Bouillottes magiques

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Vous connaissez peut-être les "bouillottes magiques", ces genres de poches en plastique contenant un liquide coloré et translucide qui, sous l'action d'une petite pièce métallique à l'intérieur, provoque une cristallisation en quelques secondes et un dégagement de chaleur incroyable ! La température obtenue est de l'ordre de 50°C. Idéal pour les ballades dans la neige, pour se réchauffer les mains.

On trouve sur Internet des vidéos amusantes qui présentent cette expérience sous le nom de "glace instantanée"[1]. Il ne s'agit bien sûr pas de glace (puisque ce n'est pas de l'eau pure), ni même d'une congélation.

Cette expérience consiste à reproduire le principe chimique, très facilement.

1 Précautions

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

  • Bien que l'acétate de sodium trihydraté ne soit pas toxique, il est déconseillé de le mettre en contact avec la peau ou les yeux car il peut être irritant. Si cela arrive, il suffit de bien se rincer à l'eau courante.

2 Matériel et produits

  • Acétate de sodium trihydraté ou anhydre de bonne pureté
  • Eau distillée
  • Casserole antiadhésive et spatule en plastique, ou bien un bécher en Pyrex® et agitateur magnétique. Utiliser de la verrerie parfaitement propre et sans rayure !

3 Protocole

  • Dans une casserole antiadhésive, propre et sans rayures, dissoudre de l'acétate de sodium trihydraté dans de l'eau distillée chaude jusqu'à saturation, c'est-à-dire jusqu'à ce que cette poudre n'arrive plus à se solubiliser totalement dans la solution.
  • Ajouter alors 1 mL par 1 mL de l'eau distillée, jusqu'à dissoudre complètement l'excédent de poudre. La solution obtenue doit être à la limite de la saturation, sans présence de cristaux.
  • Ensuite, laisser refroidir à température ambiante. Cela donne une solution dans un état métastable.
  • Il suffit d'une petite perturbation, par exemple toucher la solution avec un cristal, une pointe, un doigt, pour observer une cristallisation en quelques secondes, avec un dégagement de chaleur impressionnant. Le résultat est un bloc blanc, opaque et chaud.
  • Une fois cristallisé, il est possible de réchauffer le bloc pour le fondre, jusqu'à dissolution totale de tous les cristaux, puis recommencer l'expérience. Ceci peut se faire autant de fois que l'on souhaite.

4 Explications

  • Tout comme dans l'expérience du stockage de chaleur, cette réaction est réversible et peut être refaite à volonté. Il s'agit plus d'une transformation physique qu'une transformation chimique, dans le sens où les composés mis en jeu ne changent pas fondamentalement de structure. Les seules transformations mise en jeu sont des attachements ou détachements de molécules d'eau au sel métallique, et donc un passage d'un état liquide à un état solide.
  • L'état intermédiaire, à partir duquel on peut récupérer une grande quantité d'énergie, s'appelle un état métastable. C'est donc un état qui est stable mais si on le perturbe en lui fournissant un peu d'énergie (énergie d'activation) ou par une action, celui-ci va évoluer vers un état beaucoup plus stable. Il suffit par exemple d'introduire un seul petit cristal (un germe) dans la solution limpide pour provoquer sa cristallisation complète. Ou bien de gratter les parois du récipient en verre pour provoquer la formation de cristaux : chaque rayure sert de germe aux cristaux.
  • Lorsqu'il est chauffé, l'éthanoate de sodium trihydraté cristallisé absorbe de la chaleur et se tranforme en éthanoate de sodium solvaté et 3 molécules d'eau à partir de 58°C (l'état métastable) :
CH3COONa,3H2O(s) + Q [math]\mathop{\longrightarrow}^{58^\circ C}[/math] CH3COO(aq) + Na+(aq) + 3H2O(l)
  • Lors de la transformation opposée, la chaleur (symbolisée par Q) absorbée auparavant est restituée, ce qui provoque une augmentation de température :
CH3COO(aq) + Na+(aq) + 3 H2O(l) → CH3COONa,3H2O(s) + Q
  • Il s'agit d'un phénomène réversible à volonté, un tel système peut fonctionner indéfiniment dans un sens ou dans l'autre. Voilà pourquoi on peut l'utiliser dans une poche fermée pour restituer la chaleur, sans aucun autre apport de produit chimique.

5 Références

  1. YouTube : http://fr.youtube.com/watch?v=dIZmU-QESFg