Pour la création de nos cristaux de glace, nous utilisons habituellement de la carboglace. Mais n’existe-t’il pas d’autres manières de faire du froid...du grand froid ? La dissolution de sels et le changement d’état peut donner lieu à de la fabrication de chaleur ou à la « production » de froid. Cependant, certaines précautions sont à prendre pour garantir la réussite et la sécurité de l’expérience.

Chlorure de calcium anhydre et hydraté

Caractéristiques du Chlorure de Calcium : CaCl2

Solide utilisé dans de nombreux domaines (de l’alimentaire au service des équipements en passant par le domaine de la construction). Issu de l’industrie chimique en tant que produit secondaire, il peut se retrouver sous plusieurs formes :

 anhydre, on le retrouve dans les sachets d’absorbeur d’humidité et sert à éviter la glace sur les routes très froides.
 hydraté, on peut l’utiliser pour absorber la chaleur.

Il existe sous 5 formes particulières dont 4 hydrates qui possèdent des caractéristiques physico-chimiques très différentes.

Les données exposées ci-dessus nous indiquent que la dissolution des hydrates 4, 2 et 1 et du chlorure anhydre est exothermique (signe négatif, perte d’énergie par production de chaleur) alors que celle de l’hexahydrate est endothermique. Ce qui veut dire que pour fabriquer du froid, il faudra chercher à dissoudre du chlorure de calcium hexahydraté.

On trouve une forme de chlorure de calcium anhydre dans les sachets destinés aux déshumidificateurs d’air. Il s’agira d’hydrater le contenu afin d’obtenir la forme hexahydraté dont la dissolution est endothermique, et ainsi pouvoir diminuer la température du système.

SECURITE

Irritant (R36, S22, S24)

Le chlorure de calcium est irritant pour les yeux et la peau de part sa capacité à absorber l’eau. Il doit donc être manipulé avec des gants et le port de lunettes de sécurité est conseillé. Il faut noter néanmoins qu’il est relativement sans danger à manipuler. Il ne doit pas être ingéré car comme il réagit de manière exothermique avec l’eau, il peut occasionner des brûlures de la bouche ou de l’œsophage.

Sa capacité à réagir de manière exothermique avec l’eau nécessite les précaution habituelles liées à une forte augmentation de chaleur. Éviter par exemple d’effectuer l’expérience dans un contenant scellé, la vapeur d’eau dégagée pouvant faire monter la pression interne et projeter bouchon et particules.

En cas de contact avec la peau, laver à grande eau et consulter si de graves irritations apparaissent. En cas de contact oculaire, rincer à l’eau pendant 20mn et consulter. En cas d’ingestion, faire boire de l’eau pour diluer la substance et consulter.

La substance n’est ni cancérigène, ni mutagène.

Fiche sécurité du Chlorure de calcium anhydre

Hydratation du Chlorure de calcium anhydre

Matériel pour l’expérience

Notre matériel relativement simple utilise les outils de manipulation des poudres et des liquides. Pour commencer, il faut réduire notre chlorure de calcium en poudre fine (à l’aide d’un mortier et d’un pilon) pour pouvoir manipuler des quantités précises afin d’éviter le gaspillage et d’éviter de faire tomber une poudre grossière (le respect des quantités n’a pas besoin d’être très précis dans cette expérience).

Cette poudre sera ajoutée progressivement à l’eau contenue dans un récipient suffisamment grand et résistant à la chaleur et aux chocs thermiques (verre borosilicaté type Pyrex).

Les mesures de température ci-dessous montrent l’élévation de température obtenue par la dissolution de 10g de CaCl2 à 80mL d’eau à 13,7°C. On obtient donc rapidement une élévation de 10°C (voir le Handbook en pièce jointe qui détaille l’élévation en fonction du pourcentage massique ajouté).

Guide de référence du chlorure de calcium

Chaleur de dissolution

Cependant, nous obtenons du chlorure de calcium hydraté, mais solubilisé. Et si l’on veut obtenir l’absorption de chaleur par dissolution d’hexahydrate, il faudra pour cela l’avoir sous forme de poudre.

Hydratation du chlorure

Les substances étant stables au chauffage, nous utiliserons la technique de concentration par évaporation partielle de l’eau. Cette évaporation sera partielle pour éviter le risque de déshydrater à nouveau le sel, que ce soit partiellement ou totalement. A l’aide d’une plaque chauffante et d’un récipient adapté (en capacité et résistance à la corrosion/chaleur), une ébullition modérée (pour éviter trop de projections) sera employée jusqu’à l’apparition d’un aspect laiteux. On arrêtera donc l’ébullition et on laissera tranquillement cristallisé (gratter de temps en temps le fond du récipient à l’aide d’une spatule pour déclencher la cristallisation si celle-ci n’intervenait pas).

La suite sera la filtration du mélange sur fritté de verre ou sur filtre en papier afin de récupérer les cristaux. Si le mélange a pris en masse, c’est que les autres formes d’hydrates ont été synthétisées et que l’évaporation a pu être un peu trop prolongée. Un test de point de fusion peut être envisagée pour estimer la proportion des différentes formes d’hydrates.

Un séchage peut être envisagé, mais par dépôt sur matière absorbante et non à l’étuve...et oui, si vous regardez le point de fusion, vous noterez que celui-ci n’est que de 29,9°C.

Un test de dissolution dans de la glace peut ensuite être effectué.

Dissolution dans la glace et absorption de chaleur (« fabrication de froid »)

Deux expériences ont été réalisées, d’autres pourront agrémenter cet article afin que nous puissions maîtriser complètement l’expérience. Un premier mélange de 50g de glace et 50g de chlorure de calcium préparé comme expliqué précédemment nous a donné une température finale de -18°C.

Le mélange idéal pour ces deux substances doit être selon un ratio 1,4/2 (glace/CaCl2(6H2O)).

Mélange chlorure hydraté/glace

La seconde expérience a eu pour objectif d’atteindre une température plus basse (objectif -50°C) en corrigeant les apports caloriques de l’extérieur et l’influence de l’eau (plus chaude que la glace, elle apporte les calories au lieu que ces dernières soient prises à la glace.)

Les quantités employées ont été doublées (soit 100g de glace et 100g de chlorure de calcium), la glace débarrassée de son eau de fusion et le récipient changé. Un indice presque prometteur a été observé, le dépassement de gamme du thermomètre (limité à -20°C). Mais le changement de thermomètre pour un autre plus adapté nous a donné une température constante de -22°C au moins pendant 15mn (durée de l’expérience).

Des expériences complémentaires doivent nous dire pourquoi nous n’avons pas réussi à obtenir les -55°C prévus et nécessaires à la création de cristaux de neige. Plusieurs hypothèses existent :
 l’hydrate obtenu n’est pas pur : tester le point de fusion des cristaux afin de caractériser la proportions des hydrates en présence.
 l’isolation doit être supérieure pour garantir des températures aussi basses : un test au réfrigérateur et au congélateur nous dirons si la diminution de température est constante ou varie en fonction de la température extérieure.

Donc à suivre...

Autres mélanges possibles

D’autres dissolutions de sels sont possibles et permettent d’atteindre d’autres gammes de température, les voici ainsi que les proportions à respecter :

Si vous avez connaissance d’autres mélanges ou d’autres techniques, n’hésitez pas à écrire à l’auteur afin qu’il intègre ces informations.

Mélanges refroidissants

A lire également : La carboglace