Difficulté
Facile
Durée
1,5 heure(s)
Coût
1 EUR (€)
Description
The purpose of this tutorial is to make hand-held warmers. These can be heated up to around 50°C when activated, and can be used in the mountains, for example, to keep warm when hiking.
Sommaire
Sommaire
- 1 Description
- 2 Sommaire
- 3 Introduction
- 4 Étape 1 - Calculating quantities
- 5 Étape 2 - Cleaning equipment
- 6 Étape 3 - Mixing reagents
- 7 Étape 4 - Heating, evaporation
- 8 Étape 5 - Remplissage
- 9 Étape 6 - Recharge des chaufferettes
- 10 Étape 7 - Utilisation des chaufferettes
- 11 Étape 8 - La théorie des chaufferettes
- 12 Étape 9 - Problématique non résolue
- 13 Notes et références
- 14 Commentaires
Introduction
When we go out in the mountains, we sometimes find ourselves exposed to the cold, particularly on the extremities of the body (hands, feet).
Some people really struggle to keep warm, and ski touring (to avoid the wasteful and environmentally-friendly ski lifts!) can become a real nightmare!
Some sports shops offer hand-heaters for a little extra comfort. These are small plastic containers that warm up to around 50°C when activated.
Some are reusable, for around 20€ a pair, while others are not, for around 15€ for 30.
In a complete low-tech approach, we should first ask ourselves about this need for comfort. But before we get there, and for those who may already have given this in-depth thought but still feel the need to have heaters, it's possible to make reusable (almost! See the discussion on the problems to be solved) and economical ones yourself (see the discussion on the problems to be solved). It's possible to make your own heaters that are reusable (almost! See discussion on the problems to be solved) and economical (that's confirmed!)!
Matériaux
- Sodium bicarbonate (baking soda)
- Vinegar
- Container for warmers (here empty compotes to take away)
The quantities will be discussed in the tutorial as they depend on the concentration of the vinegar.
Outils
- Saucepan
- Scales
- Spoon
- Funnel
- Glass
- Measuring glass
Étape 1 - Calculating quantities
Here are the quantities for one warmer ! The mass of vinegar depends on its concentration.
Quantity for one warmer
35g baking soda
| Concentration of vinegar [%] [g | Mass of vinegar [g] | Approximate volume of vinegar [mL |
| 6 | 415 | 415 |
| 8 | 315 | 315 |
| 10 | 250 | 250 |
| 12 | 210 | 210 |
| 14 | 180 | 180 |
| 16 | 155 | 155 |
These values are approximate. You can find out how to calculate them in the theoretical sections.
NB: The density of vinegar is very close to that of water, 1kg for 1L.
Étape 2 - Cleaning equipment
Making warmers involves doing chemistry, and chemistry doesn't take kindly to impurities. We strongly advise you to clean all utensils properly with soap and water. Particularly the containers of the heaters, as there's a risk of a little compote remaining in them if you choose the same ones as us!
Étape 3 - Mixing reagents
Safety
- Vinegar is irritating to the skin and very irritating to the eyes. Do not hesitate to wear safety goggles when mixing. Otherwise, watch out for splashes.
The first step consists of mixing the vinegar and bicarbonate of soda. To do this, start by pouring the right amount of vinegar into the pan. Then add the bicarbonate of soda "slowly". Stir until there is no more foam. This indicates that the chemical reaction is complete.
Point of vigilance
- Pour in the bicarbonate of soda slowly, as the reaction produces CO2 gas, causing the solution to foam.
- This stage takes time, but it's best to get to the end so that all the vinegar reacts. If there is any vinegar left over, be prepared to smell its nauseating odour during the next stage!
- The more warmers you make, the longer the reaction will take. For 5 heaters, you can expect about 20 minutes of mixing.
Étape 4 - Heating, evaporation
Safety
- The substance obtained from the reaction of vinegar and sodium bicarbonate is sodium ethanoate. This substance is irritating, so don't hesitate to wear safety goggles. Otherwise, be careful not to get any in your eyes.
- Slight risk of burns, possible small splashes if large quantities are used on a high-powered hob.
Lorsque la première étape est bien terminé, on peut mettre notre casserole à chauffer à feu vif, l'objectif est de faire s'évaporer toute l'eau qu'il y a en trop. Je dis en trop, car nous aurons besoin d'un petit peu d'eau pour obtenir la bonne substance. Lorsqu'un film très léger commence à apparaitre à la surface, alors la substance est prête, il faut arrêter la chauffe.
Point de vigilance
- Il y a une grande quantité d'eau à évaporer donc cette étape prend un certain temps (encore une fois, au plus on fait de chaufferette, au plus l'évaporation est longue)
- Lors de cette étape il ne se passera rien pendant longtemps, mais à la fin tout va très vite. Il faut donc être très attentif dès lors que le liquide se trouble très légèrement et jauni.
- Généralement, sur la fin, des cristaux apparaitrons sur les bords de la casseroles.
