Способ получения магнитной жидкости
- Главная
- Список секций
- Химия
- Химический способ получения магнитной жидкости и её практическое применение.
Химический способ получения магнитной жидкости и её практическое применение.
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Нанохимия магнитных материалов – одно из наиболее активно развиваемых направлений современной нанонауки. В последние годы оно привлекает все большее внимание исследователей из различных областей химии, физики, биологии и медицины. Магнитные материалы и феномен магнетизма знакомы человечеству на протяжении давнего времени, и хорошо известно, какую роль играют магнитные явления в жизни современного человека. Магнитные наноматериалы также обладают огромным потенциалом и несут в себе если не технологическую революцию, то множество важных фундаментальных открытий и перспективных технологических применений. В ряду магнитных наноматериалов большое место занимают ферромагнитные жидкости. Магнитная жидкость с точки зрения коллоидной химии представляет собой устойчивую высокодисперсную гетерогенную систему лиофобного типа с высокой степенью лиофилизации стабилизизированных частиц магнитного материала в дисперсионной среде. Обладая свойствами жидкого ферромагнетика, она позволяет по-новому решить многие научно-технические и медико-биологические задачи. Магнитные жидкости обладают уникальным сочетанием текучести, и способности ощутимо взаимодействовать с магнитным полем. Все вещества к магнитному полю неравнодушны, то есть либо притягиваются или отталкиваются. Однако большинство из них, как, например, дерево, взаимодействуют с полем столь слабо, что обнаружить это удается только точными приборами. Мне стало интересно, есть ли жидкость, которая будет реагировать на магнит. Я решила начать исследование по данному вопросу.
Цель: Провести эксперимент по получению магнитной жидкости в условиях школьной лаборатории
Задачи:
1. Узнать, что такое магнитная жидкость
2. Рассмотреть ее химический способ получения
3. Изучить применение магнитной жидкости
Предмет исследования: изменения свойств магнетита.
Объект исследования: магнетит.
Гипотеза: Магнитную жидкость можно получить химическим способом в условиях школьной лаборатории
Основные методы исследования – эксперимент, анализ
2.Теоретическая часть
Магнитная жидкость — жидкость, сильно поляризующаяся в присутствии магнитного поля. Магнитные жидкости представляют собой коллоидные системы, состоящие из ферромагнитных частиц нанометровых размеров, находящихся во взвешенном состоянии в несущей жидкости.
Для получения магнитной жидкости выделяют два основных способа: метод диспергирования и метод конденсации, который включает в себя вакуумную и химическую конденсацию.
В своем эксперименте мы будем использовать метод химической конденсации.
3.Практическая часть
Эксперимент:
Для проведения опыта мы использовали следующее оборудование и химическую посуду: электронные весы, две колбы (с круглым, плоским дном), химический стакан, фильтровальную бумагу и воронку, сильный магнит, водяную баню, фарфоровый стакан ёмкостью 200 мл, термометр с диапазоном измерения температур до 100 градусов по Цельсию, индикаторную бумагу
А также следующие реагенты: соли двух- и трехвалентного железа (хлорные и сернокислые) , нашатырный спирт (аммиачная вода 25%-ой концентрации), моющее средство «Fairy», дистиллированную воду (Приложение №1).
