Исследовательская работа на тему: «Получение и исследование свойств коллоида трехвалентного железа»
Скачать 289.15 Kb.
|
| Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение г.Астрахани «Средняя общеобразовательная школа №36» Исследовательская работа на тему: «Получение и исследование свойств коллоида трехвалентного железа» Работу выполнила: Штонда Лариса, ученица 11А класса Руководитель: Мальцева Елена Михайловна учитель химии. Астрахань 2014 Оглавление Введение………………………………………………………………………2
Введение Нанохимия магнитных материалов – одно из наиболее активно развиваемых направлений современной нанонауки, в последние годы 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. С интенсивным развитием науки в последние десятилетия и стремительно ворвавшимся в научную лексику термином «нано», магнетизм наноразмерных объектов оказался едва ли не самой «горячей» наряду с фуллеренами и углеродными нанотрубками темой в научных журналах. Магнитные наноматериалы, к которым относятся магнитные нанопорошки, молекулярные магниты, магнитные жидкости, обладают огромным потенциалом и несут в себе если не технологическую революцию, то множество важных фундаментальных открытий и перспективных технологических применений. 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. 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? И как её получают? Можно ли сделать её самостоятельно в нашей школьной лаборатории? Цель работы - получить в школьной лаборатории и исследовать свойства коллоида трехвалентного железа. Задачи: 1.Теоретически изучить строение, природу и свойства коллоида трехвалентного железа 2.Выяснить способы практического получения коллоида трехвалентного железа. 3.Получить коллоид трехвалентного железа в лаборатории и исследовать её свойства. 4.Познакомится с практическим применением коллоида трехвалентного железа - магнитной жидкости. Гипотеза: «Коллоид (золь) трехвалентного железа называют магнитной жидкостью. Она обладает свойствами железа (намагничивается) и, следовательно, обладает действием магнитооптического затвора» Актуальность работы подтверждает широкое применение магнитной жидкости. Оно основано на эффектах, которые никаким другим способом создать невозможно. Ее используют в самых различных областях: в машиностроении, получении электрической энергии, в медицине, в оборонной, космической промышленности и других областях. «Величие человека состоит в его мысли» Блез Паскаль. 4.Что такое магнитная жидкость. Магнитные жидкости - продукт нанотехнологий. Магнитные жидкости (МЖ) – ультрадисперсные (со средним диаметром нм) 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 сохраняет свою однородность практически неограниченное время. Итак, мы выяснили, что 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. Исследование таких жидкостей имеют большое теоретическое значение, так как связаны с решением фундаментальных физико-химических проблем, а также практическое значение, так как способствуют их применению в машиностроении, электронике, медицине, космической технике. Разработка устройств, с применением МЖ основанные на взаимодействии их с внешним магнитным полем, воздействующим на внутреннюю структуру коллоидной системы. Поэтому наряду с разработкой новых применений МЖ ведутся теоретические и экспериментальные исследования их физических и физико-химических характеристик, которые, в свою очередь, определяются свойствами коллоидных частиц, их взаимодействием во внешних полях. Научные достижения в этой области стали возможны за счет комплексного подхода, с применением классических методов статистической термодинамики, молекулярной оптики, физики магнитных явлений, физической химии, механики сплошных сред.
Магнитные жидкости были почти одновременно синтезированы в США и России в середине 60-х годов двадцатого века. Первые магнитные жидкости были получены американцем Соломоном Стивеном Пайпеллом, в результате механического измельчения частиц магнетита в шаровых мельницах. Он запатентовал своё изобретение в 1963-м и в 1965 году. Измельчение проводили в присутствии поверхностно-активного вещества в течение 1000 часов. Магнетитовая пудра смешивалась с жидкой основой (керосином) и ПАВ(олеиновой кислотой), содержание которого составляло 10 – 20 % объёма основы. Разовая загрузка магнетита в жидкую фазу не превышала 0,2 кг/л. Такое соотношение между магнетитом и поверхностноактивным веществом создавало благоприятные условия для получения мономолекулярного защитного слоя на каждой частице, средний размер которой в конечном продукте составлял около 10 нм. Р. Кайзер усовершенствовал описанный процесс и получил магнитные жидкости на воде, органических основах (в том числе ароматических углеводородах) и эфирах. В СССР родоначальником магнитожидкостных технологий был Дмитрий Васильевич Орлов. В 1965 году по инициативе профессора Орлова и под его руководством в Ивановском энергетическом институте начались работы по созданию магнитных жидкостей и герметизирующих устройств на их основе. В настоящее время магнитные жидкости активно изучают в большинстве развитых стран мира.
