XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Ферромагнитные жидкости
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
В ваших руках научная работа, посвящённая синтезу и исследованию свойств наножидкостей, цель которой заключается в изучении свойств и способов получения ферромагнитных жидкостей.
Для достижения данной цели были решены следующие задачи: изучить имеющуюся литературу по выбранной теме; познакомиться со способами синтеза магнитной жидкости; синтезировать наножидкость на основе железа; изучить полученную нами наножидкость.
Помимо того, был обозначен объект исследования – ферромагнитная жидкости и предмет исследования – свойства ферромагнитных жидкостей.
Актуальность проекта объясняется малым количеством научных знаний о феррожидкостях в доступных источниках информации.
Магнитное поле оказывает влияние на структуру, дисперсность и агрегатное состояние наножидкости – есть гипотеза.
В процессе работы над проектом мною были применены два метода исследования: теоретический и эмпирический. Первый включает в себя сбор и анализ информации. Второй - наблюдение, сравнение и эксперимент.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
План исследования
Первый этап – подготовка к исследованию. Включает в себя выбор темы, цели и задач проекта, постановку проблемы, формулировку гипотезы, подбор объекта и предмета исследования, определение актуальности выбранной темы, работу с доступными источниками информации: подбор литературы, составление научной статьи с использованием подобранной раннее литературы, работа над планом исследования; анализ итогов уже имеющихся экспериментов.
Второй этап – проведение исследования. Включает в себя: поиск, выбор и подготовка материала для выполнения эксперимента; непосредственно проведение исследования – синтез и сравнение физических/химических свойств нескольких видов ферромагнитных жидкостей, способов их получения; формулировка вывода, полученного в ходе проведения опыта, опровергающего или отклоняющего выдвинутую в первом этапе гипотезу.
Описанный А. А. Ваниным процесс синтеза ферромагнитной жидкости разделён на два блока, небольшие выдержки из которых приведены ниже.
Блок 1. Приготовление растворов реагентов. Синтез методом соосаждения нестабилизированных наночастиц магнетита.
Приготовление водных растворов исходных реагентов и определение концентрации солей железа в полученных растворах:
Готовка водных растворов осадителя (гидроксид аммония), соляной кислоты, солей железа (III) и железа (II). Для приготовления растворов используется недавно кипевшая охлаждённая дистиллированная вода. При кипячении вода и водные растворы освобождаются от растворённых в них газов, в том числе от кислорода воздуха. При стоянии на воздухе вода и растворы опять насыщаются газами атмосферы.
Плотности водных растворов аммиака и соляной кислоты при различных концентрациях при температуре 20°С определяются по таблице №1 (приложение 6).
Приготовление методом соосаждения нестабилизированных наночастиц магнетита.
Химическая реакция получения магнетита:
2Fe3+ + Fe2+ + 8OH- = Fe3O4 + H2O
Рассчёт объёмов растворов реагентов (с учётом концентрации приготволенных растворов солей железа и наличия в растворах кислоты), необходимых для приготовления 10 г магнетита.
Стандартная методика синтеза наночастиц магнетита (водного геля наночастиц магнетита):
1.Смешать в первом сосуде (химическом стакане) в стехиометрическом соотношении (2 FeIII: 1 FeII) два водных раствора: хлорида железа (III) и хлорида железа (II). Использовать только свежеприготовленный раствор соли железа (II)!
2. Налить во второй сосуд (колбу Эрленмейера) разбавленный водный раствор аммиака (в двукратном избытке по отношению к стехиометрии), поместить в колбу магнитный якорь (стержень) поставить второй сосуд на мешалку и включить интенсивное перемешивание.
3. Не выключая перемашивания, добавить во второй сосуд с помощью пипетки или бюретки медленно, по каплям раствор смеси солей железа из первого сосуда.
4. После того как весь раствор смеси солей железа будет добавлен, перемешивать смесь дополнительно 15 минут, после этого отключить мешалку и дать раствору отстояться (15 минут). Для ускорения оседания наночастиц магнетита поставить сосуд с суспензией на сильный магнит.
