实验十-配合物磁化率的测定

5 实验数据记录及处理
、
室温 ℃
（1）由特斯拉计测得电流为励磁电流 I=1A、3A、5A、3A、1A 时的磁场强度。
由特斯拉计直接测得的是以毫特斯拉为单位的磁感应强度 B(mT)。B=μ0H， 可以将测得的 B 值代替磁场强度 H 记录在表 10-1(mT 与 G 的单位换算关系为
1mT=10G，磁场强度 H(A/m)与磁感应强度(T)之间的关系为： (1000/4π)( A/m)×μ0=10-4T
实验十 配合物磁化率的测定
1 实验目的
（1）掌握古埃(Gouy)法磁天平测定物质磁化率的基本原理和实验方法。 （2）用古埃磁天平测定 FeSO4·7H2O、K4Fe(CN)6·3H2O 这两种配合物的磁化率， 推算其不成对电子数，从而判断其分子的配键类型。
2 实验原理
（1）磁化率的定义
在外磁场的作用下，物质会被磁化产生附加磁感应强度，则物质内部的磁感
表 5-4 K4Fe(CN)6·3H2O 的 χM 计算
K4Fe( CN)6 ·3H2 O
H(A·m)
@
ΔW 样品+空管-ΔW 空管/g
>
W 样品/g
h/m
*10-2
χM/m3*mol-1
*10-10 *10-10 *10-10
（4）由式(2-11)计算 FeSO4·7H2O 与 K4Fe(CN)6·3H2O 分子的永久磁矩μm。 FeSO4·7H2O 的 χM 平均值*10-8 m3*mol-1，代入式(2-11)，得“
记录数据。注意调节励磁电流时必须平稳缓慢，先升后降。 <2>用已知 χM 的莫尔氏盐标定特定励磁电流下的磁场强度 ①将空样品管洗净吹干，挂在钩上称量，读数 W 空管。轻旋电流开关使电流使
电流表指针到 0A，再依次将电流表指针调为 1A、3A、5A、3A、1A，每次均称量 空样品管 W(I)。毕后，将励磁电流将为 0，每次仍称量空样品管，断开电源，再 称一次空样品管。计算电流在升、将过程中同样的电流值下空样品管称量的平均 值，以及电流为 1A、3A、5A 时空样品管的质量与 0A 时空样品管的质量差△W 空管。
应强度
B=B0+B’=μ0H+B’
(2-1)
式中：B0 为外磁场的磁感应强度；B’为物质磁化产生的附加磁感应强度；H 为外 磁场强度；μ0=4π×10-7N·A-2 为真空磁导率。
物质的磁化可用磁化强度 M 来描述，M 也是一个矢量，它与磁场强度成正比
M=χh
(2-2)
…
式中：χ 称为物质的体积磁化率，是物质的一种宏观磁性质。B’与 M 的关系为
{
4 实验步骤
（1）按照古埃磁天平的操作规程开启磁天平，记录实验温度 T
（2）调整霍尔探头的位置，使之处于磁场中心最强处 具体做法是，在某一励磁电流下，拧松霍尔探头两边的有机玻璃螺丝，稍微
转动探头，使特斯拉计的读数最大，此即为最佳位置。
（3）磁场两极中心处磁场强度 H 的测定 <1>用特斯拉计测量当励磁电流处于 1A、3A、5A、3A、1A 时相应的磁场强度，
配位体形成络离子[Fe(H2O)6]2+时，中央离子 Fe2+仍然保持着上述自由离子状态下 的电子组态，分子的磁性由 Fe2+的电子排布决定，故此配合物是电价配合物，配
键类型为电价配键，6 个水分子在铁周围形成正八面体构型。
图 5-1 FeSO4·7H2O 中铁离子外层电子结构
K4Fe(CN)6·3H2O 未成对电子 n=0。Fe2+与 6 个配体 CN-形成络离子[Fe(CN)6]4时，Fe2+的电子组态发生重排,它的最外层电子结构如图 5-2。Fe2+的 3d 轨道上原 来未成对的电子重新配对，腾出两个 3d 空轨道来，再与 4s 和 4p 轨道进行 d2sp3 杂化，构成以 Fe2+为中心的指向正八面体各个顶角的 6 个空轨道，以此来容纳 6 个 CN-中 C 原子上的孤对电子，形成 6 个共价配键。
共价配合物则是以中央离子的空的价电子轨道接受配位体的孤对电子以形 成共价配键，这时中央离子为了尽可能多地成键，往往发生电子重排，以腾出更 多价电子轨道来容纳配位体的电子对。当 Fe2+与 6 个 CN-配位体形成[Fe(CN)6]4时，Fe2+的电子组态发生重排。如下图所示。
Fe2+的 3d 轨道上原来未成对的电子重新配对，腾出两个 3d 空轨道来，再与
μm(FeSO4·7H2O)=*10-23 A·m2
K4Fe(CN)6·3H2O 的 χM 平均值取*10-10m3*mol-1 代入式(2-11):
μm(K4Fe(CN)6·3H2O)=*10-25 A·m2
^
（5）根据式(2-12)计算 FeSO4·7H2O 与 K4Fe(CN)6·3H2O 的未成对电子数 n。
4s 和 4p 轨道进行 d2sp3 杂化，构成以 Fe2+为中心的指向正八面体各个顶角的 6 个
空轨道，以此来容纳 6 个 CN-中 C 原子上的孤对电子，形成 6 个共价配键，如图
所示。
（6）本实验采用古埃磁天平法测量物质的摩尔磁化率 χM。古埃法测定 磁化率的原理如左图所示。将装有样品的圆柱形玻璃管如图所示方式悬挂在
#
第二种情况是物质的原子、分子或离子本身具有永久磁矩 μm，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。但在外磁场作
用下，永久磁矩会顺着外磁场方向排列，其磁化方向与外磁场相同，其磁化强度
与外磁场强度成正比，此物质内部的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。这类物质被称为顺磁性物质。显然，此类物质的摩尔磁化率是
H2O
3
5
0
）
K4Fe（CN） 1 6·3H2O
3
表 5-2 特斯拉计测磁化率的实验数据
…
W(I 升 W(I 降
W( 平 ΔW/g
时)/g
时)/g
均)/g
h/cm
W 样品/g
：
【
0
0
.
