Les secrets de la surfusion dévoilés par l’eau

La surfusion de l’eau, ça te dit quelque chose? Aujourd’hui, je te propose trois petites expériences hyper simples pour tout comprendre sur la surfusion et surtout…t’amuser !

Surfusion de l’eau – 1 : de l’eau glacée en un tour de main

Ce qu’il te faut pour cette première expérience de surfusion

• Une bouteille d’eau de 250ml
• Un congélateur

Que la magie opère!

Rien n’est plus simple que cette expérience ! Elle nécessite tout de même un bon timing !

Il faut mettre la bouteille d’eau au congélateur pendant 2h45. Au bout de ce temps, l’eau doit être encore liquide. Si ce n’est pas le cas, laisse la bouteille remonter en température puis remet-la au congélateur pour un temps un peu plus court.

Cette durée a fonctionné pour moi 3 fois sur 4. Ça peut dépendre de plusieurs choses dont la composition de l’eau. En particulier si tu prends de l’eau du robinet au lieu de prendre de l’eau en bouteille, tu risques d’avoir des impuretés qui vont favoriser la cristallisation de l’eau et ce sera plus difficile d’atteindre l’état de surfusion. De même assures-toi que ton congélateur ne vibre pas trop. Les vibrations pourraient fait congeler ton eau plus rapidement que prévu !

Si en sortant ta bouteille d’eau du congélateur, l’eau est encore liquide, alors c’est gagné. Tu peux vérifier que sa température est bien inférieure à 0°C avec un thermomètre de cuisine. Si c’est le cas, on dit que l’eau est surfondue. Si ce n’est pas le cas…vérifie que ton congélateur fonctionne et remet la bouteille en place !

Tu n’as plus qu’à taper la bouteille d’eau surfondue sur une table et la magie opérera !

L’eau va congeler en quelques secondes.

Surfusion de l’eau – 2 : la montagne glacée

Ce qu’il te faut pour cette deuxième expérience de surfusion

• Une bouteille d’eau de 250ml
• Un congélateur
• Une assiette creuse
• Des glaçons

Comment faire une montagne glacée?

Comme pour la première expérience, mets la bouteille d’eau au congélateur pendant 2h45 pour atteindre l’état de surfusion.

Place les glaçons dans l’assiette creuse. Ouvre doucement la bouteille d’eau (petite astuce, tu peux desceller le bouchon avant la mise au congélateur pour éviter les à-coups dus à la première ouverture d’une bouteille). Verse ensuite délicatement l’eau sur les glaçons. L’eau va geler dès qu’elle sera en contact avec les glaçons. Tu pourras ainsi former une montagne de glace.

Surfusion de l’eau – 3 : le glaçon magique

Ce qu’il te faut pour cette troisième expérience de surfusion

• Une bouteille d’eau de 250ml
• Un congélateur
• Un verre/becher
• Un glaçon

Le glaçon glaçant

A nouveau, mets la bouteille au congélateur pendant 2h45. Puis vérifie que l’eau est toujours liquide. Tu peux alors la verser doucement dans un verre (penche bien le verre pour que l’eau ne tombe pas de haut). Une fois ton verre rempli, mets tout simplement un glaçon au contact de l’eau en surfusion. Le glaçon va alors transformer l’eau en glace.

Qu’est-ce qui se passe ?

Te rappelles-tu que toutes les matières peuvent se trouver sous 3 états ? Si je prends l’exemple de l’eau, elle peut être liquide (comme le verre que tu te sers pour boire), elle peut être solide (comme la neige, ou les glaçons) ou encore gazeuse (là, c’est quand tu fais chauffer une casserole d’eau et qu’il y a un gros nuage de fumée qui s’échappe).

Si tout cela est encore vague pour toi, je te conseille d’aller lire cet article, j’y explique ces fameux 3 états de la matière.

Surfusion et point de fusion

On appelle « point de solidification », « point de fusion », ou encore « point de congélation« , la température à laquelle un élément passe de l’état liquide à l’état solide. Pour l’eau, ce changement d’état s’effectue à 0°C. En dessous de 0°C, nous avons de l’eau solide autrement dit des glaçons et au-dessus, nous avons de l’eau liquide.

Et bien figure-toi que la surfusion est un peu magique : la température est plus basse que le point de solidification, donc on devrait avoir de la glace…sauf qu’on a du liquide ! On dit que l’eau est surfondue !

Le même phénomène se trouve du côté de l’état gazeux. On appelle « point d’ébullition » la température à laquelle un élément passe de l’état liquide à l’état gazeux. Pour l’eau, c’est 100°C. Au-dessus de 100°C, on a de l’eau gazeuse, autrement dit de la vapeur d’eau. En dessous, on a de l’eau liquide. Et si jamais on trouve de l’eau liquide à plus de 100°C, on parle de surébullition. Cependant, cette expérience est trop dangereuse pour que je te la propose sur ce blog (je ne tiens pas à être responsable de graves brûlures !) Mais si cela t’intéresse, tu peux aller voir cette vidéo sur la surébullition.

