Difficulté
Facile
Durée
1,5 heure(s)
Coût
1 EUR (€)
Description
El objetivo de este tutorial es fabricar calentadores portátiles. Se pueden calentar hasta unos 50 °C cuando se activan, y se pueden utilizar en la montaña, por ejemplo, para mantener el calor durante una excursión.
Sommaire
Sommaire
- 1 Description
- 2 Sommaire
- 3 Introduction
- 4 Étape 1 - Calcular cantidades
- 5 Étape 2 - Limpieza del equipo
- 6 Étape 3 - Mezclado de reactivos
- 7 Étape 4 - Calentamiento, evaporación
- 8 Étape 5 - Llenado
- 9 Étape 6 - Recarga de calentadores
- 10 Étape 7 - Uso de calentadores
- 11 Étape 8 - La théorie des chaufferettes
- 12 Étape 9 - Problématique non résolue
- 13 Notes et références
- 14 Commentaires
Introduction
Cuando salimos a la montaña, a veces nos encontramos expuestos al frío, sobre todo en las extremidades del cuerpo (manos, pies).
Algunas personas realmente luchan por mantener el calor, y esquiar (para evitar los remontes mecánicos que no son muy económicas ni respetuosas con el medio ambiente) puede convertirse en un verdadero calvario.
Algunas tiendas de deportes ofrecen calentadores de manos para mayor comodidad. Se trata de pequeños recipientes de plástico que se calientan hasta unos 50 °C cuando se activan.
Algunos son reutilizables, por unos 20 euros el par, mientras que otros no lo son, por unos 15 euros los 30.
En un planteamiento completamente low-tech, deberíamos preguntarnos primero por esta necesidad de confort. Pero antes de llegar ahí, y para aquellos que ya hayan reflexionado en profundidad sobre este tema pero sigan sintiendo la necesidad de tener calefactores. Es posible fabricar calentadores reutilizables (¡casi! Véase la discusión sobre los problemas a resolver) y económicos (¡confirmado!).
Matériaux
- Bicarbonato sódico (bicarbonato de sodio)
- Vinagre
- Contenedor para calentadores (aquí frascos de compota vacías)
Las cantidades se discutirán en el tutorial, ya que dependen de la concentración del vinagre.
Outils
- Cacerola
- Balanza
- Cuchara
- Embudo
- Vaso
- Vaso medidor
Étape 1 - Calcular cantidades
Estas son las cantidades para un calentador. La masa de vinagre depende de su concentración.
Cantidad para un calentador
35g de bicarbonato sódico
| Concentración de vinagre [%] [g] | Masa de vinagre [g] | Volumen aproximado de vinagre [mL] |
| 6 | 415 | 415 |
| 8 | 315 | 315 |
| 10 | 250 | 250 |
| 12 | 210 | 210 |
| 14 | 180 | 180 |
| 16 | 155 | 155 |
Estos valores son aproximados. Puedes consultar cómo calcularlos en las secciones teóricas.
Nota: La densidad del vinagre es muy parecida a la del agua, es decir, 1 kg por 1 l.
Étape 2 - Limpieza del equipo
La fabricación de calentadores es similar al química, y a la química no le gustan las impurezas. Le aconsejamos encarecidamente que limpie bien todos los utensilios con agua y jabón. Sobre todo los recipientes de los calentadores, ya que existe el riesgo de que quede un poco de compota en ellos si eliges los mismos que nosotros.
Étape 3 - Mezclado de reactivos
Seguridad
- El vinagre es irritante para la piel y muy irritante para los ojos. No dude en utilizar gafas de seguridad al mezclarlo. Además, tenga cuidado con las salpicaduras.
El primer paso es mezclar el vinagre y el bicarbonato de sodio. Para ello, empieza por servir la cantidad adecuada de vinagre en el cazo. Entonces, añade el bicarbonato poco a poco. Remueve hasta que deje de salir espuma. Esto indica que la reacción química se ha completado.
Punto de vigilancia
- Servir el bicarbonato de sodio lentamente, ya que la reacción produce CO2 gaseoso, lo que hace que la solución haga espuma.
- Este paso lleva su tiempo, pero es mejor llegar hasta el final para que todo el vinagre reaccione. Si sobra vinagre, ¡prepárate para oler su nauseabundo olor durante la siguiente etapa!