В 500 мл дистиллированной воды растворили 12 г. FeCl3 и 6 г. FeSO4 (при слабом подогреве и несильном помешивании) (Приложение №2). Полученный раствор отфильтровали через фильтровальную бумагу в другую колбу для отделения от механических примесей (Приложение №3).В первую колбу залили 75 мл аммиачной воды. Очень осторожно тонкой струей влили из второй колбы отфильтрованный раствор в первую колбу с аммиачной водой (Приложение №4).Интенсивно взболтали. Коричнево-оранжевый раствор мгновенно превратился в суспензию черного цвета. Долили к получившемуся раствору немного воды и поставили колбу с образовавшейся смесью на магнит на полчаса (Приложение №5). После выпадения частиц магнетита на дно колбы, осторожно слили около двух третей раствора, придержав осадок магнитом. Снова залили воду в таком же количестве, и хорошо взболтали раствор. Опять поставили колбу на магнит. Повторяли операцию, пока pH сливного раствора не стал равный 7,5-8,5 (нежно-зеленая окраска индикаторной бумаги) (Приложение №6). После того как последний промывной раствор на 2/3 слит, загущенную суспензию отфильтровали через бумажный фильтр (Приложение №7). Полученный на воронке осадок смешали с заранее отмеренным количеством «Fairy» (7,5 г.) в фарфоровом стакане. Смесь прогрели до 80 градусов в течение часа, хорошо перемешав (Приложение №8). Охладили полученную смесь до комнатной температуры (Приложение №9). Добавили 50- 60 мл дистиллированной воды и тщательно перемешали. Разведенную в воде смесь поставили ещё раз на магнит на несколько часов, после чего магнитная жидкость готова (Приложения № 9-11).
Применение магнитной жидкости:
1. Космическая промышленность.
NASA проводило эксперименты по использованию ферромагнитной жидкости в замкнутом кольце как основу для системы стабилизации космического корабля в пространстве. Магнитное поле воздействует на ферромагнитную жидкость в кольце, изменяя момент импульса и влияя на вращение корабля. Еще её используют для стабилизации температуры космического корабля.
2.Генерирование ультразвука.
Замороженная или полимеризованная ферромагнитная жидкость, находящаяся в совокупности постоянного (подмагничивающего) и переменного магнитных полей, может служить источником упругих колебаний с частотой переменного поля, что может быть использовано для генерации ультразвука.
А) Магнитную жидкость можно использовать для смазки и охлаждения инструмента.
Представим себе бетонную стену, в которой нужно просверлить дырку ручной дрелью. Понятно, что о подаче охлаждающей жидкости на сверло не может быть и речи. В результате инструмент нагревается и быстро тупится, доставляя немалую головную боль хозяину стены. Однако если сверло намагнитить, то охлаждающую жидкость, состоящую из смазки и магнитных частичек, на него можно «намазать». Магнитное поле никуда эту жидкость от сверла не отпустит, но равномерно распределит по поверхности контакта. Магнитные жидкости еще и охлаждают инструмент. Более того, как выяснилось, при сверлении отверстий в титановых и алюминиевых сплавах магнитная жидкость, притягиваясь к намагниченному сверлу, увлекает за счет сил сцепления немагнитную стружку, причем в немалом количестве. Это явление открывает новые возможности для магнитных жидкостей: их можно применять как среду для сбора немагнитных материалов — стружки и абразивной пыли, образуемой при шлифовке поверхности.
Б) Закрепление деталей на рабочем столе станка.
Когда деталь сложной формы нужно закрепить на рабочем столе станка, приходится делать сложные приспособления. Их-то и может заменить ванночка с магнитной жидкостью. Установив в ней деталь в нужном положении, достаточно включить магнитное поле — и, словно мгновенно замёрзнув, жидкость жёстко зафиксирует её. Причём сила такой магнитной хватки, как показывают исследования, может быть не меньше, чем у обычного механического крепления. Надо повернуть деталь — отключите поле, дав жидкости «оттаять». А затем можете снова включить его.
Сбор нефти, разлитой на воде.
Если на поверхности воды разлита нефть, то разбрызгивают магнитную жидкость, которая быстро и поскольку в состав жидкости входит керосин, то она легко растворяется в нефти. В воду погружают сильные магниты, и пятно начинает стягиваться к ним, здесь же его откачивают насосы. Вода вновь становится чистой.