：
)
`
5
物质的摩尔磁化率与实验所测数据关系为：
式中各物理量使用 SI 单位。 莫尔氏盐的摩尔磁化率：
(3-1)
(3-2)
将(2-3)代入(2-1)得
B’=μ0M=χμ0H
(2-3)
B=(1+χ) μ0H =μμ0H 式中 μ 称为物质的相对磁导率。
(2-4)
化学上常用单位质量磁化率 χm 或摩尔磁化率 χM 来表示物质的磁性质，它 们的定义为
(2-5)
(2-6)
（2）物质的原子、分子或离子在外磁场作用下的三种磁化现象 第一种情况是物质本身不呈现磁性，但由于其内部的电子轨道运动，在外磁 场作用下会产生拉摩进动，感应出一个诱导磁矩来，表现为一个附加磁场，磁矩 的方向与外磁场相反，其磁化强度与外磁场强度呈正比，并随着外磁场的消失而 消失，这类物质称为逆磁性物质，其 μ<1，χM<0.
②向样品管中加入预先研细的莫尔氏盐，量出样品高度 h(要求大于 16cm)， 重复上述①的操作。记录各励磁电流下样品管+样品的总质量 W(I)，并由 0A 下 样品管+样品的总质量与空样品管质量的差值计算出样品的质量 W 样品。同样方法 计算△W。
③将样品管洗净吹干，将莫尔氏盐换成 FeSO4·7H2O，K4Fe(CN)6·3H2O，重复 率 χ0 之和
χm=χμ+χ0
(2-7)
由于 χμ≫ |χ0|，故有
χm≈χμ
(2-8)
顺磁性物质的 μ＞1，χm＞0。
第三种情况是物质被磁化的强度与外磁场强度之间不存在正比关系，而是随
外磁场强度的增加呈剧烈增强，当外磁场消失后，这种物质的磁性并不消失，呈
现出滞后的现象，这类物质称为铁磁性物质，本实验不作讨论。
m3·kg-1)，也可直接测量。
3 仪器和试剂
（1）仪器 古埃磁天平（如下图），装样品工具(研钵、角匙、小漏斗、玻璃棒)，软质
玻璃样品管。
（2）药品
莫 尔 氏 盐 (NH4)2SO4·FeSO4·6H2O( 分 析 纯 ) ， FeSO4·7H2O( 分 析 纯 ) ， K4Fe(CN)6·3H2O(分析纯)。
1A
ΔW 样品+空管 -ΔW 空管/g
}
H(A·m)
*10-7
*10-2
3A
5A
表 5-3 标定与测定的 H，与 1 中探头测定的磁场强度 H 相比，标定的磁场强度要 大一些。
（3）按式(14)计算 H1、H3、H5 时 FeSO4·7H2O 与 K4Fe（CN）6·3H2O 的 χm。 FeSO4·7H2O 的摩尔质量 MFeSO4·7H2O=mol,代入式(2-14)可得：
FeSO4·7H2O，μm=*10-23 A·m2，代入式(2-12)，得:
n（FeSO4·7H2O）=≈4
K4Fe(CN)6·3H2O，μm=*10-25 A·m2，代入式(2-12),得：
n（FeSO4·7H2O）≈0
（6）根据未成对电子数，讨论 Fe2+的最外层电子结构及由此构成的配键类型。 FeSO4·7H2O 的未成对电子 n=4，最外层电子结构如图 5-1，当它与 6 个 H2O
（3）假定分子之间无相互作用，根据局里定律。物质的摩尔顺磁化率 χμ 与永久磁矩 μm 之间的关系是
(2-9)
式中：L 为阿伏伽德罗常数；k 为波尔兹曼常数；T 为热力学温度；C 为居里常数。 由式(7)知： (2-10)
￥
由(2-8)知 (2-11)
该式将物质的宏观物理性质 χM 和其微观物理性质 μm 联系起来，因此只要实验 测得 χM，代入式(2-11)就可算出永久磁矩 μm。