5. Слить надосадочную жидкость, оставив в сосуде чёрный илистый, слизистый осадок (гель наночастиц магнетита). Осадок проще удерживать на дне сосуда с помощью магнита.
6. Промыть осадок дистиллированной водой. Для этого снять с магнита сосуд с осадком и добавить дистиллированную воду. Взмутить осадок, многократно встряхивая сосуд с осадком и добавить дистиллированную воду. Получив в итоге однородную суспензию (в которой отсутствуют комочки геля магнетита), поставить сосуд на магнит для осаждения магнетита.
7. Отмыть до нейтрального pH осадок (гель) магнетита. Для этого повторить посдение два пункта (5 и 6) несколько раз (не менее трёх). Последние промывные воды должны быть слобощелочными или нейтральными. Отметить изменения времени осаждения магнетита и цвета сливаемой жидкости.
Блок 2. Стабилизация наночастиц магнетита. Получение магнитных жидкостей и оыты с ними.
Магнитная жидкость представляет собой коллоидную систему, состоящую из нанометровых частиц ферро- или ферримагнитного вещества, находящихся во взвешенном состоянии в несущей жидкости, в качестве которой обычно выступает органический растворитель или вода. Устойчивость такой коллоидной системы обеспечивает стабилизатор – вещество, которое образует защитную оболочку на поверхности наночастиц и препятствует их слипанию. В случае наночастиц магнетита в качестве стабилизатора используют олеиновую или лимонную кислоты или их водостворимые соли, гидроксид тетраметиламмония, полиэлектролиты и прочие. Мы приготовим два образца магнитной жидкости, один на водной основе, а второй – на органической (гексан). В качестве стабилизатора будет использована олеиновая кислота (для гексана в качестве основы) и лимонная кислота (для магнитной жидкости на водной основе)
Для облегчения разделения фаз (магнитная фаза и сбрасываемая жидкая фаза) используется магнит.
Стабилизация наночастиц магнетита олеиновой кислотой.
Получить гель магнетита методом соосаждения и промыть его более трёх раз листиллированной водой (смотреть блок 1).
Добавить к магнетиту олеиновую кислоту (15 мл на каждые 10 г магнетита). Выдержать смесь 10-15 минут, перемешать.
Отделить смесь олеиновой кислоты с магнетитом (паста чёрного цвета) от водной фазы (бесцветаня или слабоокрашенная жидкость), водную фазу выбросить. Для получения магнитной жидкости на органической основе с большей намагниченностью надо удалить избыток олеиновой кислоты. Хорошо промыть чёрную пасту спиртом (или ацетоном), полученный чёрный втёрдый остаток высушить на воздухе.
Третий этап – оформление исследовательской работы. Систематизация всей полученной в ходе выполнения исследовательской работы информации, написание введения, основной части работы и заключения, включающего в себя выводы, сделанные во время второго этапа – эксперимента; составления приложений к проекту (таблица, изображения, графики).
Четвёртый этап – сдача и защита проекта.Включает в себя подготовку к сдаче работы, сдачу проекта руководителю и защиту исследовательской работы.
Научная статья
Ферромагнитная жидкость — жидкость, сильно поляризующаяся в присутствии магнитного поля.
Ферромагнитные жидкости представляют собой коллоидные системы, состоящие из ферромагнитных или ферримагнитных частиц нанометровых размеров, находящихся во взвешенном состоянии в несущей жидкости, в качестве которой обычно выступает органический растворитель или вода. Для обеспечения устойчивости такой жидкости ферромагнитные частицы связываются с поверхностно-активным веществом (в дальнейшем будет использована аббревиатура ПАВ), образующим защитную оболочку вокруг частиц и препятствующем их слипанию из-за ван-дер-ваальсовых или магнитных сил.
