面垂直置于磁场两极中心,翻开电源,调节“调压旋钮”,使电流增大至特斯拉计上显示约“0.3T”,调节探头上下、左右位置,观察数字显示值,把探头位置调节至显示值为最大的位置,此乃探头最正确位置。用探头沿此位置的垂直线,测定离磁
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