Магнитный железняк

Челябинский Государственный  Университет.

Кафедра химии  твердого тела и нанопроцессов.

 

 

 

 

 

 

 

                                       Курсовая работа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Челябинск 2013 г.

Содержание

 

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………….3

1. Литературный обзор…………………………………………….4

1.1Магнитный железняк (Свойства, применение)…………………5

          1.2  Двойной электрический слой (ДЭС)……………

              1.2.1 Механизм образования ДЭС………………………………

                        1.2.2  Строение ДЭС…………………………………………

              1.2.3 Теория Гельмгольца………………………………….

              1.2.4 Теория Гуи…………………………………………….

              1.2.5 Теория Штерна………………………………………..

    1.3  Методы  исследования систем (нелинейная  динамика)………….

                    1.3.1

                    1.3.2

                    1.3.3

2. Экспериментальная часть

             2.1 Получение оксигидрата железа

             2.2 Снятие токовых пульсаций

             2.3

             2.4 Гравиметрический метод образования  железа

3. Обсуждение результатов
4. Вывод
5. Список использованной литературы

 

 

     

    

                                             ВВЕДЕНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Литературный  обзор

1.1Магнитный железняк

В настоящее время  оксиды  и оксигидроксиды железа являются одними из наиболее распространенных порошковых материалов, широко используемых при производстве неорганических пигментов и наполнителей, магнитных носителей информации, катализаторов и сорбентов.

Вещества данного класса широко различаются по своим свойствам (фазовому составу, размеру и форме  частиц, цвету, наличию магнитных свойств и т.д.), которые в конечном итоге определяют область их применения. Основные типы оксидов и оксигидроксидов железа и некоторых их физико-химические свойства представлены в таблице 1.

Магнитный железняк, или  магнетит, в химическом отношении представляет соединение окиси железа с закисью железа. В природе он встречается и в форме хорошо образованных кристаллов, и особенно часто в виде сплошных или зернистых масс. Цвет магнетита железо-черный. Замечательное свойство этого минерала - магнитность.

По содержанию металлического железа магнетит наиболее богатая железная руда (до 72% железа).

Крупные месторождения  магнетитовых руд в нашей стране известны на Урале (горы Магнитная, Высокая, Благодать), на Кольском п-ове, в ряде районов Сибири (Горная Шория, в бассейне р. Ангары и др.).

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1. Физико-химические свойства основных оксидов и оксигидроксидов  железа.

 

1.1.1. Структура  магнитных оксидов железа 

 

Главной особенностью магнитных  оксидов железа является то, что они имеют структуру шпинели. Шпинель - это система твердых растворов общей формулы АМ2О4, где А - Mg2+, Zn2+, Mn2+, Fe2+, Ni2+, Co2+ 

 

M - Mn3+, Fe3+, V3+, Cr3+ 

 

Шпинели кристаллизуются, образуя главным образом октаэдрические кристаллы. Элементарная ячейка включает 32 аниона О2-, которые образуют плотнейшую кубическую упаковку с 64 тетраэдрическими (катионы занимают 8) и 32 октаэдрическими (катионы занимают 16) пустотами.  

 

    По характеру  распределения катионов в тетраэдрических  позициях выделяют шпинели: 

 

·нормальные (8 тетраэдров занято катионами А2+, 16 октаэдров - катионами  М3+); 

 

·обращенные (8 тетраэдров занято М3+, 16 октаэдров - 8 А2+ и 8 М3+, причем катионы  А2+ и М3+ в октаэдрических пустотах могут распределяться как статистически, так и упорядочено); 

 

·промежуточные. 

 

1.1.2. Получение Fe3O4

При термообработке оксигидроксидов  получают частицы соответствующих  оксидов железа(III):

1. α–оксида железа, путем дегидратации  - или  -оксигидроксида при температурах 400 – 500 С:

2α (γ)-FeOOH=  α-Fe2O3 + H2O

2. магнетита, , путем восстановления оксидов или оксигидроксидов током водорода при температура 350-400 С:

3α-Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O.

6α(γ) – FeOOH + H2 = 2Fe3O4 + 4H2O:

3. γ-оксида железа, путем дегидратации  γ-FeOOH при температурах 250-300 С, либо путем окисления магнетита в этом же диапазоне температур:

2γ-FeOOH = γ-Fe2O3 + H2O.

4Fe3O4 + O2 = 6γ-Fe2O3.