Несмотря на название, ферромагнитные жидкости не проявляют ферромагнитных свойств, поскольку не сохраняют остаточной намагниченности после исчезновения внешнего магнитного поля.[1] Потому стоит помнить, что все ферромагнетики при высокой температуре – парамагнетики, но не все парамагнетики при низкой температуре – ферромагнетики.[3]
Ферромагнитные жидкости состоят из частиц нанометровых размеров, магнетита, гематита или другого материала, содержащего железо, взвешенных в несущей жидкости. Они достаточно малы, чтобы тепловое движение распределило их равномерно по несущей жидкости, чтобы они давали вклад в реакцию жидкости в целом на магнитное поле. Аналогичным образом ионы в водных растворах парамагнитных солей (например, водный раствор сульфата меди (II) или хлорида марганца (II)) придают раствору парамагнитные свойства.[1] Однако, сказанное выше может вызвать недоумение, поскольку наиболее известные ферромагнетики – металлы. Дело заключается в том, что у атомов всех ферромагнитных металлов не заполнены либо d-, либо f-оболочки. Электроны на этих атомах находятся очень близко к ядру и практически не ощущают факта объединения атомов в кристалл. В формировании ферромагнитного момента главную роль играют именно d- и f-электроны магнитных металлов. Такая упрощённая картина «устройства» ферромагнитных металлов носит название s-d (f) – обменной модели, так как электроны проводимости происходят из s-электронном атомов металла. Основное упрощение, принятое в s-d (f) – обменной модели, состоит в пренебрежении ролью электронов проводимости в обменном взаимодействии между d- или f-электронами.[3]
Ферромагнитные жидкости — это коллоидные растворы — вещества, обладающие свойствами более чем одного состояния материи. В данном случае два состояния это твердый металл и жидкость, в которой он содержится. Эта способность изменять состояние под воздействием магнитного поля позволяет использовать ферромагнитные жидкости в качестве уплотнителей, смазки, а также может открыть другие применения в будущих нано электромеханических системах.
Ферромагнитные жидкости устойчивы: их твердые частицы не слипаются и не выделяются в отдельную фазу даже в очень сильном магнитном поле. 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.
Термин «магнитореологическая жидкость» относится к жидкостям, которые подобно ферромагнитным жидкостям затвердевают в присутствии магнитного поля. Разница между ферромагнитной жидкостью и магнитореологической жидкостью в размере частиц. Частицы в ферромагнитной жидкости это в основном частицы нанометровых размеров, находящиеся во взвешенном состоянии из-за броуновского движения и не оседающие в нормальных условиях. Частицы в магнитореологической жидкости в основном микрометрового размера (на 1–3 порядка больше); они слишком тяжелы, чтобы броуновское движение поддерживало их во взвешенном состоянии, и поэтому со временем оседают из-за естественной разности в плотности частиц и несущей жидкости. Как следствие, у этих двух типов жидкостей разные области применения.
Под воздействием довольно сильного вертикально направленного магнитного поля поверхность жидкости с парамагнитными свойствами самопроизвольно формирует регулярную структуру из складок. Этот эффект известен как «неустойчивость в нормально направленном поле». Формирование складок увеличивает свободную энергию поверхности и гравитационную энергию жидкости, но уменьшает энергию магнитного поля. Такая конфигурация возникает только при превышении критического значения магнитного поля, когда уменьшение его энергии превосходит вклад от увеличения свободной энергии поверхности и гравитационной энергии жидкости. У ферромагнитных жидкостей очень высокая магнитная восприимчивость, и для критического магнитного поля, чтобы возникли складки на поверхности, может быть достаточно маленького стержневого магнита.
Чтобы обволакивать частицы в ферромагнитной жидкости используются, в частности, следующие ПАВ:
олеиновая кислота;
гидроксид тетраметиламмония;
полиакриловая кислота;
полиакрилат натрия;
лимонная кислота;
соевый лецитин.
