Pourquoi la glace du congélateur est-elle trouble au centre ?
― L'air dissous dans l'eau est repoussé vers le dernier endroit qui gèle
Regardez de près un glaçon : le pourtour est transparent, mais le centre est blanc et voilé. Ce blanc n'est pas de la saleté. C'est de l'air, invisible, qui était dissous dans l'eau. La glace se forme de l'extérieur vers l'intérieur sans accepter cet air. Privé de place, il se rassemble au centre et reste prisonnier sous forme de minuscules bulles.
Vous versez des glaçons du congélateur dans un thé glacé. Dans le verre, on voit un noyau blanc flotter au cœur de chaque glaçon.
Pourtant, les glaçons en sachet qu'on achète en magasin, ou les gros glaçons des cafés, sont transparents jusqu'au cœur. On a juste fait geler de l'eau dans les deux cas. Qu'est-ce qui change ?
Et même chez vous, les premiers millimètres du glaçon sont transparents. Seul le centre est toujours trouble.
Deux raisons seulement expliquent ce centre trouble
L'eau contient un peu d'air dissous. Mais quand elle gèle, le cristal de glace, parfaitement ordonné, n'a aucune place pour cet air. Il est chassé vers l'eau qui n'a pas encore gelé.
Le bac à glaçons est entouré d'air froid : dessus, dessous, sur les côtés. La glace grandit depuis les bords, et c'est le centre qui garde l'eau le plus longtemps. L'air chassé y est acculé.
La quantité d'air que l'eau peut garder dissous est limitée. Plus il reste peu d'eau, plus l'air y est concentré, jusqu'à ne plus pouvoir se dissoudre. L'excès forme de minuscules bulles qui gèlent sur place. Voilà ce qu'est ce trouble blanc.
Plus la glace avance, plus l'air de l'eau restante se concentre
Un litre d'eau du robinet contient environ 20 millilitres d'air dissous. On ne voit pas de bulles, mais des molécules d'air se glissent entre les molécules d'eau.
Quand l'eau commence à geler, le cristal de glace se construit avec des molécules d'eau seulement, selon un ordre régulier. Les molécules d'air sont rejetées dans l'eau voisine. La quantité d'air ne diminue pas, mais l'eau, elle, diminue. L'air de l'eau restante devient donc de plus en plus concentré.
Regardez la figure 1. Avec le curseur, vous changez la part gelée : l'eau restante au centre rétrécit et la barre de droite s'allonge. Quand la barre dépasse la ligne pointillée (la limite de dissolution), l'air n'a plus d'autre issue que de sortir sous forme de bulles.
Le calcul montre que, pour de l'eau du robinet, dès qu'environ un tiers a gelé, l'eau restante ne peut plus garder tout son air dissous (les chiffres sont vérifiés dans le volet dépliable final). Ensuite, plus la glace avance, plus les bulles se multiplient. Les premiers millimètres sont transparents parce qu'ils se sont formés au tout début, quand l'air n'était pas encore concentré.
Au centre blanc, l'air s'accompagne des « minéraux » de l'eau
L'eau du robinet contient aussi un peu de minéraux, comme le calcium. Comme l'air, ils ne peuvent pas entrer dans le cristal de glace. Ils se concentrent vers le centre, qui gèle en dernier, et peuvent y laisser des traînées blanchâtres, comme de la poudre.
La vitesse de congélation joue aussi. La température d'un congélateur domestique est très basse, et la glace croît vite. Quand le front de glace avance vite, il rattrape l'air chassé avant qu'il ait pu s'éloigner, et les bulles sont capturées sur place. C'est pourquoi on voit parfois de fines traînées de bulles rayonner du centre vers l'extérieur.
Les fabricants de glace font geler l'eau, dans de grands bacs, très lentement, en deux jours environ, dit-on. On dit aussi que l'eau y est remuée pendant la congélation, puis que l'ultime eau, chargée d'air et de minéraux, est retirée. L'air est ainsi évacué avant d'être emprisonné.