5.Медицина
Противоопухолевые препараты, к примеру, вредны для здоровых клеток. Магнитная жидкость – идеальная вещь для направленного транспорта лекарств. Наночастицы значительно меньше, чем размер кровеносного сосуда. Поэтому они не закупоривают сосуды. На частицы можно сверху нанести оболочку из нужных лекарственных средств. Поставив магнит сверху, они будут целенаправленно двигаться. Если опухоль внутри организма, то сразу оперировать больного нельзя. Надо понять, увидеть, где опухоль. Клетки опухоли ничем не отличаются от здоровых, и УЗИ нам не поможет их увидеть. Частицы окружают соответствующей оболочкой, которую любят раковые клетки. С помощью магнита загоняют частички в опухоль, и на рентгене это место будет светиться. Этот метод запатентован в Германии и у нас, в России. Как только частицы загнали в опухоль, то можно включить переменное магнитное поле. Температура раковых клеток увеличится. Раковые клетки погибают на 0,5 градуса раньше, чем другие клетки. Поэтому лечить рак легко с помощью нагрева при 41,5 градусов. Греть надо целенаправленно. Как только нагрели до 41,5 градусов, опухоль сразу погибает. Предлагается нагревать до умеренных температур. Организм сам резко начинает включать защитные свойства. Что дальше — пока не известно. Все опыты проводятся пока на мышах. Медики утверждают, что некоторые мыши после этих процедур выжили. На людях такое лечение нагревом еще не проводится. Магнитная жидкость поможет сохранить зрение.Американские исследователи утверждают, что в ближайшем будущем можно будет предотвратить слепоту у людей с поврежденной сетчаткой, используя магнитную жидкость. Сетчатка — это тонкий, светочувствительный слой ткани на задней поверхности глаза. Если она повреждается или отслаивается в результате травмы или болезни, зрение ухудшается и может наступить слепота. Обычно для возвращения поврежденной сетчатки на место используется силиконовая жидкость, но американские исследователи обнаружили, что лучшим образом может решить эту проблему намагниченная жидкость. Действительно, такой метод значительно более точен, поскольку он позволяет жидкости двигаться под действием внешнего магнита и достигать таких участков глаза, которые трудно достижимы другими способами.
6. Термомагнитная конвекция.
Если воздействовать магнитным полем на ферромагнитную жидкость с разной восприимчивостью (например, из-за температурного градиента) возникает неоднородная магнитная объемная сила, что приводит к форме теплопередачи называемой термомагнитная конвекция. Такая форма теплопередачи может использоваться там, где не годится обычная конвекция, например, в микроустройствах или в условиях пониженной гравитации.
На основании проведённого эксперимента можно сделать следующие выводы:
1. Узнали, что такое магнитная жидкость
2. Получили магнитную жидкость химическим способом;
3. Познакомились с возможным применением магнитной жидкости.
ППриложение №8 Приложение№9
Приложение №10 Приложение №11
1. Сенатская И.И, Байдуртский Ф.С. Магнитная жидкость. Журнал «Наука и жизнь» №12, 2002г. Крицман В.А., Станцо В.В. Энциклопедический словарь юного химика; М.Педагогика , 1996г.
2. Сенатская И.И, Байдуртский Ф.С. Магнитная жидкость. Журнал «Наука и жизнь» №12, 2002г.
3.Сенатская И.И, Байдуртский Ф.С. Магнитная жидкость. Журнал «Химия и жизнь» №10, 2002г. С.26-29
Источник
МАГНИТНАЯ ЖИДКОСТЬ
И. Сенатская, кандидат химических наук Ф. Байбуртский
Строго говоря, к магнитному полю неравнодушны — притягиваются или отталкиваются — все вещества. Но на большинство оно действует настолько слабо, что это удается обнаружить только приборами. А можно ли усилить магнитные свойства материала? К примеру, инженеры давно мечтают о системах, которые позволили бы придать некоторым веществам или телам магнитные свойства, при этом абсолютно не разрушая их структуры и мало изменяя их исходные свойства. Наш рассказ о магнитных жидкостях.
