实验20磁化率测定

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1、实验20磁化率的测定一、目的要求1.掌握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场的强弱。二、原理物质在磁场中被磁化，在外磁场强度H的作用下，产生附加磁场H’。该物质内部的磁感应强度B为B=H+H’=H+4πχH=H(20-1)式中χ称为物质的体积磁化率,表明单位体积物质的磁化能力,是无量纲的物理量。称为导磁率,与物质的磁化学性质有关.由于历史原因,目前磁化学在文献和手册中仍采用静电单位(CGSE),磁感应强度的单位用

2、高斯(G)，它与国际单位制中的特斯拉（T）的换算关系为1T=10000G磁场强度与磁感应强度不同，是反应外磁场性质的物理量，与物质的磁化学性质无关。习惯上采用的单位为奥斯特（Oe），它与国际单位A·m-1的换算关系为1Oe=A·m-1由于真空的导磁率被定为：=4π×10-7Wb·A-1m-1，而空气的导磁率≈，因而B=H=1×10-4Wb·m-2=1×10-4=1G这就是说1奥斯特的磁场强度在空气介质中所产生的磁感应强度正好是1高斯，二者单位虽然不同，但在量值上是等同的。习惯上用测磁仪器测得的“磁场强度”实际上都

3、是指在某一介质中的磁感应强度，因而单位用高斯，测磁仪器也称为高斯计或特斯拉计。除χ外，化学上常用单位质量磁化率和摩尔磁化率来表示物质的磁化能力：（20-2）=M·（20-3）式中ρ和M是物质的密度和分子量，的单位是cm3·g-1，的单位是cm3·mol-1。物质在外磁场作用下的磁化有三种情况：(1)<0，这类物质称为逆磁性物质。(2)>0，这类物质称为顺磁性物质。(3)随磁场强度的增加而剧烈增加，往往伴有剩磁现象，这类物质称为铁磁性物质。物质的磁性与组成物质的原子、离子、分子的性质有关。原子、离子、分子中电子自旋

4、已配对的物质一般是逆磁性物质。这是由于电子的轨道运动受外磁场作用，感应出“分子电流”，从而产生与外磁场相反的附加磁场。原子、离子、分子中具有自旋未配对电子的物质都是顺磁性物质。这些不成对电子的自旋产生了永久磁矩，它与不成对电子数n的关系为=（20-4）式中：为Bohr磁子，==9.2740×10-21erg·G-1；e、m为电子电荷和静止质量；c为光速；h为planck常数。在没有外磁场的情况下，由于原子、分子的热运动，永久磁矩指向各个方向的机会相等，所以磁矩的统计值为零。在外磁场的作用下，这些磁矩会象小磁铁一样

5、，使物质内部的磁场增加，因而顺磁性物质具有摩尔顺磁化率。另一方面顺磁性物质内部同样有电子轨道运动，因而也有摩尔逆磁化率，故摩尔磁化率是与两者之和：=+（20-5）由于》

6、

7、，所以顺磁性物质的>0，且可近似认为≈。摩尔顺磁化率与分子的永久磁矩有如下的关系：=（20-6）式中：为Avogadro常数；K为Boltzmann常数；T为绝对温度（K）。通过实验可以测定物质的，代入（20-6）式求得，再根据（20-4）式求得不成对的电子数n，这对于研究配位化合物的中心离子的电子结构是很有意义的。根据配位场理论，过渡元素离子

8、d轨道与配位体分子轨道按对称性匹配原则重新组合成新的群轨道。在ML6正八面体配位化合物中，M原子处在中心位置，点群对称性Oh，中心原子M的s、px、py、pz、dx2-y2、dz2轨道与和它对称性匹配的配位体L的σ轨道组合成成键轨道a1g、t1u、eg。M的dxy、dyz、dxz轨道的极大值方向正好和L的σ轨道错开，基本上不受影响，是非键轨道t2g。因L电负性值较高而能级低，配位体电子进入成键轨道，相当于配键。M的电子安排在三个非键轨道t2g和两个反键轨道上，低的t2g和高的之间能级间隔称为分裂能Δ，这时d电子的

9、排布需要考虑电子成对能P和轨道分裂能Δ的相对大小。对强场配位体，例如CN-、NO2-，P<Δ，电子将尽可能地占据能量较低的t2g轨道，形成强场低自旋型配位化合物（LS）。对弱场配位体，例如H2O、卤素离子，分裂能较小，P>Δ，电子将尽可能地分占五个轨道，形成弱场高自旋型配位化合物（HS）。Fe2+的外层电子组态为3d6，与6个CN-形成低自旋型配位离子Fe（CN）4-，电子组态为，表现为逆磁性。当与6个H2O形成高自旋型配位离子时，电子组态为，表现为顺磁性。通常采用Gouy磁天平法测定物质的，本实验采用的是MT-

10、1型永磁天平，其实验装置如图20-1所示。图20-1古埃磁天平示意图将装有样品的平底玻璃管悬挂在天平的一端，样品的底部处于永磁铁两极中心，此处磁场强度最强。样品的另一端应处在磁场强度可忽略不计的位置，此时样品管处于一个不均匀磁场中，沿样品管轴心方向s，存在一个磁场强度梯度dH/dS。若忽略空气的磁化率，则作用于样品管上的力f为f=··dS=（20-7）式中A为样品的截面积