Pourquoi une chaufferette jetable chauffe-t-elle dès qu'on ouvre le sachet ?
― À l'intérieur, de la poudre de fer rouille à toute vitesse
Pas de pile, pas de carburant, et pourtant la chaufferette devient tiède en quelques minutes après l'ouverture du sachet. À l'intérieur se produit le même phénomène que sur un vélo laissé sous la pluie : la rouille. Or la rouille dégage de la chaleur. La chaufferette est conçue pour la libérer assez vite pour qu'on la sente à la main, et assez lentement pour que cela dure une demi-journée.
Un matin d'hiver, vous déchirez le sachet extérieur pour sortir la chaufferette. D'abord froide, elle devient peu à peu tiède tandis que vous la malaxez dans votre poche.
Au dos du sachet, on lit : « composition : poudre de fer, eau, charbon actif, vermiculite, sels ». Rien qui ressemble à un combustible.
Pourtant, un clou oublié dans le jardin reste froid même rouillé de part en part. Même fer, mais une différence énorme. D'où vient-elle ?
Deux raisons seulement expliquent la chaleur
La rouille, c'est le fer qui se combine à l'oxygène de l'air. Cette réaction libère le même type de chaleur que le bois qui brûle dans un feu. Sur un clou, la rouille est simplement trop lente : la chaleur produite s'échappe aussitôt.
En réduisant le fer en fine poudre, on multiplie la surface au contact de l'air ; l'eau salée et le charbon accélèrent encore la rouille. Mais un petit trou dans le sachet limite l'arrivée d'oxygène, pour éviter une surchauffe.
Autrement dit, la chaufferette combine dans un seul sachet « ce qui accélère la rouille » et « ce qui l'empêche d'aller trop vite ». Voyons cela en détail.
Pourquoi un clou rouillé reste froid, mais la poudre chauffe ?
La rouille ne se forme qu'en surface du fer, car l'oxygène ne pénètre pas au cœur d'un bloc massif. La quantité de rouille formée en un temps donné — donc la chaleur dégagée — dépend presque entièrement de la surface exposée à l'air.
Regardez la figure 1. Un gramme de fer façonné en cube d'1 cm de côté a une surface plus petite qu'une pièce de monnaie. Mais ce même gramme, réduit en poudre de grains d'environ 0,05 mm de diamètre, déploie une surface équivalente à une carte postale. Environ 200 fois plus. En bougeant le curseur pour changer la taille des grains, on voit la surface s'élargir à mesure qu'on affine la poudre.
Réduire le fer en poudre n'est pas la seule astuce pour accélérer la rouille. L'eau salée présente à l'intérieur multiplie la vitesse de la réaction par plusieurs — la même raison qui fait rouiller plus vite un vélo en bord de mer. Le charbon actif, cette poudre noire, retient l'air dans ses pores et le cède au fer.
Alors pourquoi ça ne chauffe pas d'un coup ?
Pour accélérer la rouille au maximum, il suffirait d'une poudre encore plus fine. D'ailleurs, la laine d'acier — un amas de fils de fer très fins — s'enflamme en étincelles au contact d'une flamme. Brûler et rouiller, c'est la même réaction du fer avec l'oxygène : seule la vitesse diffère.
Dans la chaufferette, c'est le sachet lui-même qui fait office de frein. Comme le montre la figure 2, le sachet intérieur est un tissu percé de trous minuscules, invisibles à l'œil nu. L'oxygène ne peut entrer que par ces trous. Leur nombre et leur taille déterminent la quantité d'oxygène qui entre, et donc la régularité de la chaleur dégagée. Avant la vente, le sachet extérieur reste scellé pour couper l'air et empêcher la rouille de commencer.
Selon les calculs, une chaufferette de taille courante dégage en moyenne environ 3 watts. C'est moins qu'un chargeur de smartphone, mais cette puissance, maintenue pendant une demi-journée sur une surface de la taille d'une paume, suffit à donner une sensation de chaleur bien réelle.
La rouille, c'est du fer auquel s'est ajouté de l'oxygène. Cet oxygène ajouté alourdit le contenu. Le calcul montre que si 20 grammes de fer rouillent entièrement, la masse augmente de près de 9 grammes. À partir de l'air, qui semble pourtant ne rien contenir, la chaufferette capte ainsi du poids en une demi-journée.
Dans un espace où l'air se renouvelle mal — à l'intérieur d'une chaussure ou entre des couettes empilées — l'oxygène vient à manquer et la chaufferette chauffe moins bien. Les chaufferettes pour les pieds auraient une composition adaptée pour chauffer même avec peu d'air.
En résumé
La chaufferette jetable exploite la chaleur dégagée par le fer en train de rouiller. Poudre fine, eau salée et charbon multiplient la vitesse de la rouille par plusieurs centaines ; le petit trou du sachet limite l'oxygène pour maintenir une chaleur juste comme il faut pendant une demi-journée.
