配合物磁化率的测定

化学国家级实验教学示范中心NorthwestUniversity配合物磁化率的测定基础化学实验Ⅲ（物理化学实验）化学国家级实验教学示范中心NorthwestUniversity物质结构基本原理、物质磁性与其电子结构的关系、未成对电子数与分子的配键类型。知识点及实验技能训练要点知识点：古埃(Gouy)磁天平的使用（首次训练）实验技能训练要点：化学国家级实验教学示范中心NorthwestUniversity一、实验目的二、实验原理三、实验步骤四、注意事项五、实验总结六、实验延伸七、思考题化学国家级实验教学示范中心NorthwestUniversity1了解物质磁性与其电子结构的关系，加深对物质结构基本原理的理解2掌握古埃(Gouy)磁天平测定物质磁化率的基本原理和实验方法3通过测定一些络合物的磁化率，求算其未成对电子数，判断这些分子的配键类型一、实验目的化学国家级实验教学示范中心NorthwestUniversity物质在外磁场的作用下，由于电子等带电体的运动，会被磁化产生一附加磁场。物质内部的磁感应强度等于式中，为外磁场的磁感应强度；为物质磁化产生的附加磁场的磁感应强度；为外磁场强度；为真空磁导率，其数值等于4π×10-7N/A2。''00BBBHB0B'BH0（一）物质磁性与磁化率二、实验原理化学国家级实验教学示范中心NorthwestUniversity物质的磁化可用磁化强度来描述，它与磁场强度成正比，即式中，为无因次量，称为物质的体积磁化率，简称磁化率，是物质的一种宏观磁性质，表示物质被磁化引起的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。MH化学国家级实验教学示范中心NorthwestUniversity（二）分子磁矩与磁化率物质的磁性与组成物质的原子、分子或离子的微观结构有关，物质在外磁场作用下的磁化现象有三种：1）物质的原子、离子或分子中没有自旋未成对的电子，这类物质的分子磁矩=0，本身并不呈现磁性。当它受到外磁场作用时，其内部的电子轨道运动会产生拉摩进动，相应产生一种与外磁场方向相反的感应磁矩。其磁化强度与外磁场强度成正比，并随着外磁场的消失而消失，这种物质称为反磁性（或逆磁性）物质。m化学国家级实验教学示范中心NorthwestUniversity2）当物质的原子、离子或分子有未成对电子存在时，物质就具有永久磁矩。由于热运动，永久磁矩指向各个方向的机会相同，所以该磁矩的统计值等于零。在外磁场作用下，一方面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），表现为顺磁性；另一方面，其内部电子轨道运动也会产生拉摩进动，其磁化方向与外磁场相反，表现为逆磁性。此类物质的摩尔磁化率是上述两部分贡献之和，即摩尔顺磁化率和摩尔逆磁化率之和。化学国家级实验教学示范中心NorthwestUniversity3）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，它的附加磁场，并不立即随之消失，呈现出滞后现象。这种物质称为铁磁性物质。化学国家级实验教学示范中心NorthwestUniversity（三）永久磁矩与未成对电子数物质的永久磁矩与物质的未成对电子数n的关系为：mmB2nn式中，为玻尔(Bohr)磁子，是磁矩的自然单位，其物理意义是单个自由电子自旋产生的磁矩。B实验上只要测得，即可求出，进而算出未成对电子数n。这对于研究某些原子或离子的电子组态，以及判断配合物分子的配键类型是很有意义的。mm化学国家级实验教学示范中心NorthwestUniversity仪器装置化学国家级实验教学示范中心NorthwestUniversity（1）未接通电源时，将励磁电流旋钮左旋至最小（2）接通电源，将电流缓慢调到2～3A，预热5min三、实验步骤化学国家级实验教学示范中心NorthwestUniversity（3）磁场两极中心处磁感应强度B的测定(a)调节励磁电流值为零，旋转毫特斯垃计读数旋钮，使其显示值为零(b)将励磁电流调至任意值（不要超过10A），霍尔探头放在磁天平下方线圈中间，探头平面垂直于磁场方向。上下左右调节其位置，使毫特斯拉计的读数显示最大后将其固定，此乃探头最佳位置。若特斯拉计为负，只需将探头转动180°(c)调节励磁电流值分别为I1、I2，从毫特斯拉计表中读取相应电流下的磁感应强度B值。将电流增大至I3后直接又返回到I2和I1（建议使用I1=5A，I2=8A，I3=9A，不要超过10A），再次分别读取磁感应强度值化学国家级实验教学示范中心NorthwestUniversity(a)将各药品分别研细，放在干燥器中备用（4）摩尔磁化率的测定(b)调节天平零点，取洁净、干燥的空样品管挂在磁天平的挂钩上，调节细线的长度使样品管的底部与霍尔探头齐平，然后取出霍尔探头。