 

 

 

1.2.3. Применение Fe2O3 и Fe3O4 

 

Высокие магнитные характеристики -Fe2O3 явились причиной его использования  для производства различных магнитных материалов, среди них и производство материалов для магнитных элементов памяти.  

 

Магнитные свойства Fe3O4, в силу своей слабости, не нашли  практического применения. Однако магнетит имел существенное значение при исследовании ферритов, так как, встречаясь в виде минерала и обладая магнитными свойствами, он, естественно, способствовал изучению природы магнетизма и электрической проводимости ферритов в целом.  

 

Кроме того, структура  шпинели обуславливает высокую  электронную проводимость Fe3O4. Поэтому смешанный оксид железа (II, III) используют в качестве электродов при электролизе хлоридов щелочных металлов, а так же как компонент активной массы щелочных аккумуляторов.  

 

Магнетит также может  быть использован при «прямом» получении  железа путем использования железорудных «окатышей». Для приготовления окатышей железная руда (например, Fe3O4) измельчается, подвергается магнитной сепарации, а затем спеканию с относительно небольшим количества кокса (в громадных вращающихся печах). При этом достигается большая экономия кокса по сравнению с доменным производством. Затем железорудные окатыши подвергают действию газообразных восстановителей: природного газа (главным образом метана), водяного газа (СО+Н2), водорода. Например: Fe3O4+CH4=3Fe+CO2+2H2O. Восстановленные окатыши переплавляются в электропечах. Сразу, минуя чугун, получают товарное железо.  

 

1.2 Двойной  электрический слой 

 

Причина электрокинетических  явлений в том, что на поверхности  есть двойной электрический слой, имеющий диффузное строение и  это приводит к тому, что фаза и среда заряжены противоположно. Т.к. частицы стремятся уменьшить поверхностную энергию, то все они стремятся адсорбироваться на поверхности.  

 

I.1.Механизмы образования  двойного электрического слоя 

 

Существуют следующие  механизмы образования двойного электрического слоя: 

 

1)         Ионизация  поверхности. Металл теряет электроны  и заряжается положительно. 

 

2)         Избирательная адсорбция ионов.  Поверхность адсорбирует ион  более близкий по природе. 

 

3)         Образование двойного электрического слоя за счёт адсорбции на поверхности полярных молекул. Правило Кёна: положительно заряжается та фаза, которая имеет большую диэлектрическую проницаемость. 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2.1 Строение двойного  электрического слоя 

 

(рис.1.)

 

Строение ДЭС

В отсутствие теплового движения частиц, строение двойного электрического слоя подобно строению плоского конденсатора. Но в отличие от идеального случая, ДЭС в реальных условиях имеет диффузное (размытое) строение. Согласно современной теории структуру ДЭС составляют два слоя:

• Слой Гельмгольца или адсорбционный слой, примыкающий непосредственно к межфазной поверхности. Этот слой имеет толщину δ, равную радиусу потенциалопределяющих ионов в несольватированном состоянии.
• Диффузный слой или слой Гуи, в котором находятся противоионы. Диффузный слой имеет толщину λ, которая зависит от свойств системы и может достигать больших значений. Толщина диффузного слоя рассчитывается по формуле:

Электрической характеристикой  ДЭС является потенциал φ. Существует несколько характеристических потенциалов:

• Потенциал диффузного слоя φ_δ, соответствующий границе адсорбционного и диффузного слоёв. Внутри диффузного слоя потенциал можно рассчитать по уравнению Гуи-Чепмена:

• Потенциал φ_x=λ, меньший, чем φ_δ в e раз и характеризующий толщину диффузного слоя.
• Электрокинетический потенциал или дзета-потенциал. Этот потенциал соответствует плоскости скольжения и является частью потенциала диффузного слоя. Плоскость скольжения образуется в результате того, что при движении дисперсных частиц наиболее удаленная часть диффузного слоя не участвует в движении, а остается неподвижной. Поэтому, появляется, нескомпенсированность поверхностного заряда частицы и становятся возможными электрокинетические явления. Дзета-потенциал является одной из важнейших характеристик двойного электрического слоя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I.2.2. Теория  Гельмгольца

Согласно этой теории двойной слой представляется как  бы плоским конденсатором, одна обкладка которого связана непосредственно  с поверхностью твёрдого тела (стенкой), а другая обкладка, несущая противоположный заряд, находится в жидкости на очень малом расстоянии от первой. Потенциал в таком двойном слое должен падать по прямой, а значение поверхностного заряда будет определяться известной из физики формулой:

 

(I.1)

-абсолютная диэлектрическая  проницаемость среды;

-разность потенциалов  между обкладками конденсатора;

-расстояние между обкладками

На рис.1 дана схема  строения такого двойного электрического слоя, он также иллюстрирует падение  потенциала с увеличением расстояния x от поверхности твёрдого тела.

