Работа направлена на постановку эксперимента, позволяющего в школьных условиях перейти к осознанному синтезу и исследованию стабильной ферромагнитной жидкости (ФМЖ) как модели современного функционального наноматериала, кроме того, показать в виде эксперимента направление использования ферромагнитной жидкости для удаления загрязнения с водной среды.

Актуальность заключается в том, что работа позволяет на практике получить наноматериал и показать его практическое применение для решение экологической проблемы на примере очистки масляного загрязнения на водной среде.

Цель работы : синтезировать ферромагнитную жидкость в условиях школьной лаборатории, показать её практическое применение.

Получение ФМЖ химическим синтезом. Суть метода заключается в нейтрализации солей двух- и трехвалентного железа с избытком водного раствора аммиака по реакции:

Fe²⁺ + 2Fe³⁺ + 8OH⁻ → Fe₃O₄↓ + 4H₂O

Реакция протекает не сразу, а с первоначальным образованием гидроксидов железа (III и II), они образуются одновременно, после чего гидроксиды начинают взаимодействовать друг с другом, с последующим образованием магнетита. Уравнения реакций представлены далее:

Fe 3+ +3OH −→Fe(OH)3↓

Fe 2+ +2OH −→Fe(OH)2↓

2Fe(OH)3+ Fe(OH)2→Fe₃O₄↓ + 4H₂O

Необходимо учитывать, что первоначальные вещества для химического синтеза магнетита, соли железа (III и II) должны содержаться в соотношении 2:1. Поэтому перед синтезом, был проведен расчет исходных веществ. Для расчета посчитаем молекулярные массы исходных веществ и для простоты расчета высчитаем массу 0,2 моль соли железа (III), массу 0,1 моли соли железа (II), после чего вычислим их соотношение, полученное значение будем использовать для расчета массы исходных веществ. Полученные расчеты и значения:

FeCl3 (М=232г/моль), 0,2 моль (FeCl3)=0,2*232=46,4 г.

FeSO4*7H2O (М=278г/моль), 0,1 моль (FeSO4*7H2O)=27,8 г.

Соотношение по массе: 46,4/27,8=1,66

Для эксперимента, было решено взять 10 г FeCl3, исходя из этого посчитаем, сколько нам нужно FeSO4*7H2O. m (FeSO4*7H2O)=10/1,66= 6 г

Реагенты и оборудование: железо хлорное безводное (хлорид железа iii); железо сернокислое 7-водное (сульфат железа ii, железный купорос); олеиновая кислота; 10 % нашатырный спирт (аммиачная вода); дистиллированная вода; спирт изопропиловый абсолютированный; керосин; 9 % уксус (столовый); весы; химические стаканы; мешалка; фен.

