配合物磁化率的测定

配合物磁化率的测定

实验目的：

1. 掌握古埃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。

实验原理：

（1）在外磁场的作用下，物质会被磁化产生附加磁感应强度，则物质内部的磁感应强度 B=B0+B‘=μ0+B’(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为真空磁导率，其数值等于4π*10^(-7)N*A-2。

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=χ*H （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

B‘=μ0M=χμ0H （3）

将式（3）代入式（1）得

B=（1+χ）μ0H=μμ0H （4）

式中μ称为物质的（相对）磁导率。

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χm=χ/ρ（5）

χM=M*χm=M*χ/ρ（6）

式中：ρ为物质密度；M为物质的摩尔质量。

（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成正比，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。

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，此外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。我们称具有永久磁矩的物质为顺磁性物质。显然，此类物质的摩尔磁化率χM是摩尔顺磁化率χμ和摩尔逆磁化率χ0之和

χM=χμ+χ0 （7）

但由于χμ>>|χ0|，故有

χM≈χμ（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加，而外磁场消失后，这种物质的磁性并不消失，呈现出滞后的现象，这类磁性物质称为铁磁性物质。这类物质不在本实验的讨论范围。

（3）假定分子间无相互作用，根据居里定律，物质的摩尔顺磁化率χμ与永久磁矩μm

之间的关系为

χμ=L μm 2

μ0/(3kT)≈C/T （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。

χM =χ0+L μm 2

μ0/(3kT) （10）

式中，χ0是由诱导磁矩产生的，它与温度的依赖关系很小。因此

χM =χ0+L μm 2μ0/(3kT) ≈L μm 2

μ0/(3kT) （11）

该式将物质的宏观物理性质（χM ）和其微观性质（μm ）联系起来，因此只要实验测得χM ,代入（11）就可算出永久磁矩μm 。

（4）物质的顺磁性来自与电子的自旋相联系的磁矩。各个轨道上成对电子自旋产生的磁矩是相互抵消的，只有存在未成对电子的物质才具有永久磁矩，它在外磁场中表现出顺磁性。

物质的永久磁矩μm 和它所包含的未成对电子数n 的关系可用下式表示 μm =（n （n+2））^0.5μB （12）

μB 称为波尔（Bohr ）磁子，其物理意义是单个自由电子自旋所产生的磁矩。

μB =eh/(4πm e )=9.274 078*10^(-24)A*m 2

（13） 式中：h 为普朗克常数；m e 为电子质量。

（5）由实验测定物质的χM ,代入式（11）求出μm ，再根据式（12）算得未成对的电子数n ，从而可以推断物质的电子组态，判断物质的配键类型。 对于配合物，一般认为中央离子与配位原子之间的电负性相差较大，容易形成电价配合物，而电负性相差较小时，容易形成共价配合物。电价配合物是由中央离子与配位体之间依靠静电库仑力结合起来的，以这种方式结合起来的化学键叫电价配键，

这时中央离子的电子结构不受配位体的影响，基本上保持自由离子的

电子结构。例如Fe 2+

在自由离子状态下的外层电子组态如图1所示。

当它与6个H 2O 配位体形成络离子[Fe （H 2O ）6]2+时，中央离子Fe 2+

仍然保持着上述自由离子状态下的电子组态，故此配合物是电价配合物。

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，往往会发生电子重排，以腾出

更多空的价电子轨道来容纳配位体的电子。当Fe 2+与6个配体CN -形

成络离子[Fe （CN ）6]4-时，Fe 2+

的电子组态发生重排。如图2所示。

Fe 2+

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d 2sp 3杂化，构成以Fe 2+

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。

（6）本实验采用古埃磁天平法测量物质的摩尔磁化率χM 。

实验仪器： 1. 仪器：

古埃磁天平，装样品工具（包括研钵、角匙、小漏斗、玻璃棒），软质玻璃样品管。 2. 试剂：

e*g

图1

图2 e*g