Comment faire de la glace transparente chez soi ? Changer le sens du gel
Une fois qu'on a compris, on peut s'organiser. Il suffit de déplacer l'endroit où l'air s'accumule : non plus au « centre », mais au « fond ». Comme à droite de la figure 2, placez un récipient d'eau dans une boîte en polystyrène, par exemple, et mettez-le au congélateur sans couvercle. Les côtés et le dessous sont isolés : l'eau ne gèle donc que par le dessus, vers le bas.
Si vous la sortez avant que le fond soit entièrement gelé et que vous coupez la partie trouble du bas, il ne reste que de la glace transparente. On conseille aussi souvent d'utiliser de l'eau bouillie puis refroidie. Cela aide un peu, car il y a moins d'air, mais pendant le refroidissement l'air se redissout, si bien que cela ne suffit pas forcément à obtenir une glace claire jusqu'au cœur. Ce qui compte, c'est moins le type d'eau que le « sens du gel » et la « vitesse du gel ».
En résumé
L'eau contient de l'air invisible. La glace, qui grandit de l'extérieur vers l'intérieur dans le congélateur, n'accepte pas cet air dans son cristal. L'air chassé s'accumule dans l'eau restante, et ce qui ne peut plus se dissoudre devient des bulles, emprisonnées au centre, là où l'eau gèle en dernier. Si on impose un seul sens de congélation, on peut changer la destination de l'air.
Le noyau blanc n'est pas de la saleté dans l'eau, mais de l'air qui n'a plus de place.
En gelant, la glace purifie l'eau.
Pour comprendre le « crac » que fait un glaçon plongé dans une boisson, lisez Pourquoi un glaçon du congélateur craque-t-il dans une boisson ? Et pour savoir pourquoi la glace transparente paraît blanche une fois broyée, voyez Pourquoi la neige paraît-elle blanche alors que la glace est transparente ?
- Versez la même eau du robinet dans un bac à glaçons et dans un petit gobelet en plastique. Placez le gobelet dans une boîte en polystyrène (ou dans une boîte emballée de plusieurs couches de serviette), en ne laissant que le dessus ouvert.
- Mettez les deux au congélateur pendant une demi-journée à une journée. Surveillez le gobelet de temps en temps et sortez-le avant que le fond soit entièrement gelé.
- Placez les deux glaces à contre-jour et comparez où se trouve le trouble. Il devrait être au centre pour le bac, et vers le fond pour le gobelet.
Si vous posez un glaçon du bac sur de l'eau et le laissez fondre doucement, vous verrez aussi de petites bulles sortir du noyau blanc. Vous constatez ainsi de vos yeux que ce qui était prisonnier était bien de l'air.
Pour aller plus loin ― termes, formules, lien avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège (Japon)
- LycéeProgramme de « chimie » du lycée
- Lycée +Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Matière d'université non vue au lycée (génie des matériaux, croissance cristalline)
- RechercheSujets que les chercheurs étudient encore, et qui ne sont pas des acquis enseignés, même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Solubilité d'un gaz : limite de la quantité de gaz que l'eau peut dissoudre. Plus l'eau est froide, plus elle en dissout.
- Saturation : état où plus rien ne peut se dissoudre. Ce qui dépasse la saturation sort sous forme de bulles ou de cristaux.
- Solidification : passage d'un liquide à un solide. Pour l'eau, c'est le gel.
CollègeLycéeVérifier par le calcul : quand l'air déborde-t-il dans un glaçon ?