ПАВ препятствуют слипанию частиц, мешая им образовать слишком тяжелые кластеры, которые не смогут удерживаться во взвешенном состоянии за счет броуновского движения. В идеальной ферромагнитной жидкости магнитные частицы не оседают даже в очень сильном магнитном или гравитационном поле. Молекулы ПАВ имеют полярную «головку» и неполярный «хвост» (или наоборот); один из концов адсорбируется к частице, а другой прикрепляется к молекулам жидкости-носителя, образуя, соответственно, обычную или обратную мицеллу вокруг частицы. В результате пространственные эффекты препятствуют слипанию частиц. Полиакриловая, лимонная кислоты и их соли формируют на поверхности частиц двойной электрический слой в результате адсорбции полианионов, что приводит к возникновению кулоновских сил отталкивания между частицами, повышающей стабильность жидкости на водной основе.
Хотя ПАВ полезны для того, чтобы продлить время осаждения частиц в ферромагнитной жидкости, они оказываются вредны для её магнитных свойств (в особенности, для магнитного насыщения жидкости). Добавление ПАВ (или других посторонних веществ) уменьшает плотность упаковки ферромагнитных частиц в активированном состоянии жидкости, тем самым уменьшая её вязкость в этом состоянии, давая более «мягкую» активированную жидкость. И хотя для некоторых применений вязкость ферромагнитной жидкости в активированном состоянии не очень важна, для большинства коммерческих и промышленных форм применения это самое главное свойство жидкости, поэтому необходим определённый компромисс между вязкостью в активированном состоянии и скоростью осаждения частиц. Исключение составляют ПАВ на основе полиэлектролитов, позволяющие получить высококонцентрированные жидкости с малой вязкостью.[1]
Применение наножидкостей в промышленности:
1. Электронные устройства.
В громкоговорителе магнитной жидкостью заполняют зазор в полюсном наконечнике постоянного магнита, в котором вибрирует катушка акустического элемента. В результате облегчается центрирование катушки, так как она сама устанавливается симметрично относительно вертикальной оси магнитной системы. Это снижает уровень боковых колебаний, вызванных трением катушки, по сравнению с колебаниями в обычной конструкции, в которой движение катушки происходит в воздушном зазоре. Не требует специальных пояснений факт увеличения магнитной проводимости зазора, заполненного магнитной жидкостью. Но главное, пожалуй, состоит в том, что слой магнитной жидкости демпфирует паразитные резонансные колебания акустического элемента после ударного возбуждения.[4]
2. Машиностроение.
Ферромагнитная жидкость способна снижать трение. Нанесенная на поверхность достаточно сильного магнита, например неодимового, она позволяет магниту скользить по гладкой поверхности с минимальным сопротивлением.
Ferrari использует магнитореологические жидкости в некоторых моделях машин для улучшения возможностей подвески. Под воздействием электромагнита, контролируемого компьютером, подвеска может мгновенно стать более жесткой или более мягкой. Помимо Ferrari, подобные разработки уже давно нашли применение в автомобилях Audi, Cadillac, BMW и других.[1]
3. Оборонная промышленность.
Военно-воздушные силы США внедрили радиопоглощающее покрытие на основе ферромагнитной жидкости. Снижая отражение электромагнитных волн, оно помогает уменьшить эффективную площадь рассеяния самолета.
4. Авиакосмическая 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.
5. Оптика.
Ферромагнитные жидкости имеют множество применений в оптике благодаря их преломляющим свойствам. Среди этих применений измерение удельной вязкости жидкости, помещенной между поляризатором и анализатором, освещаемой гелий-неоновым лазером.
6. Медицина.
Ведется много экспериментов по использованию ферромагнитных жидкостей для удаления опухолей.
7. Теплопередача.
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.
Уже упоминалось использование ферромагнитной жидкости для отвода тепла в динамиках. Жидкость занимает зазор вокруг звуковой катушки, удерживаясь магнитным полем. Поскольку ферромагнитные жидкости обладают парамагнитными свойствами, они подчиняются закону Кюри — Вейса, становясь менее магнитными при повышении температуры. Сильный магнит, расположенный рядом со звуковой катушкой, которая выделяет тепло, притягивает холодную жидкость сильнее, чем горячую, увлекая горячую жидкость от катушки к кулеру. Это эффективный метод охлаждения, который не требует дополнительных затрат энергии.