Магнитные жидкости уникальны тем, что высокая текучесть сочетается в них с высокой намагниченностью – в десятки тысяч раз большей, чем у обычных жидкостей. Секрет такой высокой намагниченности заключается в том, что в обычную жидкость, например в жидкий углеводород, внедряется огромное количество мелких сферических частиц, которые представляют собой миниатюрные постоянные магниты. Каждый микроскопический постоянный магнитик хаотически вращается и перемещается в жидкой среде под действием теплового движения. Внешнее магнитное поле ориентирует магнитные моменты частиц, что приводит к изменению магнитных, оптических и реологических свойств раствора. Высокая чувствительность свойств раствора к внешнему полю позволяет управлять поведением магнитных жидкостей и использовать их в прикладных задачах. Каждая магнитная частица в магнитной жидкости покрыта тонким слоем защитной оболочки, что предотвращает слипание частиц, а тепловое движение разбрасывает их по всему объему жидкости. Поэтому, в отличие от обычных суспензий, частицы в магнитных жидкостях не оседают на дно и могут сохранять свои рабочие характеристики в течение многих лет. Тем не менее, ПАВ в составе жидкости имеют свойство распадаться со временем (примерно несколько лет), и, в конце концов, частицы слипнутся, выделятся из жидкости и перестанут влиять на реакцию жидкости на магнитное поле. Также, ферромагнитные жидкости теряют свои магнитные свойства при своей температуре Кюри, которая для них зависит от конкретного материала ферромагнитных частиц, ПАВ и несущей жидкости. У ферромагнитных жидкостей очень высокая магнитная восприимчивость – достаточно маленького стержневого магнита, чтобы на поверхности жидкости с парамагнитными свойствами возникла регулярная структура из складок. Этот эффект известен как «нестабильность в нормально направленном поле». Магнитная жидкость обладает еще одним удивительным свойством. В ней, как и в любой жидкости, плавают тела менее плотные и тонут тела более плотные, чем она сама. Но если приложить к ней магнитное поле, то утонувшие тела начинают всплывать. При чем, чем, сильнее поле, тем более тяжелые тела поднимаются на поверхность. В большинстве своём, магнитные жидкости имеют сильно выраженную чёрную окраску в объёме, благодаря присутствию в них в качестве высокодисперсной магнитной фазы магнетита. Однако известны магнитные жидкости, в которых магнитная высокодисперсная фаза может быть представлена частицами другого происхождения (гамма-оксида железа, ферритов марганца, кобальта, цинка и никеля); в этом случае МЖ могут иметь окраску от тёмно-коричневой до оранжево-жёлтой, а при соблюдении некоторых особых условий их синтеза удаётся получить магнитные высокодисперсные системы очень широкого спектра цветов и оттенков. Добавление в магнитные коллоидные системы некоторых специальных красителей позволяет изменить окраску МЖ, что нашло широкое применение в печатной промышленности при создании магнитных красок и чернил.