Si la glace n'emprisonne aucun air, la quantité d'air reste la même alors que l'eau diminue. À partir de cette idée simple, on estime le moment où les bulles apparaissent et la quantité d'air acculée à la fin.
| En symboles | C ＝ C₀ ÷ (1 − f) (des bulles apparaissent quand C ＞ Clim) |
| En mots | concentration de l'air dans l'eau restante ＝ concentration initiale ÷ part encore non gelée |
| D'où vient-elle ? | De la conservation de la quantité d'air. La glace n'emprisonnant pas d'air, la quantité d'air ne change pas, alors que la quantité d'eau est multipliée par (1 − f). La limite de dissolution Clim est donnée par la loi de Henry (elle est d'autant plus grande que la température est basse). |
| Symbole | Sens et unité |
| C₀ | Concentration de l'air dissous dans l'eau avant congélation (millilitres par litre d'eau) |
| f | Part gelée (de 0 à 1 ; 0,6 signifie 60 % de glace) |
| C | Concentration de l'air dissous dans l'eau pas encore gelée (même unité que C₀) |
| Clim | Concentration d'air que l'eau à 0 °C peut dissoudre (même unité que C₀) |
| Air dissous dans 1 litre d'eau à 20 °C (C₀) | environ 19 mL |
| Air que 1 litre d'eau à 0 °C peut dissoudre (Clim) | environ 29 mL |
| Eau d'un glaçon de bac | environ 30 mL (0,03 L) |
| Diamètre d'une bulle du trouble blanc (ordre de grandeur) | environ 0,1 mm, soit un volume d'environ 0,00052 millimètre cube |
| Air dissous dans l'eau d'un glaçon | 19 × 0,03 ＝ 0,57 mL |
| Concentration à laquelle les bulles apparaissent (en multiples de l'initiale) | 29 ÷ 19 ≒ 1,53 fois |
| « Part non gelée » à ce moment | 1 ÷ 1,53 ≒ 0,65 |
| Part gelée au moment où les bulles apparaissent | 1 − 0,65 ＝ 0,35 |
| Concentration quand 90 % a gelé (part restante : 0,1) | 1 ÷ 0,1 ＝ 10 fois |
| Air que peut dissoudre le dernier dixième (3 mL) | 29 × 0,003 ≒ 0,087 mL |
| Air qui ne peut plus se dissoudre et forme des bulles | 0,57 − 0,087 ≒ 0,48 mL |
| Conversion de 0,48 mL en millimètres cubes | 0,48 × 1000 ＝ 480 |
| Nombre de bulles de 0,1 mm de diamètre | 480 ÷ 0,00052 ≒ 920000 bulles |
Dans cette estimation simple, quand environ un tiers de la glace est formé (part gelée 0,35), l'eau restante ne peut plus garder tout son air dissous. Quand 90 % a gelé, la concentration d'air est 10 fois la valeur initiale. L'air acculé au centre d'un glaçon représente environ 0,5 millilitre, ce qui, en fines bulles, fait de plusieurs centaines de milliers à près d'un million de bulles. Elles renvoient la lumière dans toutes les directions, d'où le blanc du noyau. En réalité, une partie de l'air s'échappe par la surface : c'est donc une valeur proche du maximum.
LycéeLycée +Solubilité des gaz et « tri » pendant le gel
LycéeSelon la loi de Henry, enseignée en chimie au lycée, la quantité de gaz dissous dans l'eau à température constante est proportionnelle à la pression (partielle) de ce gaz. Le coefficient de proportionnalité dépend de la température : plus l'eau est froide, plus elle en dissout. C'est pourquoi, quand on refroidit de l'eau du robinet de 20 °C à 0 °C, aucune bulle n'apparaît d'abord. La limite offre de la marge : l'air reste dissous jusqu'à ce qu'environ un tiers ait gelé.
Lycée +Cette incapacité à entrer dans la glace ne concerne pas que l'air. Elle vaut aussi pour le sel et les minéraux : la glace de mer, formée à partir de l'eau de mer, est bien moins salée que l'eau d'origine. L'eau salée concentrée, chassée de la partie gelée, s'écoule vers le bas par les interstices de la glace. Le gel joue ainsi le rôle d'une « filtration » naturelle.
