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Compresse froide instantanée sur une cheville

Compresse froide instantanée sur une cheville (AndreyPopov, iStockPhoto)

Les STIM en contexte

La compresse froide instantanée : un exemple saisissant de réaction endothermique

Kelly Resmer
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8.69

Résumé

Si tu te blesses à une cheville, la thermodynamique peut favoriser ta guérison! La réaction endothermique réduit l’enflure en refroidissant ta blessure.

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. 

 

Diagrammes montrant le système et le milieu extérieur des réactions exothermiques et endothermiques.
Diagrammes montrant le système et le milieu extérieur des réactions exothermiques et endothermiques (© 2020 Parlons sciences).

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.

Combustion de méthane montrant les endroits où les liaisons chimiques sont rompues dans les réactifs et où elles se forment dans les produits.
Combustion de méthane montrant les endroits où les liaisons chimiques sont rompues dans les réactifs et où elles se forment dans les produits (© 2020 Parlons sciences).

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.

Diagrammes énergétiques généraux des réactions exothermiques et endothermiques.
Diagrammes énergétiques généraux des réactions exothermiques et endothermiques (© 2020 Parlons sciences).

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.

Exemples d’énergies moyennes de liaison
O=O 119 kcal/mol
C-H 99 kcal/mol
O-H 111 kcal/mol
C=O (dans le CO2) 192 kcal/mol

 

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.

Diagramme énergétique de la combustion du méthane illustrant les énergies de liaison et la variation d’enthalpie.
Diagramme énergétique de la combustion du méthane illustrant les énergies de liaison et la variation d’enthalpie (© 2020 Parlons sciences).

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.

Dissociation chimique du nitrate d’ammonium solide dans l’eau pour former de l’ammonium aqueux et du nitrate aqueux.
Dissociation chimique du nitrate d’ammonium solide dans l’eau pour former de l’ammonium aqueux et du nitrate aqueux (© 2020 Parlons sciences).

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 ΔHsoln .

ΔHsoln = ∑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 : 

Tableau d'enthalpies de formation
ΔH°f kJ/mol
NH4+(aq) -132,8
NH4NO3(s) -365,1
NO3-(aq) -206,6

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

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

= [ mol (NH4+(aq)) + mol (NO3-(aq)) ] - [ mol (NH4NO3(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 ΔHsoln 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!

Comment les cryosacs se refroidissent-ils aussi vite ? (viédo en anglais avec sous-titres français) (2014) parJohn Pollard (TED-Ed) (4:31 min).

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).

Amorces de discussion

Faire des liens
  • As-tu déjà utilisé une compresse froide instantanée? Pour quelle raison? Après combien de temps est-elle devenue froide? 
  • À part les compresses froides instantanées, as-tu déjà vu ou utilisé un produit qui fait intervenir une réaction exothermique ou endothermique? Le cas échéant, quel était ce produit?
     
Faire des liens
  • As-tu déjà utilisé une compresse froide instantanée? Pour quelle raison? Après combien de temps est-elle devenue froide? 
  • À part les compresses froides instantanées, as-tu déjà vu ou utilisé un produit qui fait intervenir une réaction exothermique ou endothermique? Le cas échéant, quel était ce produit?
     
Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement
  • Pourquoi les compresses froides instantanées ont-elles été mises au point à l’origine? Quels en sont les avantages et les inconvénients?
  • Les compresses froides instantanées sont-elles écologiques? Quelles solutions de rechange peut-on utiliser?
Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement
  • Pourquoi les compresses froides instantanées ont-elles été mises au point à l’origine? Quels en sont les avantages et les inconvénients?
  • Les compresses froides instantanées sont-elles écologiques? Quelles solutions de rechange peut-on utiliser?
Explorer les concepts
  • Cite deux réactions exothermiques et endothermiques non mentionnées dans l’article.
  • Pourquoi ΔH est-il négatif dans une réaction exothermique? Pourquoi est-il positif dans une réaction endothermique?
  • Quels sont les éléments chimiques qui composent le nitrate d’ammonium?
  • Pourquoi le nitrate d’ammonium entre-t-il dans la catégorie des composés ioniques? Quels composés ioniques utilise-t-on dans la vie quotidienne?
  • La réaction qui se produit dans une compresse froide instantanée est-elle réversible? Justifie ta réponse.
Explorer les concepts
  • Cite deux réactions exothermiques et endothermiques non mentionnées dans l’article.
  • Pourquoi ΔH est-il négatif dans une réaction exothermique? Pourquoi est-il positif dans une réaction endothermique?
  • Quels sont les éléments chimiques qui composent le nitrate d’ammonium?
  • Pourquoi le nitrate d’ammonium entre-t-il dans la catégorie des composés ioniques? Quels composés ioniques utilise-t-on dans la vie quotidienne?
  • La réaction qui se produit dans une compresse froide instantanée est-elle réversible? Justifie ta réponse.
Littératie médiatique
  • Les publicités pour les compresses froides font croire qu’ils traitent et guérissent toutes les blessures. Trouves-tu qu’elles sont trompeuses? Pourquoi ?
Littératie médiatique
  • Les publicités pour les compresses froides font croire qu’ils traitent et guérissent toutes les blessures. Trouves-tu qu’elles sont trompeuses? Pourquoi ?
Suggestions pour l'enseignement
  • L’article et les vidéos intégrées peuvent servir pour l’enseignement et l’apprentissage de la chimie. Ils introduisent les concepts de réaction exothermique, réaction endothermique et enthalpie.
  • Après avoir lu l’article et regardé les vidéos, les élèves peuvent utiliser la stratégie d’apprentissage axée sur une toile de définition du concept pour les deux types de réactions analysées dans les ressources, soit les réactions exothermiques et endothermiques. Il est possible de télécharger les fiche reproductible prête à l’emploi faisant appel à cette stratégie d’apprentissage en formats [Document Google] et [PDF].
  • Les élèves peuvent aussi explorer les réactions exothermiques et endothermiques en faisant des expériences scientifiques :
Suggestions pour l'enseignement
  • L’article et les vidéos intégrées peuvent servir pour l’enseignement et l’apprentissage de la chimie. Ils introduisent les concepts de réaction exothermique, réaction endothermique et enthalpie.
  • Après avoir lu l’article et regardé les vidéos, les élèves peuvent utiliser la stratégie d’apprentissage axée sur une toile de définition du concept pour les deux types de réactions analysées dans les ressources, soit les réactions exothermiques et endothermiques. Il est possible de télécharger les fiche reproductible prête à l’emploi faisant appel à cette stratégie d’apprentissage en formats [Document Google] et [PDF].
  • Les élèves peuvent aussi explorer les réactions exothermiques et endothermiques en faisant des expériences scientifiques :

En savoir plus

La chimie du Sport - Endothermique exothermique (2019) Monsieur Albert -- Cours sur les notions endothermique/exothermique (2 min 29 s) 

Les changements d'énergie dans les réactions chimiques Gouvernement de l’Éducation de la Saskatchewan -- Unité de chimie incluant des activités suggérées et idées pour des projets de recherche

Exothermique – endothermique (2017)  webphysique.fr-- Page expliquant et donnant des exemples de transformations chimiques exothermiques et endothermiques 

Références

American Chemical Society. (2019). Exothermic, endothermic, & chemical change.

Flinn Scientific. (2017). Making an instant cold pack.

Khan Academy. (n.d.). Endothermic vs. exothermic reactions.

Pharma Engineering. (2017). Bond energy calculations.