Лет пятьдесят назад была запатентована оригинальная конструкция механической муфты — устройства для передачи вращения от одного вала к другому. Муфта содержала смесь железного порошка и масла. Под действием магнитного поля, создаваемого электрическим током, проходящим по катушке, жидкость «твердела», и тогда два вала начинали работать как единое целое. При отсутствии же поля крутящий момент не передавался. Все бы хорошо, не будь такая жидкость капризной: то в ней появлялись комки, то она вдруг не хотела твердеть. Потому магнитные порошковые муфты долго не находили применения (1).
Все изменилось, когда за дело взялись химики и создали устойчивые магнитные жидкости, обладающие хорошей текучестью. В них вводили столь мелкие магнитные частицы, что они никогда не оседали и не сбивались в комок.
Так что же это такое — магнитная жидкость?
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 (2).
Синтез магнитных жидкостей включает в себя стадии получения частиц очень малых размеров, их стабилизацию в соответствующей жидкости-носителе и 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. А поэтому мы предлагаем воспользоваться другим способом, который разработали отечественные ученые М. А. Лунина, Е. Е. Бибик и Н. П. Матусевич. Он подробно описан в конце статьи. А пока поговорим о вариантах практического применения магнитной жидкости.
Все они основаны на эффектах, которые никаким другим способом создать невозможно. Начнем с самого простого. Довольно часто разнообразные жидкости используются в технике для передачи силы или энергии. Например, ковш небольшого экскаватора приводится в действие давлением масла, поступающего в гидроцилиндры. Главные элементы гидравлической техники — краны, вентили, золотники и клапаны, способные в нужный момент прервать или, наоборот, разрешить течение жидкости. Хотя их делают уже давно, ни один кран надежным не назовешь: его детали подвержены износу. Магнитные жидкости могут перекрывать канал или регулировать расход жидкости, а также менять направление ее потока в трубопроводе (3).
В расширенную часть трубы при помощи внешнего магнита вводят и удерживают там магнитную жидкость. Она играет роль перекрывающего клапана: один канал закрыт, и жидкость по нему не протекает. Если с помощью магнита перевести магнитную жидкость в другой канал трубопровода и перекрыть его, освободится первый. Таким же образом можно регулировать поток жидкости в трубопроводе, предварительно установив на заданном участке трубы электромагнит и введя небольшое количество магнитной жидкости. Поскольку труба расположена вертикально, жидкая среда, накапливающаяся над магнитно-жидкостным клапаном, удерживается до определенного уровня. Как только он будет превышен, клапан под действием силы тяжести начнет отрываться и жидкость будет просачиваться вниз. Особенность устройства состоит в том, что после пробоя вниз проходит только избыточная часть жидкости, а определенный ее объем удерживается над клапаном.
А вот еще один вариант использования магнитных жидкостей. Инженеры считают, что автомобиль может обойтись без коробки передач, если на вал двигателя поставить маховик и кратковременно, сотни раз в секунду, подключать мотор к колесам. Однако все попытки создать такую систему (ее называют импульсной передачей) наталкивались на низкую долговечность переключающего устройства. Магнитно-жидкостные же муфты сцепления практически не изнашиваются и позволяют создать автомобиль с очень низким расходом топлива. Кроме того, магнитная жидкость на основе машинных масел или смазочно-охлаждающих материалов служит прекрасным герметизатором в различного рода уплотнениях, подшипниках трения и качения, сложных узлах станков и машин. Установленные по периметру уплотнения маленькие магниты не позволяют жидкости вытекать из зазора, и работоспособность устройства увеличивается в пять раз!
А преобразовать энергию колебательного движения в электрическую позволяет устройство, представляющее собой катушку, внутри которой находится ампула с магнитной жидкостью (4).
Малейший толчок или изменение наклона приводит к перетеканию жидкости, а значит, и к изменению магнитного потока. Катушка соединена с накопителем энергии (в данном случае — с конденсатором) через выпрямитель. Развиваемое напряжение зависит от числа витков катушки. Подобное устройство может снабжать энергией миниатюрный радиоприемник или электронные часы. Оно способно преобразовывать удары капель дождя по крыше в электрический ток и получать таким образом даровую энергию.