8. Генераторы.
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.[1]
9. Горнорудная промышленность.
Возможность просто разделять немагнитные материалы разной плотности представляет интерес не только для искателей таких редких материалов, как золото или алмазы, но и для людей, связанных с обогащением руды и угля, разделением автомобильного и индустриального лома. В данном случает, поместив в поле заполненный жидкостью сосуд и изменяя ток питания электромагнита, можно заставить поочерёдно всплывать материалы разной плотности, которые в отсутствии поля вместе лежали на дне сосуда. В настоящее время сконструированы системы для непрерывного выделения и автомобильного и электромагнитного лома алюминиевых, медных и цинковых деталей.[4]
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 поверхностно-активным веществом создавало благоприятные условия для получения мономолекулярного защитного слоя на каждой частице, средний размер которой в конечном продукте составлял около 10 нанометров. 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.[2]
Как и в любой отрасли знания, в коллоидной химии не может быть одного способа классификации, основанного на том или ином единичном признаке. Многообразие свойств дисперсных систем требует совместного применения различных способов, подобно тому, как лишь совокупность проекций даёт правильное представление о трехмерном теле.
1. Классификация по дисперсности.
Размер частиц или пор позволяет подразделить дисперсные сиcтемы на грубо- и высокодисперсные. Частицы с размерами <10-7 см не относятся к коллоидным и образуют молекулярные или ионные растворы.
Грубодисперсные системы, например, оседающие дисперсии (взвеси) в природных водах, суспензии, эмульсии практически отличаются от высокодисперсных тем, что частицы дисперсной фазы оседают (или всплывают) в гравитационном поле, не проходят через бумажные фильтры и видимы в обычный микроскоп. Частицы высокодисперсных систем проходят через обычные фильтры, но задерживаются ультрафильтрами (например, целлофан, пергамент), практически не оседают (не всплывают) и не видимы в оптический микроскоп.
Отметим, что система приобретает коллоидные свойства даже тогда, когда хотя бы одно из трех измерений находится в указан ной области высокой дисперсности. Так, если 1 см3 вещества раскатать в тонкую пластинку толщиной 10-6 см, она приобретает коллоидные свойства, поскольку so (200 м2/см3) и Usстановятся весьма значительными. Такие двумерно-протяженные системы имеют большое теоретическое и практическое значение. К ним относятся не только изолированные пленки, но и поверхностные слои на границах фаз в порах катализаторов и поглотителей, в пенах и эмульсиях, в живых клетках и т. п.
Огромный интерес в настоящее время представляют клеточные мембраны, принимающие участие, как недавно выяснилось, в основных жизненных функциях организма. Они обычно состоят из двух (или четырех) ориентированных слоев больших органических молекул. Свойства этих мембран, как и поверхностных слоев, а также свободных пленок, отличаются от свойств разделяемых ими объемных фаз.
Еще более высокими становятся значения so и Us при вытягивании вещества в тонкую нить. Например, для нити с сечением 10-6х 10-6 см2, полученной из 1 см3 вещества, s=400 м2. Такие одномерно-протяженные (фибриллярные) системы также являются предметом изучения коллоидной химии. К ним относятся природные и синтетические волокна, минералы типа асбеста, нервы, мышцы и другие объекты.
2. Классификация по агрегатному состоянию.
В зависимости от агрегатного состояния все дисперсные системы можно разделить на 9 типов. Сокращенно тип записывают обычно в виде дроби с индексом (первая буква названия состояния) дисперсной фазы в числителе, и с индексом дисперсионной среды — в знаменателе.
Необходимое условие образования дисперсной системы — ограниченная растворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде. Так, системы Г/Г обычно не фигурируют в классификации вследствие неограниченной взаимной растворимости газов.
