mardi 24 juillet 2012

Fabriquez de la "glace chaude" instantanément et du bout des doigts : la magie de la métastabilité

Vous en avez marre des expériences de chimie fastidieuses, corrosives et aussi spectaculaires que la chute d'une feuille morte ? Voici une expérience facile, pas trop chère et plutôt cool :)

Une expérience facile et spectaculaire

Pour reproduire l’expérience, il vous faut une arrivée d'eau de type robinet, une casserole, mais surtout de l'acétate de sodium. On peut s'en procurer chez son pharmacien (s'il est sympa), chez un ami chimiste (s'il est sympa), chez un revendeur spécialisé (en ligne, c'est le plus simple) ou même sur les sites ebay de pays peu regardants sur le commerce de produits chimiques (en Angleterre par exemple). Vous pouvez aussi en fabriquer vous même avec du vinaigre blanc et de la soude, mais c'est un peu long. 

MISE EN GARDE DE CIRCONSTANCE : CETTE EXPÉRIENCE EST FACILE A RÉALISER MAIS IMPLIQUE DE MANIPULER UN PRODUIT IRRITANT ET CHAUD ET NÉCESSITE DONC LA SUPERVISION D'UN ADULTE

Comment ça marche ? 1 ère étape : la dissolution

Au départ, les molécules d'acétate de sodium sont sous forme solide (une poudre constituée de milliards de cristaux). Prenez une casserole et versez cette poudre dans un volume d'eau quelconque. On peut commencer avec un petit volume, 100 cl par exemple, par souci d'économie : on peut en effet dissoudre une grande quantité de poudre dans un petit volume d'eau. Que se passe t-il quand on verse la poudre dans l'eau ? Si la théorie ne vous intéresse pas, allez directement au dernier paragraphe de cette partie :)
Représentation de la molécule d'acétate de sodium
Commençons par rappeler ce qu'est une molécule : c'est un assemblage électriquement neutre d'atomes qui sont eux mêmes composés d'électrons (de charge négative), de protons (de charge positive) et de neutrons (de charge neutre). Pour former les molécules, les atomes mettent en commun certains électrons pour créer des liaisons. La molécule d'acétate de sodium (voir illustration de droite) a pour formule CH3COONa :

2 atomes de Carbone (noté C, en gris sur le schéma)
3 atomes d'Hydrogène (note H, en blanc sur le schéma)
2 atomes d'Oxygène (noté O, en rouge sur le schéma) et
1 atome de Sodium (noté Na, non représenté sur le schéma).

Quand on met ces molécules dans de l'eau, l'atome de Sodium se détache et laisse un de ses électrons derrière lui. On se retrouve alors avec une molécule plus petite qui a gagné un électron (qui est donc chargée négativement) et un atome de Sodium qui a perdu un électron et qui est chargé positivement. La nouvelle molécule ainsi obtenue est notée CH3COO-  et l'atome de sodium auquel il manque un électron est noté Na+. L'équation de la réaction (appelée dissolution) est donnée ci dessous:

CH3COONa  (solide)  \begin{smallmatrix}\rightleftharpoons\end{smallmatrix}    CH3COO-   +   Na+.  (dans l'eau)

Les produits de cette réaction, de charges électriques non neutres, sont appelés ions : on peut les imaginer comme deux mini-aimants. Ce type de réaction n'a rien d’extraordinaire en soi. De façon générale, tous les produits chimiques dans l'eau sont sous forme d'ions. Si vous lisez la composition de votre eau minérale, vous en trouverez une bonne dizaine. Le liquide obtenu est appelé solution.

Cette réaction de dissolution est limitée : on ne peut dissoudre qu'une quantité finie de poudre d'acétate de sodium dans l'eau. C'est exactement comme pour le sucre ou le sel. Au bout d'un moment, la poudre versée dans l'eau ne "disparaît plus" : on a atteint le point de saturation.

Pour dissoudre davantage de poudre, on peut augmenter la température en chauffant l'eau, ce qui a pour effet de repousser la limite de saturation. Inutile de faire bouillir l'eau, il suffit de chauffer et de remuer tout en rajoutant de la poudre en petites quantités, surtout sur la fin. Le produit n'est pas dangereux mais peut être un peu irritant, rincez vous les mains à l'eau en cas de contact prolongé avec le liquide et abstenez vous d'y goûter (je l'ai fait ce n'est pas très bon).

2 ème étape: la solution devient métastable

Dès que la poudre versée ne disparaît plus, il faut verser le liquide dans un récipient propre et transparent (pour pouvoir admirer le résultat), en prenant soin de ne pas verser le résidu de poudre éventuel du fond de la casserole. Il faut éviter, dans la mesure du possible, toute impureté dans la solution. Il s'agit ensuite de mettre ce récipient au frais, au frigo de préférence, et d'attendre que la solution refroidisse (une petite heure, cela dépend de votre réfrigérateur).

En refroidissant, la solution passe graduellement à un état instable car elle contient plus d'ions (plus de poudre dissoute) qu'elle ne peut en contenir normalement à température ambiante. On dit qu'elle est sursaturée. D'un point de vue physique, le système est dans un état métastable, c'est à dire qu'il est dans une configuration d'équilibre très précaire que la moindre perturbation peut bouleverser. On peut penser à un ballon posé au sommet d'une colline ; il ne bouge pas, mais au moindre coup de vent, il dégringole en bas. Dans notre cas, des millions de milliards de milliards de mini-aimants ne demandent qu'à se rassembler dans un état ordonné (cristallisé) beaucoup plus favorable d'un point de vue énergétique que leur configuration désordonnée. A partir de ce moment, faites donc très attention : ouvrez la porte du réfrigérateur doucement quand vous récupérez votre solution et évitez de heurter le récipient : un choc pourrait provoquer une cristallisation précoce et gâcher votre expérience.