- Cuantos más calentadores hagas, más tardará la reacción. Para 5 calentadores, puedes esperar unos 20 minutos de mezcla.
Étape 4 - Calentamiento, evaporación
Seguridad
- La sustancia obtenida de la reacción del vinagre y el bicarbonato sódico es el etanoato sódico. Esta sustancia es irritante, así que no dudes en ponerte gafas protectoras. En caso contrario, tenga cuidado de que no le entre nada en los ojos.
- Ligero riesgo de quemaduras, posibles pequeñas salpicaduras si se utilizan grandes cantidades en una placa de cocción de alta potencia.
Una vez completado el primer paso, podemos poner nuestro cazo a fuego fuerte, con el objetivo de evaporar todo el agua sobrante. Digo sobrante, porque necesitaremos un poco más de agua para obtener la sustancia adecuada. Cuando empiece a aparecer una película muy ligera en la superficie, entonces la sustancia estará lista, hay que dejar de calentar.
Punto de vigilancia
- Hay mucha agua que evaporar, por lo que este paso lleva un tiempo (de nuevo, cuantos más calentadores utilices, más tardará en evaporarse).
- Durante este paso, no ocurre nada durante mucho tiempo, pero al final todo ocurre muy rápidamente. Hay que tener mucho cuidado en cuanto el líquido se vuelve ligeramente turbio y amarillo.
- Generalmente, aparecerán cristales en los bordes del cazo hacia el final.
- Si por descuido dejas el líquido al fuego durante demasiado tiempo, se solidificará por completo. En este caso, apague el fuego y añada agua rápidamente (no demasiada, sólo la suficiente para ver que todo el sólido vuelve a ser líquido). Entonces, vuelve a ponerlo al fuego, removiendo para ayudar a licuar los últimos cristales. No te preocupes, ¡los calentadores seguirán funcionando!
- Hacia el final, debería aparecer un olor parecido al de un pastel horneado. No es desagradable, ¡pero evita olerlo demasiado! Es mejor tener cuidado cuando juegas a ser aprendiz de químico. Incluso cuando manipules sustancias que no son muy peligrosas :)
Étape 5 - Llenado
Seguridad
- Riesgo de quemaduras, ya que el líquido que se sierve en los recipientes calentadores está muy caliente (alrededor de 100°C al principio).
- Si el líquido entra en contacto con la piel a menos de 60°C, se solidifica y se calienta. Es muy impresionante porque el sólido se pega a la piel. No te asustes, con un poco de agua desaparecerá solo. No obstante, no tardes demasiado en aclararte con agua para evitar quemarte.
El objetivo de este paso es llenar los recipientes de nuestros calentadores con la sustancia obtenida en el paso 4.
Se necesitan dos personas para este paso, ya que es difícil sujetar los recipientes y servir al mismo tiempo.
La persona que sostiene el recipiente puede llevar guantes para limitar el riesgo de quemaduras.
En este paso, se introduce un embudo en los recipientes y se sierve suavemente el contenido del cazo.
Punto de vigilancia
- Tenga cuidado de no tapar completamente el orificio con el embudo, ya que podría hacer que el líquido rebosara y se quemara :(
- Revuelva el cazo entre cada calentador para mezclar el líquido y evitar que la superficie se solidifique.
- El líquido se solidifica a unos 58°C, así que siervelo antes de que alcance esta temperatura, de lo contrario el embudo se bloqueará. Sin embargo, no lo sierves demasiado rápido o podrías quemarte. Si la sustancia empieza a enfriarse demasiado, simplemente añade un poco de agua y repite el paso 4.
- Si el embudo se bloquea por completo, puedes verter un poco de agua caliente y el sólido se convertirá rápidamente en líquido y fluirá
Étape 6 - Recarga de calentadores
Los calentadores ya están listos para ser cargados.
Para cargar los calentadores de calor, colóquelos en agua hirviendo durante 10-15 minutos. Después, déjalos enfriar, sin removerlos demasiado, hasta que alcancen la temperatura ambiente.
Ahora están llenos de energía y listos para usar en la montaña o en cualquier otro lugar.
Étape 7 - Uso de calentadores
Una vez que estés en la montaña con frío, puedes activarlos siguiendo las instrucciones.
Después, se calienta hasta alcanzar unos 50°C. Para mantener el calor creado, conviene aislarlos del aire exterior metiéndolos en los guantes y/o bolsillos.
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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