- Si par mégarde, on laisse le liquide trop longtemps chauffer, il se solidifie complétement. Dans ce cas, couper le feu et ajouter de l'eau rapidement (pas en trop grande quantité, juste assez pour voir tout le solide redevenir liquide). On peut en suite le remettre sur le feu en remuant pour aider les dernier cristaux à ce liquéfier. Pas d'inquiétude, les chaufferettes fonctionneront tout de même !
- Vers la fin une odeur proche de celle d'un gâteau au four devrait apparaitre. Elle n'est pas désagréable mais éviter de trop la renifler !! Mieux vaut être prudent lorsque l'on joue à l'apprenti chimiste ! Même lorsque l'on manipule des substances peu dangereuse :)
Étape 5 - Remplissage
Sécurité
- Risque de brûlure, le liquide à verser dans les contenants de chaufferettes est très chaud (environs 100°C au début)
- En cas de contact avec la peau à moins de 60°C, le liquide se solidifiera et ce réchauffera. C'est très impressionnant car le solide colle à la peau. Pas de panique, un peu d'eau et il partira tout seul. Ne tardez tout de même pas trop à rincer à l'eau pour éviter une brûlure.
L'objectif de cette étape est de remplir les contenants de nos chaufferettes par la substance obtenu à l'étape 4.
Il faut être deux pour cette étape, seul il est difficile de tenir les contenant et de verser en même temps.
La personne qui tien le contenant peut mettre des gants pour limiter le risque de brûlure.
Dans cette étape on utilise un entonnoir que l'on vient insérer dans les contenants, puis on vient verser le contenu de la casserole doucement.
Point de vigilance
- Il faut laisser une petite entré d'air dans la chaufferette lorsque l'on verse le liquide, prenez garde à ne pas complétement boucher le trou avec l'entonnoir au risque de débordement et donc de brûlure :(
- Entre chaque chaufferettes, remuer la casserole pour mélanger le liquide et éviter que la surface ne se solidifie
- Le liquide se solidifie au alentour de 58°C, il faut donc le verser avant qu'il n'atteigne cette température, autrement l'entonnoir sera bouché. N'y allez pas pour autant trop vite au risque de vous bruler. Si la substance commence à trop refroidir, il suffi d'y ajouter un petit peu d'eau et de réitérer l'étape 4.
- Si l'entonnoir est complétement boucher, vous pouvez y verser de l'eau chaude, le solide deviendra liquide rapidement est coulera à flot !
Étape 6 - Recharge des chaufferettes
Les chaufferettes sont maintenant prête à être charger !
Afin de charger en chaleur les chaufferettes, il faut les mettre dans de l'eau bouillante durant 10-15min. Ensuite, on doit les laisser refroidir sans trop les remuer jusqu'à qu'elle soit à température ambiante.
Elles sont maintenant pleine d'énergie et prête pour utilisation en montagne ou ailleurs !
Étape 7 - Utilisation des chaufferettes
Une fois en pleine montagne dans le froid, on peut les activer, pour cela il faut suivre la notice.
Elle chauffe alors jusqu'à environs 50°C. Pour conserver la chaleur créer, il est conseillé de les isoler de l'air extérieur en les mettant dans vos gants et/ou dans vos poches.
Sécurité
Attention, il est fortement déconseillé de réchauffer brutalement une engelure. L'utilisation des chaufferettes se veut préventive, pour prévenir de forte sensation de froid et non pour réchauffer une zone en état critique.
En suite, il est fortement déconseillé d'alterner chaud et froid sur une engelure. Mieux vos privilégier des vêtements secs et attendre un bain thermostaté à 37°C une fois en lieu sûr.
Étape 8 - La théorie des chaufferettes
Il a été très intéressant pour moi d'expérimenter par moi même et d'améliorer un procéder suite à des observation personnels ! Je vous fais ici part de mes découvertes tiré de mes expériences et de mes lectures.
Fabrication de l'éthanoate de sodium, réaction chimique
L'éthanoate de sodium est un produit de la réaction entre l'acide éthanoïque et le bicarbonate de sodium.
Cette réaction produit aussi de l'eau est du CO2.
Calcule des quantités
Cette partie n'est pas très fun, à passer si vous n'êtes pas un grand fan de calculs de chimie ! Mais nécessaire si vous voulez recalculer le tout par vous même !
Afin de déterminer les quantités d'acide éthanoïque et de bicarbonate de soude à mélanger on fait l'hypothèse que la réaction est totale. Ainsi, afin d'optimiser le tout, il faut mélanger les réactifs en quantité dite stœchiométrique. Lorsqu'on insère exactement ces quantités, tout les réactifs sont consommé et il ne reste plus que des produit à la fin de la réaction!
Dans notre cas, une molécule d'acide éthanoïque réagit avec une molécule de bicarbonate de sodium. Ainsi, il faut mettre le même nombre de "quantité de matière" (de moles) de chacun des deux réactifs afin d'atteindre les quantités stœchiométriques.
Sachant cela, on calcul la quantité de matière correspondante à 35g de bicarbonate (pour 1 chaufferette).
En suite, on calcul la masse d'acide acétique pour obtenir exactement la même quantité de matière (ce qui dépendra de sa masse molaire).
