实验二十一磁化率的测定

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1、实验十一磁化率的测定一、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体场的强弱。二、实验原理　　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十4πχH＝μH　　(1)　　式中χ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。μ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多半采用静电单位(CGSE)

2、，磁感应强度的单位用高斯(G)，它与国际单位制中的特斯拉(T)的换算关系是　　　　　　　1T=10000G　　磁场强度与磁感应强度不同、是反映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＝1/4πX10-3A·m-1　　由于真空的导磁率被定为：μ＝4π×10-7Wb·A-1·m-1，而空气的导磁率μ空≈μ0，因而　　　　　1oe＝1×10-4Wb·m-2＝1×10-4T＝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

3、测磁仪器测得的"磁场强度"实际上都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。　　除χ外化学上常用单位质量磁化率χm和摩尔磁化率χM来表示物质的磁化能力：　　　　　　χm＝χ／ρ　　(2)　　　　　　χM＝M·χM＝M·χ／ρ　　(3)　　式中ρ和M是物质的密度（g·cm-3）和分子量，χm的单位取cm3·g-1，χM的单位取cm3·mol-1。　　物质在外磁场作用下的磁化有三种情况　　1．χM＜o，这类物质称为逆磁性物质。　　2．χM＞o，这类物质称为顺磁性物质。　　3．少数的χM与外磁场H有关，其值随磁场强度的增加而剧烈增加，并且还伴有剩磁现象，如铁、

4、钴、镍等，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。这个现象类似于线圈中插入磁铁会产生感应电流，并同时产生与外磁场方向相反的磁场的现象。　　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χμ和分子永久磁矩μm之间的关系：　　　　　　　　　(4)　　式中NA为Avogadro常数（6.022x1023mol-1）；K为Boltzmann常数（1.3806x10-23

5、J·K-1）；T为绝对温度。通过实验可以测定物质的χM，代人(4)式求得μm（因为χM≈μm），再根据下面的(6)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。　　物质的摩尔顺磁磁化率与热力学温度成反比这一关系，称为居里定律，是P.Curie　　首先在实验中发现的，C为居里常数。　　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μm，微观的永久磁矩与宏观的摩尔磁化率χM之间存在联系，这一联系可以表达为：　　　(5)　　　(6)　　式中：μB为Bohr磁子，其物理意义是单个自由电子自旋所产生的磁矩。　μB

6、＝eh/4πmc＝9.274×10－21erg·G-1＝9.274×10-24J/T，e、m为电子电荷和静止质量；c为光速；h=6.6256×10-27erg·sec=6.6256×10-34J·s.为plank常数。　　例如，Cr3+离子，其外层电子构型3d3，由实验测得其磁矩μm=3.77μB，则由（5）式可算得n≈3，即表明有3个未成对电子。又如，测得黄血盐K4[Fe(CN)6]的μm=0，则n=0，可见黄血盐中的3d6电子不是如图21－1(a)的排布，而是如图21－1(b)的排布。　　　　　　　　图21－1Fe2+外层电子排布图　　在没有外磁场的情况下，由于原子、分子的热

7、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。在外磁场作用下，这些磁矩会像小磁铁一样，使物质内部的磁场增强，因而顺磁性物质具有摩尔顺磁化率χμ。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χ0，故摩尔磁化率χM是χμ与χ0两者之和：　　　　　　χM=χμ十χ0　　(7)　　由于χμ≥︱χ0︱，所以顺磁性物质的χM＞0，且可近似认为χM≈χμ　　根据配位场理论，过渡元素离子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