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Il existe un grand nombre d’expériences à domicile qui servent à illustrer bon nombre des aspects les plus importants de la science, et plus particulièrement de la chimie. L’une de ces expériences est celle de la glace chaude, qui consiste en la cristallisation rapide et exothermique d’une solution aqueuse d’acétate de sodium. Ensuite, nous montrerons tout le nécessaire pour réaliser la synthèse de l’acétate de sodium à partir de vinaigre et de bicarbonate de sodium, et nous préparerons également une solution sursaturée de ce sel organique qui, lorsqu’il cristallisera, illustrera la puissance des réactions exothermiques.
Qu’est-ce que la glace chaude ?
Malgré ce que son nom l’indique, la glace chaude n’est pas réellement de la glace. Rappelons-nous que la glace n’est rien de plus que le nom commun avec lequel l’eau est connue à l’état solide. Dans les conditions ambiantes de température et de pression, l’eau est à l’état liquide et son point de fusion est de 0 °C. À la pression ambiante standard de 1 atmosphère, il n’est pas possible de chauffer la glace au-delà de son point de fusion, car toute chaleur supplémentaire que nous fournissons sera utilisée pour faire fondre la glace plutôt que pour la chauffer. Pour cette raison, l’idée de fabriquer de la vraie glace (eau solide) à pression ambiante et à température ambiante, ou pire, à une température plus élevée, viole les lois de la thermodynamique. Autrement dit, c’est impossible.
La glace chaude est en fait un composé chimique appelé acétate de sodium . Ce composé est un sel organique formé d’ions acétate, qui correspondent à la base conjuguée de l’acide acétique, contenue dans le vinaigre que nous utilisons en cuisine, et d’ions sodium. L’acide acétique est un acide organique appartenant à la famille des acides carboxyliques et est le deuxième membre le plus simple de cette famille. Par conséquent, ses sels sont appelés sels organiques.
La formule de l’acétate de sodium peut être écrite de différentes manières. Sa formule chimique est NaC 2 H 3 O 2 . Sous forme semi-expansée, il s’écrit CH 3 COONa, et l’ion acétate est parfois abrégé Ac – , de sorte que l’acétate de sodium est représenté par NaAc. La structure chimique de ce composé est :
Malgré cette structure, l’acétate de sodium cristallise à partir d’une solution aqueuse sous la forme du sel trihydraté de formule NaC 2 H 3 O 2 · 3 H 2 O.
Réaction de synthèse d’acétate de sodium
Les sels peuvent être synthétisés de différentes manières et à partir de différents réactifs chimiques. L’un des moyens les plus simples d’y parvenir consiste à effectuer une réaction de neutralisation entre un acide avec l’anion approprié (l’acide acétique dans ce cas) et une base contenant le cation approprié. L’acide acétique est un acide faible qui est facilement disponible et sûr à manipuler. En ce qui concerne la base, il existe plusieurs options qui fonctionneraient pour l’acétate de sodium, mais les deux plus appropriées sont l’hydroxyde de sodium (soude caustique) et le bicarbonate de sodium .
La première base, l’hydroxyde de sodium, est un bon choix pour une synthèse rapide car c’est une base forte qui réagit rapidement avec l’acide acétique pour former de l’acétate de sodium, et le sous-produit de la réaction est l’eau, qui est déjà présente de toute façon.
Dans ce cas, la réaction chimique serait :
Cependant, cette réaction présente deux problèmes majeurs. Tout d’abord, bien que l’hydroxyde de sodium soit facilement disponible, car c’est le composant principal de la plupart des nettoyants caustiques pour four et des dégraissants, c’est une substance assez dangereuse qui doit être manipulée avec beaucoup de précaution. .
Deuxièmement, il est nécessaire de mesurer soigneusement les quantités d’hydroxyde de sodium ajoutées à la solution et le pH doit être vérifié à l’aide de papier de tournesol ou quelque chose de similaire pour indiquer quand tout l’acide acétique a été neutralisé, car si un excès est ajouté Sur cette base, la solution saline peut être fortement alcaline et dangereuse à manipuler.
Une alternative plus appropriée et beaucoup plus sûre qui offre le plus d’avantages de l’hydroxyde de sodium, mais aucun des inconvénients, est le bicarbonate de soude. Ce sel correspond au sel de sodium de la base conjuguée de l’acide carbonique. C’est un composé amphotère qui peut réagir avec les acides et les bases et est capable de neutraliser l’acide acétique, formant de l’acétate de sodium et de l’acide carbonique. Ce dernier pourrait interférer en contaminant l’acétate de sodium formé, mais il se décompose rapidement en produisant de l’eau et du dioxyde de carbone gazeux qui s’échappe rapidement sous la forme d’une effervescence visible à l’œil nu.
La réaction de synthèse de l’acétate de sodium à l’aide de bicarbonate de sodium est la suivante :
C’est la réaction que nous utiliserons dans la présente synthèse de l’acétate de sodium.
Le vinaigre blanc est une solution aqueuse purifiée d’acide acétique qui contient généralement entre 3% et 5% en masse d’acide. D’une densité très proche de celle de l’eau pure, cela signifie que 1 L de vinaigre contient environ 30 à 50 g d’acide acétique. Cela signifie que pour qu’ils réagissent dans des proportions stoechiométriques, un litre de vinaigre nécessite environ entre 42 g et 70 g de bicarbonate de sodium. S’il se trouvait dans la proportion maximale, environ 113 g d’acétate de sodium trihydraté seraient formés.
