Coussins thermiques - Réaction chimique ?

[Miss All Sunday]

Bonsoir,

Vous allez peut être trouver ma question idiote, mais quelle est la réaction qui se produit dans un coussin thermique ??? Vous savez, cet objet en plastique avec un liquide un peu visqueux dedans et un bâton rouge...

Concrètement, quand on tord le bâton, le liquide se solidifie et dégage de la chaleur. Il se liquéfie a nouveau quand on le plonge dans de l eau bouillante.

C'est peut être complètement débile, mais si quelqu'un pouvait m'éclairer a ce propos, ce serait sympa !

Merci d'avance !!
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[mach3]

c'est une cristallisation, qui est une réaction exothermique. Ce n'est pas vraiment une réaction chimique (bien que certaines personnes ne seraient pas d'accord avec moi) mais un changement d'état.
Le liquide dans le coussin est généralement du trihydrate d'acétate de sodium dans un état appelé "surfondu". En effet ce composé est censé être solide en dessous de 50°C environ, cependant sa cristallisation étant difficile, il peut rester liquide longtemps à des températures inférieures. Lorsque tu tord le bâton, tu fournis l'énergie nécessaire pour déclencher la cristallisation. La chaleur dégagée par la cristallisation va chauffer le coussin, éventuellement jusqu'à la température de fusion du composé (environ 50°C) et la température ne redescendra pas tant que tout n'est pas cristallisé.
En plongeant le coussin dans l'eau bouillante (ou même dans une eau à 60°C), tu fais refondre le composé.

m@ch3

[mach3]

j'ajouterais que l'on peut observer le même type de phénomène avec de l'eau. Lorsque l'on refroidit de l'eau en dessous de 0°C, elle ne gèle pas forcément (tout dépend du contenant, de la vitesse de refroidissement et aussi des chocs que le contenant pourrait subir) et peut rester liquide même à -18°C. Elle est alors en état de surfusion. Le moindre choc sur la bouteille provoque la congélation immédiate.

Tu peux trouver plein de vidéos de ce phénomène sur youtube, par exemple : http://www.youtube.com/watch?v=e5huXWeTOe8

J'ai déjà fait la manip en mesurant la température dans l'eau. Dans mon cas l'eau est restée liquide jusqu'à -8°C, la température descendant bien régulièrement et d'un seul coup elle s'est mise à geler. La température est remontée brusquement à 0°C à cause de la chaleur dégagée par la formation de la glace et elle y est resté jusqu'à ce que toute la glace soit formée. Elle est ensuite redescendue tranquillement.

m@ch3

[Miss All Sunday]

Aaaaaah ok...au début je pensais que le bâton était fait dans une matière qui réagissait avec le liquide, mais maintenant que j'y repense c'est vrai que ça n'aurait pas pu être ça...la surfusion est même tout a fait compréhensible. Pour l'experience avec l'eau, j'ai déjà vu la vidéo, on en parlait en cours l'année dernière

Mais du coup j'ai un petit problème: Un liquide "surfondu" revient a son état "normal" avec une petite perturbation. Pourquoi il n'y a que le bâton qui permette la solidification, et pas n'importe quel choc ou compression ???
Ah oui, et j'ai remarqué aussi que juste après la liquéfaction, le liquide est beaucoup plus "réactif", enfin ce que je veux dire, c'est que je n'ai pas besoin de tordre le bâton, une légère (très légère) pression déclenche la solidification...

[A voir en vidéo sur Futura]

[mach3]

en fait c'est une question de viscosité.

Parlons un peu plus en détail de la cristallisation et du phénomène de surfusion, et plus généralement de sursaturation qui est le même phénomène mais pour une solution qui contient plus de soluté que ce que la solubilité ne le permet (il devrait donc y avoir cristallisation du soluté selon la thermodynamique, mais c'est sans compter sur la cinétique).

