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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〃的作用下，产生附加磁场。该物质内部的磁感应强度〃为B=//+ir二〃+4Jix//=
2、l//(20-1)式中x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高斯(G),它与国际单位制中的特斯拉(T)的换算关系为1T二10000G楼
3、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(0e),它与国际单位A・2的换算关系为110e=A•m47CX10-3由于真空的导磁率被定为：
4、l0=4nX10_7Wb・时,而空气的导磁率卩空~卩()，因而B=
5、1//=1X10_1Wb・m_2=lX1O-1=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”实际上都是指在某一介质中的磁感应强度，因而单位用髙斯，测磁仪器也称为髙斯计或特斯拉计。除X外，化学上常用单位质量磁化率咒m和摩尔磁化率咒M来
6、表示物质的磁化能力：(20-2)Pxm(20-3)式中Q和財是物质的密度和分子量，%in的单位是cm3•g*,的单位是cm3•mol物质在外磁场作用下的磁化有三种情况：(1)%M<0,这类物质称为逆磁性物质。(2)%M>0,这类物质称为顺磁性物质。(3)咒^^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
7、旋产生了永久磁矩,它与不成对电子数n的关系为m=Jn(n+2)
8、1B<20-4)eh一式中：为Bohr磁子，
9、1B==9.2740X10-ilerg•G_l；e、m为电子电荷和静止质量；47imcc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，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;(叮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％0,故摩尔磁化率是％卩与％0两者之和：Xm=Xm+Xo<20-5)由于九》丨肌丨，所以顺磁性物质的XM>0,
10、且可近似认为XM摩尔顺磁化率％卩与分子的永久磁矩
11、lni有如下的关系：Nu27=AFm(20-6)心3KT式中：Na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XM,代入(20-6)式求得
12、lm,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。在正八面体配位化合物中，M原子处在中心位置，点群对称性6,中心原子M的s、p,、pvs5、ds2、血轨道与和它对称性匹配的配位体L的o轨道组合成成键轨道aw、th、e«o
13、M的cU、dyz、cU轨道的极大值方向正好和L的。轨道错开，基本上不受影响，是非键轨道t2B。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如和两个反键轨道e；上，低的如和髙的e；之间能级间隔称为分裂能A,这时d电子的排布需要考虑电子成对能P和轨道分裂能力的相对大小。对强场配位体，例如CfGNO/,KA,电子将尽可能地占据能量较低的轨道，形成强场低自旋型配位化合物(Z5)o对弱场配位体，例如比0、卤素离子，分裂能较小，0力，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(〃$)。F/的外层电子组态为3d6,与6个CM形成低自旋型配位离子Fe(C
14、N)",电子组态为2ge；°,表现为逆磁性。当与6个儿0形成高自旋型配位离子Fe(H2O)^+时，电子组态为e*2,表现为顺磁性。通常采用Gouy磁天平法测定物质的仏、本实验采用的是MT-1型永磁天平，其实验装置如图20-1所示。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
