Strange Stuff And Funky Things

Bienvenue sur la page de l’acétate de sodium
(english version here)

La drôle de solution qui se solidifie en coulant est de l’acétate de sodium. Comme je vous le dévoilais dans cet article de SSAFT, l'acétate de sodium est un composé chimique de nature assez particulière (à commencer par son odeur puisqu'il s'agit d'un dérivé de l'acide acétique qu'on retrouve dans le vinaigre). C'est en fait une association entre un ion acétate et un ion de sodium dont la formule apparait plus haut, et qu'on peut acheter sous forme de poudre (un sel pour être précis) dans la plupart des laboratoires de France et de Navarre... Et si t'es un savant fou, tu peux t'en acheter ici et jouer à faire exploser ta cuisinière. Cependant, si tu n'es pas fortuné ou si tu n'es pas un scientifique (c'est mal!) avec un accès privilégié aux réactifs censés être nécessaires à faire avancer la recherche, tu peux aussi jouer avec les produits de ta cuisine et salir tes casseroles pour rigoler un bon coup (ou te faire taper par ta mère si tu es juvénile...). Pour cela il suffit que tu mélanges 84 grammes de bicarbonate de soude avec 750 ml de vinaigre 8% (et tu apprends alors que 8% est le degré d'acide acétique dans ton vinaigre, à savoir 8 grammes d'acide acétique pour 100ml de solution...) pour faire 82g d'acétate de sodium dilué dans l'eau. Pour obtenir une poudre, il suffit ensuite de faire bouillir ta préparation jusqu'à évaporation de l'eau. Et autant te le dire tout de suite, si tu fais exploser ta cocotte minute ou si tu fais fondre ton chat, c'est pas la peine de venir te plaindre auprès de moi puisque tu t'es lancé dans cette expérience à tes risquéperils...
Et c'est peut être à ce moment précis que tu vas commencer à te demander pourquoi est-ce que tu te casses autant la tête à te fabriquer un peu de poudre qui sent pas bon! Et bien la réponse en image immédiatement tout de suite:

Donc pour les anglophobes, voici une traduction des instructions à suivre:

• Dissoudre l'acétate de sodium dans de l'eau frémissante jusqu'à saturation
• Mélanger constamment
• Une fois dissous, verser dans un verre et placer au frigo (éviter de trop perturber la solution)
• S'assurer que la solution versée dans le verre ne contienne pas de poudre!
• Une fois bien frais, verser dans un réceptacle
• Et enfin toucher la solution

Et maintenant un brin d'explication?
Pour la dissolution, direction Sweet Random Science où Karim nous explique:

Que se passe t-il quand on verse la poudre dans l'eau?
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 ci-dessous) a pour formule CH₃COONa:

Représentation de la molécule d'acétate de sodium

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)      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 "disparait plus": on a atteint le point de saturation. Pour dissoudre davantage de poudre, on augmente 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.

L'astuce de la réaction vient donc du fait que la solution préparée est ultra-saturée (la solution contient plus de soluté qu'elle ne peut en contenir d'habitude) Une solution ultra-saturée d'acétate de sodium a la propriété de pouvoir se maintenir en surfusion, c'est à dire de refroidir en dessous de son point de fusion (température à laquelle la solution devrait normalement geler) tout en gardant des propriétés liquides. Mais il s'agit d'un état instable ou plutôt métastable (imaginer ici une balle en équilibre sur la pointe d'une montagne) et une perturbation peut suffire à précipiter d'un seul coup le gel de la solution (et là quelqu'un vient de foutre un coup de pichenette à la balle qui tombe précipitamment)! C’est ce qui explique qu’il faut faire très attention à ne pas perturber le liquide lors de cette étape critique. Cette fois-ci, c’est chez David Louapre de Science Etonnante qu’on trouve une explication détaillée de la métastabilité: 

Pour comprendre cette situation, prenons une analogie mécanique. Si vous placez une boule sur la pente d’une vallée,  elle sera dans une position instable et elle va descendre dans le creux de la vallée, qui est sa position stable.

Mais si la pente est rugueuse ou avec un creux intermédiaire, il se peut que notre boule reste coincée ailleurs que dans le fond. On parle alors de position métastable. Il faudra à notre boule une petite perturbation pour se sortir de cette position et rejoindre le fond de la vallée.

Vient enfin l’étape de cristallisation. Karim nous explique:
 

En touchant le liquide du bout des doigts (rien de dangereux) 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.
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 sont emprisonnées dans le réseau cristallin.
Cette fois, la réaction s'écrit:

CH₃COO^-   +   Na⁺  (dans l'eau)   CH₃COONa (solide)

On se la refait histoire de bien halluciner?
 

