Síntese de um Ferrofluido

Aqui um procedimento interessantíssimo, muito indicado para feiras de ciências, modificado do artigo original "Preparation and Properties of an Aqueous Ferrofluid" dos autores Patricia Berger, Nicholas B. Adelman, Katie J. Beckman, Dean J. Campbell, Arthur B. Ellis, and George C. Lisensky" [1]

Ferrofluidos são suspensões coloidais de nanopartículas magnéticas. Eles respondem a campos magnéticos externos fazendo com que regiões dessas soluções sejam controladas pela aplicação de um campo magnético. Nanopartículas de óxido férrico (magnetita, Fe₃O₄) podem ser produzidas misturando íons Fe(II) e Fe(III) em meio básico. É necessário um surfactante para que as partículas permaneçam finamente divididas e separadas umas das outras, mantendo um equilíbrio coloidal.

Se uma imagem vale por mil palavras, um vídeo vale por mil imagens... (não resisti ao trocadilho.. :o) Veja um vídeo de um ferrofluido em ação!

Com um aspecto alienígena e bizarro, com certeza nos trará horas e horas de diversão em experimentos!

Cheque se a sua solução de Fe(II) está em bom estado, já que esses íons oxidam-se lentamente para Fe(III) quando reagem com o oxigênio do ar. A maneira mais fácil de verificar isso, é pela comparação das cores. Íons Fe(II) geram uma solução esverdeada, Fe(III) uma solução marrom.

1mol/L FeCl3 em 2mol/L (+-15%) HCl (esquerda)

2mol/L FeCl2 em 2mol/L (+-15%) HCl (direita)

Adicione 4.0ml de 1mol/L de FeCl₃ e 1.0ml de 2mol/L FeCl₂ em um bequer de 100 ou 150ml. Agite com um bastão de vidro ou agitador magnético.

Continue agitando completamente a solução e adicione em um período de 5 minutos 50ml de NH3 aquoso (1.0mol/L). Depois da formação do precipitado marrom, um precipitado preto irá formar-se (magnetita). Uma maneira de executar esta adição é pingar lentamente a amônia através de uma bureta ou funil de separação, ou até mesmo utilizando um conta gotas. Após isso, desligue o agitador e imediatamente utilize um ímã forte para retirar a barra de agitação do béquer.

Deixe o sistema em repouso para que a magnetita decante. Você pode acelerar o processo colocando novamente um ímã embaixo do frasco. Decante o líquido sobrenadante sem perder uma quantidade substancial do sólido. Funciona melhor se for mantido o ímã sob o frasco, como no processo anterior.

Transfira o precipitado para outro frasco mais apropriado, decantando o máximo de solvente que conseguir.

Agora adicione de 1-2 mL de uma solução de TMAOH (hidróxido de tetrametilamonio, encontrado em lojas específicas de produtos químicos) a 25% de concentração. Mexa gentilmente com um bastão de vidro por pelo menos 1 minuto para suspender o sólido no líquido. Após agitar bem, use um ímã forte para, novamente, atrair o ferrofluido para o fundo (os magnetos de neodímio usados em HD´s são perfeitos para essa experiência). Descarte o líquido escuro sobrenadante várias vezes, o máximo que conseguir!

E o que acontece quando a posição do ímã é alterada abaixo do ferrofluido? Exatamente isso! Agora impressione-se e também aos seus familiares com sua experiência científica de ponta! ;)

TEORIA

Os ferrofluidos foram descobertos originalmente nos anos 60 pela NASA. Os cientistas queriam investigar os possíveis métodos para controlar líquidos no espaço. Os benefícios de um fluido magnético são imediatamente óbvios: a posição do fluido pode ser precisamente controlado através da aplicação de um campo magnético, e dependendo da força do campo, os fluidos podem ser forçados a fluir, de fato.

Os pesquisadores prepararam ferrofluidos contendo pequenas partículas de metais ferromagnéticos, como cobalto e ferro, assim como compostos magnéticos, como ferrites de zinco manganês (Zn_xMn_1-xFe₂O₄). Mas, os que dão melhores resultados são mesmo as partículas de magnetita, Fe₃O₄.

COMO ELES FUNCIONAM

Ferrofluidos contendo Fe₃O₄ podem ser preparados, como visto acima, combinando quantidades apropriadas de íons Fe(II) e Fe(III) em uma solução básica. Esta combinação causa a precipitação do óxido com valência misturada, o Fe₃O_4:  

2 FeCl₃ + FeCl₂ + 8 NH₃ + 4H₂O --> Fe₃O₄ + 8 NH₄Cl

Porém, as partículas de magnetita devem ser pequenas o suficiente para permanecerem suspendidas em meio líquido, em outras palavras, em estado coloidal. Para mantê-las pequenas o suficiente (nessa experiências, criamos magnetitas com aproximadamente 10nm de diâmetro), forças eletrostáticas e interações de van der Waals não devem estar substancialmente presentes. Assim uma precipitação, ou aglomeração não ocorre.

A atração de Van der Waals  entre duas partículas é forte quando elas ficam muito próximas umas das outras. Assim sendo, um método para prevenir essa aglomeração, pela força de Van der Waals, e também pelas forças eletrostáticas (sempre presentes em moléculas polares), é através da adição de um surfactante no sistema. Os surfactantes (eg. detergente) geram repulsões ou estéricas (relativo a forma geométrica da molécula) ou eletrostáticas entre as partículas magnéticas.

Por exemplo, o ácido cis-oléico pode ser usado em ferrofluidos baseados em óleos, para criar repulsões estéricas. Um surfactante é composto por uma longa cadeia hidrocarbônica com uma "cabeça" polar que permanece atracada na superfície da partículas de magnetita; assim uma cobertura é formada. A longa cadeira age como um repelente para prevenir a aproximação de outras partículas de magnetita:

Surfactantes iônicos como o TMAOH também pode ser usado, como no procedimento deste tópico. Ele produz uma repulsão eletrostática no meio aquoso. Os íons hidróxido permanecem ligados a superfície da magnetita, formando uma camada superficial negativamente carregada. O cátion tetrametilamonio é atraído por esta superfície negativa, formando uma camada positiva. Quando as partículas de magnetita aproximam-se umas das outras, ocorre uma repulsão eletrostática entre estas camadas carregas com a mesma carga, impedindo essa aproximação.

É a Química em Ação!! Boa sorte!!

[1] J. Chem. Educ., 76, 943-948 (1999)
[2] http://mrsec.wisc.edu/Edetc/background/ferrofluid/index.html