Pourquoi une bouteille en plastique éclate-t-elle avec de la glace sèche ?
― Un petit morceau se change en un gaz environ 850 fois plus volumineux
La glace sèche ne « fond » pas en eau comme la glace ordinaire. Elle passe directement de l'état solide à un gaz invisible. Son volume est alors multiplié par environ 850. Dans un récipient fermé, ce gaz ne peut pas s'échapper. Même un morceau gros comme le bout d'un doigt peut faire éclater une bouteille en plastique.
Vous rentrez avec des glaces. Dans le sac, il y a de la glace sèche. Elle dégage une épaisse fumée blanche, et les enfants sont ravis.
« Je veux garder cette fumée ! » Un enfant glisse un morceau dans une bouteille en plastique vide et visse le bouchon. Peu à peu, la bouteille se gonfle et se tend.
La situation est très dangereuse. La bouteille peut bientôt éclater avec un grand bruit. Des blessures causées par le bouchon ou les éclats projetés ont été signalées à de nombreuses reprises. Que se passe-t-il donc à l'intérieur ?
Deux grands dangers
La glace sèche, c'est du dioxyde de carbone refroidi jusqu'à devenir solide. Une fois redevenu gaz, son volume est environ 850 fois plus grand. Dans un récipient fermé, ce gaz pousse sans cesse sur les parois : c'est la pression.
Le dioxyde de carbone est incolore et inodore. Plus lourd que l'air, il s'accumule près du sol et dans les espaces clos. À forte concentration, il provoque des maux de tête, voire une perte de connaissance.
Le premier est un risque d'« éclatement », le second un risque d'« étouffement ». Tous deux viennent de la même propriété : la glace sèche ne fond pas, elle se change directement en gaz. Voyons cela pas à pas.
Pourquoi un seul morceau peut-il faire éclater la bouteille ?
La glace ordinaire fond à 0 °C en eau, et son volume change à peine. La glace sèche, elle, ne peut pas devenir liquide à la pression de l'air ambiant. Vers −79 °C, elle passe directement de solide à gaz. On appelle ce changement la « sublimation ».
Une fois gazeux, le dioxyde de carbone a besoin de beaucoup plus de place. Un gramme de glace sèche est plus petit que la moitié d'un sucre. Devenu gaz, il occupe environ 545 centimètres cubes, de quoi remplir une bouteille de 500 millilitres.
Avec le bouchon, le gaz ne peut pas sortir. Les particules de gaz frappent alors de plus en plus fort les parois de la bouteille. C'est cela, la pression. Regardez la figure 1 : plus on met de glace sèche, plus la pression dans la bouteille monte, de façon régulière.
Avec 10 grammes dans une bouteille de 500 millilitres, la pression intérieure dépasse celle de l'extérieur d'environ 11 atmosphères, d'après le calcul. Les bouteilles pour boissons gazeuses sont solides, mais on estime qu'elles éclatent autour de 10 atmosphères. Or 10 grammes, ce ne sont que quelques petits morceaux du sac de glaces.
Le verre ou le métal ne sont pas plus sûrs. Le verre se brise en éclats tranchants projetés partout. Une gourde ou une bombe aérosol peuvent voir leur bouchon ou leur fond arrachés. La règle de base : ne jamais mettre de glace sèche dans un récipient qui ferme, quel que soit le matériau.
Où va le gaz invisible ?
Sans bouchon, il n'y a pas d'éclatement. Mais le dioxyde de carbone libéré devient alors un autre danger.
Le dioxyde de carbone est environ 1,5 fois plus lourd que l'air. Il ne se mélange donc pas tout de suite : il coule et s'accumule près du sol et dans les endroits bas. Sans couleur ni odeur, on ne remarque pas sa présence.
La figure 2 estime ce qui se passe si 1 kilogramme de glace sèche se transforme entièrement en gaz dans une voiture. L'air d'un habitacle fait environ 3 mètres cubes. Fenêtres fermées, la proportion de dioxyde de carbone atteindrait 18 % d'après le calcul, soit plusieurs centaines de fois les 0,04 % de l'air ordinaire.
On estime que des maux de tête et une gêne respiratoire apparaissent vers 3 à 4 %. À 7–10 %, on risque de perdre connaissance en quelques minutes. En réalité, le gaz fuit peu à peu, donc on n'atteint pas 18 % d'un coup. Il reste dangereux de transporter longtemps de la glace sèche dans une voiture fermée. La même chose peut arriver dans une chambre froide ou une cave, là où l'air ne circule pas.
La fumée blanche qui sort de la glace sèche vient de l'air ambiant, brusquement refroidi : la vapeur d'eau qu'il contient forme de minuscules gouttes ou cristaux. C'est le même mécanisme que la buée de l'haleine en hiver (article sur la buée de l'haleine). Le dioxyde de carbone lui-même est transparent : même quand la fumée a disparu, le gaz invisible est toujours là. « Il n'y a plus de fumée, donc tout va bien » est une erreur.
Alors, que faire ?
