物化实验报告_实验A磁化率-络合物结构测定

摘要：本实验对磁介质在磁场中的磁化现象进行了探讨，并通过对一些物质的磁化率的测定，求出未成对电子数并判断络合物中央离子的电子结构和成键类型。此外，加强了对古埃法测定磁化率原理和技术的理解及学习使用了磁天平。

关键词：磁化率、络合物、结构

The Determination of Magnetic Susceptibility

Abstract:In the experiment, we mainly discuss the measurement of magnetic susceptibility and count the number of unpaired electrons. Also we have improved our understanding of GOUY Magnetic Balance Measurement.

Key words: magnetic susceptibility, complexes, structure

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1. 前言

磁化率是各种物质都普遍具有的属性。考察组成物质的分子：如果分子中的电子都是成对电子，则这些电子对的轨道磁矩对外加磁场表现出“抗磁性”或“反磁性”，该物质的磁化率将是一个负值，其数量级约10-5~10-6emu。但是如果分子中还存在非成对电子，那么这些非成对电子产生的磁矩会转向外磁场方向，并且这种效应比产生“抗磁性”的楞次定律效应强很多，完全掩盖了成对电子的“抗磁性”而表现出“顺磁性”，其磁化率是正值，数量级约10-2~10-5emu。原子核的自旋磁矩也会产生顺磁效应，不过核顺磁磁化率只有约10-10emu，一般不予考虑。

上述的顺磁性和抗磁性均为弱磁性，其相应的磁化率都远小于1；还有一种“铁磁性”，其磁化率远大于1——被称为强磁性。弱磁性和强磁性还有一个显著区别是：弱磁性物质的磁化率基本上不随磁场强度而变化，强磁性物质的磁化率却随磁场强度而剧烈变化。 可见，测量磁化率可以区分物质的磁性类型，还可以检测外界条件改变时磁性的转变；测定顺磁性物质的磁化率，有助于计算出每个分子中的非成对电子数，从而推测出该物质分子的配位场电子结构。

2. 实验部分

2.1 仪器与试剂

古埃磁天平（包括磁场，电光天平，励磁电源等）； CT5型高斯计一台； 软质玻璃样品管4支；

装样品工具（研钵、角匙、小漏斗、玻璃棒）一套。 (NH4)2SO4·FeSO4·6H2O FeSO4·7H2O K4Fe(CN)6·3H2O

（分析纯） （分析纯） （分析纯）

实验步骤

1） 研细粉末样品

2） 测定(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O的相关数据： 取一只空样品管，使励磁电流从小

到大再从大到小，依次测量其在I=0、3A、4A、4A、3A、0时的视重质量，并重复一次。向该样品管中匀实的装入样品粉末，保证样品柱高度超过15cm并且记下高度值；仿照上述测空样品管的步骤，依次测六个电流值时的视重质量，并重复一次。

3） 测定FeSO4·7H2O和K4Fe(CN)6·3H2O的相关数据：另取一只空样品管，仿照

测(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O的步骤，将样品改为FeSO4·7H2O测定并记录有

关数据。再换一只空样品管，测K4Fe(CN)6·3H2O。

注意事项

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1）操作中电流调节要缓慢，并注意电流稳定后方可称量； 2）样品管底部要与磁极中心线齐平；

3）称量时样品管要处于两个磁极的中间；

4）样品的高度必须h≥15cm，而且准确记录下来； 5）样品要研细、填实。

3.结果与讨论

3.1 实验结果

3

M=3.00E-5 m/mol ；未成对电子数n≈4 ；

3

K4Fe(CN)6·3H2O 摩尔磁化率χM=-6.809 E-7 m/mol ；未成对电子数n≈0

FeSO4·7H2O 摩尔磁化率χ

3.2 结果讨论

1）配合物的空间结构

FeSO4·7H2O的结构式为 [Fe(H2O)6] SO4·H2O，即中心原子Fe由周围的6个水分子配位，形成的是正八面体空间结构。

K4Fe(CN)6·3H2O的结构式为K4 [Fe(II)(CN)6]·3H2O，即中心原子Fe2+由周围的6个氰根离子配位，形成的也是正八面体空间结构。

2+H2OOH2FeOH2H2OH2OH2O(II)

