Автор: Иванов Михаил, 10 класс МАОУ «УТЛ им. Г.В. Рассохина» Руководитель: Кислицына Наталья Юрьевна,учитель химии МАОУ «УТЛ им. Г.В. Рассохина», 2015 год
Введение
Однажды в научно-познавательной телепередаче на канале «Дискавери» мы увидели интересный сюжет. Густая тёмная жидкость танцевала в магнитном поле, меняла свою форму. Мы решили разобраться, что это за жидкость, можно ли изготовить её в школьных условиях. Если получится, синтезировать немного магнитной жидкости (МЖ) и исследовать её необычные свойства.
Сейчас учёными и технологами созданы устойчивые магнитные жидкости, обладающие хорошей текучестью. В жидкости вводят очень мелкие магнитные частицы, и добиваются того, что они не оседают на дно и не сбиваются в комки. Важную роль играет и основа, и вещества, не позволяющие магнитным частицам слипаться (обычно применяют ПАВ – поверхностно-активные вещества). Однако считается, что этих результатов можно добиться лишь в промышленных условиях, применяя передовые технологии. А можно ли изготовить её самостоятельно, в нашей школьной лаборатории, не затратив уйму средств? Это мы решили проверить в этой работе.
Цели и задачи исследования
Гипотеза: возможно самостоятельно создать магнитную жидкость
Цель нашего исследования – найти способы изготовления магнитной жидкости в школьной лаборатории и изучить её основные свойства.
Сформулируем задачи нашего исследования:
- Изучить природу и свойства магнитной жидкости на основе доступной теоретической информации
- Определить способы изготовления магнитной жидкости, выбрать наиболее подходящие для имеющихся условий
- Изготовить магнитную жидкость самостоятельно, использовав минимум два различных способа
- Доказать магнитные свойства полученного вещества МЖ
Методы решения поставленных задач
- Изучение, анализ и обобщение информации – научной и научно-методической литературы по теме.
- Эксперимент – самостоятельное изготовление магнитной жидкости по имеющимся методикам и адаптированным к школьным условиям, экспериментальное изучение её свойств.
Оборудование:
1. Методические материалы: методические пособия, справочники и другая учебно-методическая литература, инструкции, книги, журналы по теме работы.
2. Техническое оснащение: принтер, компьютер, доступ к интернету, проекционная система.
3. Лабораторное оборудование:
- аптечные весы с набором гирь;
- две колбы (с круглым или плоским дном);
- химический стакан;
- фильтровальная бумага и воронка;
- сильный магнит;
- лабораторная электроплитка;
- спиртовка;
- фарфоровый стакан на 200 мл;
- термометр с диапазоном измерения температуры до 100 °С;
- хлорные соли двух- и трёхвалентного железа;
- аммиачная вода 25% -ной концентрации (нашатырный спирт);
- стеарат натрия, машинное масло (в качестве ПАВ);
- дистиллированная вода.
4. Фотоаппарат.
Предполагаемые результаты проекта:
- два сосуда с магнитной жидкостью;
- презентация;
- отчёт о проделанной работе.
1. Основная часть
Теоретический материал
Во второй половине прошлого века были синтезированы коллоидные растворы магнитных материалов, которые впоследствии получили название «магнитные жидкости (Magnetic fluids)» .
Магнитные жидкости – продукт нанотехнологий. Магнитные жидкости (МЖ) – ультрадисперсные устойчивые коллоиды ферро- или ферримагнитных однодоменных частиц, диспергированных в различных жидкостях и совершающих интенсивное броуновское движение. В качестве дисперсной фазы используют малые частицы таких металлов как железо, кобальт, никель, гадолиний, их разнообразные ферриты, ферромагнитные окислы. Для предотвращения коагуляции коллоидного раствора, которая была бы неизбежной вследствие магнитного диполь-дипольного и ван-дер-ваальсовского взаимодействий и последующего укрупнения частиц, в качестве стабилизаторов применяют поверхностно-активные вещества (ПАВ) типа олеиновой кислоты. Адсорбируясь на поверхности микрокристаллических дисперсных частиц ПАВ образуют защитную оболочку, представляющую из себя своеобразный структурно-механический барьер. Вследствие малого размера частиц МЖ она не расслаивается, и сохраняют свою однородность практически неограниченное время.
Итак, мы выяснили, что теоретически магнитные жидкости представляют собой коллоидные дисперсии магнитных материалов (ферромагнетиков: магнетита, ферритов) с частицами размером от 5 нанометров до 10 микрометров, стабилизированные в полярной (водной или спиртовой) и неполярной (углеводороды и силиконы) средах с помощью поверхностно-активных веществ или полимеров. Они сохраняют устойчивость в течение двух-пяти лет и обладают при этом хорошей текучестью в сочетании с магнитными свойствами.