Приведённая схема строения двойного электрического слоя не объясняет  ряд особенностей электрокинетических явлений.

Основным недостатком является то, что толщина двойного слоя очень  мала и имеет молекулярный размер. Данная теория не может объяснить  электроосмос и электрофорез. На плоскости  скольжения

должен возникнуть электрокинетический потенциал ( ), который

должен равняться общему скачку потенциала. Теория выполняется,

если температура системы равна 0 К (отсутствует тепловое движение).

 

I.2.3.Теория Гуи

Согласно этой теории противоионы не могут быть сосредоточены  только у межфазной поверхности  и образовывать моноионный слой, а  рассеяны в жидкой фазе на некотором  расстоянии от границы раздела. Такая  структура двойного слоя определяется, с одной стороны, электрическим полем у твёрдой фазы, стремящимся притянуть эквивалентное количество противоположно заряженных ионов возможно ближе к стенке, а с другой стороны, тепловым движением ионов, вследствие которого противоионы стремятся рассеяться во всём объёме жидкой фазы.

В непосредственной близости от межфазной  границы преобладает действие электрического поля. С удалением от межфазной  границы сила этого поля постепенно ослабевает и проявляется всё  сильнее рассеивание противоионов двойного слоя в результате теплового движения, вследствие чего концентрация противоионов падает и становится равной концентрации тех же ионов, находящихся в глубине жидкой фазы. Таким образом, возникает равновесный диффузный слой противоионов, связанных с твёрдой фазой. Равновесие этого диффузного слоя динамическое.

С другой стороны, находящиеся в  жидкости ионы того же знака, что и  адсорбированные стенкой потенциалопределяющие  ионы, отталкиваются электрическими силами от твёрдой фазы и уходят вглубь раствора. Это обусловливает  распределение потенциалопределяющих ионов и противоионов в диффузной части двойного электрического слоя.

Если концентрацию положительных  и отрицательных ионов в точке, потенциал которой равен  , соответственно обозначить через С+ и С-, то для расстояния x= :

Толщина диффузного слоя рассчитывается по формуле:

Недостаток теории Гуи заключается  в том, что она не объясняет  явления перезарядки-перемены знака  электрокинетического потенциала при  введении в систему электролита  с многовалентным ионом, заряд которого противоположен по знаку заряду дисперсной фазы. Также теория Гуи не объясняет различного действия разных по природе противоионов одной и той же валентности на двойной электрический слой. Наконец, данная теория относительно хорошо выполняется для достаточно разбавленных коллоидных растворов, оказывается неприемлемой для более концентрированных.

Все эти затруднения в значительной мере преодолены в теории строения двойного электрического слоя, предложенной Штерном.

 

1.2.4. Современная теория Штерна

Основной вклад в развитие внесли работы Г. Гелъмгольца (1879), Ж. Гуи (1910), Д. Чапмена (1913), О. Штерна (1924) и Д. Грэма (1947-58), базируется на след. модели ионной обкладки Д. э. с. Благодаря тепловому движению ионы, адсорбировавшиеся на электроде только под действием кулоновских сил, распределяются у поверхности подобно молекулам газа в земной атмосфере и образуют диффузную часть Д. э. с. Границей диффузной части является т. наз. внеш. плоскость Гелъмгольца х ₂ (рис.), до которой могут дойти электрические центры ионов, участвующих в тепловом движении. Между внешней плоскостью Гельмголъца и поверхностью металла располагается плотная часть ДЭС, для которой характерна диэлектрическая проницаемость существенно меньшая, чем в объеме раствора. В плотном слое локализуется дипольный ДЭС, образованный ориентированными диполями растворителя и органически растворенного вещества. Кроме того, в плотную часть ДЭС входят специфически адсорбирующиеся ионы; при этом их электрические центры образуют так называемую внутреннюю плоскость Гельмголъца х ₁.