2+

4CNNCFeNCCNCNCNFig 1. 两个正八面体结构的配合物离子

2）配位场的电子结构的讨论

ML6型配合物分子的配位场电子轨道依次是(a1g)(t1u)(eg)(t2g)(e*g)(t*1u)(a*1g) 。 [Fe(II)(H2O)6]2+，其中心原子Fe2+提供6个3d电子，周围6个水分子配体共提供12个配位电子，6+12=18电子。又因为水分子是弱配体，故[Fe(II)(H2O)6]2+的配位场电子结构为(a1g)2(t1u)6(eg)4(t2g)4(e*g)2 。

可见在 (t2g) 和 (e*g) 轨道上各有2个未成对电子，共有n=4 ；另外按照杂化轨道理论称之为sp3d2型配键。 所以FeSO4·7H2O是弱场高自旋的电价配合物。

[Fe(II)(CN)6]4-，其中心原子Fe2+提供6个3d电子，周围6个氰根配体共提供12个配位电子，6+12=18电子。又因为氰

t2g

Fig 3. (t2g)(e*g)电子排布

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6

0

e*g

t2g

Fig 2. (t2g)4(e*g)2电子排布

e*g

根离子是强配体，故[Fe(II)(CN)6]4-的配位场结构与上述的不同，为(a1g)2(t1u)6(eg)4(t2g)6(e*g)0 。

可见在所有轨道上都没有未成对电子，n=0 ；另外按照杂化轨道理论称之为d2sp3型配键。 所以K4Fe(CN)6·3H2O是强场低自旋的共价配合物。

3）不同磁场强度H下样品的摩尔磁化率χM不同的原因

不同励磁电流I（因而不同磁场强度H）下测得的摩尔磁化率χM并不相同， 因为ppH3KT这一关系式是经典电磁理论的统计力学结果，它把磁矩取向视为可以连续变化

H2的；但是基于量子力学理论，磁矩取向是量子化的而不能连续改变，上述

PHp对T的线性关

H系只是在KT<<1条件下的一阶近似。磁场强度H足够大时，必须考虑T的高阶修正项如

pH3KT2ppH343345KT„„。所以

MNAH只是在

p的一阶近似下表现为不随H改变

的常数；当高阶修正项不能忽略时，摩尔磁化率χM表现为随磁场强度H（因而也随励磁电流I）改变的量。

4）误差分析

①实验理论公式的推导中用到一些近似，例如忽略顺磁性物质逆磁磁化率的影响，忽略样品柱远离磁场一端的磁化率等。

②励磁电流不能每次都准确地定在同一位置，前文所述的3A、4A等值都只能保证大概在这个位置附近，因此实际上磁场强度H并非每次都是一致的。

③测量样品高度h的误差严重影响实验的精度，这从摩尔磁化率的计算公式M2(WFWE)ghMaWH2可以看出来。而由于最上面的那些样品粉末不能压紧压平，

测量高度h的误差还是比较大的。

M2(WFWE)ghMaWH2④装样不紧密也会带来较大误差，推导公式时用到了密度ρ，

最后表现在高度h中。“装样不紧密”也就是说实际堆密度比理论密度小，这样高度h就会比理论值偏大，即使很准确地测量出高度h，它还是比理论值有一个正的绝对误差。

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⑤装样品的试管在磁场（电流）变化时会有振动，尽管已经尽可能慢的改变电流，但微小振动仍然存在，即会在读取质量时产生误差

参考文献：

[1] 崔献英,柯燕雄,单绍纯.物理化学实验[M].中国科技大学出版社,2000: 29~32. [2] 付献彩,沈文霞,姚天扬,侯文华.《物理化学》(第五版)上册[M].高等教育出版社,2005:277~280.