Mais concentrons-nous sur la surfusion. Comment se fait-il que l’on ait de l’eau liquide à -5°C ?

Pour trouver la réponse à cette question, il faut observer de plus près la formation de la glace. En fait, quand on abaisse la température, les molécules d’eau (ou de n’importe quelle autre matière) vont bouger de moins en moins vite. Si on passe la barre du 0°C, alors les molécules vont bouger si peu qu’ils vont commencer à s’accrocher les uns aux autres pour former un solide…ton glaçon est prêt !

Mais pour que les molécules arrêtent de bouger pour former de la glace, il faut qu’ils aient de quoi s’accrocher !

Formation de la glace

Faisons une petite analogie. Tu te retrouves au milieu d’une foule immense de personnes. Celles-ci bougent peu, mais elles bougent quand même un petit peu. Et dans tous les sens en plus ! Tu vas avoir du mal à rester immobile au milieu de tout ça, non ? Maintenant, tu as trouvé un lampadaire et tu t’accroches au lampadaire…et bien là, tu vas pouvoir rester immobile. Puis une autre personne va venir s’accrocher à toi et comme tu es solidement arrimé au lampadaire, cette deuxième personne pourra également rester immobile. Et petit à petit, c’est toute la foule qui va s’immobiliser.

Revenons à notre moléculeC’est un ensemble d’atomes qui sont reliés entre eux pa... More d’eau. Lorsque la température est modifiée, c’est l’agitation de ces molécules qui change. Lorsqu’il y a un refroidissement, l’agitation moléculaire diminue jusqu’à devenir complètement nulle lors de la congélation. Tu te doutes bien que ce n’est pas un lampadaire qui permet la solidification de l’eau. Par contre, un grain de poussière, une aspérité dans le contenant, une petite cochonneries…Bref, toutes ces petites choses que tu ne vois pas permettent aux molécules d’eau de s’accrocher pour initier la solidification.

Dans ta bouteille d’eau, tu as de l’eau pure. Sans aucune particule (d’où l’intérêt de prendre de l’eau en bouteille et non pas de l’eau du robinet). Il n’y a donc rien qui permet aux molécules de s’accrocher, ils continuent donc de se balader, doucement, certes, mais ils se baladent ! Bien sûr, si on continue à descendre la température, à force de bouger de plus en plus lentement, ils vont s’arrêter et l’eau va geler ! Mais une équipe de chimiste a démontré en 2011 que l’eau pouvait être liquide jusqu’à -48°C ! C’est fou, ça, non ?

Par contre, dès qu’on va offrir un stimulus à l’eau surfondue, elle va congeler en un rien de temps ! Cette perturbation peut être un glaçon, une impureté, une vibration ou encore un choc. Les molécules vont venir se fixer sur la poussière ou les uns aux autres en cas de choc puis les molécules voisins vont venir s’accrocher à ce glaçon naissant et ainsi de suite. Vu qu’on est à des températures très froides, les molécules vont très rapidement s’immobiliser.

Les applications de la surfusion

Bon, ok, c’est génial…mais ça sert à quoi ce truc ? Je te l’accorde, son utilisation est plutôt réservée aux hautes sphères scientifiques. Cet état de surfusion peut par exemple permettre de stocker de l’énergie thermique. Mais restons dans le fun ! Voici une application bien plus proche de notre quotidien : la chaufferette chimique !

Quoi ? Tu déconnes ?

Et bien non ! La chaufferette utilise le phénomène de surfusion ! En mode « normal » ta chaufferette contient un produit qui s’appelle l’acétate de sodium trihydraté (ok, ça nous fait une belle jambe qu’il s’appelle comme ça !) Sa température de fusion est aux alentours de 56°C. Autrement dit, lorsque tu le vois liquide à température ambiante, à moins que tu te trouves dans un four, il est bien dans un état de surfusion.

En claquant la petite pièce à l’intérieur de la chaufferette, tu vas lancer ce fameux stimulus qui va tout faire basculer : le liquide devient solide en un instant. Et en changeant d’état, il produit de la chaleur (bien agréable, on est d’accord !)

Autre application, enfin, si on peut parler d’application…ce sont les pluies verglaçantes que l’hiver nous offre parfois. De quoi s’agit-il ? Et bien les gouttelettes d’eau sont liquides quand elles quittent le nuage. Mais elles sont dans un état de surfusion. En tombant au sol, c’est le choc qui permet à l’eau liquide de devenir solide ! Et bam ! Verglas sur la route !

D’ailleurs, on devrait aussi mettre des avertisseurs dans le ciel : « Attention ! Nuage verglaçant ! » En effet, l’eau à l’état surfondu qui se trouve dans les nuages peut geler d’un seul coup au passage d’un avion. Elle peut ainsi être à l’origine du blocage de certaines commandes et du poids de l’avion qui s’alourdit de manière brusque !

Alors ? Dis-moi ce que tu penses de la surfusion !