La cristallisation comporte plusieurs étapes, nous allons nous concentré sur la première, la nucléation. Quand un liquide est en dessous de sa température de solidification (ou qu'une solution contient plus de soluté que ne le permet la solubilité), le solide est censé être stable thermodynamiquement, mais cela ne compte que le volume du solide (le bulk), pas la surface. En effet la surface est défavorable : les atomes ou molécules à la surface du cristal n'ont pas toutes leurs liaisons satisfaites (comme quand ils sont dans le liquide), mais ne peuvent pas bouger (comme quand ils sont dans le solide), ils sont donc "frustrés" : ils "préféreraient" être dans le liquide ou dans le solide plutôt qu'à l'interface.

Pour qu'un cristal se forme, il faut que les atomes ou molécules se rencontrent et s'empilent et l'énergie de cet embryon de cristal dépend du volume (atomes du solide qui ont leurs liaisons satisfaites) et de la surface. Dès qu'on est en dessous de la température de fusion (ou plus généralement, sursaturé), la contribution du volume à l'énergie est négative (le solide à moins d'énergie que le liquide et est donc plus stable) mais la contribution de la surface, elle, est toujours positive. La surface d'un cristal croissant comme le carré de sa taille et son volume comme le cube, en dessous d'une certaine taille l'énergie totale est positive : le cristal n'est pas stable. Il faut dépasser une certaine taille critique pour que la contribution négative du volume surpasse celle, positive, de la surface. Dans le liquide les atomes ou molécule n'arrêtent pas de s'empiler de façon fugace, chaque empilement étant vite détruit par l'agitation thermique. Au bout d'un moment cependant il se peut que statistiquement l'un de ces empilements dépasse la taille critique et à partir de là, comme il est stable, il ne sera plus détruit par l'agitation : c'est la nucléation, l'apparition du premier germe de cristal stable.
Plus la température est basse par rapport à la fusion (ou plus la sursaturation est élevée), plus la taille critique est faible et donc la nucléation facile... jusqu'à une certaine limite. Si la température devient vraiment trop basse (ou la sursaturation trop élevée) le liquide devient très visqueux et la vitesse à laquelle les empilements fugaces se produisent devient considérablement réduite. On a donc un domaine de température (ou de sursaturation) ou la nucléation sera plus facile, mais au-dessus ou en-dessous, elle devient plus lente, beaucoup plus lente.
Une fois qu'un germe cristallin est apparu, il va croitre, jusqu'à ce que tout le liquide ait cristallisé (ou, dans le cas d'une solution, que la concentration du soluté soit retombée à la valeur de la solubilité), c'est la croissance, la 2e étape de la cristallisation.

Revenons à la nucléation. Celle-ci à une énergie activation qui correspond à l'énergie qu'il faut qu'un empilement fugace surpasse pour donner lieu à une nucléation. Cette énergie peut être fournie de l'extérieur, par un choc ou une contrainte, voire même simplement des aspérités sur une paroi (où l'empilement va pouvoir commencer, la surface en contact avec la paroi contribuant alors beaucoup moins à l'énergie positive de surface ->taille critique abaissée). En labo on utilise d'ailleurs fréquemment les ultrasons pour déclencher une nucléation qui tarde trop.
Quand tu tord le bâton de ton coussin, tu fournis l'énergie nécessaire.

Dans le cas de ton coussin qui vient juste d'être refondu, la cristallisation pourra être amorcée d'autant plus facilement qu'il est encore chaud : la viscosité du liquide est faible, il ne faut qu'un petit coup de pouce pour que ça démarre. Une fois que c'est refroidi, il en faut plus que ça car la viscosité a considérablement augmenté le temps nécessaire à la nucléation. Cependant, si tu laisses ton coussin suffisamment longtemps, il va finir par cristalliser de lui même (au bout de quelques jours, semaines, mois, voire plus cela dépend).

m@ch3

[Miss All Sunday]

Ça c'est une réponse super complète !!! Merci encore, c'est vraiment génial je trouve, de voir que des gens se donnent autant de mal pour fournir une explication détaillée