«Glace chaude» fait référence à une démonstration chimique populaire dans laquelle une solution d'acétate de sodium dissoute dans l'eau et placée dans un congélateur se solidifie instantanément lorsqu'elle est versée de son récipient ou lorsqu'un seul cristal d'acétate de sodium solide est déposé dans la solution. Le processus de solidification libère de la chaleur et donne ainsi l'apparence de la formation de glace chaude. Les instructeurs en chimie l'utilisent pour démontrer le phénomène de sursaturation ou la capacité de certaines solutions à contenir plus de matières dissoutes qu'elles ne le devraient normalement.
Composés ioniques
En chimie, le terme «composé» fait référence à un matériau composé de plusieurs éléments chimiques. Par exemple, le sel de table, également appelé chlorure de sodium, contient des atomes de sodium et de chlore. Lorsque le composé contient à la fois un métal et un non-métal - comme le montre le tableau périodique des éléments - les chimistes appellent le composé "ionique". Certains composés ioniques se dissolvent dans l'eau et pendant le processus de dissolution, le métal chargé positivement, appelé cation, se sépare du non-métal chargé négativement, appelé anion. Le processus de précipitation représente l'opposé de ce processus; c'est-à-dire que le cation et l'anion se combinent pour former des cristaux solides dans la solution.
Solubilité
Les chimistes décrivent la capacité d'un composé à se dissoudre dans l'eau comme solubilité. Par définition, le composé présent en moindre quantité représente le soluté, et le composé présent en plus grande quantité représente le solvant. Dans le cas d'un solide se dissolvant dans un liquide, le liquide est généralement considéré comme le solvant. Généralement, les chimistes déclarent la solubilité en unités, comme les grammes par litre, ce qui signifie «grammes de soluté qui se dissoudront dans 1 l de solvant» ou «grammes pour 100 ml». La saturation se produit lorsque la quantité maximale de soluté s'est dissoute dans une quantité donnée de solvant. Certains composés présentent une solubilité intrinsèquement plus élevée que d'autres, mais dans tous les cas, la solubilité varie avec la température. Généralement, plus la température est élevée, plus le soluté se dissout dans une quantité donnée de solvant. Le processus de sursaturation ou de «sursaturation» des solutions dépend de la manipulation de la température.
Sursaturation
Le phénomène de sursaturation se produit lorsque la quantité de soluté dissous dans une quantité donnée de solvant dépasse le point de saturation. Les scientifiques ne comprennent pas pleinement le mécanisme par lequel les solutions deviennent sursaturées. Les précipitations nécessitent la formation d'une petite cristallite solide dans la solution, un processus appelé «nucléation». Après les formes cristallites, un deuxième processus, connu sous le nom de croissance, agrandit les cristallites au niveau macroscopique de sorte qu'elles peuvent être observées et isolées. Mais la croissance ne se produit pas sans nucléation, et certains solutés dans certaines conditions résistent à ce processus. La nucléation a tendance à nécessiter une surface "rugueuse" sur laquelle commencer. La surface rugueuse peut être une impureté, telle que des particules de poussière, ou une égratignure à l'intérieur du récipient en verre dans lequel réside la solution. Alternativement, un expérimentateur peut initier délibérément la nucléation en ajoutant un seul petit cristal du composé précipité. Par conséquent, la plupart des instructions pour la démonstration de la glace chaude appellent à ajouter quelques grains d'acétate de sodium solide à la solution sursaturée pour induire la cristallisation.
L'acétate de sodium
L'acétate de sodium est un composé ionique composé de cations sodium, Na (+) et d'ions acétate, C2H3O2 (-). Comme la plupart des acétates, il présente une solubilité élevée dans l'eau: 76 g se dissolvent dans 100 ml à 0 degrés C. La solubilité augmente cependant sensiblement à une température plus élevée. La démonstration de la glace chaude nécessite de créer une solution saturée d'acétate de sodium dans de l'eau chaude, puis de placer la solution dans un congélateur. Au fur et à mesure que la solution refroidit et s'approche de 0 degrés C, la concentration d'acétate de sodium restera supérieure à 76 g pour 100 ml, c'est-à-dire que la solution sera sursaturée.
Glace chaude
La précipitation d'un solide à partir d'une solution entraîne une diminution du désordre du système. Autrement dit, dans la solution, les ions se déplacent librement dans des directions aléatoires et présentent donc un désordre élevé. Lorsque les ions se combinent pour former des cristallites solides, leur liberté de mouvement devient restreinte. Les scientifiques décrivent cela comme une diminution de l'entropie, ou trouble, du système. Les lois de la thermodynamique stipulent que pour qu'un processus présentant une diminution de l'entropie se produise spontanément, comme la précipitation d'un solide à partir d'une solution, le processus doit également libérer de la chaleur. Par conséquent, l'introduction d'une cristallite solide d'acétate de sodium se réchauffe lorsque l'acétate de sodium précipite de la solution.