- Ne la mettez jamais dans un récipient qui fermeBouteille en plastique, bocal en verre, gourde, boîte hermétique : tous peuvent éclater.
- Ne la touchez pas à mains nues et ne la mettez pas en boucheÀ −79 °C, la peau gèle en quelques secondes. Utilisez des gants et des pinces.
- Utilisez-la et jetez-la dans un endroit bien aéréEn voiture, ouvrez les fenêtres ou faites entrer l'air extérieur. Laissez le reste se vaporiser à l'ombre, dehors.
Si vous ressentez un mal de tête, un vertige ou une gêne respiratoire dans une pièce ou une voiture contenant de la glace sèche, ouvrez aussitôt les fenêtres pour aérer, sortez et respirez de l'air frais. Si quelqu'un est inconscient, aérez d'abord pour ne pas respirer le gaz vous-même, puis appelez les secours (le 119 au Japon). L'intoxication au dioxyde de carbone est dangereuse parce qu'on ne s'en rend pas compte soi-même. Si vous voyez un récipient gonflé, n'essayez pas de l'ouvrir : éloignez-vous sans approcher le visage.
Pour résumer
La glace sèche est un bloc de dioxyde de carbone qui se change en gaz sans fondre. Son volume est multiplié par environ 850. Dans un récipient fermé, cela devient de la pression, et 10 grammes suffisent pour atteindre le seuil d'éclatement d'une bouteille. Sans bouchon, c'est un gaz lourd et invisible qui s'accumule dans les endroits bas.
La glace sèche n'est pas un « petit glaçon » :
c'est « un bloc de gaz qui gonfle 850 fois ».
On retrouve ce qui se passe quand la pression s'accumule, sous un autre angle, dans l'article sur la cocotte-minute et dans l'article sur le fonctionnement d'une éruption volcanique.
- Mettez un seul morceau de glace sèche dans un petit gobelet sans couvercle, en le manipulant avec des gants.
- Coiffez l'ouverture du gobelet d'un ballon de baudruche non gonflé (ce n'est pas un bouchon : il s'étire et laisse une issue). Observez-le se gonfler peu à peu.
- Quand le ballon atteint la taille d'un poing, retirez-le aussitôt et laissez le gaz s'échapper dehors. Faites l'expérience dans un endroit bien aéré.
En voyant jusqu'où un seul petit morceau gonfle le ballon, on mesure que le volume se multiplie par des centaines. Respectez deux règles : ne gonflez pas trop le ballon, et ne faites jamais cela avec une bouteille ou un récipient hermétique.
Pour aller plus loin ― termes, formules et lien avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque notion est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de chimie ou de physique du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée ou encadré de manuel
- Univ.Matière universitaire, hors programme du lycée (chimie physique, thermodynamique)
- RechercheSujets que les chercheurs étudient encore, pas encore des acquis enseignés
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Sublimation : passage direct de l'état solide à l'état gazeux, sans passer par le liquide. Exemples : la glace sèche, ou un vieux glaçon qui rétrécit au congélateur.
- Changement d'état : une substance passe de solide à liquide ou à gaz. Le nombre de particules ne change pas, seul l'espacement entre elles change.
- Pression : intensité de la force qui pousse sur une surface. Celle d'un gaz est la somme des chocs d'une multitude de particules contre la paroi.
CollègeLycéeVérifier par le calcul : quelle pression avec 10 grammes ?
Prenons une bouteille de 500 millilitres contenant 10 grammes de glace sèche, bouchon fermé. La température est de 20 °C et toute la glace sèche est devenue gaz. On ignore l'air déjà présent et on calcule la pression ajoutée.
| En symboles | P ＝ n × R × T ÷ V （n ＝ m ÷ M） |
| En mots | pression ＝ quantité de gaz (mol) × constante des gaz × température ÷ volume du récipient |
| D'où vient-elle ? | C'est l'équation d'état du gaz parfait. À température égale, plus il y a de particules ou plus le récipient est petit, plus les chocs contre la paroi sont nombreux et plus la pression est élevée. |
| Symbole | Sens et unité |
|---|---|
| P | Pression dans le récipient (atm) |
| n | Quantité de gaz (mol) |
| m | Masse de glace sèche (grammes) |
| M | Masse d'une mole de dioxyde de carbone : 44 grammes |
| R × T | À 20 °C, égal au volume occupé par une mole de gaz à 1 atm : 24,0 litres |
| V | Volume du récipient (litres) |
| Masse de glace sèche | 10 grammes |
| Masse d'une mole de dioxyde de carbone | 44 grammes |
| Volume d'une mole de gaz à 20 °C et 1 atm | 24,0 litres |
| Volume de la bouteille | 0,5 litre |
| Masse volumique de la glace sèche | environ 1,56 gramme par centimètre cube |
| Quantité de gaz (mol) | 10 ÷ 44 ≒ 0.227 |
| Volume à 1 atm (litres) | 0.227 × 24.0 ≒ 5.45 |
| Pression une fois comprimé dans 0,5 litre (atm) | 5.45 ÷ 0.5 ≒ 10.9 |
| Volume d'un gramme de solide (cm³) | 1 ÷ 1.56 ≒ 0.641 |
| Volume d'un gramme de gaz (cm³) | 24000 ÷ 44 ≒ 545 |
| Facteur d'expansion | 545 ÷ 0.641 ≒ 850 |
Avec 10 grammes, la pression dans la bouteille dépasse celle de l'extérieur d'environ 11 atmosphères. C'est au-delà des quelque 10 atmosphères où une bouteille pour boissons gazeuses est censée éclater. Pour la voiture, on applique la même formule : 1 kilogramme occupe 545 litres à 1 atm, donc dans un habitacle de 3000 litres, 545 ÷ 3000 ≒ 0.18, soit environ 18 %.