Магнитная жидкость является средой, сочетающей магнитные свойства с хорошей текучестью. Важной особенностью ферромагнитных коллоидов, в отличие от большинства известных магнитных систем, является свобода поступательного движения магнитных частиц, которая может быть причиной структурных превращений, связанных с одновременным изменением характера магнитного упорядочения и пространственного расположения частиц в слое жидкости.
Наблюдаемые в магнитной жидкости магнитомеханические, магнитооптические и электрофизические явления во многом определяются свойствами малых частиц, их взаимодействием во внешних полях и структурным состоянием системы. Широкий выбор жидких основ разработанных магнитных жидкостей (вода, керосин, синтетические и минеральные масла, перфторированные эфиры, глицерин и т.п.) может обеспечить реализацию магнитного управления работой многих технических устройств и технологических процессов.
2. Исследовательская часть
2.1. Методика исследования
Как получить магнитную жидкость?
На первый взгляд всё довольно просто, надо только измельчить какой-нибудь ферромагнитный материал (железо, например) и поместить его в жидкость. Однако это не так-то просто: тяжёлый металлический порошок в любой жидкости оседает на дно под действием силы тяжести. Следовательно, необходимо сильно измельчить порошок, чтобы получить сверхмалые частицы. Кроме того, необходимо подобрать такую смесь жидкостей для основы, которая могла бы держать во взвеси частицы металлического порошка, да ещё и препятствовала коррозии частиц.
Таким образом, изготовление магнитной жидкости состоит из следующих стадий:
- получение магнитных частиц очень малых размеров;
- стабилизация частиц в смеси жидкости-носителя и ПАВ;
- испытание полученной дисперсии в гравитационном и магнитном полях.
Способов получения магнитных жидкостей много. Одни основаны на размельчении железа, никеля, кобальта до сотых долей микрона с помощью мельниц, дугового или искрового разряда, с применением сложной аппаратуры и ценой больших затрат труда. У нас не было такого оборудования, и мы решили сделать магнитную жидкость двумя способами: физическим и химическим. Первый заключается в измельчении железной стружки до размеров 5-10 нм и последующем смешении с ПАВ. Второй, химический, разработали отечественные ученые М. А. Лунина, Е. Е. Бибик и Н. П. Матусевич.
Этапы выполнения практической части работы.
- Сначала мы собрали все необходимые предметы для нашего опыта.
Лабораторное оборудование:
- аптечные весы с набором гирь;
- две колбы (с круглым или плоским дном);
- химический стакан;
- фильтровальная бумага и воронка;
- сильный магнит;
- лабораторная электроплитка;
- спиртовка;
- фарфоровый стакан на 200 мл;
- термометр с диапазоном измерения температуры до 100 °С;
- хлорные соли двух- и трёхвалентного железа;
- дистиллированная вода.
Все это мы нашли дома, в гараже, в магазинах. Но были и такие компоненты, которые не найдешь в обычном магазине, и мы решили обратиться за помощью к нашему учителю химии и попросили:
- хлорные соли двух- и трёхвалентного железа;
- аммиачную воду 25% -ной концентрации (нашатырный спирт);
- стеарат натрия в качестве ПАВ.
Затем в химической лаборатории мы начали изготовление магнитной жидкости химическим способом. Для начала мы растворили в 500 мл дистиллированной воды 24 грамма трехвалентной соли железа и 12 граммов двухвалентной соли железа.
2.2. В результате проведённых экспериментов мы получили:
- 3 рабочих образца – первый – физическим путем (в качестве ПАВ – машинное масло), второй химическим (в качестве ПАВ – стеарат натрия), третий – также химическим (в качестве ПАВ – машинное масло).
2.Каждая из жидкостей при внесении в магнитное поле начинала проявлять магнитные свойства, но образец №2 (химический опыт, в качестве ПАВ – стеарат натрия) проявлял магнитные свойства сильнее других образцов.
3.Свойства жидкостей сохраняются уже более месяца, осадок не наблюдается.
3.Вывод. В ходе работы мы изучили природу и особенности изготовления магнитной жидкости. Мы получили 3 стабильных магнитных жидкости, каждая из которых обладает своей степенью магнитных свойств. Таким образом, гипотеза подтвердилась – в школьной лаборатории можно получить магнитной жидкости.
4.Перспектива. Мы планируем продолжать работу в этом направлении.
Во-первых, мы хотим изучить влияние излучения электроприборов на магнитную жидкость. Во-вторых, проверить применимость магнитной жидкости для очистки воды от коррозий, оксидов железа и др. примесей. В-третьих, проверить, действительно ли магнитная жидкость способствует ускорению прорастания семян.
5.Заключение
Магнитная жидкость – это очень интересное и полезное вещество, а перечисленные направления её применения ещё ждут внедрения и применения. Может быть, скоро кто-нибудь придумает такое применение магнитной жидкости, которое после будет толчком к преобразованию мира!