3 La cristallisation

Posez le récipient où vous voulez et amusez vous maintenant : en touchant le liquide du bout des doigts (rien de dangereux, mais ça peut chauffer un peu) ou avec autre chose, ou même en tapotant le récipient, vous provoquez la cristallisation hyper rapide de la solution. En quelques secondes, elle devient solide et dégage de la chaleur : on dit que la réaction est exothermique. Attention à ne pas lâcher le récipient si vous le tenez dans vos mains : pas de quoi vous brûler mais cela peut surprendre. D'ailleurs, vous pouvez même plonger la main dedans, ça fait un drôle d'effet (n'allez pas faire n'importe quoi non plus, sous prétexte de rechercher de nouvelles sensations). Cette expérience peut être répétée à volonté : il suffit de faire fondre à la casserole votre "glace chaude" et de la remettre au frigo. Quelques suggestions de manips :



Vous pouvez également, comme dans l'animation ci-dessous, vous amuser à verser le liquide pendant la solidification.

Que s'est il passé au niveau des molécules ? Et bien l'inverse de la réaction de dissolution : en introduisant une perturbation, on a créé les conditions pour que quelques ions (les mini-aimants) se recombinent et reforment des cristaux, c'est ce qu'on appelle la germination. C'est pourquoi il faut éviter dans la mesure du possible les impuretés ; leur présence peut déclencher la germination. Dès que cela se produit, tous les autres ions situés à proximité veulent faire pareil et, très vite, ils s'associent et se rangent de façon ordonnée : c'est la cristallisation.  La solution se solidifie et les molécules d'eau résiduelles sont emprisonnées dans le réseau cristallin.

Cette fois, la réaction s'écrit:

CH3COO-   +   Na+  (dans l'eau)   \begin{smallmatrix}\rightleftharpoons\end{smallmatrix} CH3COONa (solide)

La cristallisation est également un phénomène commun (formation de la glace par exemple) et ne fait généralement pas intervenir la métastabilité. Cette réaction est intéressante car elle est très rapide et exothermique. A titre de comparaison, les cristaux géants de Naica ont mis 600 000 ans à pousser. D'un point de vue physique, les ions, en s'assemblant de façon ordonnée, permettent au système d'évacuer l’énergie accumulée lors du chauffage à la casserole. Entre temps, cette énergie a été stockée par le système en maintenant les ions séparés les uns des autres dans une configuration désordonnée.


Cette propriété est utilisée dans des bouillottes, des coussins ou d'autres objets auto-chauffants. Le principe est le même mais cette fois le liquide est contenu dans une poche en plastique. En pliant la petite pastille métallique (en bas du cœur sur la photo ci-contre), on crée une perturbation qui induit la cristallisation du liquide et un dégagement de chaleur. L'objet est évidement réutilisable ; il suffit de le mettre au micro-onde ou de le chauffer à la casserole pour faire fondre les cristaux.

D'autres vidéos de démonstration sont disponibles, dont quelques unes dans un français approximatif (tapez "acétate de sodium" sur youtube).

Et pour finir, une anecdote, souvent entendue mais dont je serais heureux de connaitre la source :

Un cavalier sur le lac Laika en Sibérie (Russie). Crédits : Matthieu Paley pour National Geographic
Pendant la campagne de Napoléon en Russie, une troupe de cavalerie se trouva confrontée à un phénomène extraordinaire en s'aventurant à traverser un cours d'eau. L'eau était en surfusion: sa température était inférieure à 0° C mais elle n'avait pas gelé. Cet état métastable est habituellement observé en laboratoire et il faut que l'eau soit très pure et très peu agitée. A peine les cavaliers avaient ils engagé leurs montures dans les eaux glaciales que celles-ci gelèrent dans un vacarme assourdissant. Les chevaux avaient perturbé le système en trempant leurs sabots dans l'eau et déclenché sa cristallisation presque instantanée. Les cavaliers furent obligés d'abandonner leurs chevaux, pris au piège dans la glace. Grâce au commentaire d'Ethaniel, je suis en mesure d'ajouter que cette histoire a été racontée dans le roman Kaputt, de Curzio Malaparte. Il est malheureusement trop tard pour lui demander quelles sont ses sources, mais vous en saurez plus en lisant la page Wikipédia.

Pour en savoir plus:
-la métastabilité
-liste de revendeurs ou lien ebay  pour se procurer de l'acétate de sodium

4 commentaires:

  1. Je pense que vous faites référence à cette anecdote ;).

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  2. Excellent! Merci! Je ne suis pas parvenu à trouver une source fiable..il s'agit sûrement d'une légende, reprise pour son côté spectaculaire sans prêter attention au contexte. Je tiens l'anecdote de deux anciens profs de fac, il faudrait que je les contacte! Je mets l'article à jour en tous cas:)

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  3. À noter que vos profs semblent avoir vieilli l’anecdote d’environ 130 ans, la scène de Kaputt se passant lors de la Seconde Guerre mondiale et non lors de la campagne de Russie ^^.

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  4. Ouaip, mais c'est pourtant bien ce qu'ils nous avaient raconté..Je vais essayer de les contacter pour en savoir plus, il ne faut pas s’arrêter en si bon chemin!

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