LycéeLycée+Pourquoi ne « fond »-elle pas, et que se passe-t-il avec un bouchon ?
LycéeL'état solide, liquide ou gazeux d'une substance dépend de la température et de la pression. Le diagramme de phases résume tout cela en une seule figure. Dans celui du dioxyde de carbone, la ligne de 1 atmosphère ne traverse pas la zone liquide. À la pression ordinaire, on passe donc directement du solide au gaz.
Lycée+Le dioxyde de carbone ne peut être liquide qu'au-dessus d'environ 5,1 atmosphères. Dans un récipient solide et hermétique, si la pression dépasse 5 atmosphères, la glace sèche peut donc se changer en dioxyde de carbone liquide. Dans un tube transparent très résistant, on voit réellement le liquide. Mais la pression continue de monter : l'essayer avec un récipient courant est dangereux.
Univ.Le point triple et les écarts au gaz parfait
La température et la pression où solide, liquide et gaz coexistent forment le point triple : environ −57 °C et 5,1 atmosphères pour le dioxyde de carbone. Pour l'eau, il est très bas, environ 0,006 atmosphère. Notre calcul utilise l'équation du gaz parfait, mais à haute pression, l'attraction entre molécules et leur taille comptent. On corrige alors avec, par exemple, l'équation d'état de van der Waals. Le lien entre pression et température de sublimation s'exprime par la relation de Clausius-Clapeyron.
📖 Démonstrations et suite : Gaz parfait (Wikipédia, en japonais) ／ Point triple (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qu'on ne sait pas encore bien
- La dispersion de la pression d'éclatement. Celle d'une bouteille varie beaucoup selon sa forme, son épaisseur, ses défauts et sa température. Comment un plastique durci par le froid se brise est un problème difficile, même pour la recherche sur les matériaux.
- La dissipation du gaz accumulé en bas. Le temps que met un gaz lourd à se mélanger et à se diluer dépend fortement de la forme de la pièce, des écarts de température et de légers courants d'air. Prévoir cela cas par cas reste difficile.
- Les effets d'une faible concentration sur la durée. Les effets à court terme de quelques pour cent sont bien étudiés, mais pour des concentrations plus faibles et de longues durées, les études divergent sur la somnolence et la concentration.
Le contenu de cet article est donc une « explication de l'état actuel des connaissances ». Prenez les valeurs comme des repères et gardez toujours une marge de sécurité.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences 1re année « changements d'état », 2e année « propriétés des gaz » | Sublimation, pourquoi le volume augmente |
| Lycée | Chimie « lois des gaz », « diagramme de phases » | Calcul de la pression avec l'équation d'état |
| Lycée+ | Chimie, approfondissement du « diagramme de phases » | Liquide au-dessus de 5,1 atm |
| Univ. | Chimie physique, thermodynamique | Point triple, correction des gaz réels |
| Recherche | Résistance des matériaux, ventilation, santé au travail | Dispersion des pressions d'éclatement, accumulation du gaz |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Usage comme réfrigérant, transport en voiture, élimination |
- Wikipédia, « Glace sèche » (ドライアイス, en japonais)
- Wikipédia, « Point triple » (三重点, en japonais)
- National Astronomical Observatory of Japan (国立天文台), éd., 『理科年表』 (Chronological Scientific Tables), Maruzen Publishing (propriétés physiques du dioxyde de carbone)
- Consumer Affairs Agency (消費者庁) et National Consumer Affairs Center of Japan (国民生活センター), « ドライアイスの取り扱いに関する注意喚起 » (mise en garde sur la manipulation de la glace sèche ; cas d'éclatement de récipients et d'intoxication en voiture)
- Ministry of Health, Labour and Welfare (厚生労働省), « 職場のあんぜんサイト » (site de sécurité au travail ; cas d'accidents dus au manque d'oxygène et au dioxyde de carbone)
※Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des repères et des estimations pour comprendre le mécanisme. Pour manipuler la glace sèche, suivez les consignes du produit et du vendeur, ainsi que les instructions des pompiers et des collectivités. Si vous ressentez le moindre malaise, n'hésitez pas à consulter un établissement médical ou à appeler les secours (le 119 au Japon).