磁化率的测定
1.实验目的
1.1测定物质的摩尔磁化率，推算分子磁矩，估计分子内未成对电子数，判断分子配键的类型。
1.2掌握古埃(Gouy)磁天平测定磁化率的原理和方法。
2.实验原理
2.1摩尔磁化率和分子磁矩
物质在外磁场H0作用下，由于电子等带电体的运动，会被磁化而感应出一个附加磁场H'。物质被磁化的程度用磁化率χ表示，它与附加磁场强度和外磁场强度的比值有关：
χ为无因次量，称为物质的体积磁化率，简称磁化率，表示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。化学上常用摩尔磁化率χm表示磁化程度，它与χ的关系为
式中M、ρ分别为物质的摩尔质量与密度。χm的单位为m3·mol
物质在外磁场作用下的磁化现象有三种：
第一种，物质的原子、离子或分子中没有自旋未成对的电子，即它的分子磁矩，μm=0。当它受到外磁场作用时，内部会产生感应的“分子电流”，相应产生一种与外磁场方向相反的感应磁矩。如同线圈在磁场中产生感生电流，这一电流的附加磁场方向与外磁场相反。这种物质称为反磁性物质，如Hg， Cu， Bi等。它的χm称为反磁磁化率，用χ反表示，且χ反<0。
第二种，物质的原子、离子或分子中存在自旋未成对的电子，它的电子角动量总和不等于零，分子磁矩μm≠0。这些杂乱取向的分子磁矩
在受到外磁场作用时，其方向总是趋向于与外磁场同方向，这种物质称为顺磁性物质，如Mn， Cr， Pt等，表现出的顺磁磁化率用χ顺表示。
但它在外磁场作用下也会产生反向的感应磁矩，因此它的χm是顺磁磁化率χ顺。与反磁磁化率χ
反
－1
。
之和。因|χ顺|?|χ反|，所以对于顺磁性物质，可以认为χm＝χ顺，其值大于零，即χm>0。
第三种，物质被磁化的强度随着外磁场强度的增加而剧烈增强，而且在外磁场消失后其磁性并不
消失。这种物质称为铁磁性物质。
对于顺磁性物质而言，摩尔顺磁磁化率与分子磁矩μm关系可由居里－郎之万公式表示：
式中L为阿伏加德罗常数(6.022 ×1023mol1)，、k为玻尔兹曼常数(1.3806×10-23J·K1)，μ0为真空
－
－
磁导率（4π×107N·A2，T为热力学温度。式((2-136)可作为由实验测定磁化率来研究物质内部结构的
－
－
依据。
分子磁矩由分子内未配对电子数n决定，其关系如下：
式中μB为玻尔磁子，是磁矩的自然单位。μB=9.274 ×10-24J·T-1(T为磁感应强度的单位，即特斯拉)。 求得n值后可以进一步判断有关络合物分子的配键类型。例如，Fe2+离子在自由离子状态下的外层电子结构为3d64s04p0。如以它作为中心离子与6个H20配位体形成[Fe(H20)6]2+络离子，是电价络合物。其中Fe2离子仍然保持原自由离子状态下的电子层结构，此时n=4。如下图所示：
＋
如果Fe2+离子与6个CN离子配位体形成[Fe(CN)6]4络离子，则是共价络合物。这时其中Fe2+
－
－
离子的外电子层结构发生变化，n=0。见图2-64所示：
显然，其中6个空轨道形成d2sp3的6个杂化轨道，它们能接受6个CN离子中的6对孤对电子，
－
形成共价配键。
2.2摩尔磁化率的测定
本实验用古埃磁天平测定物质的摩尔磁化率χm，测定原理如图2所示。
一个截面积为A的样品管，装入高度为h、质量为m的样品后，放入非均匀磁场中。样品管底部位于磁场强度最大之处，即磁极中心线上，此处磁场强度为H。样品最高处磁场强度为零。前已述及，对于顺磁性物质，此时产生的附加磁场与原磁
场同向，即物质内磁场强度增大，在磁场中受到吸引力。设χ0为空气的体积磁化率，可以证明，样品管内样品受到的力为：
考虑到ρ＝m/hA，而χ0值很小，相应的项可以忽略，可得
在磁天平法中利用精度为0.1mg的电子天平间接测量F值。设△m0为空样品管在有磁场和无磁场时的称量值的变化，△m为装样品后在有磁场和无磁场时的称量值的变化，则
式中、g为重力加速度(9.81m·s2)。可得
－
磁场强度H可由特斯拉计或CT5高斯计测量。应该注意，高斯计测量的实际上是磁感应强度B，单位为T(特斯拉)，1T=104高斯。磁场强度H可由B =μ0 H关系式计算得到，H的单位为A·m1。也可
－
用已知磁化率的莫尔氏盐标定。莫尔氏盐的摩尔磁化率?m与热力学温度T的关系为：
B
式中M为莫尔氏盐的摩尔质量(kg·mol1)。
－
3.实验步骤
3.1打开励磁电源开关，电流表，打开电子天平的电源，并按下“清零”按钮，毫特斯拉计表头调零，然后调节磁场强度约为100mT，检查霍尔探头是否在磁场最强处，并固定其位置，使试管尽可能在两磁头中间（磁场最强处）；
3.2取一支清洁、干燥的空样品管，悬挂在天平一端的挂钩上，使样品管的底部在磁极中心连线上，准确称量空样品管；
3.3慢慢调节磁场强度为300（mT），等电子天平读数稳定之后，读取电子天平的读数； 3.4慢慢调节磁场强度读数至350（mT），读取电子天平的读数；
3.5慢慢调节磁场强度读数高至400（mT），等30秒，然后下降至350（mT），读取电子天平的读数； 3.6将磁场强度读数降至300（mT），读取电子天平的读数；