Методика

1. С помощью ювелирных весов необходимо взвесить 10 г FeCl₃ и 6 г FeSO4*7H2O (соотношение должно быть 2:1).
2. В химическом стакане подготовить 300 мл воды, нагретой до> 70 °C.
3. Добавить ранее взвешенные реактивы Железа (III и II), хорошо перемешать, подождать полного растворения. Для предотвращения окисления Fe²⁺ необходимо подкислить раствор небольшим количеством уксусной кислотой (4–5мл).
4. При интенсивном перемешивании быстро добавить 100 мл нашатырного спирта. Определяем pH, необходимо довести значения до pH>10. Если pH меньше, необходимо добавить еще нашатырного спирта и так далее, доводя до необходимого значения pH. Наблюдаем резкое изменение цвета раствора с рыжевато-коричневого в глубокий черный. Изменение окраски свидетельствует об образовании частиц магнетита. Полученный черный раствор необходимо активно перемешивать 30 минут.
5. Необходимо осадить частицы магнетита, для этого стакан необходимо поставить на мощный неодимовый магнит. Подождать расслоения раствора.
6. Слить жидкость при использовании магнита.
7. Необходимо промыть частицы дистиллированной водой. Для этого, убираем стакан с магнита, добавляем небольшое количество воды, хорошо перемешиваем, ставим стакан на магнит, ждем пока частицы магнетита притянутся на дно стакана к магниту, после чего сливаем жидкость при использовании магнита, повторяем данную процедуру 5 раз. Частицы магнетита получены, теперь их необходимо покрыть ПАВ для стабильности будущего раствора.
8. Готовим раствор ПАВ, для избежания слипания наночастиц, для этого необходимо в отдельную ёмкость отмерить 20 мл нашатырного спирта и по каплям добавить 1 мл олеиновой кислоты. Тщательно перемешать до образования олеиновой эмульсии (олеиновое мыло), разбавить 50 мл дистиллированной воды.
9. Соединить приготовленный раствор ПАВ с частицами магнетита. Перемешать и подождать. Раствор должен начать расслаиваться.
10. При интенсивном перемешивании тонкой струйкой влить 20 мл уксуса.
11. Должен выпасть объёмный черный осадок. После чего стакан необходимо поместить на магнит, слить жидкость и промыть дистиллированной водой 3 раза.
12. После чего осадок необходимо промыть спиртом 3 раза, после чего просушить осадок чуть теплым воздухом при использовании фена, до превращение осадка в сухой порошок.
13. Добавить небольшое количество керосина (до 5 мл) (жидкость-носитель), чтобы консистенция была густой. ФМЖ готова.

Полученную жидкость подвергли действию магнита, процесс показан на рисунке 1.

Рис. 1. Взаимодействие магнитного поля с полученной ФМЖ

Под действием магнитного поля жидкость стала превращаться в твердую шипообразную структуру (образовывать так называемого ежика), при этом сама жидкость не расслаивается, представляет собой единое целое [1]. При перемещении магнита по поверхности емкости, где находится, полученная жидкость, она перемещается вместе с ним, если убрать магнит, жидкость возвращается в исходное состояние. Таким образом, действительно, была получена стабильная ферромагнитная жидкость.

Для проверки практического применения, полученной ФМЖ, был проведен эксперимент по очистке масляного пятна с поверхности морской воды, показан на рисунке 2.

Рис. 2. Сборка магнитом загрязненного пятна (машинное масло и ФМЖ)

Для этого был приготовлен раствор соленой воды с концентрацией соли 35 г/литр, как в морской воде. Раствор был помещен в чашку Петри, после чего в неё капнули пару капель машинного масла. Для очистки масляного пятна в него поместили несколько капель ферромагнитной жидкости, после чего наблюдалось, что ФМЖ активно смешалась с маслом и они стали образовывать единую структуру. После чего данное загрязненное пятно легко убралось магнитом. Эксперимент показан на рисунке 1.

Данный эксперимент, подтверждает, что технологию можно использовать для ликвидации экологических катастроф: например, собирать нефть с поверхности воды после крушения танкеров, просто «примагничивая» её.

В процессе работы над проектом было установлено, что ферромагнитную жидкость можно получить в школьной лаборатории. Исследование подтвердило уникальные характеристики полученного материала:

1. Под действием неоднородного магнитного поля на её поверхности формируются устойчивые острые структуры («иглы» или «ежи»). Высота этих структур напрямую зависит от напряжённости внешнего магнитного поля и размера феррочастиц.
2. Обнаружено, что стабилизатор (ПАВ) является критически важным компонентом.
3. Экспериментальным путем, доказано, что ФМЖ можно использовать для ликвидации экологических катастроф: например, собирать нефть с поверхности воды после крушения танкеров, просто «примагничивая» её.

Литература:

1. Ю. Н. Зубков, А. С. Кадочкин, Д. В. Козлов, Ю. С. Нагорнов, С. Г. Новиков, В. В. Светухин, Д. И. Семенцов Введение в нанотехнологии. Модуль «Физика». Учебное пособие для учащихся 10–11 классов средних общеобразовательных учреждений.5 — СПб: Образовательный центр «Участие», Образовательные проекты, 2012–160 с. (Серия «Наношкола»).