À compléter par des images, photos et schémas, y compris à main levée, et si possible des vidéos de l'expérience, avec et sans commentaire, à regarder dans le navigateur et à télécharger, si possible dans un format ouvert comme matroska
Un ferrofluide consiste en un liquide dans lequel peuvent évoluer librement des nanoparticules magnétiques. Celles-ci donnent au liquide des propriétés remarquables, telles qu'une forte affinité pour les régions de fort champ magnétique, et l'apparition, dans certaines conditions, de digitations spectaculaires à la surface du liquide, qui sont en interaction forte avec le champ magnétique.
Le protocole d'expérience ci-dessous a été validé le 2 juin 2015, avec des élèves de première scientifique du lycée Jean Bart (Dunkerque, France). Il s'agit d'une expérience de travaux pratiques de fin d'année, qui permet d'aborder et de récapituler de nombreux points abordés durant l'année scolaire :
Procédé expérimental.
Préparation de fer II à partir de fer III et de fer 0.
On verse au fond d'un petit erlenmeyer (formula_9), formula_10 de solution concentrée de chlorure de fer III et formula_10 d'eau distillée, puis on ajoute un peu de laine de fer ; on agite à l'aide d'un agitateur en verre jusqu'à ce que ça commence à chauffer, puis on laisse évoluer en agitant un peu de temps en temps. Les ions formula_12 sont là quand la coloration de la solution devient verte. Ils deviennent majoritaires quand cette couleur pâlit.
Préparation d'un mélange d'ions fer II et d'ions fer III dans une proportion précise.
Le but est d'avoir presque exactement deux ions fer III pour un ion fer III afin de faire ensuite l'oxyde magnétique formula_13.
À l'aide d'une pipette en polyéthylène jetable, prélevez 0,5 mL de la solution de fer II de l'erlenmeyer, et versez les dans un gros tube à essais ; ajoutez-y 0,75 mL de la solution de fer III concentrée.
Préparation de l'oxyde magnétique formula_13 par voie humide.
En milieu basique, les hydroxydes puis les oxydes de fer se forment. On pourrait utiliser de l'hydroxyde de potassium ou de
sodium pour augmenter le pH ; cependant, l'utilisation d'ammoniaque permet d'obtenir le ferrofluide dans de meilleures conditions.
L'équation de cette réaction chimique est formula_15 (exercice : équilibrer cette réaction).
Pour que la magnétite soit sous forme de nanoparticules, il convient d'éviter les concentrations excessives de réactifs. Pour cela, on ajoute environ 10 mL d'eau dans le tube à essais, et on prépare 5 mL d'ammoniaque diluée avec 15 mL d'eau dans une éprouvette graduée. Ensuite, on procède à de petites additions de l'ammoniaque diluée dans le tube ; à chaque addition, on bouche et on agite vivement, puis on débouche pour procéder à l'ajout suivant.
Isolement de l'oxyde magnétique.
À ce stade, on dispose d'une dispersion de particules fines d'oxyde magnétique de fer en phase aqueuse. La propriété magnétique permet une décantation accélérée de celle-ci.
Stabilisation des nanoparticules.
Le ferrofluide peut être considéré comme stable si les nanoparticules ne cherchent plus à s'agglomérer et circulent librement les unes par rapport aux autres.
Préparation d'un savon ammoniacal d'acide oléique.
Sous une hotte aspirante, mettre à bouillir très doucement formula_4 de solution d'ammoniaque, dans un erlenmeyer de formula_6, sur une plaque chauffante. Quand la solution frémit, ajouter en agitant, goutte à goutte, formula_18 d'acide oléique. Continuer à agiter en laissant refroidir, puis réchauffer jusqu'au moment où la solution de savon (oléate d'ammonium) redevient liquide et homogène.
On couvre les nanoparticules de surfactant.
Ajoutez un demi à un millilitre d'oléate d'ammonium au ferrofluide pour traiter la surface des nanoparticules, agiter vivement, puis laisser reposer.
Reprise du ferrofluide dans une phase organique.
En ajoutant quelques dizaines de gouttes de kérosène, il est possible de séparer les nanoparticules de ferrofluide dont la charge électrique est nulle, ce sont les plus intéressantes. On essaiera d'extraire la fraction non chargée électriquement du ferrofluide, puis on pourra observer son comportement dans un champ magnétique.
