Исследование стандартной магнитной жидкости

Аннотация

Работа посвящена исследованию уникальных свойств магнитной жидкости. Автор получает магнитную жидкость и сравнивает её со стандартной. Автор решает главную проблему – стабилизация полученного дисперсного раствора магнетита.

Путём экспериментального опробования нескольких способов стабилизации, получено достаточное количество магнитной жидкости. Ценным в работе является, то, что изучая магнитную жидкость, автор познает начала коллоидной химии. Результаты исследования позволили определить направления дальнейших исследований.

ВВЕДЕНИЕ

Отличительной чертой современных научно-технологических решений является создание «умных материалов».Это класс различных по химическому составу и агрегатному состоянию веществ и материалов. Их объединяет возможность изменять свои характеристики (физических и физико-химические свойства) под влиянием внешних воздействий: давления, температуры, влажности, pH среды, электрического или магнитного поля и т.д.

Магнитные жидкости представляет несомненный интерес, как пример создания одного из видов "умных" материалов, физические свойства которых (в данном случае, вязкость или даже форма) можно контролировать с помощь магнитного поля. Это уникальные коллоидные системы, стабильные мелкодисперсные растворы магнетита. Завораживают и увлекают опыты с магнитной жидкостью. Пронаблюдав их, я решил узнать о ней больше[8].

Оказывается, магнитные порошки и жидкости находят широкое применение в самых широких областях. Начиная от техники, тонкой технологии и заканчивая медициной.[5] Сайты интернета пестрят многообразием завораживающей красоты фотографий магнитной жидкости, рекомендаций по её получению. Для того чтобы лучше познакомится с магнитной жидкостью, мы решили приобрести её через интернет и изучить её свойства. А также перед нами стал вопрос: можно ли получить магнитную жидкость в лаборатории, да такую, чтобы она создавала красивую рельефную поверхность?

Проблема: Мы мало знаем о магнитных жидкостях, свойства которых во многом определяются составом и строением.

Гипотеза: Магнитную жидкость можно получить в условиях школьной лаборатории, и она будет обладать свойствами феррафлюидов.

Цель: Получение стабилизированной магнитной жидкости исследование её магнитных свойств, в сравнение с контрольным образцом.

Объёкт исследования: Магнитная жидкость на основе магнетита

Предмет исследования: Синтез магнитной жидкости и способы её стабилизации

Задачи работы.

1.Изучить, что такое магнитные жидкости.

2.Исследовать контрольный образец магнитной жидкости.

3.Получить водный дисперсионный раствор магнетита.

4.Осуществить стабилизацию магнитных жидкостей.

5.Опробовать полученные жидкости магнитом и сделать вывод.

План работы.

1.Изучить современное состояние проблемы получения и применения магнитных жидкостей

2.Приобрести магнитную жидкость и изучить её свойства

3.Осуществить поиск способов получения магнитных жидкостей и способов её стабилизации.

4.Получить раствор магнетита и стабилизировать его.

Теоретические методы исследования заключаются в анализе информационных источников об объекте исследования и его химическом составе, химизме способов получения и правил безопасности; о приготовлении растворов, определении оптимальной методики получения водно-дисперсионного раствора магнетита и осуществлении химической стабилизации жидкости.

Практические методы исследования заключаются в изучении свойств контрольного образца магнитной жидкости и качественное обнаружение катионов железа; осуществление синтеза магнетита и получение магнитных стабилизированных жидкостей.[3]

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Магнитную жидкость на основе железа называют ферромагнитной жидкостью (ФМЖ, магнитная жидкость, от латинского ferrum — железо). Это коллоидные системы, состоящие из частиц нанометровых размеров (обычный размер 10 нм или меньше) магнетита Fe₃O₄, или другого материала, находящегося во взвешенном состоянии в несущей жидкости, в качестве которой обычно выступает органический растворитель или вода. Она сильно поляризуется в присутствии магнитного поля.[9]

Байбуртским Ф.С. в статье «Магнитные жидкости: способы получения и области применения» (РХТУ им. Д.И. Менделеева[1]), сделан обзор современного состояния технологий получения магнитных жидкостей. В работе Кекало А.Е. «Обзор методов получения магнитной жидкости» (МГУ) есть подробное описание методики.[3] В журнале «Химия и химики» Сенатская И., Байбуртский Ф., описывают способ получения магнитной жидкости для юных химиков. [4]

Ученые отмечают, что общим в технологии получения является то, что для создания магнитной жидкости необходимо решить две задачи:

1.Получить высокодисперсные частицы феррофазы;

2.Стабилизировать их в жидкости-носителе.

По существу это две стадии производства, причем они должны быть совмещены во времени.

