[실험노트] 일반화학 실험 8. 액체 자성물질 합성

1. 실험 제목 : 액체 자성 물질 합성

 

2. 실험 날짜 :

 

3. 실험 목적 :

계면 활성제를 이용하여 나노미터 크기의 액체 자성 물질 분말을 합성한다.

 

4. 실험 이론 :

자성 입자: 일반적으로 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 등의 자성 금속 또는 그 산화물이 사용된다. 나노 크기의 입자는 높은 비표면적을 가지며, 이는 외부 자기장에 대한 높은 반응성을 제공한다 .

자기장에 대한 반응: 자성 물질이 자기장에 반응하는 이유는 비공유 전자의 스핀에 의해 국부적으로 물질이 일정 방향으로 정렬하기 때문이다. 그러나 온도가 높아지면 열에너지로 인해 이러한 정렬이 깨지게 되고, 특정 온도 이상에서는 자성을 잃는다. 이 온도를 퀴리 온도(Curie temperature)라고 한다. 퀴리 온도는 고체가 녹는 온도보다 낮기 때문에 고체를 녹여 액체 자성 물질을 만들 수 없다. 예를 들어, 퀴리 온도는 약 1043°C이다 .

액체 자성 물질: 액체 자성 물질은 자성을 갖는 분말을 나노크기로 매우 작게 만들어 콜로이드 형태로 액체에 분산시킨 콜로이드 분산액이다. 자성체는 외부 자기장에 반응하므로 자기장을 가함으로써 용액의 위치를 조정할 수 있다 .

Fe3O4 자성 나노입자: Fe3O4 자성 나노입자는 염기성 용액 내에서 철(II) 이온과 철(III) 이온 염을 혼합하여 제조할 수 있다. 이 입자는 액체 매질 내에서 분산되어야 하므로 크기가 작고 개개의 입자가 떨어져 있어야 한다. 계면활성제는 나노입자들 사이의 거리가 너무 가까워지는 것을 방지하여 안정한 콜로이드 분산액을 만든다 .

자성 유체의 특성: 자성 유체는 강한 자석이 접근할 경우 뾰족한 모양으로 정렬되는 특이한 성질을 나타낸다. 이는 자성 나노입자가 외부 자기장에 반응하여 일렬로 정렬되기 때문이다 .

합성 단계:

• 첫 번째 단계는 자성을 띠는 나노입자를 만드는 것이다.
• 두 번째 단계는 이렇게 만들어진 나노입자에 계면활성제를 붙여 액체상에서 정전기적 반발력에 의해 나노입자가 서로 달라붙지 않도록 하는 것이다.

응용: 자성 유체는 1960년대 NASA에서 처음 만들어졌으며, 외부 자기장에 반응하는 특성을 이용하여 회전축의 차단체로 널리 사용된다. 예를 들어, 컴퓨터 하드디스크의 회전축에 주입하여 약간의 자기장을 걸어주면 회전축에 늘 달라붙어 틈 사이로 이물질이 들어오지 않도록 차단하는 역할을 한다. 또한 일부 지폐는 위조 방지를 위해 자성 잉크로 인쇄되며, 고급 스피커에도 사용된다 .

콜로이드: 콜로이드는 보통의 분자나 이온보다 크고 지름이 1nm~1000nm 정도의 미립자가 기체 또는 액체 중에 분산된 상태를 말한다. 생물체를 구성하고 있는 물질 대부분이 콜로이드 형태이다 .

 

5. 기구 및 시약 :

강한 자석, 마그네틱 바, 비커 (100ml). 웨잉보트

• 시약제조.
• 금속용액을 만들기 위한 2M HCl, (2)mL conc HCl in 250mL water)
• 2.0M FeCl2(H2O)4 in 2M HCl
• 1.0M FeCl3(H2O)6 in 2M HCl
• 1.0M NH3 in water
• 25% 수산화 테트라메틸 암모늄수용액
• 플라스틱 웨잉 보트, 씻기 병, 일회용 장갑, 마그네틱 바, 강한자석.

6. 실험 방법 :

1. 100mL 비커에 4.0mL 1M FeCl3와 1.0ml 2M FeCl2 용액을 가한다. 마그네틱 바를 넓고 교반을 시작한다.
2. 계속 교반하면서 1.0M NH3 수용액 50mL를 5분이 넘는 시간동안 천천히 첨가한다. 초기에 갈색 참전물이 생긴 후 검정색 침전물이 만들어진다. 뷰렛이나 분별깔때기 또는 스포이드를 사용하여 한방울씩 떨어뜨린다.
3. 젓개를 끄고 즉시 강한 자석을 이용하여 비커 벽으로 마그네틱 바를 올린다. 마그네틱 바가 자석에 닿기 전에 집게나 장갑을 낀 손으로 마그네틱 바를 제거한다.
4. 자철광이 침전되게 한다. 그리고 나서 고체의 손실 없이 맑은 위쪽 액체를 따라버린다. 용기 아래에 자석을 둠으로써 침전 과정을 촉진할 수 있다.
5. 고체를 웨잉보트로 옮기되 씻기 병을 이용하여 모든 고체를 옮긴다.
6. 강한 자석을 사용하여 웨잉 보트 바닥으로 자성 액체를 당긴다. 가능한 많은 액체를 따라 버린다. 씻기병으로부터 물로 다시 씻어내고 이전처럼 씻어낸 물을 버린다. 행굼을 3회 반복한다.
7. 25% 수산화 테트라 메틸 암모늄 수용액 1-2mL를 첨가한다. 액체 안에 고체가 떠다니도록 적어도 1분 동안 유리막대로 천천히 저어준다. 강한 자석을 사용하여 웨잉 보트의 바닥으로 자성 액체를 당긴다. 어두운 액체를 따라 버린다. 강한 자석을 돌리고 모든 액체를 다시 따라낸다. 만약 자성액체가 뾰족해지지 않는다면 계속 강한 자석을 돌리고 모든 액체를 따라낸다.
8. 자성 액체 아래에서 자석을 움직일 때 무슨 일이 일어나는가 관찰한다.

7. 실험 결과 :

2M HCl 용액 50mL를 제조하는데 필요한 35% HCl 의 양은?

 

8. 참고 문헌 :

https://en.wikipedia.org/wiki/Curie_temperature

Curie temperature - Wikipedia

https://en.wikipedia.org/wiki/Ferrofluid

Ferrofluid - Wikipedia

https://terms.naver.com/entry.naver?docId=1185785&cid=40942&categoryId=32404

자성유체

 

일반화학실험 - 자유아카데미