Ajouter le kérosène, puis agiter vivement et laisser reposer. Quand l'expérience est bien menée, on observe au bout de quelques heures une très bonne séparation entre une phase aqueuse transparente et une phase organique noire. S'il n'y a pas trop de kérosène, la phase organique peut avoir une densité proche de celle de l'eau, c'est alors que les propriétés du ferrofluide peuvent être les plus surprenantes.
Observations et réflexions.
À propos du fer III et du fer II.
Solution commerciale de fer III : formula_19 à 40%.
On peut lire sur une étiquette d'une solution concentrée commerciale de fer III, les indications suivantes :
À propos de la précipitation de l'oxyde magnétique de fer.
Écriture de la réaction équilibrée.
Pour équilibrer la réaction formula_15, le plus simple consiste à :
Un surfactant autour des nanoparticules d'oxyde magnétique.
On parle de nanoparticule pour des objets dont les dimensions n'excèdent pas 100 nm, c'est à dire typiquement plus courtes que les longueurs d'ondes visibles ; ainsi, des nanoparticules ne peuventt pas être observées individuellement au microscope optique.
Quelques ordres de grandeur pour fixer les idées.
Supposons une nanoparticule de forme grossièrement cubique, de formula_30 de côté.
Ces ordres de grandeur sont utiles pour la suite des réflexions.
Le savon, oléate d'ammonium.
La formule topologique de l'acide oléique est celle-ci : 
Mise en place des ions oléate.
En se basant sur les ordres de grandeurs calculés plus haut, déterminer les ordres de grandeurs suivants :
Bases d'explications.
Fer II, fer III.
On peut trouver des sels de fer II stabilisés par l'ajout d'ammoniaque, par exemple le sel de Mohr : c'est un est un solide ionique hydraté de formule chimique formula_32. Ce pendant, la fabrication du fer II en réduisant le fer III par le fer 0 est une façon élégante de préparer des ions fer II juste à temps, sans avoir à introduire des anions autres que les chlorures déjà présents.
Pour réduire le fer III en fer II, il convient d'éviter une concentration excessive ; en effet, le fer II est moins soluble que le fer III dans l'eau. On peut essayer de réduire la solution à 40% sans la diluer, pour voir l'effet.
Les oxyde de fer.
On peut facilement observer les oxydes de fer suivant :
Il est facile de prouver que ces oxydes se forment respectivement (a) à partir de fer II, (b) à partir de fer III, (c) à partir d'un mélange de fer II et de fer III dans la proportion 1:2, toujours avec des anions oxyde formula_36.
Précipitation de l'oxyde magnétique.
Si on dispose de plus de temps, il convient d'agiter vivement la solution mixte d'ions fer tout en additionnant très lentement l'ammoniaque, afin d'éviter la croissance de trop grosses particules d'oxyde. Le ferrofluide est meilleur quand les particules d'oxyde magnétique sont plus finement divisées.
Rôles du surfactant.
Après que des ions oléates se sont fixés à la surface des particules d'oxyde magnétique, celles-ci ne peuvent plus se coller l'une à l'autre de façon irréversible. En effet, l'expulsion des ions oléates est moins facile que celle de molécules d'eau proches de la surface des particules.
Interactions entre le ferrofluide et un aimant.
L'interaction entre une particule de ferrofluide en un champ magnétique est un cas particulier d'interaction de type électro-magnétique.
On peut assimiler une nanoparticule d'oxyde magnétique à modèle de petite boucle conductrice où circulerait sans interruption un courant continu de valeur fixe formula_37.
Dans ce cas, on peut utiliser l'approche de Maxwell, qui permet de définir une , de formule formula_38, où formula_37 représente le courant continu fixe, et formula_40 est le "flux" magnétique, qui dépend de l'intensité du champ magnétique, et de l'alignement entre la direction du champ magnétique et la boucle de courant.
Après un temps bref, les particules du ferrofluide alignent automatiquement les « boucle de courant » sur la direction du champ magnétique, pour maximiser la valeur du flux formula_40, si bien qu'on peut déduire qu'en régime statique, formula_42 est tout simplement proportionnelle au champ magnétique. Ceci vaut pour "une" nanoparticule d'oxyde magnétique. 
Quand on considère une foule de celles-ci dans le ferrofluide, l'énergie volumique dépend du champ magnétique et de la densité des nanoparticules dans le fluide. De plus, quand une foule de nanoparticules est alignée par un champ externe, celles-ci contribuent à modifier ce champ, ce qui est la cause de comportements collectifs spectaculaires, comme l'apparition de digitations à la surface du ferrofluide.