Однако всеобщность коллоидного состояния представляется в настоящее время не только возможной, но и действительной в том смысле, что практически все реальные тела являются дисперсными системами. Так, флуктуации плотности в газообразной гомогенной среде, несмотря на короткое время жизни, представляют собой гетерогенные образования со свойствами дисперсной фазы. Дефекты решеток реальных кристаллов, достигающие коллоидных размеров, также являются дисперсной фазой, и коллоидно-химическая интерпретация поведения дефектов успешно проводится в современных работах по физике твердого тела. Чистые жидкости, по-видимому, также не составляют исключения (ассоциаты, жидкие кристаллы).
Следовательно, в настоящее время весьма трудно представить себе реальное тело, не обладающее признаками и свойствами дисперсной системы.
В общем случае высокодисперсные системы называют аэрозолями (гидрозолями, органозолями, аэрозолями — по характеру дисперсионной среды). Грубодисперсные системы типа Т/Ж носят название суспензий, типа Ж /Ж — эмульсий, к типу Т/Г относятся порошки и пыли различного происхождения.
Основной признак дисперсионной среды — непрерывность. Так, для пены, содержащей менее 1 % воды (остальное — воздух), дисперсионной средой является вода, поскольку по водным пленкам можно пройти из любой точки в любую другую, тогда как по воздушной дисперсной фазе непрерывного пути нет. Однако в капиллярно-пористых телах часто обе фазы — и твердый каркас, и совокупность пор — являются непрерывными и одновременно удовлетворяют условию дисперсионной среды. Для них можно писать как Т/Г, так и Г/Т (Т/Ж или Ж/Т).
Ограниченность классификации по агрегатному состоянию заключается в том, что в случае приближения размеров частиц к молекулярным теряет смысл не только понятие поверхности раздела, но и понятие агрегатного состояния дисперсной фазы. Дело в том, что к отдельной молекуле, даже больших размеров (к макромолекуле), понятие агрегатного состояния неприложимо, так как оно всецело определяется типом коллективного межмолекулярного взаимодействия молекул (состоянием «агрегата» молекул).
3. Классификация по структуре.
Все дисперсные системы можно разделить на свободнодисперсные, в которых частицы дисперсной фазы не связаны между собой и могут перемещаться свободно (суспензии, эмульсии, золи, в том числе аэрозоли) и связнодисперсные, в которых одна из фаз не перемещается свободно, поскольку структурно закреплена. К ним относятся капиллярно-пористые тела, называемые часто диафрагмами или капиллярными системами, мембраны — тонкие пленки, обычно полимерные, проницаемые для жидкостей и газов, гели и студни, пены — жидкие сетки с воздушными ячейками, твердые растворы.
4. Классификация по межфазному взаимодействию.
Взаимодействие между веществами дисперсной фазы и дисперсионной среды за счет межмолекулярных сил на границе раздела фаз протекает всегда, но степень его проявления может быть раз личной.
В зависимости от этого дисперсные системы могут быть лиофильными или лиофобными. Для первых характерно сильное межмолекулярное взаимодействие вещества дисперсной фазы со средой, а для вторых — слабое. Это взаимодействие при водит к образованию сольватных (гидратных в случае воды) оболочек из молекул дисперсионной среды вокруг частиц дисперсной фазы, и, как в обычных растворах, называется сольватацией (гидратацией).
Лиофильные системы термодинамически устойчивы ( ) ихарактеризуются самопроизвольным диспергированием. Оно возможно при условии, что возрастание свободной энергии Гиббса , связанное с увеличением поверхности при диспергировании, компенсируется уменьшением энтальпии в процессе сольватации и ростом энтропии системы за счет поступательного движения образующихся частиц. Так, мыла, многие глины самопроизвольно «распускаются» в воде, а высокомолекулярные соединения растворяются в «хорошем» растворителе до отдельных макромолекул. Системы, в которых самопроизвольного диспергирования не происходит, могут быть названы лиофобными, но и лиофилизированными в той или иной степени.[5]
Выводы
Ферромагнитная жидкость — жидкость, сильно поляризующаяся в присутствии магнитного поля.
