تهیه فروسیال آبی

مقدمه

تولید و کاربردهای مایعی را تصور کنید که می تواند توسط یک میدان مغناطیسی کنترل شود. خلق چنین مایع مغناطیسی قوی به وسیله ی ذوب یک جامد مغناطیسی قوی آسان نیست، چون خاصیت مغناطیسی جامدات مغناطیسی در دمای کوری که برای مواد مغناطیسی زیر نقطه ذوب آنها است به شدت کاهش می یابد. در این دما، انرژی حرارتی الکترونهای آنها را به میدان مغناطیسی متمایل نموده و اسپین ها از حالت هم جهت خارج می شوند.
فروسیال ها، سوسپانسیون های کلوئیدی نانو ذرات (NPs) مغناطیسی هستند که به یک میدان مغناطیسی خارجی پاسخ می دهند. ذرات مغناطیسی در فروسیال عموما ماگنتیت (Fe3O4) می باشند هرچند که ذرات مغناطیسی دیگری نیز استفاده شده اند. این NPs مغناطیسی را می توان به وسیله مخلوط کردن توأم نمک های Fe(II) و Fe(III) در یک محلول بازی نظیر آمونیاک براساس معادله ی واکنش مربوطه بدست آورد.
ذرات بایستی کوچک و دور از یکدیگر نگه داشته شوند تا به صورت سوسپانسیونی در محیط مایع باقی بمانند. از سورفکتانت ها برای جلوگیری از نزدیک شدن NPs به یکدیگر و تجمع آنها استفاده می شود. عملکرد سورفکتانت ها براساس پیوستن به ذرات و ایجاد دافعه ی بین آنها (فضایی و یا کولمبی) و در نتیجه افزایش انرژی لازم برای آگلومره شدن NPs و پایدار کردن کلوئیدها است.
با وجود اینکه برای نخستین بار در سال 1960 استفن پاپل در ناسا از این مایع مغناطیسی برای کنترل سیال ها در فضا به ویژه در چرخش شافت ماهواره ها استفاده نمود، اما امروزه از این فرو سیال ها به طور گسترده ای در ساخت و طراحی سانتریفوژها، درایو هارد دیسک کامپیوترها، بلندگوها، کاتالیست ها، جوهرهای مغناطیسی، تخلیص پساب ها، حذف یون های سمی و ترکیبات رنگی خطرناک و سرطان زا، جداسازی مولکول های کوچک و پروتئین ها، حسگر DNA، از بین بردن تومورها، دارو رسانی و ... استفاده می شود. به عنوان مثال، در حال حاضر از جوهرهای مغناطیسی برای چاپ پول های کاغذی ایالات متحده نیز استفاده می شود، به طوریکه یک اسکناس دلار واقعی به وسیله جذب به یک آهن ربای قوی مشخص می شود.
در این آزمایش بعد از تشریح روش تهیه فروسیال ماگنتیت، خاصیت منحصربفرد مواد فروسیال در مقیاس نانو از طریق بررسی رفتار آنها در مقابل یک میدان مغناطیسی خارجی به کمک یک آهنربا مورد بررسی قرار می گیرد.

مواد و وسایل مورد نیاز

مواد لازم:
محلول HCl، ./2 مولار: 21 میلی لیتر HCl غلیظ را در 250 میلی لیتر آب حل کنید (برای تهیه محلول های آهن)
محلول ./2 مولار FeCl2 در HCl، ./2 مولار: 9/19 گرم H2O4. FeCl2 را در 50 میلی لیتر HCl ./2 مولار حل کنید. محلول بایستی به صورت تازه تهیه شود.
محلول ./1 مولار FeCl3 در HCl، ./2 مولار: 1/54 گرم H2O6. FeCl3 را در 200 میلی لیتر HCl ./2 مولار حل کنید. این ماده اغلب به کندی حل می شود.
محلول 7/. مولار NH3 در آب: 48 میلی لیتر NH3 غلیظ را با آب به حجم یک لیتر برسانید.
محلول 25% آبی (CH3)4NOH

