TPE

L'expérience des ferrofluides fut réalisée durant les séances de TPE, dans le laboratoire du lycée Rabelais.

Notre analyse :

 

Nous avons réalisé cette expérience afin de prouver qu'une force est exercée sur les matériaux ferromagnétiques lorsque ceux-ci sont en présence d'un aimant. Nous avons décidé de réaliser l'expérience avec des ferrofluides ( substance liquide ), afin de mieux visualiser le phénomène décrit précedemment. La vidéo nous prouve que la fabrication de ferrofluides est plutôt longue, c'est pourquoi nous vous invitons à prendre plaisir à la lecture de son compte rendu.

 

Tout d'abord, il faut signaler que quelques problèmes sont venus perturber la fabrication de nos ferrofluides. En effet, certaines espèces chimiques présentes dans le protocole de fabrication original nous ont été impossible à nous procurer dans notre cadre de simples étudiants, elles ont donc été remplacées par d'autres, telle que l'acide perchlorique HClO4 , qui avait pour rôle de solubiliser les hydroxydes de fer et qui fut donc remplacé par l'acide nitrique HNO3. Nous n'avions pas non plus de chlorure de fer (II) FeCl2 , nous avons donc utilisé du sulfate de fer (II)  FeSO4 à la place. D'autres problèmes survinrent telle que l'expulsion d'un des bouchons des tubes de la centrifugeuse lors d'une centrifugation, et la difficulté à séparer l'aimant présent sur une enceinte audio du reste de la structure métallique afin de pouvoir le récupérer.

 

Après avoir résolu ces nombreux problèmes, nous avons pu réaliser certaines observations :

¤Nous avons prouvé la présence de fer dans la solution intermédiaire en passant près du flacon un faible aimant qui a laissé sur son passage des trainées de l'élément chimique qui se trouvait au fond du flacon, soit des oxydes de fer et de petites particules de fer.

¤Avec l'aimant de l'enceinte, nous avons montré l'attraction des ferrofluides par les champs magnétiques, que des formes se dessinaient sur le liquide, et que celles-ci se déplaçaient avec l'aimant, comme le prouve la vidéo.

¤En déposant la solution de ferrofluides sous l'aimant, il est nettement visible que celle-ci est bien plus attirée par l'aimant que par la terre, ce qui répond à une de nos questions en rapport avec la problématique : la magnétite présente dans le liquide est attirée et non attirante.

Cliquer sur le titre "Expériences réalisées avec les ferrofluides" pour aggrandir la vidéo.

Ferrofluides

 

Ce sont des liquides composés de nanoparticules de fer qui solubilisées dans l'eau, sont attirées en présence d'un champ magnétique.

 

Voici le protocole de fabrication suivi afin de réaliser les ferrofluides :

 

1. Précautions

Outre les précautions en chimie qui sont d'usage, cette expérience comporte les attentions suivantes :

  • Les fines particules contenues dans les ferrofluides sont noires, il y a donc des risques de taches et d'éclaboussures indélébiles ! Port des gants, des lunettes de protection, une blouse de protection, et travail sur une table protégée conseillés.

  • Les ferrofluides sont attirés par les champs magnétiques, il faut donc s'attendre à des comportements inhabituels à l'approche de pièces métalliques magnétiques.

 

 

 2. Ferrofluide à base de magnétite

  • Préparer les solutions suivantes :

    • Solution A : chlorure de fer (III) FeCl3 SGH05 à 1 mol/L dans l'eau.

FeCl3(s) → Fe3+(aq) + 3 Cl–(aq)
  • Solution B : sulfate de fer (II) FeSO4 à 2 mol/L dans de l'acide chlorhydrique à 2 mol/L.
FeSO4(s) → Fe2+(aq) + SO42-(aq)

    • Solution C : ammoniaque SGH05SGH09  NH3 à 0,7 mol/L. 

  • Mélanger 40 mL de solution A, 10 mL de solution B et 500 mL de solution C. La réaction est la suivante :

Fe2+(aq) +2 Fe3+ + 8 NH3(aq) + 4 H2O → Fe3O4(s) + 8 NH4+(aq)
 
 →Cette équation n'intègre pas les réactions parasites qui sont écrites ci-dessous.

  • Le chlorure d'amonium SGH07 (les ions chlorure spectateurs ne sont pas figurés) reste soluble dans l'eau, alors que la magnétite Fe2O4(s) ou Fe2O3 précipite. Cependant deux réactions parasites sont :

Fe2+(aq) + 2 NH3(aq) + 2 H2O → Fe(OH)2(s) + 2 NH4+(aq)
Fe3+(aq) + 3 NH3(aq) + 3 H2O → Fe(OH)3(s) + 3 NH4+(aq)

  • Les deux hydroxydes de fer ( Fe(OH)2(s) et Fe(OH)3(s) ) sont insolubles dans l'eau. Séparer la phase solide par centrifugation sans lavage, puis la mélanger avec de l'acide nitrique HNO3 à 2 mol/L pour solubiliser les hydroxydes.

  • Après centrifugation, on récupère la magnétite que l'on disperse dans l'eau distillée.

  • On obtient un liquide brun-noir attiré par les champs magnétiques.