Наножидкости являются коллоидными растворами, следовательно, обладают свойствами более чем одного состояния материи.
Особенности физико-химических свойств делают феррожидкостиперспективным сырьём, которому может быть найдено применение во всевозможных сферах нашей жизни.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Практическая часть научной работызаключается в проведении эксперимента согласно методической разработке А. А. Ванина «От ионов и молекул к магнитным наночастицам и далее функциональным материалам на из основе». Первый этап представлен непосредственно синтезом наножидкости, второй – её изучением.
Первый этап: синтез наножидкости.
Для проведения опыта мне понадобились следующее оборудование и реактивы: мерный стакан (2 шт.), колба, палочка для перемешивания, нашатырный спирт, сульфат железа (II), хлорид железа (III), дистиллированная вода.
Аммиак, образующийся при разложении, нашатырного спирта, неустойчивого при нормальных условиях, - ядовит, потому эксперимент был проведён в вытяжной (вентилируемой) камере, что соответствует технике безопасности при работе с летучими веществами.
Этапы выполнения эксперимента отражены в следующей последовательности:
1. Приготовление водного раствора солей сульфата железа (II) и хлорида железа (III): 30 мл сульфата смешали с 20 мл хлорида и разбавлены 150 мл дистиллированной воды.
2. Приготовление водного раствора нашатырного спирта: 20 мл нашатырного спирта разбавили 50 мл дистиллированной воды.
3. Приготовление смеси растворов солей и нашатырного спирта: в колбу налили раствор нашатырного спирта объёмом 30 мл, затем, при помощи воронки, по капле добавили смесь солей. Наблюдаем образование осадка чёрного цветас небольшой скоростью осаждения, частицы первичной магнитной жидкости едва различимы.
4. Намагничивание: непродолжительное влияние (10–15 минут) магнитного поля на свежеприготовленный раствор приводит намагничиванию частиц, образованию коллоидной системы – ферромагнитной жидкости.
Второй этап: изучение наножидкости.
Исследование синтезированной феррожидкости заключается в изучении её физических свойств в двух фазах: жидкая и поляризованной.
Выводы
Согласно приведённым в таблице данным, магнитное поле оказывает влияние на дисперсность, агрегатное состояние и состав наножидкостей, что доказывает двойственность физико-химических свойств ферромагнитных жидкостей опровергает выдвинутую нами гипотезу: магнитное поле действительно влияет на структуру, дисперсность, агрегатное состояние и прочие характеристики наножидкостей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате работы над проектом была синтезирована и изучена ферромагинтная жидкость. Изучение литературы по данной теме показало, что наножидкостям может быть найдено широкое применение, однако, ввиду малого количества научных знаний, продолжают использоваться менее эффективные аналоги. Продукт работы над практической частью – готовая ферромагинтная жидкость, обладающая двойственными физико-химическими свойствами, изучение которых позволило восполнить недостаток научных знаний по данной теме.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Брук Э.Т., Фертман В.Е. «Ёж» в стакане. Магнитные материалы: от твёрдого тела к жидкости. - Минск, Вышэйшая школа, 1983.
[2] ВанинА.А. От ионов и молекул к магнитным наночастицам и далее к функциональным материалам на их основе. – Санкт-Петербург, СПбГУ, 2021.
[3] Википедия – свободная энциклопедия. Раздел: «Ферромагнитная жидкость». Адрес доступа к материалу: https://ru.wikipedia.org/wiki/Ферромагнитная_жидкость
[4] Каганов М.И., Цукерник В. М. Природа магнетизма. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982, - 192 с. (Библиотечка «Квант». Вып. 16).
[5] Студопедия – Ваша школопедия. Раздел: «История открытия ферромагнитной жидкости». Адрес доступа к материалу: https://studopedia.ru/11_69969_istoriya-otkritiya-ferromagnitnoy-zhidkosti.html
[6] Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. Учеб. для вузов. – 2-е изд., перераб. И доп. – Л.: Химия, 1984. – 369 с ил.