La compresse froide instantanée : un exemple saisissant de réaction endothermique

T’est-il déjà arrivé de te faire une entorse à la cheville en courant pendant un cours d’éducation physique? Ce type de blessure provoque de la douleur et une enflure. En pareil cas, l’enseignant ou enseignante a probablement pris une compresse froide instantanée (parfois appelée cryosac) dans la trousse de premiers soins pour l’appliquer sur ta cheville. En exerçant une forte pression au centre de la compresse, elle est devenue vraiment froide presque aussitôt. Que s’est-il passé? Comment des produits chimiques peuvent-ils refroidir une compresse aussi rapidement? La réponse se trouve dans la thermodynamique, la discipline scientifique qui explore le transfert d’énergie. En thermodynamique, une réaction chimique peut être exothermique ou endothermique. 

Quels sont les deux principaux types de réactions thermodynamiques?

Les réactions exothermiques dégagent de l’énergie sous la forme de chaleur. Tu as probablement vu de nombreux exemples de ce type de réactions. La combustion de l’essence dans le moteur d’une automobile est une réaction exothermique, plus précisément une réaction de combustion. Ainsi, une réaction de combustion se produit lorsqu’un composé, par exemple les hydrocarbures qui constituent un carburant, réagit avec l’oxygène pour former un nouveau produit et dégager de la chaleur.

Les réactions endothermiques sont le contraire des réactions exothermiques. Elles absorbent l’énergie thermique du milieu extérieur et entraînent par le fait même une baisse de la température de ce milieu. La glace qui fond est un exemple de réaction endothermique.

Comment déterminer le type de réaction thermodynamique qui se produit?

Pour déterminer le type de réaction thermodynamique qui se produit, il faut observer le système et le milieu extérieur de la réaction. Le système constitue le siège de la réaction, tandis que le milieu extérieur se compose de ce qui entoure le système. 
Pour savoir si une réaction est exothermique ou endothermique, on dispose de deux méthodes :

1. mesurer la variation de température du système ou de son milieu extérieur; ou
2. calculer l’énergie du système. 

En faisant un petit calcul mathématique, on peut prévoir si une réaction sera exothermique ou endothermique. Pour ce faire, il est utile d’avoir des notions de base sur les réactions et les liaisons chimiques.

Dans toute réaction chimique, il y a deux types de substances. On a, d’un côté, les réactifs, c’est-à-dire les substances initiales qui prennent part à la réaction et, de l’autre, les produits, c’est-à-dire les nouvelles substances qui résultent de la transformation des réactifs au cours de la réaction.

Dans une réaction chimique, des liaisons chimiques dans les molécules des réactifs sont rompues, mais de nouvelles liaisons se forment dans celles des produits. Citons à titre d’exemple la réaction de combustion entre le méthane (CH₄) et l’oxygène (O₂) (les réactifs), qui se transforment en dioxyde de carbone (CO₂) et en eau (H₂0) (les produits). Les liaisons sont rompues dans les molécules de méthane et d’oxygène, tandis que d’autres se forment dans celles de dioxyde de carbone et d’eau.

Ce qu’il importe de retenir, c’est qu’il faut de l’énergie pour rompre et former des liaisons. Afin de déterminer si une réaction est exothermique ou endothermique, on compare la quantité d’énergie nécessaire pour rompre les liaisons des réactifs et celle dégagée au moment de la formation des liaisons des produits. Si la quantité d’énergie dégagée par la formation des liaisons des réactifs est supérieure, il s’agit d’une réaction exothermique. Par contre, si la quantité d’énergie nécessaire à la rupture des liaisons des produits est supérieure, il s’agit d’une réaction endothermique. 
Pour illustrer ces phénomènes, on peut avoir recours à un diagramme énergétique, qui montre le niveau d’énergie des réactifs et celui des produits dans une réaction.

Comme le montre le diagramme ci-dessus, le niveau d’énergie des produits d’une réaction exothermique est inférieur à celui des réactifs. La différence entre l’énergie absorbée par les réactifs et celle dégagée par les produits est appelée variation d’enthalpie (ΔH). Plus précisément, ΔH est NÉGATIF dans une réaction exothermique et est POSITIF dans une réaction endothermique

Le savais-tu?