Все мы привыкли к магнитам в твёрдом состоянии. А как получить жидкий магнит? На первый взгляд всё довольно просто, надо только измельчить какой-нибудь ферромагнитный материал и поместить его в жидкую среду. Однако всё оказалось не так просто: взвесь порошка в жидкости оседала, так как частицы оказывались очень тяжёлыми. Лишь в 60-х годах прошлого века удалось получить настолько малые частицы, что, будучи засыпанными в смесь керосина и олеиновой кислоты, они не стали выпадать в осадок. Оказалось, что полученная жидкость обладает довольно интересными свойствами. Прежде всего, такая жидкость является уже не ферромагнетиком, а сильнейшим парамагнетиком. Синтез магнитной жидкости включает в себя несколько стадий:
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 воспользовались более простым способом, который разработали отечественные ученые М. А. Лунина, Е. Е. Бибик и Н. П. Матусевич. 4.1. Получение магнитной жидкости (коллоида трехвалентного железа) 1.Сначала мы собрали все необходимые предметы для нашего опыта. Для этого необходимо иметь следующее оборудование и химическую посуду:
Кроме того, необходимы следующие реагенты:
Затем в лаборатории химического факультета АГУ мы приготовили исследуемое вещество. Предварительно произвели расчеты: 1) В составе магнетита Fe3O4 (FeO·Fe2O3) Fe(II) и Fe(III) находятся в соотношении 1:2. Были рассчитаны массы солей необходимых для приготовления растворов. M(FeSO4·7H2O) = 278 г/моль M(FeCl3·6H2O) = 270,5 г/моль. Для приготовления растворов взяли 0,01 моль FeSO4·7H2O (2,78 г) и 0,02 мольFeCl3·6H2O (5,41 г). 2) Приготовили 5%-ный раствор сульфата железа(II) и 5%-ный раствор хлорида железа(III). Для этого рассчитали массу и объём воды, которую необходимо добавить к солям для получения 5%-ных растворов и массы растворов. При расчете учитывали наличие кристаллизационной воды в составе солей. • 0,05 = 1,52/ 2,28 + m1(H2O); m1(H2O) = 27,62 г; m1 (раствора) = 30,4 г • 0,05 = 3,25/5,41 + m2(H2O); m2(H2O) = 59,6 г; m2(раствора) = 65 г
|
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Научно-исследовательская работа Научно-исследовательская работа Научно-исследовательская... Научно-исследовательская работа (нир) относится к циклу «Практики и научно-исследовательская работа» магистерской программы «Русский... | | Конспект урока железо: физические и химические свойства. Цель урока:... Обучающие: сформировать знания о физико-механических и химических свойствах железа |
| Исследовательская работа Математическое искусство Целью данной работы является исследование становления и развития имп-арта, исследование основных приемов создания невозможных фигур,... |  | F научно-исследовательская работа Анализ деятельности, направленной на получение бесплатного основного и среднего образования |
| Исследовательская работа по физике на тему: Звук. Влияние звука на... Целью семинара является обсуждение и проработка лучших мировых практик и современных моделей реализации проектного подхода в инженерном... | | Исследовательская работа «Тайна имени». Выполнила ученица 6 класса... Научно-исследовательская деятельность в Мокрушинской школе Канского района Красноярского края |
| Исследовательская работа школьников. 2007 №3 «Ученику необходимо... Леонтович А. В. Исследовательская деятельность учащихся в современном образовательном пространстве: итоги научно-практической конференции.... | | Учебно-методический план элективного курса для профильного обучения школьников Практическая работа Исследование физических и химических свойств некоторых кислот |
| Исследовательская работа Автор работы Экспериментальное исследование, направленное на определение оптимального конструктора веб-сайта в школьных условиях | | Фи ученика Исследовательские работы школьников были представлены следующими жанрами: исследовательский реферат – 2, исследовательская работа... |
| Тема урока: Химические свойства железа ... | | Международная научно-исследовательская конференция учащихся и педагогов... Российской Федерации, Правительства Москвы, Департамента науки, промышленной политики и предпринимательства города Москвы, Всемирной... |
| Список учащихся, рекомендованных на участие в городской научно практической... Тип работы (исследовательский реферат, исследовательская работа, проектно-исследовательская работа) | | Получение рекомбинантных белков западносибирских изолятов borrelia... Работа выполнена в Государственном учреждении Научно-исследовательском институте биохимии Сибирского отделения Российской академии... |
| Исследовательская работа на тему Районный конкурс «Памятники природы Оренбургской области» | | Исследовательская работа «Человек и электричество» Кузнецов Владимир... Исследование влияния различных факторов на сопротивление тела человека |
