三草酸根合铁酸钾配合物的磁化率是多少

Question

如题所述

Answer 1

1. 实验目的
本实验的目的是测定三草酸合铁酸钾的摩尔磁化率，从而推算分子磁矩，估计分子内未成对电子数，并判断分子配键的类型。此外，还旨在掌握古埃（Gouy）磁天平测定磁化率的原理和方法。
2. 实验原理
在外磁场作用下，物质会因电子等带电体的运动而产生磁化，进而感应出一个附加磁场。物质的磁化程度用磁化率χ表示，它与附加磁场强度和外磁场强度的比值有关。化学上，常用摩尔磁化率χm表示磁化程度，它与χ的关系为：χm = χM/ρ。其中，M和ρ分别为物质的摩尔质量和密度。χm的单位为m³/mol。物质在外磁场作用下的磁化现象有三种类型：
第一种：物质的原子、离子或分子中没有自旋未成对的电子，即分子磁矩µm = 0。在外磁场作用下，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。这种物质称为反磁性物质，如Hg、Cu、Bi等，其反磁磁化率用χ反表示，且χ反小于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，分子磁矩µm ≠ 0。在外磁场作用下，这些杂乱取向的分子磁矩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，其顺磁磁化率用表示。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是顺磁磁化率与反磁磁化率之和。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，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：χm =χ顺 = (Lµ0µm )/3kT。式中，L为阿伏加德罗常数（6.022×10²³ mol⁻¹），k为玻尔兹曼常数(1.3806×10⁻²³ J·K⁻¹)，µ0为真空磁导率（4π×10⁻⁷ N·A⁻²），T为热力学温度。通过实验测定磁化率，可以作为研究物质内部结构的依据。分子磁矩µm由分子内未配对电子数n决定，其关系如下：nBµµ =。其中，µB为玻尔磁子，是磁矩的自然单位。µB = 9.274 ×10⁻²⁴ J 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H₂O配位体形成[Fe(H₂O)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。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。
古埃（Gouy）磁天平的特点是结构简单，灵敏度高。用古埃磁天平法测量物质的磁化率，从而可求得永久磁矩和未成对电子数，这对研究物质结构具有重要意义。用古埃磁天平测定物质的磁化率时，将装有样品的圆柱形玻璃管悬挂在分析天平的一个臂上，使样品底部的中心处于电磁铁两极的中心，即处于磁场强度最大的区域，样品的顶端离磁场中心较远，磁场强度很弱，整个样品处于一个非均匀的磁场中。由于沿样品轴心方向z存在一磁场梯度zH∂∂，故样品沿z方向受到磁力dF的作用：dF =κzH。式中：κ——体积磁化率A——柱形样品的截面积对顺磁性物质，作用力指向场强最大的方向，反磁性物质则指向场强最弱的方向。若不考虑样品管周围介质和的影响，积分得到作用在整个样品管上的力为：F =κAHL。其中：W——样品质量；g——重力加速度；ρ——柱形样品管的密度；h——样品高度。由于质量磁化率gx和摩尔磁化率Mx的定义，ρκ=gxρκMxM，因此可得：22mHWhgxgMx∆=（6）22mHWhgMxM∆=（7）一般用已知磁化率的物质校正磁天平。当待测样品和校正用样品在同一样品管中的填装高度相同并且在同一场强下进行测量，由可得待测样品的摩尔磁化率为：22101021,2,MmWWWWWhgxgMx⋅⋅∆−∆∆−∆⋅=（8）0W∆、2W∆、1W∆——分别为空样品管、待测样品、校正样品施加磁场前后的质量变化；2m、1m——待测样品和校正样品的质量；2M——待测样品的摩尔质量。
三．试剂与仪器
试剂：[(NH₄)₂SO₄·FeSO₄·6H₂O]，三草酸合铁(III)酸钾K₃[Fe(C₂O₄)₃]·3H₂O。仪器：古埃磁天平、玻璃样品管、研钵、角匙、小漏斗、烘箱。
四．实验步骤
1. 磁场强度分布的测定
分别在特定励磁电流（I₁ = 0.0A，I₂ = 1.0A，I₃ = 2.0A，I₄ = 3.0A）的下，把霍尔探头放入磁场中心处测磁场强度的大小，并把数据记录在表1中。
表1 磁场强度的测量
励磁电流大小I/AB 1 B 2 B I =0 I = 1 I = 2 I = 3 I = 4 不记录数据
2. 用莫尔氏盐标定
在特定励磁电流下的磁场强度H(1)
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。然后将励磁电流电源接通，依次称量电流在1.0A、1.0A、3.0A时的空样品管。接着将电流调至4A，然后减小电流，再依次称量电流在3.0A、2.0A、4.0A时的空样品管。将励磁电流降为零时，断开电源开关，再称量一次空样品管。由此可求出样品质量m₀及电流在1.0A、2.0A、3.0A时的∆m₀（应重复一次取平均值）。
上述调节电流由小到大、再由大到小的测定方法，是为了抵消实验时磁场剩磁现象的影响。
表2 有无磁场下空管的质量差
励磁电流大小I/A
m₁
m₂
平均∆m
I =0
I =1
I =2
I =3
I =4
不记录数据
(2) 取下样品管，装入莫尔氏盐（在装填时要不断将样品管底部敲击木垫，使样品粉末填实），直到样品高度约10cm为止。准确测量样品高度h，测量电流为零时莫尔氏盐的质量mB及1.0A、2.0A、3.0A时的∆mB的平均值。
五．数据处理
已知：(NH₄)₂SO₄·FeSO₄·6H₂O的质量磁化率与温度关系如下：
61019500−×+=T x g
1. 计算样品的摩尔磁化率；
2. 计算样品的磁矩；
3. 计算样品的不成对电子数。
六．思考题
1. 本实验为什么要用已知磁化率的物质校正磁天平？
2. 样品在玻璃管