Les scientifiques peuvent déterminer la quantité d’énergie contenue dans les aliments en mesurant la quantité de chaleur dégagée lorsqu’on les fait brûler. Pour prendre cette mesure, ils utilisent un instrument appelé « bombe calorimétrique » ou « calorimètre de Berthelot ».

Mais il est possible de calculer ΔH sans faire nous-même une expérience, car des scientifiques ont déjà déterminé l’énergie nécessaire pour rompre et former certaines liaisons moléculaires. C’est ce que l’on appelle l’énergie moyenne de liaison.

Reprenons l’exemple de la combustion du méthane. Le calcul s’effectue comme suit :

ΔH = [énergie consommée par la rupture des liaisons des réactifs] - [énergie dégagée par la formation des liaisons des produits]

= [ 4 liaisons C-H + 2 liaisons O=O] - [4 liaisons O-H + 2 liaisons C=O]

= [(4 x 99 kcal/mol) + (2 x 119 kcal/mol)] - [(4 x 111 kcal/mol) + (2 x 192 kcal/mol)]

= [396 + 238] - [444 + 384]

= 634 - 828

= - 194 kcal/mol

Comme la variation d’enthalpie est négative, nous savons qu’il s’agit d’une réaction exothermique.

Réaction thermodynamique dans une compresse froide instantanée

Revenons maintenant à notre compresse froide instantanée, qui constitue l’exemple parfait d’une réaction endothermique. Ce type de compresse peut renfermer de nombreux ingrédients, mais il s’agit souvent de nitrate d’ammonium solide et d’eau

Le savais-tu? 

Le nitrate d’ammonium est un sel de nitrate largement utilisé comme engrais en agriculture. Il est aussi employé comme explosif dans l’industrie minière.

Le nitrate d’ammonium est placé dans un sachet de plastique scellé qui est entouré d’eau. Lorsque l’on exerce une forte pression sur le sachet, le nitrate d’ammonium entre en contact avec l’eau et se dissout.

L’énergie entre en jeu dans la dissolution d’un composé ionique, par exemple le sel de table ou le nitrate d’ammonium. Comme dans les autres types de réactions, il peut y avoir absorption ou dégagement d’énergie thermique lorsque la matière se dissout. Cette énergie, appelée énergie de solution , peut s’écrire ΔH_soln .

ΔH_soln = ∑ΔH [produits] - ∑ΔH [réactifs]

Au lieu de déterminer ΔH pour les réactifs et les produits à partir des énergies de liaison, les scientifiques ont souvent recours à des valeurs précalculées figurant sur les tableaux des enthalpies standard de formation (ΔH°_f). Ce type de tableau nous montre que : 

Faisons maintenant quelques calculs pour déterminer l’énergie de solution.

ΔH_soln = ∑ΔH [produits] - ∑ΔH [réactifs]

= [ mol (NH₄⁺_(aq)) + mol (NO₃^-_(aq)) ] - [ mol (NH₄NO_3(s)) ]

= [ (1 mol)(-132,8 kJ/mol) + (1 mol)(-206,6 kJ/mol) ] - [ (1 mol)(-365,1 kJ/mol) ]

= - 339,4 + 365,1

= 25,7 kJ

Nous avons dit au début que ΔH NÉGATIF indique une réaction exothermique et que ΔH POSITIF indique une réaction endothermique si. Tu t’en souviens? Eh bien, ce principe s’applique aussi aux problèmes portant sur l’énergie de solution. Comme notre calcul indique que ΔH_soln est positif (25,7 kJ), il s’agit forcément d’une réaction endothermique. Nous savons que c’est le cas, car la compresse froide instantanée refroidit considérablement son milieu extérieur!

Résumons...

Les réactions exothermiques et endothermiques sont importantes pour notre monde chimique. Elles peuvent aider à nous garder au chaud respectivement en dégageant de l’énergie (réaction exothermique) et à nous rafraîchir en l’absorbant (réaction endothermique).