Dans la chaufferette : du fer qui rouille pendant une demi-journée.
La chaleur vient de l'oxygène de l'air.
Même si elle est chaude, il ne faut jamais la garder longtemps contre la peau. Les raisons sont expliquées dans Pourquoi se brûle-t-on avec une chaufferette ou une bouillotte ?. Sur le même principe du métal qui se combine à l'air et change de couleur, voir aussi l'article sur le vert-de-gris du cuivre, et sur la chaleur accumulée qui s'auto-accélère, l'article sur le chiffon imbibé d'huile qui s'enflamme.
- Placez une chaufferette qui commence à chauffer dans un sachet zippé, en chassant un maximum d'air avant de le fermer. Après un moment, vous sentirez la chaleur diminuer.
- Rouvrez le sachet pour remettre la chaufferette à l'air : elle se réchauffe à nouveau. L'arrivée ou non d'oxygène fait basculer la production de chaleur.
- Avec une balance de cuisine, comparez le poids de la chaufferette juste après ouverture et le lendemain, une fois refroidie. Quelques grammes de plus confirment que l'oxygène s'est bien combiné au fer.
Une partie de l'humidité s'évapore, donc le gain de poids réel peut être un peu inférieur au calcul. Ne sortez pas le contenu du sachet, gardez-le fermé pour l'expérience.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les programmes scolairesDu collège aux matières universitaires spécialisées, le niveau de chaque partie est indiqué
- Collègeprogramme de sciences du collège
- Lycéeprogramme de chimie du lycée
- Lycée+approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Universitécontenu universitaire spécialisé non vu au lycée (électrochimie, génie des réactions)
- Recherchesujet encore à l'étude, pas même enseigné à l'université comme un acquis établi
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Oxydation : réaction au cours de laquelle une substance se combine à l'oxygène. Rouiller comme brûler sont des oxydations. Seule la vitesse diffère.
- Réaction exothermique : réaction qui dégage de la chaleur vers l'extérieur. L'oxydation du fer en est un exemple classique, présenté au collège via l'expérience de la chaufferette.
- Surface : étendue de la surface d'un objet. Pour une même quantité de matière, elle augmente quand on la divise finement, et les réactions de surface vont alors plus vite.
CollègeLycéeVérification par le calcul : en combien de watts chauffe une chaufferette ?
Estimons la chaleur totale dégagée si tout le fer de la chaufferette rouille, puis divisons-la par la durée d'utilisation pour obtenir la puissance moyenne (en watts). Un watt correspond à un joule de chaleur dégagé par seconde.
| En symboles | P ＝ ( m ÷ M ) × Q ÷ t |
| En mots | Puissance dégagée ＝ quantité de fer (en moles) × chaleur de réaction par mole de fer ÷ durée de chauffe |
| D'où vient cette formule | Conservation de l'énergie. Quand le fer se combine à l'oxygène pour former de la rouille, la différence d'énergie de liaison se libère sous forme de chaleur. Cette chaleur est proportionnelle à la quantité de fer ayant réagi |
| Symbole | Signification et unité |
| P | Puissance moyenne dégagée (watts) |
| m | Masse de fer dans la chaufferette (grammes) |
| M | Masse molaire du fer (grammes) |
| Q | Chaleur dégagée par mole de fer rouillée (kilojoules) |
| t | Durée de chauffe (secondes) |
| Quantité de fer d'une chaufferette courante | environ 20 grammes |
| Masse molaire du fer | 55,8 grammes |
| Chaleur dégagée par mole de fer devenant oxyde de fer (rouille rouge) | environ 400 kilojoules (varie un peu selon le type de rouille) |
| Durée de chauffe | environ 12 heures (variable selon le produit) |
| Masse volumique du fer | 7,87 grammes par cm³ |
| Quantité de fer en moles | 20 ÷ 55,8 ≒ 0,36 mole |
| Chaleur totale si tout rouille | 0,36 × 400 ＝ 144 kilojoules |
| 12 heures en secondes | 12 × 3600 ＝ 43200 secondes |
| Puissance moyenne dégagée | 144000 ÷ 43200 ≒ 3,3 watts |
| Oxygène consommé (0,75 mole par mole de fer) | 0,36 × 0,75 ＝ 0,27 mole |
| Gain de masse (1 mole d'oxygène = 32 grammes) | 0,27 × 32 ≒ 8,6 grammes |
| Masse volumique × diamètre du grain (0,005 cm) | 7,87 × 0,005 ≒ 0,0394 |
| Surface d'1 gramme de poudre | 6 ÷ 0,0394 ≒ 152 cm² |
| Surface d'1 gramme en cube d'1 cm de côté | 6 ÷ 7,87 ≒ 0,76 cm² |
| Rapport des surfaces poudre/cube | 152 ÷ 0,76 ＝ 200 fois |
Le calcul donne une puissance moyenne d'un peu plus de 3 watts, maintenue une demi-journée. Un corps humain au repos dégagerait, lui, environ 80 à 100 watts. La chaleur de la chaufferette représente quelques dizaines de fois moins, mais concentrée sur un seul point — paume de la main ou bas du dos — elle se ressent nettement. En pratique, tout le fer ne rouille pas forcément en totalité : ces valeurs restent indicatives.