调节励磁电流值为零，迅速准确称取空管的质量。(c)缓慢调节电流升至I1，称取空管的质量；增大电流至I2，同法称取空管的质量；继续增大电流至I3，不必称重，返回I2再次称重；再返回I1称重；最后使电流回零称重，完成一次循环。化学国家级实验教学示范中心NorthwestUniversity(e)由I=Ii和I=0A时测得的空管质量平均值，求I=Ii下空管质量的变化(d)按照上述方法，再做一次循环称重(f)将电流由小变大，再由大变小的测定方法是为了消除磁场的剩磁现象带来的影响化学国家级实验教学示范中心NorthwestUniversity(g)用莫尔氏盐标定磁场强度。将莫尔氏盐通过小漏斗装入样品管内，装样时可不断将样品管底部轻击软垫，使样品均匀填实（装入15～16cm），用直尺准确测量样品高度h。然后使电流以0→I1→I2→I3→I2→I1→0顺序变化，以同样方法循环两次，称量莫尔氏盐加空管的质量，求值。测量完毕，将样品倒回药品瓶放回干燥器中，可重复使用。样品管洗净、干燥，或用铁丝缠上棉花擦干净备用。(h)同样方法测FeSO4·7H2O和K4Fe(CN)6·3H2O样品(i)测量完毕后，先将电位器逐渐调节到零，然后再关闭电源开关，以防反电动势将晶体管击穿化学国家级实验教学示范中心NorthwestUniversity1、实验过程中应保证冷却水畅通，以防线圈过热。2、严禁在负载时突然切断电源。3、励磁电流的升降应平稳、缓慢，以防损坏仪器。4、样品管在两磁极之间，其底部与磁极中心线齐平。悬挂样品管的悬线和样品管勿与任何物件接触。四、注意事项化学国家级实验教学示范中心NorthwestUniversity5、磁极间距离一旦确定，在测量过程中不得随意变动。6、霍尔探头平面与磁场方向要垂直放置。7、称重时关好玻璃门，避免气流的影响。勿震动磁天平。8、所用样品应研细并保存在干燥器中，防止样品吸潮。9、样品管须干燥洁净，若空管在磁场中增重，说明样品管不干净。可将样品管洗净、干燥，或用铁丝缠上棉花仔细擦干净。四、注意事项化学国家级实验教学示范中心NorthwestUniversity10、样品与摩尔氏盐的粒度、样品管中的装样密度以及高度等，都应尽量一致。11、本实验测量时间不宜过长（实验中要注意线圈发热以及电流、磁场稳定的情况）。12、测量完毕后，先将电位器逐渐调节到零，然后再关闭电源开关，以防反电动势将晶体管击穿。13、对于液体试样的磁化率测定，常用新鲜的二次重蒸水作为参比物来标定磁场强度。四、注意事项化学国家级实验教学示范中心NorthwestUniversity五、实验总结将所有实验数据和计算结果填入下表，并写出一组求B、H和n等的运算过程。（一）数据处理称量空管、莫尔氏盐(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O、FeSO4·7H2O、K4Fe(CN)6·3H2O化学国家级实验教学示范中心NorthwestUniversity（二）讨论影响磁化率测定的因素励磁电流的选择应根据待测物质的磁化率而定除样品的纯度及装样密度均匀外，保持励磁电流的稳定十分重要。为此，需选用稳定性好的电源，还要防止电流通过电磁线圈后引起发热，因为发热会使线圈的电阻增大，导致电流与磁场强度发生变化，而使天平称量的值难以重现。当室温较高时，线圈散热尤要注意低磁化率的试样选择较大的励磁电流，高磁化率的试样选择较小的励磁电流，但过小的电流往往稳定性不好，容易造成称量误差。化学国家级实验教学示范中心NorthwestUniversity六、实验延伸有机化合物绝大多数分子都是闭壳层分子，没有未成对电子，因此这些分子的总自旋矩也等于零，是反磁性的。帕斯卡（Pascal）总结和分析了大量有机化合物的摩尔磁化率，发现每一化学键都有确定的磁化率数值，把某一化合物所包含的各个化学键的磁化率相加，就是该化合物的磁化率，即分子的摩尔磁化率具有加和性。此结论可用于研究有机分子的结构。因为各种化学键的磁化率数据已测得，当一种新的有机物被合成出来时，通过测其磁化率就可推断该化合物中包含哪些化学键，从而推测其分子结构。（一）摩尔磁化率的加和性化学国家级实验教学示范中心NorthwestUniversity从磁性测量还可得到一些其他信息。例如测定物质磁化率对温度和磁场强度的依赖关系，可以判断物质是顺磁性、反磁性或铁磁性的定性结果。对合金磁化率测定可推断合金的组成。磁化率分析还可用于气候变化、环境监测、确定矿石的品位、研究生物体系中血液的成分等等。（二）磁性测量的其他应用化学国家级实验教学示范中心NorthwestUniversity1.实验中为什么要将电流由小变大，再由大变小来测量？2.励磁电流的升降若比较快的话，除了易损坏仪器外，还会对测量带来什么影响？七、思考题