Procédure pour préparer de la glace chaude à la maison
réactifs
- 1 L Vinaigre blanc (acide acétique env. 5%)
- 100 g de bicarbonate de soude
matériaux et équipements
- Poêle à chauffer.
- Bécher d’au moins 1,5 L de capacité. Si vous n’en avez pas, vous pouvez la remplacer par une casserole ou une poêle en verre et, éventuellement, en métal.
- Récipient en verre de 200 à 250 mL de capacité. Le récipient doit être très propre et ne doit pas être rayé.
- Balance de cuisine, de préférence numérique.
Préparation d’une solution d’acétate de sodium sursaturée
Pour synthétiser l’acétate de sodium, suivez ces étapes :
- Peser le bicarbonate de soude sur une balance et réserver.
- Ajouter le vinaigre dans le bécher et ajouter lentement le bicarbonate de soude à la solution en petites portions, en remuant avec une cuillère jusqu’à ce que le pétillement s’arrête avant d’ajouter la portion suivante. Cela permet d’éviter que trop de dioxyde de carbone ne soit généré et ne déborde sur les côtés du bécher. À ce stade, l’acétate de sodium s’est déjà formé.
- Porter la solution à ébullition à feu moyen et continuer à chauffer pour évaporer l’eau et réduire le volume jusqu’à ce que des cristaux d’acétate de sodium apparaissent sur les bords du récipient. À ce stade, le volume doit être d’environ 100 à 150 ml.
- À ce stade, ajoutez une petite quantité d’eau (environ 5 ml devraient suffire) et continuez à chauffer jusqu’à ce que tout le solide formé soit complètement dissous.
- Transférez délicatement la solution chaude dans le deuxième récipient en verre. Si des cristaux se forment pendant le transfert, chauffer le récipient dans un bain d’eau bouillante jusqu’à dissolution. Si les cristaux persistent, ajouter à nouveau une petite quantité d’eau et chauffer un peu plus longtemps. Il est très important qu’il n’y ait pas un seul cristal dans cette solution avant l’étape suivante.
- Couvrez le récipient contenant la solution avec une pellicule plastique et placez-le au réfrigérateur, en évitant de le cogner ou de le manipuler brutalement.
expériences de glace chaude
La solution froide ainsi obtenue est une solution sursaturée d’acétate de sodium qui cristallisera rapidement après toute perturbation, formant un bloc chaud de cristaux ressemblant à de la glace.
- Vous pouvez expérimenter cette solution de différentes manières. Essayez d’ajouter de petits cristaux sur la surface et vous verrez comment ils poussent dans toutes les directions en formant de belles aiguilles.
- Vous pouvez également transférer une petite quantité de solution dans une boîte de Pétri et un autre récipient en verre peu profond et des cristaux de semence aux deux extrémités pour voir lesquels poussent plus rapidement.
- Enfin, de nombreuses personnes aiment verser lentement la solution sur une petite poignée de cristaux sur une surface. Au fur et à mesure que la solution tombe, elle cristallise en formant une stalagmite verticale d’acétate de sodium.
Explication de l’expérience de glace chaude
La cristallisation rapide de l’acétate de sodium est due au fait que la solution froide préparée est une solution sursaturée du sel. Cela signifie qu’il contient plus d’acétate de sodium dissous que l’eau est capable de se dissoudre à cette température. Cela signifie que la solution est dans un état métastable qui peut être facilement précipité par toute perturbation qui génère la formation des premiers cristaux, ou par l’ajout de certains cristaux qui servent de noyaux pour la formation de nouveaux cristaux.
Cette perturbation peut consister à ensemencer un petit cristal à la surface, à toucher la solution avec un doigt ou à gratter la surface du récipient avec un ustensile métallique. Parfois, il suffit de frapper le récipient pour déclencher la cristallisation
Le processus de cristallisation se répandra rapidement dans toute la solution. La chaleur provient du fait que la réaction chimique de cristallisation est exothermique, c’est-à-dire qu’elle dégage de la chaleur.
Mesure de sécurité
Heureusement, aucun des réactifs chimiques utilisés dans cette expérience n’est toxique ou dangereux de quelque manière que ce soit. L’acétate de sodium n’est pas non plus un composé dangereux. En fait, il est utilisé comme additif dans l’industrie alimentaire.
Cependant, l’expérience nécessite de chauffer une solution jusqu’à ébullition et de manipuler la solution chaude, ce qui présente un risque de brûlure important. Cette expérience ne doit pas être réalisée sans la surveillance d’un adulte et sans utiliser de gants thermiques pour protéger les mains de la chaleur.
Les références
Amochimiques. (sd). Soude caustique : qu’est-ce que c’est, caractéristiques et précautions . amochemicals.com. https://www.amoquimicos.com/caracteristicas-de-la-soda-caustica
Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS et Herranz, ZR (2020). Chimie (10e éd .). McGraw Hill Education.
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Seara, B. (2017, 7 février). Glace chaude instantanée – des expériences incroyables . experScience. https://www.experciencia.com/hielo-caliente/