وسایل:
آهن ربای قوی، میله همزن مغناطیسی، همزن مغناطیسی، ارلن 150 میلی لیتری، بشر 150 میلی لیتری، بورت 50 میلی لیتری، پیپت 50 میلی لیتری، میله شیشه ای باریک، ظرف توزین

روش کار
 

• واکنش کند Fe(II) با O2 منجر به تشکیل Fe(III) می شود. لذا لازم است کیفیت محلول ها براساس رنگشان بررسی شود:

       در 2 ارلن 150 میلی لیتری محلول های 0/1 مولارFeCl3  در 0/2 مولار HCl و ./2 مولار FeCl2 در 0/2 مولار HCl را منتقل کنید.
 

 

• 0/4 میلی لیتر محلول 0/1 مولار FeCl3 و 0/1 میلی لیتر محلول 0/2 مولار FeCl2 را داخل یک بشر 150 میلی لیتری بریزید که بر روی همزن مغناطیسی قرار دارد. یک میله همزن مغناطیسی را به درون آن انداخته و همزن را روشن کنید.

 

• با استفاده از یک بورت 50 میلی لیتری به محلول در حال چرخش در طی مدت 5 دقیقه 50 میلی لیتر از محلول 0/1 مولار NH3را اضافه کنید(هر 10 ثانیه یک میلی لیتر).

 

• همزن را خاموش کنید و فورا با استفاده از یک آهنربای قوی، میله همزن مغناطیسی را بر روی دیواره های بشر بالا وپایین بیاورید تا  محصولات از میله جدا شوند. با یک انبر میله همزن مغناطیسی متصل به دیواره بشر را به کمک آهنربا بیرون آورید.

 

• اجازه دهید ماگنتیت جامدتشکیل شده  ته نشین شود. با قرار دادن آهنربا در زیر ظرف می توانید سرعتته نشین شدن را بالا ببرید.

 

• محلول شفاف روی ماگنتیت جامد ته نشین شده را داخل یک ظرف سرریز کرده و دور بریزید، بدون آنکه مقدار زیادی از ماده جامد از دست برود. بهتراست هنگام سرریز کردن آهنربا در زیر بشر نگه داشته شود.

 

• جامد باقیمانده در ته ظرف را به کمک فشار آب آبفشان به یک ظرف توزین منتقل کنید.

 

• برای جذب ماگنتیت جامد به ته ظرف توزین از یک آهنربای قوی استفاده کنید.

 

• ماسه شفاف روی جامد را دور بریزید و دوباره آن را با آب شستشو دهید. آهنربا را مجددا زیر ظرف توزین قرار داده و اجازه دهید تا جامد ته نشین شود. این عمل را چندین بار تکرار کنید تا مایع به حداکثر شفافیت برسد.

 

• یک تا دو میلی لیتر از محلول 25% آبی تترامتیل آمونیوم هیدروکسید را به جامد اضافه کنید و به آرامی با یک میله شیشه ای به مدت حداقل یک دقیقه بهم بزنید تا جامد در مایع معلق شود. سپس از یک آهنربای قوی به منظور اتصال فروسیال به ته ظرف توزین استفاده کنید ومایع تیره را سرریز کنید. آهنربایقوی را دور ظرف حرکت دهید و مجددا تمام مایع را بریزید. چنانچه فروسیال ساکن نشد، آهنربای قوی را حرکت دهید تا همه مایع از آن جدا شده و بیرون ریخته شود.

 

• زمانی که یک آهنربا را در زیر ظرف فروسیال حرکت می دهید چه اتفاقی می افتد؟ چنانچه از یک آهنربای بسیار قوی استفاده می کنید، ممکن است باتغییر فاصله آهنربا در زیر ظرف نتایج جالب تری به دست آورید.

منبع: 512-514 (J.Muskin,M.Ragusa, T.Gelsthope, J.chem.Educ.87(2010