附件：实验数据处理

1. 数据记录

T：17.7

(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O： 样品柱高度h1=15.30cm

Table 1 励磁电流

/A

空管视质量/g 加样后视质量/g 0 13.304 13.304 25.202 25.203 3 13.303 13.303 25.237 25.238 4 13.303 13.303 25.265 25.266 4 13.303 13.303 25.266 25.265 3 13.303 13.303 25.238 25.239 0 13.304

13.304

25.203

25.203

FeSO4·7H2O：

样品柱高度h2=15.20cm

励磁电流

/A 空管视质量/g 加样后视质量/g 0 13.195 13.195 26.568 26.568 3 13.194 13.194 26.621 26.620 4 13.194 13.194 26.660 26.659 4 13.193 13.193 26.662 26.663 3 13.194 13.194 26.621 26.620 0

13.195

13.195

26.568

26.568

K4Fe(CN)6·3H2O：

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样品柱高度h3=15.35cm Table 3 励磁电流

/A 0 3 4 4 3 0

空管视质量/g 12.706 12.706 12.706 12.705 12.706 12.706

12.706 12.706 12.706 12.706 12.706 12.707

加样后视质量/g 26.046 26.045 26.044 26.044 26.045 26.046

26.046 26.045 26.044 26.044 26.045 26.046

2. 数据处理

2.1 数据计算 Table 4

空管 1 空管 1+莫尔盐 空管 2

空管 2+ FeSO4·7H2O

空管 3 空管3+ K4Fe(CN)6·3H2O

2.2由(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O的数据计算磁场强度H m9500T11060 13.304 25.203 13.195 26.568 12.706 26.046

3 13.303 25.238 13.194 26.620 12.706 26.045

4 13.303 25.266 13.194 26.661 12.706 26.044

，T=(17.9+17.5)/2=17.7℃=290.85K

χ

3

m=3.255E-5 cm/g

由Table 1.的数据求得下表：

Table 5 励磁电流

/A 0 3 4

h=15.30cm,g=981,χ

∴H3

m=3.255E-5 cm/g,M=

平均视质量/g 空管

加样后

-0.001 -0.001 ΔWE

13.304 25.203 13.303 25.238 13.303 25.266

质量差/g ΔWF

0.035 0.063

W 11.899

2(WFWE)ghMWm =3307.7 Gauss (I=3A)，

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= 4410.3 Gauss (I=4A)。

2.3 由FeSO4·7H2O的数据计算摩尔磁化率χTable 6 励磁电流 /A

0 3 4

平均视质量/g 空管 加样后 13.195 26.568 13.194 26.620 13.194 26.661

-0.001 -0.001

M和未成对电子数

n

ΔWE

质量差/g

ΔWF

0.052 0.093

W 13.373

h=15.20cm, M=278.01 3A时: H=3307.7 Gauss, M2(WFWE)ghMaWH2= 3.004E-5m3/g

4A时:h= 4410.3 Gauss M2(WFWE)ghMaWH2=2.996 E-5m3/g

所以χ

3

m= 3.00E-5m/g

由公式

n(n2)3KTNA2M，

T=290.85K，NA=6.022E23 mol-1，K=1.381E-16 erg/K，β=9.274E-21 erg/Gauss 解得：n=4

2.4由K4Fe(CN)6·3H2O的数据计算摩尔磁化率χM和未成对电子数n Table 7 励磁电流 /A

0 3 4

h=15.35cm, M=422.39 3A时: M2(WFWE)ghMaWH2平均视质量/g 空管 12.706 12.706 12.706

加样后 26.046 26.045 26.044

ΔWE 0 0

质量差/g ΔWF -0.001 -0.001

W 13.340

= -8.716 E-7m3/g

4A时: M2(WFWE)ghMaWH2=-4.902 E-7 m3/g

所以χ

3

m=6.809 E-7m/g

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由公式

n(n2)3KTNA2M，

T=290.85K，NA=6.022E23 mol-1，K=1.381E-16 erg/K，β=9.274E-21 erg/Gauss 解得：n=0

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