Enfin, sachant qu'un vinaigre, disons, à 8%, possède 0,08 g d'acide éthanoïque pour 100mL, alors on calcul le volume de vinaigre pour obtenir exactement la bonne masse d'acide éthanoïque.
Si on préfère, il est possible de calculer la masse de vinaigre plutôt que son volume (Utile lorsque l'on a pas de verre doseur). Par chance, le vinaigre à presque la masse volumique de l'eau, donc 1kg de vinaigre pour 1l de vinaigre.
Il a de nombreuse ressource pédagogique sur les calculs de base en chimie des solution sur internet si cela vous intéresse. Ce sont des notions aborder en début de lycée en France.
Comprendre par ses propres sens
Cette réaction est amusante à expérimenter car très visuel, la production de CO2 gazeux produit de la mousse. On peu alors savoir si toute nos molécules on bien réagi.
Pourquoi la réaction (mélange) est si longue ?
La réaction prend du temps, et on est obligé de mélanger ! Mais que se passe-t-il dans le monde des molécules pour que cela prenne autant de temps !
Dans notre casserole après quelques seconde de réaction, on a beaucoup d'eau, des réactifs mais aussi les quelques produits déjà créer. Pour pouvoir réagir, il faut que deux molécules de réactif se rencontre.
Mais comment ce rencontrer dans tout ce bazar !? C'est un peu comme si on jetait du pollen dans un champs de fleur, au début, il est facile pour le pollen de trouver une fleur célibataire, mais après quelques minutes, lorsque de nombreux couple se sont former, difficile pour une petite fleur et un pollen de ce retrouver.
En terme technique on parle de cinétique de réaction pour désigner la vitesse à laquelle elle à lieu et de phénomène limitant pour parler du phénomène qui impose cette vitesse.
Ici c'est la rencontre des molécules qui est la plus lente, on parle donc de transfert de masse.
Vous avez dit cristallisation ?
On a déjà discuter du problème de cristallisation si on fait chauffer trop longuement le liquide. C'est assez contre-intuitif comme observation. Normalement, en augmentant la température, on passe de solide à liquide pas l'inverse.
Le phénomène de cristallisation provient ici de la déshydratation l'éthanoate de sodium trihydraté vers l'éthanoate de sodium anhydre. En faite, la substance trihydraté, celle que l'on souhaite pour nos chaufferette, se liquéfie si on la chauffe au delà de 58°C. En revanche, la substance anhydre elle ne se liquéfie qu'à 324°C. Ainsi, lorsqu'on enlève son eau à une molécule, PAF ! Elle devient anhydre et se solidifie instantanément car nous ne somme bien en dessous de 324°C !
Au début, il y a de l'eau en excès, donc c'est cette eau la qui s'évapore. Mais dès lors qu'il n'y a presque plus d'eau, on commence à déshydrater nos bonne vieille molécule, d'où l'apparition sur la fin de cristaux, puis, progressivement d'un film solide.
Comprendre pour mieux agir !
Ici, la connaissance du phénomène permet de juger quand arrêter l'étapes 4. En effet, à l'apparition des premiers cristaux, on sait que le liquide restant n'est pas de l'eau mais bien de l'éthanoate de sodium trihydraté, car si il y avait encore de l'eau liquide, c'est elle qui s'évaporerais et aucun cristaux n'apparaitrais !
Le plus important ! Pourquoi les chaufferettes chauffe !
Le fonctionnement des chaufferettes se base sur le phénomène de surfusion ! Pour en savoir plus vous pouvez consulter cette article :
Étape 9 - Problématique non résolue
Des chaufferettes presque réutilisable !
Les chaufferettes devrait être réutilisable en théorie. Dans la réalité, à chaque nouvelle utilisation il devient plus difficile de les activer. Je n'ai pas su percé le mystère de ce phénomène mais peut être que vous y arriverez !
Elles sont tout de même réutilisable un certain nombre de fois si on accepte d'attendre un peu et de s'y reprendre à plusieurs fois pour les activer.
Pour les plus persistant, en insérant un tige en métal et en la malaxant l'activation est plus efficace donc vous pourrez les réutiliser plus longtemps avec cette méthode. Pour se faire vous pouvez insérer un l'embout d'un petit tourne vis, d'une vis ou tout objet métallique, le malaxer pendant un certain temps et le retirer une fois que la chaufferette se met à chauffer :)
Quelques auto-activations imprévues
Parfois, pendant la recharge, après les avoirs fait chauffer et une fois au repos. Les chaufferettes peuvent s'activer toute seul. Cela peut être embêtant car il faut alors les remettre à charger.
Pour s'assurer qu'une chaufferette est bien prête à utilisation il faut simplement vérifier qu'elle soit bien liquide. Si c'est le cas vous êtes sûr de votre coup.
Notes et références
Noé Beaupere. PILOTAGE DE LA LIBÉRATION DE CHALEUR ET ÉTUDE DU VIEILLISSEMENT DE MATÉRIAUX À CHANGEMENT DE PHASE. Sciences de l’ingénieur [physics]. Université d’Artois, 2019. Français. https://theses.hal.science/tel-03160528
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