Явление плавания тяжелых тел под действием неоднородного магнитного поля, погруженных в магнитную жидкость, позволило использовать магнитные жидкости в горно-обогатительных процессах. Неоднородное магнитное поле приводит к уплотнению магнитной жидкости, вследствие чего всплывают немагнитные частицы высокой плотности — медные, свинцовые, золотые. Поскольку неоднородность магнитного поля легко изменять в широких пределах, можно заставить плавать частицы определенной плотности. Это стало основой для создания технологии магнитной сепарации руд по плотностям. Смесь частиц различной плотности падает на слой магнитной жидкости, висящий между полюсами электромагнита. Ток в электромагните можно подобрать так, чтобы легкие частицы смеси всплывали в магнитной жидкости, а тяжелые — тонули. Если установить полюса электромагнита наклонно, легкие частицы станут двигаться вдоль поверхности слоя и процесс разделения смеси станет непрерывным: тяжелые частицы провалятся сквозь слой магнитной жидкости и попадут в один приемник, а легкие частицы скатятся по ее поверхности в другой (5).
Когда обычные смазочно-охлаждающие жидкости и способы их подачи неприменимы, магнитные жидкости можно использовать в механизированном ручном инструменте, при работе на большой высоте, в замкнутом изолированном пространстве и других особых условиях. По механизму воздействия на процесс резания магнитные жидкости аналогичны смазочно-охлаждающим материалам, но в зону резания их можно подавать магнитным полем. Под его влиянием повышается смачиваемость и усиливается расклинивающее давление, интенсифицируется смазочное действие, так как улучшаются условия проникновения магнитной жидкости на поверхности контакта. Магнитные жидкости оказывают более сильное охлаждающее действие, так как по теплоемкости и теплопроводности превосходят все смазочно-охлаждающие материалы. При сверлении отверстий в титановых и алюминиевых сплавах немагнитная стружка, смазанная магнитной жидкостью, притягивалась к намагниченному сверлу и легко удалялась из отверстия. Это явление позволяет собирать остатки немагнитных металлов и абразивной пыли, образуемой при шлифовке поверхности.
Магнитные жидкости могут найти применение и в медицине. Противоопухолевые препараты, к примеру, вредны для здоровых клеток. Но если их смешать с магнитной жидкостью и ввести в кровь, а у опухоли расположить магнит, магнитная жидкость, а вместе с ней и лекарство сосредоточиваются у пораженного участка, не нанося вреда всему организму (6).
Магнитные коллоиды можно применять в качестве контрастного средства при рентгеноскопии. Обычно при рентгеноскопической диагностике желудочно-кишечного тракта пользуются кашицей на основе сернокислого бария. Если учесть, что коллоидные ферритовые частицы активно поглощают рентгеновские лучи, то можно говорить об использовании магнитных жидкостей в качестве рентгеноконтрастных веществ для диагностики полых органов. Все процедуры при этом существенно упрощаются.
А теперь выполняем обещание, данное в начале статьи, — даем рецепт водной магнитной жидкости (самой простой в изготовлении среди известных). Запаситесь аптечными весами с разновесами, двумя колбами, химическим стаканом, фильтровальной бумагой и воронкой, хорошим (желательно кольцевым — из динамика) магнитом, небольшой электрической плиткой и фарфоровым стаканчиком на 150-200 мл. Для получения качественной магнитной жидкости необходимо иметь маленькую настольную центрифугу. У вас под рукой должны быть соли двух-и трехвалентного железа, аммиачная вода (25%-ной концентрации), натриевая соль олеиновой кислоты (олеиновое мыло), индикаторная бумага фирмы «Лахема» и дистиллированная вода. Цифры приведены в расчете на 10 граммов твердой магнитной фазы (магнетита) магнитной жидкости.
Получив магнитную жидкость, раскрепостите свою фантазию. Придумайте с нею физический опыт, сделайте занимательную игрушку. Пришлите в редакцию рассказ о своей работе с цветными иллюстрациями. Самые интересные отчеты будут опубликованы. Желаем удачи!
Источник