LycéeLycée+Pourquoi la rouille dégage-t-elle de la chaleur ?
LycéeLa transformation du fer en oxyde de fer est une réaction exothermique avec une forte chaleur de réaction (chaleur de formation). Avant et après la réaction, l'énergie de liaison entre atomes diminue, et cette différence se libère sous forme de chaleur. La chaleur de réaction ne dépend que de l'état initial et final, pas du chemin suivi (loi de Hess). Que le fer rouille lentement ou brûle d'un coup, la chaleur totale dégagée pour une même quantité de fer reste identique.
Lycée+Ce qui diffère, c'est la vitesse de dégagement de chaleur. Cette vitesse dépend de la surface de contact, de la température, de la présence d'eau ou de sel. Réduire en poudre augmente la surface ; l'eau salée facilite la conduction électrique et accélère la réaction. La chaufferette réunit toutes les conditions pour accélérer la réaction, puis règle la vitesse globale en limitant uniquement l'entrée d'oxygène.
UniversitéLe fer et le charbon forment une petite pile dans l'eau salée
En électrochimie, la corrosion du fer est traitée comme une réaction de pile locale. En un point de la surface du fer, des atomes de fer cèdent des électrons et se dissolvent (anode) ; ailleurs, ces électrons sont captés et l'oxygène réagit avec l'eau (cathode). Le charbon actif de la chaufferette, conducteur, assure ce rôle de cathode sur une large surface et accélère ainsi la réaction. Le sel améliore la conduction électrique dans l'eau. Dans la poudre, la vitesse globale dépend à la fois de la diffusion de l'oxygène dans les interstices et de la vitesse de réaction en surface — un problème traité en génie des réactions sous les termes de réaction hétérogène et de surface spécifique.
📖 Pour la démonstration des formules et pour aller plus loin : Loi de Hess (Wikipédia, en japonais) ／ Surface spécifique (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore totalement élucidé
- La composition de la rouille varie selon les conditions. Il existe plusieurs sortes de rouille de fer, hydratées ou de structure cristalline différente. L'humidité et la quantité de sel influencent laquelle se forme, et les mécanismes précis sont encore étudiés.
- Prédire exactement la diffusion de l'oxygène dans la poudre reste difficile. De légères variations de taille des grains, de tassement ou de répartition de l'eau changent la façon dont la chaleur se dégage. La composition des produits serait déterminée autant par des essais et mesures répétés que par le calcul.
- Ce qui se passe à l'instant même où la rouille commence. La toute première étape, où un film d'eau se forme à la surface du fer et amorce la corrosion, fait encore l'objet de recherches visant à prolonger la durée de vie des ponts et des navires.
Autrement dit, le contenu de cet article reste « ce que l'on comprend à ce jour ». La raison du dégagement de chaleur est bien établie, mais la façon dont la réaction se propage dans la poudre comporte encore des zones qu'il faut mesurer pour connaître.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences 4e « réaction chimique et chaleur », « oxydation » | La rouille dégage de la chaleur |
| Lycée | Chimie « chaleur de réaction », « loi de Hess » | Chaleur totale identique, que la rouille soit lente ou que ça brûle |
| Lycée+ | Chimie « vitesse de réaction » | Accélérer avec la poudre et l'eau salée, limiter avec le trou |
| Université | Électrochimie (corrosion) / génie des réactions | Pile locale, réaction hétérogène et surface spécifique |
| Recherche | Science de la corrosion | Types de rouille, mécanisme de l'amorçage de la corrosion |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Pourquoi la chaufferette refroidit dans une chaussure, pourquoi un vélo rouille plus vite en bord de mer |
- Kairo (chaufferette) - Wikipédia (en japonais)
- Norme industrielle japonaise JIS S 4100 « Chaufferettes jetables »
- Société chimique du Japon (éd.), Kagaku Binran — Kiso-hen (Manuel de chimie, édition de base), Maruzen Publishing (enthalpie de formation de l'oxyde de fer)
- Société japonaise de corrosion et de protection anticorrosion (éd.), Handbook de corrosion et de protection anticorrosion, Maruzen Publishing (corrosion par pile locale)
- Ministère japonais de l'Éducation, Commentaire du programme de sciences du collège (réaction chimique et chaleur)
※ Cet article est une vulgarisation scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des repères et des approximations destinés à faciliter la compréhension. Ne sortez pas le contenu de la chaufferette et suivez les consignes d'utilisation du produit.