Aussi incroyable que ça puisse paraitre, on peut réaliser le même type de réaction avec de la bière et même de l’eau (très pure cependant)! Cette fois-ci, c’est le liquide lui même qui est métastable. Le passage de liquide à solide nécessite lui aussi une perturbation. Comme l’explique David Louapre:

Plusieurs types de perturbations peuvent être utilisées pour faire démarrer la solidification de l’eau surfondue. Le contact avec un glaçon représente la perturbation idéale, car il constitue alors une amorce de la réaction en chaîne, en formant un germe autour duquel la solidification peut se produire. La perturbation la plus courante est la vibration. Comme votre congélateur vibre un peu, c’est cela qui fait que vous ne récupérez jamais de l’eau surfondue dans votre bac à glaçons. Le choc est également un bon déclencheur. C’est lui qui est à l’origine de certaines pluies verglaçantes, quand des gouttes d’eau de pluie surfondue impactent le sol et se solidifient.

Voici quelques vidéos explicatives ou de démonstration du phénomène avec de l’eau: 

Pour la bière, le côté pratique de la manip est qu’on peut utiliser un autre type de perturbation, la détente d’un gaz dissous dans le liquide. Je repique la joke de David: Supercool en soirée !

L’acétate de sodium présente cependant une propriété très intéressante par rapport à la bière ou l’eau. Comme expliqué plus haut, la réaction de cristallisation est une réaction exothermique, ce qui signifie qu'elle dégage de la chaleur. Non seulement on obtient de la glace instantanément, mais en plus, il s'agit de glace CHAUDE!
C'est donc une solution d'acétate de sodium qui est utilisée dans les chaufferettes qu'utilisent certaines personnes dans les stations de skis, ou qui vivent dans des régions glaciales comme tout ce qui est au dessus de Paris.
Comme l’explique Amélie Cabasse sur Voyage au cœur de la Science:

La transformation d’un liquide en solide se fait à une certaine température : 0° pour l’eau, 55° pour l’acétate de sodium. Puisque l’acétate se trouve en saturation dans l’eau, le changement d’état va donc se produire à la température de 55°C. Une fois la transformation finie, la température va diminuer jusqu’à atteindre la température ambiante.

Pour régénérer la bouillotte, il suffit de la plonger dans une casserole d’eau supérieure à 55°C, afin que l’acétate sous forme solide reprenne une forme liquide! Il suffira à nouveau de tordre la pièce métallique pour redéclencher le processus et utiliser la bouillotte.

Karim, dans son billet, finit par évoquer une anecdote que j’avais moi-même entendue sur des chevaux traversant le lac russe de Ladoga en état de surfusion ce qui aurait entrainé la cristallisation instantanée du lac et emprisonné les chevaux dans la glace, un peu comme pour ce pauvre renard ci-dessous.


Il s’avère que l’origine de cette anecdote est à retrouver dans le roman ‘Kaputt’ de Curzio Malaparte :

« Le troisième jour un énorme incendie se déclara dans la forêt de Raikkola. Hommes, chevaux et arbres emprisonnés dans le cercle de feu criaient d'une manière affreuse. (…) Fous de terreur, les chevaux de l'artillerie soviétique — il y en avait près de mille — se lancèrent dans la fournaise et échappèrent aux flammes et aux mitrailleuses. Beaucoup périrent dans les flammes, mais la plupart parvinrent à atteindre la rive du lac et se jetèrent dans l'eau. (…)

Le vent du Nord survint pendant la nuit (…) Le froid devint terrible. Soudainement, avec la sonorité particulière du verre se brisant, l'eau gela (…)

Le jour suivant, lorsque les premières patrouilles, les cheveux roussis, atteignirent la rive, un spectacle horrible et surprenant se présenta à eux. Le lac ressemblait à une vaste surface de marbre blanc sur laquelle auraient été déposées les têtes de centaines de chevaux. »

— Curzio Malaparte, Kaputt, 1943

Le passage est discuté dans une récente emission de Radiolab. On y apprend de nombreuses choses sur le phénomène, la véracité douteuse de l’anecdote mais également d’incroyables faits sur les bactéries aériennes capables de générer de la neige et un parallèle troublant entre la métastabilité de l’eau et le big bang!

Liens:
Article Science Etonnante
Article Voyage au Cœur de la Science
Article Sweet Random Science
Article Idées de Physique
Emission Radiolab