Réalisation de chaufferettes

Dans le cadre de la préparation d'un atelier pour le public, l'idée de la réalisation de chaufferettes est ressortie.

Une chaufferette est une pochette d'une solution aqueuse sursaturée d'acétate de sodium (CH₃COONa), avec une pastille métallique à l'intérieur. Lorsque celle-ci est pliée, elle claque. Le choc résultant permet la solidification de la solution, et de la chaleur se dégage.

Fig 1 : Section en perspective d'une chaufferette issue du brevet [1]

La solidification

Grosso-modo c'est la transition d'un système de la phase liquide vers la phase solide. Généralement elle se produit lors d'une baisse de température ou d'une hausse de pression. Lors du passage liquide vers solide, les molécules (=petites particules de matière) établissent des liaisons plus fortes entre elles et fixent leur position. Ces molécules, qui étaient (presque) libres de leurs mouvements et de vibrer grâce à l'énergie qu'elles contiennent s'en voient privées. De l'énergie se dégage alors du système. Lors d'un changement de phase, la température du milieu reste constante. En effet refroidir un milieu est équivalent à en soustraire de l'énergie thermique. Cette énergie soustraite correspond donc à l'énergie libérée lorsque les molécules se fixent à leur place et que la phase solide se forme. Une fois la solidification complète, la diminution de la température reprend.                                                                                                                                                                                      

La surfusion

La réaction utilisée dans les chaufferettes est due au phénomène de surfusion. Le système, lorsqu'il est à température ambiante, est métastable. C'est à dire qu'il existe un autre état plus stable (= de plus basse énergie), l'état solide. Le milieu reste liquide puisqu'il existe une barrière d'énergie, dite énergie d'activation, suffisamment élevée pour le "piéger" sous forme de solution.

 
Fig 2 : illustration d'un puits d'énergie dans le cas d'un système instable et d'un système métastable.
(https://scienceetonnante.com/blog/2011/04/11/la-surfusion-de-leau-cest-supercool/)

Une perturbation est nécessaire pour passer cette barrière d'énergie et permettre la solidification. Pour des chaufferettes, la perturbation correspond à un choc mécanique crée par la pastille métallique lors de sa flexion. Une fois la barrière passée, le système se solidifie. Dans le cas étudié, une solution sursaturée d'acétate de sodium (CH₃COONa), le système relâche un grand surplus d'énergie sous forme de chaleur. C'est chaleur qui fait tout l'intérêt de ces chaufferettes.

Une telle surfusion permet aussi d'illustrer une condition nécessaire à la solidification d'un liquide : la présence d'un germe. Les molécules en phase liquide ont besoin d'un point d'appui, un germe, pour passer en phase solide. Il peut s'agir d'autres molécules en phase solide, d'une interface avec un autre matériau (de préférence rugueux) ou même d'une impureté. A partir de ce point, localement le liquide va pouvoir s'organiser dans la géométrie da la phase solide. Le changement de phase se fait alors progressivement dans toutes les directions possible depuis le germe.

Expériences menées

• Mélange de 100 g d'acétate de sodium tri hydraté (CH₃COONa + 3H₂O) dissous dans 35 mL d'eau dans un ballon. Le mélange est agité et amené à 60°C pour s'assurer de la dissolution complète. Le mélange est ensuite refroidi dans un bain d'eau avec de la glace, jusqu'à 25°C. D'autres test ont été menés après refroidissement jusqu'à 15°C et 0°C. En utilisant le thermomètre pour tapoter une paroi intérieure du ballon, un germe se forme. Il permet alors la solidification de la solution et le dégagement de chaleur à été mesuré de l'ordre de +20°C dans le milieu.  A noter que le germe n'apparait pas forcément au point de contact entre la pointe du thermomètre et le ballon. Peut-être se forme-t'il à cause des vibrations dans le ballon issu du choc ? Par ailleurs, une solidification spontanée s'est déclenchée aux alentours de 28°C lors d'un refroidissement. Celle-ci pourrait s'expliquer par la présence d'un objet servant de germe dans la solution : une impureté, ou un élément mal dissous. 
• Il semble que la quantité d'eau minimale à ajouter pour la dissolution soit de 20 mL, pour s'assurer que tout le solide soit mouillé. Dans ce cas, l'augmentation de température a été mesurée à +30°C. Les résultats sont les même pour la dissolution de 50g de solide dans 10 mL d'eau. 

Avec 50 g de CH₃COONa et 20 mL d'eau :

• La solution est laissée une nuit en phase liquide dans un ballon avec bouchon percé. Celle-ci s'est solidifiée durant la nuit certainement à cause de l'évaporation : moins il y a d'eau, plus la solidification spontanée est facile. 20 mL d'eau ont du être rajoutés pour dissoudre à nouveau.
• La solution est laissée 6 nuits en phase liquide dans un ballon avec bouchon percé et recouvert d'un papier mouillé (celui-ci trempe dans un cristallisoir avec de l'eau). Le système est resté liquide. Après avoir retiré la papier, la solution s'est solidifiée spontanément à la moindre agitation du ballon. Il y a tout de même eu moins d'évaporation que dans le cas précèdent. 10 mL ont du être rajoutés pour re-solubiliser l'ensemble.

Refs : 

[1] : J. Stanley et al. REUSABLE HEAT PACK CONTAINING SUPERCOOLED SOLUTION AND MEANS FOR ACTIVATING SAME, United States Patent, 1978