Comment le sachet déshydratant d'un paquet de biscuits absorbe-t-il l'humidité ?
― Dans un grain de 1 gramme, des parois de deux courts de tennis sont repliées
Ces petits grains transparents glissés dans les sachets d'algues ou de biscuits de riz ne « boivent » pas l'eau comme une éponge. Ils collent les molécules d'eau, une à une, sur les parois de pores invisibles à l'œil nu. Si on dépliait toutes ces parois, 1 gramme couvrirait environ deux courts de tennis et demi.
Vous ouvrez un paquet d'algues séchées. Un petit sachet portant la mention « Ne pas manger » en tombe. À l'intérieur, des grains transparents, comme des éclats de verre.
Au toucher, ils restent secs. Ils ne gonflent pas comme une éponge gorgée d'eau. Pourtant, les algues du paquet restent croustillantes pendant des semaines.
Où ce minuscule grain range-t-il donc l'eau ?
Deux raisons seulement expliquent cette absorption
À l'intérieur, le grain ressemble à une éponge faite de minuscules billes collées ensemble. Mises bout à bout, les parois des interstices couvrent environ 700 mètres carrés par gramme. Elles attirent les molécules d'eau et les retiennent.
Un pore est des dizaines de milliers de fois plus fin qu'un cheveu. Dans un tel tuyau, la vapeur d'eau se condense et le remplit même si l'air n'est pas saturé. C'est pourquoi l'humidité d'une pièce ordinaire suffit à l'absorber à vive allure.
Dans les deux cas, cette force vient de la « forme » du grain, pas de sa « matière ». Le gel de silice a presque la même composition que le verre ou le cristal de roche. Un verre ne capte pas l'humidité, le gel de silice si : leur structure interne est totalement différente.
Que se passe-t-il à l'intérieur du grain ?
Regardez la figure 1. À gauche, un grain du sachet. Il mesure 2 à 5 millimètres de diamètre et ressemble à une simple bille de verre.
Au centre, l'intérieur du grain agrandi. De bien plus petites billes, de quelques nanomètres de diamètre, s'agglutinent comme une grappe de raisin. Les vides entre elles forment des pores en labyrinthe.
À droite, un nouvel agrandissement de la paroi d'un pore. Sa surface est couverte de « mains » qui s'accrochent volontiers aux molécules d'eau. Quand une molécule d'eau s'approche, elle est attirée par ces mains et se colle à la paroi.
L'essentiel est la taille de la paroi. La surface d'une bille de verre de 1 gramme ne dépasse pas celle d'un bout de doigt. Mais si la même masse est faite d'un amas de minuscules grains, la surface est multipliée par des dizaines de milliers. C'est comme déchirer une feuille en petits morceaux : plus on la déchire, plus la longueur totale des bords augmente.
Pourquoi capter l'eau d'un air qui n'est pas saturé ?
Si l'eau ne faisait que se coller en une couche sur la paroi, la quantité absorbée serait limitée. Le gel de silice en retient davantage grâce à son second mécanisme.
D'ordinaire, la vapeur d'eau ne redevient liquide que lorsque l'humidité atteint 100 pour cent. Mais dans un pore très fin, c'est différent. Les couches d'eau collées sur les parois qui se font face cherchent à se rejoindre. Ainsi, même sous 100 pour cent d'humidité, l'eau s'accumule d'abord à l'intérieur des pores.
Dans la figure 2, faites varier la largeur du pore. Plus il est fin, plus il se remplit d'eau à faible humidité. Les pores du gel de silice ont justement la taille qui les fait se remplir à l'humidité d'une pièce ordinaire.
Avec un pore de 10 nanomètres de diamètre, il ne se remplit qu'à partir d'environ 80 pour cent d'humidité. À l'inverse, à 1 nanomètre, il commence à se remplir dès une humidité de 10 et quelques pour cent. Le gel de silice alimentaire aurait des pores plutôt fins, pour capter l'eau même dans un air sec.
Certains déshydratants pour boîtes à chaussures ou placards contiennent des grains bleus. Ce sont des « grains témoins » imprégnés d'un produit qui change de couleur au contact de l'eau. Quand ils virent au rose, c'est le signe que les pores sont presque pleins. Aujourd'hui, de plus en plus de produits utilisent un autre composé, qui vire vers une autre couleur.
Les paquets de biscuits de riz contiennent parfois une poudre ou des grains blancs de « déshydratant à la chaux ». Il ne retient pas l'eau sur des parois de pores : il réagit chimiquement avec elle et se transforme en une autre substance. Cette réaction dégage beaucoup de chaleur ; veillez à ne pas le mouiller ni à le recevoir dans les yeux. Vérifiez l'étiquette et jetez-le selon les règles de votre commune.
En résumé
Le gel de silice a la même composition que le verre, mais il est fait d'un amas de petits grains en forme de grappe. Les larges parois repliées à l'intérieur retiennent les molécules d'eau, une couche à la fois. Dans les pores très fins, la vapeur redevient en outre liquide et s'accumule, même si l'air n'est pas saturé. Tout en restant sec d'aspect, il pourrait stocker environ un tiers de sa propre masse en eau.