Univ.Ségrégation, équation de Scheil et fusion de zone
Quand une substance se solidifie, ce qui était dissous est repoussé du côté du liquide : en génie des matériaux, on appelle ce phénomène la ségrégation. Le rapport des concentrations entre solide et liquide s'appelle le coefficient de partage à l'équilibre ; pour le couple air et glace, il est presque nul. Quand le liquide est bien mélangé, la concentration du liquide restant est donnée par l'équation de Scheil. En posant un coefficient de partage nul, on retrouve directement la formule ci-dessus : « concentration ＝ initiale ÷ part restante ». On exploite cette propriété dans la fusion de zone : on fait passer plusieurs fois une zone fondue d'un bout à l'autre d'un barreau pour rassembler les impuretés d'un côté. Cette méthode sert à purifier des matériaux de haute pureté pour les semi-conducteurs. Par ailleurs, on estime que la vitesse d'avancée du front de glace détermine s'il « repousse » ou « avale » une bulle ; ce sujet est étudié sous le nom de capture de bulles à l'interface de solidification.
📖 Démonstration des formules et approfondissements : Loi de Henry (Wikipédia en japonais) ／ Fusion de zone (Wikipédia en japonais)
RechercheCe que l'on ne sait pas encore bien
- Comment se décide le motif des bulles ? Les bulles dans la glace forment parfois des motifs réguliers, en traînées ou en couches. On dit que l'on n'explique pas encore dans le détail comment la vitesse de gel, la concentration de l'air et la naissance des bulles se combinent pour fixer ce motif.
- Ce qui déclenche la première bulle. Même au-delà de la limite calculée, les bulles n'apparaissent pas forcément tout de suite. La concentration nécessaire pour qu'elles se forment, et l'effet des minuscules rayures sur la paroi du récipient, varient beaucoup selon les conditions.
- L'air piégé dans la glace de l'Antarctique. La glace de l'Antarctique emprisonne sous forme de bulles l'atmosphère d'autrefois, indice précieux sur le climat passé. Ces bulles naissent d'un autre mécanisme, le tassement de la neige, mais la façon dont elles évoluent dans la glace fait toujours l'objet de recherches.
Ce que dit cet article n'est donc qu'une « explication dans l'état actuel des connaissances ». Même un petit phénomène du congélateur de la maison garde des zones d'ombre.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, 1re année : « solutions aqueuses », « changements d'état » | L'air est dissous dans l'eau ; en gelant, l'eau chasse ce qui était dissous |
| Lycée | Chimie : « solubilité des gaz, loi de Henry » | Plus l'eau est froide, plus elle dissout d'air ; calcul du moment où les bulles apparaissent |
| Lycée + | Chimie, approfondissement : « solidification et pureté » | Faible salinité de la glace de mer ; tri opéré par le gel |
| Univ. | Génie des matériaux, croissance cristalline | Ségrégation, coefficient de partage à l'équilibre, équation de Scheil, fusion de zone |
| Recherche | Capture de bulles à l'interface de solidification | Détermination des motifs de bulles, déclencheur de leur naissance, bulles de la calotte glaciaire |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Astuces pour faire de la glace transparente chez soi (gel dans un seul sens, lentement) |
- Société chimique du Japon (日本化学会), éd., « Manuel de chimie, volume fondamental » (化学便覧 基礎編), Maruzen Publishing (solubilité des gaz dans l'eau)
- Hobbs, P. V. "Ice Physics", Oxford University Press, 1974
- Carte, A. E. "Air bubbles in ice", Proceedings of the Physical Society, 77, 1961
- Wikipédia en japonais (ウィキペディア), « Loi de Henry » (ヘンリーの法則)
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur pour comprendre le mécanisme. La quantité d'air dissous dans l'eau varie selon la température de l'eau et la qualité de l'eau du robinet.