1. Теоретическая часть

Магнитную жидкость на основе железа называют ферромагнитной жидкостью (ФМЖ, магнитная жидкость, от латинского ferrum — железо). Это коллоидные системы, состоящие из частиц нанометровых размеров (обычный размер 10 нм или меньше) магнетита Fe₃O₄, или другого материала, находящегося во взвешенном состоянии в несущей жидкости, в качестве которой обычно выступает органический растворитель или вода. Она сильно поляризуется в присутствии магнитного поля.[9]

Байбуртским Ф.С. в статье «Магнитные жидкости: способы получения и области применения» (РХТУ им. Д.И. Менделеева[1]), сделан обзор современного состояния технологий получения магнитных жидкостей. В работе Кекало А.Е. «Обзор методов получения магнитной жидкости» (МГУ) есть подробное описание методики.[3] В журнале «Химия и химики» Сенатская И., Байбуртский Ф., описывают способ получения магнитной жидкости для юных химиков. [4]

Ученые отмечают, что общим в технологии получения является то, что для создания магнитной жидкости необходимо решить две задачи:

1.Получить высокодисперсные частицы феррофазы;

2.Стабилизировать их в жидкости-носителе.

По существу это две стадии производства, причем они должны быть совмещены во времени.

Самый простой и достаточно отработанный способ получения магнитной жидкости на основе железа, является соосаждение солей раствором аммиака. Главное соблюдать массовое соотношение солей железа (для магнетита это 1꞉2). В результате такой химической конденсации получается высодисперсный магнетит.

FeSO₄•7H₂O + 2FeCl₃•6H₂O + 8NH₃•H₂O ↔ Fe₃O₄ + 6NH₄Cl + (NH₄)₂SO₄ + 20H₂O

Образующийся в ходе реакции осадок состоит из частиц магнетита размерами от 2 до 20 нм. Важной технологической особенностью получения магнитных жидкостей является защита их от окисления и коагуляции. Наиболее успешно эта задача решается путём получения высокодисперсных частиц непосредственно в дисперсионной среде и стабилизации их поверхностно активными веществами сразу после их образования.

Самый распространённый способ стабилизации полученного раствора магнетита – обработка его олеиновой кислотой, или её солями (олеатом натрия или аммония) Это органическая кислота с длинным углеводородным «хвостом» и «головой», которая содержит кислород С₁₇Н₃₃СООН. Такие молекулы способны притягиваться к частицам магнетита своей «головой» создавая вокруг них оболочку. [5]

Есть описание получения стабильных жидкостей с помощью моющего средства» FAIRY». [3,7] Длинные молекулы присутствуют в керосине и совместно с олеиновой кислотой могут создавать коллоидные частицы.

Описаны методы получения стабилизированных жидкостей с помощью белков, полисахаридов (крахмала, декстрины), а также с помощью глицерина, спирта и ацетона.

Общим для всех способов стабилизации является примерное соотношение стабилизирующей смеси: магнетит - 60-65%, ПАВ (олеиновая кислота, 10–15 % масс.) и основы (керосин, декан, 15 – 20 % масс.)

2. Практическая часть

1. Исследование стандартной магнитной жидкости

Внешние признаки магнитной жидкости: Тяжелая жидкость черного цвета, в бутылочке объёмом 10 мл из светлого пластика. При встряхивании она остается на стенках, затем медленно стекает, не разделяясь, жидкость достаточно стабилизирована. На магните это процесс идет быстрее. По структуре она не густая, с запахом керосина. Быстро высыхает, оставляя черное пятно на бумаге, котороя после высыхания притягивается магнитом.

Магнитные свойства жидкости: Несколько капель жидкости поместили на стекло и опробовали неодимовыми и железными магнитами.

В магнитном поле жидкость образует шипы, которые направлены по линиям магнитного поля, перетекает из одного места в другое. Чем больше сила магнита, тем больше эти линии и выпуклости - ежи.

Обнаружение в составе магнитной жидкости - железа: Известно, что магнитные жидкости преимущественно состоят из соединений железа – оксидов. Несколько капель жидкости поместили в пробирку с раствором соляной кислоты и нагрели. Она растворилась, и образовался раствор желтоватого цвета. При этом протекает реакция, уравнение которой: Fe₃O₄ + 8HСl = FeCl₂ + 2FeCl₃ +4H₂O

Полученный раствор разделили на три пробирки. В первую добавили раствор Красной кровяной соли (гексацианоферрат(III) калия K₃[Fe(CN)₆]) – реактива на катион железа (II) - Fe²⁺. Образуется осадок синего цвета - Турнбулева синь. Во вторую пробирку добавили раствор Желтой кровяной соли (гексацианоферрат(II) калия K₄[Fe(CN)₆]) - реактива на катион железа (III) - Fe³⁺. Выпал такой же темно-синий осадок - Берлинская лазурь. При разном названии, состав этих веществ – одинаков. [2]

Уравнение реакции можно представить виде:

FeCl₂ + K₃[Fe(CN)₆]

K Fe⁺³ [Fe⁺²(CN)₆] ↓ + …KCl

FeCl₃ + K₄[Fe(CN)₆] гексацианоферрат(II)-(III), калия

Осадка со временем образуется больше, он темнеет и притягивается магнитом, что ещё раз подтверждает наличие железа (II) и (III).

В третью пробирку добавили роданида калия KSCN, реактива на катион железа(III) - Fe³⁺.Образуется раствор интенсивно красного цвета – роданида железа(III). [1] FeCl₃ + 3KSCN = Fe(SCN)₃ + 3KCl

Результат: Стандартная магнитная жидкость достаточно стабилизирована, обладает хорошими магнитными свойствами. Раствор стабилизирован органическим растворителем (возможно керосином). Жидкость обладает хорошей подвижностью в магнитном поле. По результатам качественного анализа на катионы железа, можно с уверенностью утверждать, данная магнитная жидкость состоит из частиц магнетита.