Un déshydratant, ce n'est pas une « matière » qui boit l'eau, c'est une « forme » qui la piège.
Dans 1 gramme, des parois de deux courts de tennis sont cachées.
Ce changement de comportement de l'eau selon la taille des pores est aussi lié à l'agglomération du sucre et du sel : l'eau rassemblée à la surface des grains les colle entre eux.
- Préparez un déshydratant contenant des grains témoins bleus et répartissez quelques grains dans deux petites soucoupes (l'étape 3 peut aussi se faire avec le déshydratant d'un paquet d'algues).
- Mettez l'une dans un bocal vide fermé par un couvercle, laissez l'autre dans un lieu humide, comme la salle de bains ou la cuisine. Toutes les quelques heures, comparez l'évolution des couleurs.
- Laissez tomber un grain transparent sec dans un verre d'eau. En approchant l'oreille, vous entendrez peut-être de petits crépitements : le grain peut se fissurer.
Le bruit de l'étape 3 s'expliquerait ainsi : l'eau s'engouffre d'un coup dans les pores, et la chaleur dégagée et la force exercée mettent le grain sous tension. Les grains ne se mangent pas : faites l'essai hors de portée des jeunes enfants et jetez-les ensuite. N'essayez pas avec un déshydratant à la chaux en poudre blanche.
Pour aller plus loin ― termes, formules et lien avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de chimie du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée ou encadré de manuel
- Univ.Cours d'université non vus au lycée (chimie physique, chimie des interfaces)
- RechercheSujets encore étudiés par les chercheurs, non enseignés comme acquis, même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Adsorption : des molécules se collent à la surface d'un objet. À distinguer de l'« absorption », où elles pénètrent à l'intérieur.
- Gel de silice : du dioxyde de silicium (même composition que le verre ou le cristal de roche) mis sous forme d'un bloc criblé de pores fins.
- Condensation capillaire : dans un pore très fin, la vapeur d'eau redevient eau liquide même sous 100 pour cent d'humidité.
- Surface spécifique : l'étendue de la surface par gramme. Pour le gel de silice, elle atteint quelques centaines de mètres carrés.
CollègeLycéeVérifier par le calcul : combien de grammes d'eau une seule couche sur la paroi retient-elle ?
On calcule d'abord la masse d'une couche de molécules d'eau serrées sur toute la paroi. On la compare ensuite à la quantité réellement absorbée, puis à l'eau présente dans l'air d'un sachet d'algues.
| En symboles | m ＝ S × σ （σ ＝ m₁ ÷ a） |
| En mots | masse d'eau retenue ＝ surface de paroi × masse d'une couche d'eau sur 1 mètre carré |
| D'où vient-elle ? | D'un simple dénombrement : les molécules d'eau s'alignent sur la paroi, chacune occupant sa propre surface. La masse d'une couche s'obtient en divisant la masse d'une molécule m₁ par l'aire a qu'elle occupe. |
Légende : m est la masse d'eau retenue (en milligrammes), S la surface de paroi de 1 gramme de gel de silice (en mètres carrés), σ la masse, par mètre carré, d'une couche de molécules d'eau (en milligrammes).
| Surface de paroi de 1 gramme de gel de silice | environ 700 mètres carrés (de quelques centaines à 800 selon les produits) |
| Masse d'une couche de molécules d'eau | environ 0,29 milligramme par mètre carré (en supposant qu'une molécule occupe environ 0,1 nanomètre carré) |
| Quantité d'eau réellement absorbée | environ 35 pour cent de sa propre masse dans un air humide |
| Vapeur d'eau que 1 litre d'air à 25 °C peut contenir | au maximum environ 0,023 gramme |
| Surface d'un court de tennis (double) | environ 261 mètres carrés |
| Masse d'une couche d'eau (milligrammes) | 700 × 0,29 ＝ 203 |
| Conversion en grammes | 203 ÷ 1000 ＝ 0,203 |
| Quantité réellement absorbée (grammes) | 1 × 0,35 ＝ 0,35 |
| Combien de fois une couche ? | 0,35 ÷ 0,203 ≒ 1,7 |
| Surface de paroi en courts de tennis | 700 ÷ 261 ≒ 2,7 |
| Eau qu'un sachet de 5 grammes peut absorber (grammes) | 5 × 0,35 ＝ 1,75 |
| Eau dans 1 litre d'air à 60 % d'humidité (grammes) | 0,023 × 0,6 ≒ 0,014 |
| Combien de litres d'air le sachet peut-il assécher ? | 1,75 ÷ 0,014 ＝ 125 |
Une seule couche sur la paroi retient déjà environ un cinquième de la masse du gel en eau. La quantité réellement absorbée en est environ 1,7 fois le total ; la différence serait l'eau redevenue liquide dans les pores fins (condensation capillaire). Et un sachet de 5 grammes peut recueillir plus de 100 fois l'eau contenue dans l'air du paquet. C'est pourquoi il peut absorber pendant des semaines l'humidité qui s'infiltre peu à peu par les interstices du sachet.
