쇠(철)를 비롯하여 많은 종류의 금속들이 자석에 달라붙는 것을 우리는 알고 있다. 우리가 지금까지 알고 있는 자성물질은 고체로 되어있었다. 그렇다면 고체가 아닌 액체로 된 자성물질이 있다면 어떨까? 상당히 흥미로운 현상이며 여러 가지 용도에도 사용될 수 있을 것이다. 그렇다면 어떻게 액체 자성물질을 만들 수 있을까. 고체자성물질을 녹이면 될 것 이라고 언뜻 생각할 수도 있다. 자성물질이 자기장에 반응하는 이유는 비공유전자의 스핀에 의해 국부적으로 물질이 일정방향으로 정렬을 하기 때문이다.
그런데 온도가 높으면 열에너지에 때문에 이러한 정렬이 깨지게 되고 따라서 특정온도 이상에서는 자성을 잃어버리는 성질이 있으며 이 온도를 큐리온도 (Curie Temperature) 라고 한다. 더구나 큐리온도는 고체가 녹는 온도보다 낮기 때문에 이 방법으로 액체자성물질을 만들지 못한다 (철의 경우 녹는점은 섭씨 153℃ 이고 큐리온도는 약 1043℃ 이다). 이번 실험에서는 액체자성물질을 만들어 보자.
실험 방법
1. 실험 과정
1) 100 ㎖ 비이커에 4.0 ㎖ 1M FeCl3와 1.0 ㎖ of 2M FeCl2용액을 가한다. 마그네틱 바를 넣고 교반을 시작한다.
2) 계속 교반하면서 1.0M NH3수용액 50㎖ 를 5 분이 넘는 시간 동안 천천히 첨가한다. 초기에 갈색 침전물이 생긴 후에 검정색 침전물이 만들어질 것이다 (magnetite). 천천히 첨가를 하기 위한 한가지 방법은 buret 이나 separatory funnel 또는 dropper 를 사용하여 암모니아 용액을 한 방울씩 떨어뜨리는 것이다.
주의 : 비록 1M NH3가 꽤 희석되어 있을지라도 NH3는 강한 염기이다.
3) Stirrer 를 끄고 즉시 강한 자석을 이용하여 비커벽으로 마그네틱 바를 올린다. 마그네틱 바가 자석에 닿기 전에 집게나 장갑을 낀 손으로 마그네틱 바를 제거한다. (재빨리 제거해야 함. 자석이 닿으면 세척이 거의 불가능하므로 주의!)
4) Magnetite가 침전되게 한다. 그리고 나서 고체의 손실 없이 맑은 위쪽 액체를 따라버린다. 용기 아래에 자석을 둠으로써 침전과정을 촉진할 수 있다.
5) 고체를 이용 웨잉 보트로 옮기되 wash bottle 을 이용하여 모든 고체를 옮긴다.
6) 강한 자석을 사용하여 웨잉 보트의 바닥으로 자성액체를 당긴다. 가능한 한 많은 맑은 액체를 따라버린다. wash bottle 로부터 물로 다시 씻어내고 이전처럼 씻어낸 물을 버린다. 헹굼을 3 회 반복한다.
7) 25% tetramethylammonium hydroxide 1-2㎖ 를 첨가한다. 액체 안에 고체가 떠다니게 적어도 1 분 동안 유리막대로 천천히 저어준다. (이 때 직접 냄새를 맡지 않도록 주의한다.) 강한 자석을 사용하여 웨잉 보트의 바닥으로 자성 액체를 당긴다. 어두운 액체를 따라버린다. 강한 자석을 돌리고 모든 액체를 다시 따라낸다. 만약 자성액체가 뾰족해지지 않는다면 계속 강한 자석을 돌리고 모든 액체를 따라낸다.
8) 자성액체 아래에서 자석을 움직일 때 무슨 일이 일어나는가?
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