IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Химический способ получения магнитной жидкости и её практическое применение.
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1.Введение
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.
3.Приборостроение.
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.
4.Технология
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.
4.Заключение
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
Литература
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
4.Электронный ресурс: точка доступа http HYPERLINK "http://www.usu.ru/":// HYPERLINK "http://www.usu.ru/"www HYPERLINK "http://www.usu.ru/". HYPERLINK "http://www.usu.ru/"usu HYPERLINK "http://www.usu.ru/". HYPERLINK "http://www.usu.ru/"ru
https://www.metod-kopilka.ru
https://ru.wikipedia.ru