LycéeLycée+Ce que sont les « mains » de la paroi, et la chaleur dégagée
LycéeLa surface des parois du gel de silice porte des groupes « silanol », des atomes de silicium liés à un oxygène et un hydrogène. Les molécules d'eau s'y rattachent par liaison hydrogène. Cette liaison est une faible attache entre molécules : en chauffant, l'eau s'en détache et le gel de silice peut resservir indéfiniment. C'est la grande différence avec le déshydratant à la chaux, qui capte l'eau par réaction chimique.
Lycée+Quand la vapeur se colle à la paroi, de la chaleur est dégagée, comme lorsque la vapeur redevient eau (chaleur d'adsorption). Un grain sec jeté dans l'eau se remplit d'un coup jusqu'au fond des pores ; cette chaleur et la force de l'air chassé des pores peuvent le fissurer. L'humidité est « le rapport entre la vapeur présente et le maximum que l'air peut contenir à cette température » ; on l'appelle humidité relative.
Univ.L'équation de Kelvin et la mesure de la surface (méthode BET)
Le calcul de la figure 2 utilise l'équation de Kelvin. Notons r le rayon du pore, γ la tension superficielle de l'eau, V le volume molaire de l'eau, R la constante des gaz parfaits et T la température. L'humidité relative à laquelle le pore se remplit vérifie alors : son logarithme népérien vaut −2γV ÷ (rRT). Pour l'eau à 25 °C, 2γV ÷ RT vaut environ 1,05 nanomètre ; un pore de 2,4 nanomètres de diamètre se remplit donc vers 42 pour cent. Dans un vrai pore, le rayon est réduit de l'épaisseur du film d'eau déjà collé à la paroi ; on analyse donc avec une équation corrigée de cet effet.
La valeur « 700 mètres carrés par gramme » du gel de silice est obtenue en adsorbant de l'azote à basse température, puis en déduisant la quantité d'une couche avec l'équation BET (Brunauer–Emmett–Teller). L'« hystérésis d'adsorption », où les courbes de quantité adsorbée diffèrent quand l'humidité monte et quand elle descend, est aussi un indice connu de la condensation capillaire. Pour la taille des pores, on parle de « micropores » en dessous de 2 nanomètres et de « mésopores » de 2 à 50 nanomètres.
📖 Dérivation des formules et suite : Équation de Kelvin (Wikipédia anglais) ／ Gel de silice (Wikipédia japonais)
RechercheCe qu'on ne sait pas encore bien
- Jusqu'où l'équation de Kelvin reste-t-elle juste dans des pores nanométriques ? Quand le diamètre ne vaut que quelques molécules d'eau, l'hypothèse d'un « liquide lisse » ne tient plus. La taille limite d'emploi est toujours étudiée par l'expérience et la simulation numérique.
- L'eau dans un pore est-elle la même que l'eau ordinaire ? On rapporte que l'eau enfermée dans des pores très fins change de température de congélation et de fluidité. Le détail du mécanisme est encore débattu.
- Des matériaux pour tirer de l'eau potable de l'air Dans les régions arides, on développe des matériaux qui captent l'eau de l'air la nuit et la libèrent le jour grâce à la chaleur du soleil. On cherche la forme de pore qui en recueille le plus dans l'air le plus sec.
Le contenu de cet article est donc, lui aussi, « l'explication dans l'état actuel des connaissances ». En particulier, le comportement de l'eau dans des pores très fins est un domaine où les découvertes se poursuivent.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : « vapeur d'eau et humidité », « changements d'état » | L'humidité, la vapeur qui redevient eau |
| Lycée | Chimie : « liaison hydrogène », « composés du silicium » | Lien silanol–eau, composition du gel de silice |
| Lycée+ | Chimie : « pression de vapeur », « changements d'état et chaleur » | Humidité relative, chaleur d'adsorption, pourquoi un grain jeté dans l'eau se fissure |
| Univ. | Chimie physique et chimie des interfaces | Équation de Kelvin, équation BET, hystérésis d'adsorption |
| Recherche | L'eau dans les nano-espaces, matériaux captant l'eau de l'air | Section recherche |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Protection contre l'humidité des aliments, chaussures, appareils photo ; bonne façon de jeter un déshydratant |
- Wikipédia japonais, « Gel de silice » (シリカゲル)
- Wikipedia "Kelvin equation"
- Seiichi Kondo, Tatsuo Ishikawa, Ikuo Abe, 『吸着の科学』 (La science de l'adsorption), Maruzen (丸善)
- S. J. Gregg, K. S. W. Sing, "Adsorption, Surface Area and Porosity", Academic Press
- National Consumer Affairs Center of Japan (国民生活センター), mise en garde sur les accidents liés aux déshydratants à la chaux
※ Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur et des estimations pour comprendre le mécanisme. Les déshydratants ne se mangent pas. En cas d'ingestion ou de projection dans les yeux, suivez les indications du produit et, si besoin, consultez un médecin ou un centre antipoison. Pour les jeter, suivez les consignes de votre commune.