Самый простой и достаточно отработанный способ получения магнитной жидкости на основе железа, является соосаждение солей раствором аммиака. Главное соблюдать массовое соотношение солей железа (для магнетита это 1꞉2). В результате такой химической конденсации получается высодисперсный магнетит.

FeSO₄•7H₂O + 2FeCl₃•6H₂O + 8NH₃•H₂O ↔ Fe₃O₄ + 6NH₄Cl + (NH₄)₂SO₄ + 20H₂O

Образующийся в ходе реакции осадок состоит из частиц магнетита размерами от 2 до 20 нм. Важной технологической особенностью получения магнитных жидкостей является защита их от окисления и коагуляции. Наиболее успешно эта задача решается путём получения высокодисперсных частиц непосредственно в дисперсионной среде и стабилизации их поверхностно активными веществами сразу после их образования.

Самый распространённый способ стабилизации полученного раствора магнетита – обработка его олеиновой кислотой, или её солями (олеатом натрия или аммония) Это органическая кислота с длинным углеводородным «хвостом» и «головой», которая содержит кислород С₁₇Н₃₃СООН. Такие молекулы способны притягиваться к частицам магнетита своей «головой» создавая вокруг них оболочку. [5]

Есть описание получения стабильных жидкостей с помощью моющего средства» FAIRY». [3,7] Длинные молекулы присутствуют в керосине и совместно с олеиновой кислотой могут создавать коллоидные частицы.

Описаны методы получения стабилизированных жидкостей с помощью белков, полисахаридов (крахмала, декстрины), а также с помощью глицерина, спирта и ацетона.

Общим для всех способов стабилизации является примерное соотношение стабилизирующей смеси: магнетит - 60-65%, ПАВ (олеиновая кислота, 10–15 % масс.) и основы (керосин, декан, 15 – 20 % масс.)

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Исследование стандартной магнитной жидкости

Внешние признаки магнитной жидкости: Тяжелая жидкость черного цвета, в бутылочке объёмом 10 мл из светлого пластика. При встряхивании она остается на стенках, затем медленно стекает, не разделяясь, жидкость достаточно стабилизирована. На магните это процесс идет быстрее. По структуре она не густая, с запахом керосина. Быстро высыхает, оставляя черное пятно на бумаге, котороя после высыхания притягивается магнитом.

Магнитные свойства жидкости: Несколько капель жидкости поместили на стекло и опробовали неодимовыми и железными магнитами.

В магнитном поле жидкость образует шипы, которые направлены по линиям магнитного поля, перетекает из одного места в другое. Чем больше сила магнита, тем больше эти линии и выпуклости - ежи.

Обнаружение в составе магнитной жидкости - железа: Известно, что магнитные жидкости преимущественно состоят из соединений железа – оксидов. Несколько капель жидкости поместили в пробирку с раствором соляной кислоты и нагрели. Она растворилась, и образовался раствор желтоватого цвета. При этом протекает реакция, уравнение которой: Fe₃O₄ + 8HСl = FeCl₂ + 2FeCl₃ +4H₂O

Полученный раствор разделили на три пробирки. В первую добавили раствор Красной кровяной соли (гексацианоферрат(III) калия K₃[Fe(CN)₆]) – реактива на катион железа (II) - Fe²⁺. Образуется осадок синего цвета - Турнбулева синь. Во вторую пробирку добавили раствор Желтой кровяной соли (гексацианоферрат(II) калия K₄[Fe(CN)₆]) - реактива на катион железа (III) - Fe³⁺. Выпал такой же темно-синий осадок - Берлинская лазурь. При разном названии, состав этих веществ – одинаков. [2]

Уравнение реакции можно представить виде:

FeCl₂ + K₃[Fe(CN)₆]

K Fe⁺³ [Fe⁺²(CN)₆] ↓ + …KCl

FeCl₃ + K₄[Fe(CN)₆] гексацианоферрат(II)-(III), калия

Осадка со временем образуется больше, он темнеет и притягивается магнитом, что ещё раз подтверждает наличие железа (II) и (III).

В третью пробирку добавили роданида калия KSCN, реактива на катион железа(III) - Fe³⁺.Образуется раствор интенсивно красного цвета – роданида железа(III). [1] FeCl₃ + 3KSCN = Fe(SCN)₃ + 3KCl

Результат: Стандартная магнитная жидкость достаточно стабилизирована, обладает хорошими магнитными свойствами. Раствор стабилизирован органическим растворителем (возможно керосином). Жидкость обладает хорошей подвижностью в магнитном поле. По результатам качественного анализа на катионы железа, можно с уверенностью утверждать, данная магнитная жидкость состоит из частиц магнетита.

Поиск по сайту: