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On trouve dans le commerce des chaufferettes de poche qu’on place dans la poche ou dans un gant pour nous réchauffer quand il fait froid.

L’utilisation est assez simple : on place la chaufferette dans l’eau bouillante pour faire disparaître les cristaux puis on laisse refroidir le liquide.
Quand on a froid, on utilise une petite pièce métallique à l’intérieur de la bouillotte que l’on « clic » : le liquide se cristallise alors à vue d’œil et la bouillotte se met à chauffer pour environ une demi-heure. Une fois refroidie, il suffit de la replacer quelques minutes dans l’eau bouillante pour recommencer le cycle. Ils sont utilisables plusieurs centaines de fois, voire à l’infini.

une bouillotte magiqueune bouillotte magique avec un thermomètre qui chauffe
↑ la bouillotte avec le contenu liquide (1) et avec le contenu cristallisé (2)

Comment ça marche ?


Bien que l’on les présente comme « bouillotte chimique », le principe est entièrement physique : il n’y a pas de transformation chimique, ni de changement de phase (fonte et solidification). La réalité est un peu différente.

Le produit qui se trouve dans les chaufferettes est une solution sursaturée d’acétate de sodium. La concentration est telle que son point de saturation est situé à +54°C.
Quand on place la bouillotte dans l’eau chaude, l’acétate de sodium se dissout totalement.

En refroidissant en dessous de 54°C, on s’attend à ce que l’acétate de sodium précipite et cristallise. Mais ce n’est pas le cas et il reste totalement dissout : la solution est alors sursaturée.

La raison à cela, est que l’acétate de sodium ne peut pas cristalliser tout seul : il lui faut — comme l’eau pour geler — un point de départ, un élément déclencheur, une sorte de « coup de pousse » pour commencer à cristalliser. Tant qu’il n’y a pas ce phénomène déclencheur, le produit restera totalement dissout.
L’élément déclencheur, c’est le rôle de la pièce métallique : en la claquant, on crée une petite onde de choc qui va produire quelques cristaux d’acétate de sodium solide.
Ces cristaux de départ vont alors permettre à toutes les autres molécules de se cristalliser tout autour jusqu’à ce que l’ensemble de la chaufferette soit durcie.

Là où ça devient très intéressant pour nous, c’est que la cristallisation de l’acétate de sodium dégage de la chaleur : sa forme dissoute est plus énergétique que sa forme cristalline. Lors de la cristallisation, la différence d’énergie est libérée sous forme de chaleur et c’est cette chaleur qui est utilisée pour vous chauffer. La chaufferette agit alors un peu comme une « pile à chaleur » que l’on peut utiliser au moment voulu.

Ce procédé est un moyen comme un autre de stocker de l’énergie : le simple fait que l’acétate de sodium reste dissoute en dessous de son point de précipitation constitue une source d’énergie : la seule façon de récupérer l’énergie est de provoquer une solidification du produit, grâce à la pièce métallique.

Pour les amateurs de chimie, sachez qu’il est possible de faire de l’acétate de sodium chez vous avec du bicarbonate de soude, du vinaigre et de l’eau. Ces produits ne sont absolument pas dangereux et trouvables très facilement. La recette est là.

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TD a dit :

L'onde de choc pourrait-elle aussi solidifier de l'eau liquide sous 0°C, où alors c'est seulement avec un « grain » ? D'ailleurs, comment une onde de choc peut-elle créer des microcristaux ?

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Le Hollandais Volant a dit :

@TD : Ça je ne sais pas trop. Mais ces états sont dits « métastables » : un peu comme une pièce que l’on érige sur la tranche : ça tient, mais une petite perturbation fait tout tomber.

Ce que je sais, c’est que parfois c’est une variation de pression qui solidifie l’acétate de sodium (parfois il suffit de malaxer le truc pour qu’il cristallise.
Une onde de choc, c’est un front d’onde sonore qui se déplace, or le son est une pression.

Peut-être que ça a pour effet d’aligner les atomes, ou de les faire se rapprocher, pour que des liaisons solides apparaissent.

Pour l’eau : oui, je pense. Et l’eau en surfusion est bien moins stable que l’acétate de sodium en sursaturation. Un simple choc ou corps étranger suffit à tout faire geler.
Idem pour l’eau en surchauffe : liquide au dessus de 100°C, quand on met de l’eau pure au micro-onde par exemple, et que ça reste liquide à 100~120°C : le moindre choc fait tout bouillir et peut-être très dangereux.

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Florent Pessina a dit :

@TD : c'est une question d'énergie apportée à un système metastable, afin d'initier une nucléation. Quelque soit l'énergie en fait. Sauf thermique qui ajoute des effets supplémentaires . un stimuli mécanique via une onde ou un choc avec solide marche
Elle ne crée pas des microcristaux mais va créer un cristal ionique en un un point très précis, un arrangement au niveau moléculaire de taille de quelques molécules pas un micro cristaux

Puis la cinétique fait que tout s'arrange très rapidement, c'est la croissance cristalline

On peut en effet aussi ajouter un cristal type iode pour initier une hétérogène nucléation


Pour l'eau c'est en effet aussi possible

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SebDomestique a dit :

@TD
Expérience très simple. Mets une bière (bouteille) au congélateur. Ouvre là une fois en dessous de 0°C. Elle est liquide.
Donne un coup sec sur le goulot (ce qui au dessus de 0°C déclenche une éruption volcano-alcoolique de mousse :D), et la bière se gèle intégralement en quelques secondes, on voit la solidification progresser à vue d'oeil.

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florent pessina a dit :

@SebDomestique : en fait j'y pensais aussi mais ya un équilibre pression/gaz dilué etc qui diffère du cas standard décris. Je pense que le gaz doit justement éviter au liquide de solidifier donc être dans un état métastable à cause d'une pression élevée

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1138 a dit :

@SebDomestique
Ton pseudo m’a bien fait rire. Merci pour bon moment :-)

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Inferny a dit :

Intéressant , je pensais pas que ça pouvais dégager autant de chaleur c'est pour ça que j'avais toujours penser que c'était une réaction chimique .

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Le Hollandais Volant a dit :

@Inferny : Les énergies de changement d’état physique sont assez importantes, en effet.

Par exemple, pour faire fondre deux litres et demi d’eau (passant donc de glace à 0°C à eau à 0°C) il faudrait faire bosser un bon cheval pendant 20 minutes (sur la base d’un cheval = 735 Watt).

Et pour faire s’évaporer la même quantité d’eau en la faisant bouillir (passant d’eau à 100°C à vapeur d’eau à 100°C) il faut faire bosser l’animal pendant deux heures.


Ce n’est pas rien.

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Raph a dit :

Bonjour Timo !

c'est un peu hors surjet au vu de l'article mais es tu en capacité de me dire si tu as pris ces photos et si oui quelle est la référence du thermomètre présent dans ces photos ? J'ai besoin d'un thermomètre semblable a celui là pour des températures plus ou moins ambiantes (inférieures à 70°C quoi).

Merci beaucoup de ton aide et de tes lumières !

PS: parlant de lumière, as tu un article explicatif sur les lumens, les candelas, les "watts lumineux" (je ne sais pas si ça se dit comme ça)... parce que les pages wikipedia sont un peu trop complexes pour moi !

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Le Hollandais Volant a dit :

@Raph : oui, j’ai acheté le thermomètre sur eBay : http://www.ebay.com/itm/Digital-LCD-Car-Fridge-Incubator-JA-Fish-Tank-Meter-Gauge-Thermometer-SP2G-/141469746287
C’est un appareil de premier prix (2$), mais qui fonctionne suffisamment pour avoir la température dans la maison.

Concernant les unités en optique :

la candela (unité faisait partie du système international) est l’intensité lumineuse d’un objet (une bougie par exemple). Si tu as deux bougies et que l’une te semble plus lumineuse, elle aura plus de candelas. Cette unité tient compte de la perception humaine de la lumière : l’œil voit mieux dans le vert que dans le rouge par exemple. Deux LED, une verte et une rouge, toutes les deux fonctionnant sous 1 V et 1 A ne seront pas perçus de la même façon : l’intensité lumineuse de la verte sera plus grande.

le lumen, c’est une unité de flux lumineux. C’est une unité dérivée : 1 lumen = 1 candela × 1 stéradian (le stéradian, c’est un angle solide, un angle en 3D en fait, comme une cône). Le Lumen, c’est donc la quantité de lumière qui passe dans un cône (partant du sommet) bien défini : plus la source lumineuse est puissante, plus la quantité de lumière passant dans le cône est grande (et plus cette source lumineuse a un flux lumineux important, et donc sa valeur en lumen est grande).

— le watt lumineux, ou W×m⁻², c’est l’unité de l’éclairement. C’est la quantité de lumière qui arrive sur une surface donnée. Dans l’exemple du cône de tout à l’heure, si la même quantité de lumière passe dans un cône plus fin, alors l’éclairement à la base du cône sera plus grand.
Un pointeur laser est d’une puissance très faible (1 mW), mais comme la surface éclairée est minuscule, l’éclairement est très grand : >150 fois l’éclairement du soleil.


Pour comparer le flux de lumière (de photons) avec un cours d’eau : la candela correspondrait au volume d’eau débité par une source ; le lumen c’est le débit d’eau (« combien de litres d’eau passent à travers le tuyau ? ») et le « watt-lumineux » c’est un peu comme les précipitations : « la quantité d’eau qui tombe sur une surface donnée durant un temps donnée », sachant que pour la lumière il faut en plus tenir compte de la longueur d’onde, un peu comme si les goutes d’eau rouges comptaient moins que les goutes d’eau bleues.

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Raph a dit :

Wow ! Merci c'est beaucoup plus clair maintenant !
Donc si j'ai bien compris le lux (il ne me reviens que maintenant celui-là) est l'équivalent du watt lumineux !
L'analogie avec l'eau aide beaucoup !

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Paulo a dit :

Bonjour,
Pourquoi dis tu qu'il faut "une excuse" , "un point de départ" à l'eau pour se cristaliser ?

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Le Hollandais Volant a dit :

@Paulo : l’eau en sur-fusion ne se cristallise pas toute seule. Il faut quelque chose pour la transformer en glace.
Ce quelque chose peut être :
– une impureté, sur laquelle l’eau va commencer à geler ;
– un choc mécanique, qui va orienter ou désorienter les molécules, ou provoquer un remous qui va à son tour provoquer la cristallisation ;
– un choc non-mécanique (irradiation, placement dans un champ électro-magnétique) — certains composés changent d’état ou réagissent avec ça, l’eau peut-être pas.

La surfusion, c’est un équilibre instable : ça tient, mais à la moindre perturbation (choc, impureté, …), ça ne tient plus.

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Paulo a dit :

Je te remercie pour ta réponse mais il y'a encore un petit aspect qui m'échappe, si on prend un exemple concret, en plaçant un verre d'eau dans un congélateur pendant quelques heures, lorsque qu'on le ressort, l'eau à bien gelée, pourtant il n'y a pas eu de choc ou d'impureté pour faire débuter la cristallisation.

Et si on va plus loin dans ce que tu as dis, cela voudrait dire qu'une eau pure peut ne pas cristalliser ? Je suis un peu perdu

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Le Hollandais Volant a dit :

@Paulo : l’eau du robinet n’est pas pure : il y a des impuretés, des minéraux, du chlore. Et l’eau dans le verre est rarement au repos, surtout si tu le place dans le congélateur immédiatement après l’avoir remplit.

Cependant, quand tu essayes avec certaines eau en bouteille, ou du coca, ou une bière, ça marche quand même. Il semble que la concentration en CO2 arrive à maintenir l’eau liquide même en dessous de 0°C : comme si le CO2 accentue la stabilité du liquide sous les 0°C.
Mais comme tu peux voir dans les vidéos sur Internet : ouvrir la bouteille ou la secouer solidifie l’eau tout de suite.

L’eau pure au repos cristallise, si, mais à des températures bien plus basses (de l’ordre de −30 ou −40°C) : à ce stade de refroidissement, les molécules d’eau changent de position spontanément et finissent par cristalliser. C’est pour ça que l’eau très pure dans les nuages finit quand même par devenir de la glace ou de la neige : en haute altitude, les températures sont bien en dessous de −30°C.

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Prof Paulo a dit :

Super explications pour les chaufferettes ! Vais pouvoir frimer en société !! Merci...

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Olivier a dit :

Bonjour,
Merci pour ces explications précises sur les chaufferettes.
J'ai une question : est-on obligé de plonger la chaufferette dans l'eau bouillante pour la réutiliser ?
Au bout de 24h à l'air libre (par exemple) le liquide solidifié ne se liquéfie pas ?

Merci pour l'information.

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Le Hollandais Volant a dit :

@Olivier : l’air libre ne suffit pas : il faut faire fondre les cristaux et ça ne peut avoir lieu que s’il fait plus de 54°C durant assez longtemps.

Pour ma part, j’ai essayé de les faire fondre au soleil, dehors, mais même dans une casserole d’eau avec une vitre au dessus pour faire un effet de serre, la température a du mal à atteindre 54°C.

Sinon, l’eau n’a pas besoin de bouillir, il suffit qu’elle soit chaude.

Par exemple, si tu fais des pâtes ou des pommes de terre (à manger), tu peux réutiliser l’eau de cuisson pour faire fondre la chaufferette : ça éviter de perdre de l’eau et de devoir en faire chauffer d’autre (ça fait des économies d’énergie).
Si ça ne suffit pas, tu peux tout de même réutiliser l’eau déjà chaude et la faire bouillir 5 minutes avec la chaufferette : tu chauffera 5 minutes au lieu de 15.

En pratique, lors de la fonte des cristaux : assures toi bien que TOUS les cristaux soient fondus avant de retirer la chaufferette. S’il reste un cristal, même de la taille d’un grain de sel, alors l’ensemble redeviendra solide tout seul.

Aussi, la fonte est plus rapide si tu malaxe la chaufferette de temps en temps quand il est dans l’eau chaude (avec une spatule : ceci pour permettre à la chaleur de mieux se diffuser et d’accélérer le processus.

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Lilichi a dit :

Super merci pour la recette mais si on craque a chaque fois la pièce comment on peu la réutiliser encore et encore c'est bizarre. 😁super article sinon

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Le Hollandais Volant a dit :

@Lilichi : C’est pas vraiment un craquage.
En fait la pièce est légèrement concave, et on peut inverser la concavité en appuyant dessus, de la même façon qu’on fait des "cliquetis" avec la partie bombée d’un couvercle d’un pot de confiture.

C’est ce cliquetis qui permet de débuter la cristallisation.

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Guid a dit :

Et comment expliquer la péremption du produit ("jusqu'à mille utilisations" sur certaines bouillottes) ? Pourquoi ces bouillottes ne sont elles pas utilisable à l'infini ?

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Le Hollandais Volant a dit :

@Guid : pour la même raison que les piles rechargeables ne sont pas rechargeables à l'infini. Au bout d'un moment, les produits chimiques finissent par se décomposer. L'acétate finit par devenir de l'acide acétique (du vinaigre).

Quand trop d'acétate est décomposé, il empêche le produit de rester liquide.

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Anne P a dit :

Je me demande tout de même comment se forment les cristaux qu'elle est la réaction qui les font devenir solides.

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Le Hollandais Volant a dit :

@Anne P : C’est une réaction de solidification, la même qui transforme l’eau en glace : les molécules sont libres au départ mais s’accrochent les unes aux autres dans un arrangement très organisé.

Quand on veut briser cette organisation (passer de solide à liquide), on doit apporter de l’énergie au système. À l’inverse, quand on solidifie la matière, la quantité d’énergie qu’on avait dû apporter est libérée. C’est pour ça que la solidification du cristal chauffe.

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paaaranox a dit :

euh....je viens de faire fondre ma chaufferette en la laissant trop longtemps (forcément;) dans l'eau bouillante, donc le liquide a fondu mais surtout la pochette plastique aussi ! n'étant pas chimiste ;) je me demande s'il y a un danger quelquonque ? Gaz, contact peau,dépots ds casserole, autres? merci pour réponse !

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Le Hollandais Volant a dit :

@paaaranox : Le plastique ne devrait pas fondre en dessous de 100°C. Toute l’eau s’est évaporée et a brûlé le plastique ?

Sinon, le produit n’est absolument pas dangereux ni même toxique.

Le seul problème c’est que ça sent le vinaigre et que ça peut éventuellement irriter la peau (un peu comme du savon fort ou de l’alcool à 90° : ça donne une sensation de doigts fripés).

Tu peux nettoyer tout ça avec de l’eau, dans l’évier et jeter les cristaux à la poubelle (éventuellement dans du papier journal pour absorber l’humidité).
La casserole peut sentir le vinaigre mais il suffit de laver ça une fois ou deux pour que ça parte.

En fait, l’acétate de sodium est produite à partir de vinaigre blanc (d’où l’odeur) et on le trouve parfois comme additif alimentaire (il a goût acidulé-salé de vinaigre). Aucun risque avec ce produit :).

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Baron a dit :
Bonjour,

Néophite en physique chimie.
Mais glacier artisanal de mon état.

Je me disais que s'il existait une réaction qui déclenchait de la chaleur par "clic" puis cristallisation, il pourrait bien exister une réaction pour déclencher du froid d'une manière ou d'une autre.

Objectif : emballage pour glaces, tu cliques, cela génère un petit -20° pendant une heure ou deux, le temps de rapporter la glace à la maison.

Si ça existe, je vais le faire faire. On dépose un brevet etc....
Sinon, c'était juste un rêve... de glacier.

Merci - a vous lire - peut-être
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Le Hollandais Volant a dit :
@Baron : bonjour,
Les réactions qui absorbent la chaleur existent, mais sont plus rares : ce sont les réactions endothermiques. L’une d’elle, bien connue, est le fait de se mettre de l’alcool pur ou de l’acétone sur les doigts : c’est très froid. L’acétone capture la chaleur du doigt pour s’évaporer et le doigt est laissé sans chaleur et on on ressent du froid.

Je n’ai pas vraiment en tête de façons de créer du froid avec un simple clic, mais il y en a d’autres : le fait de dissoudre du sel de table est endothermique : dissoudre 4~5 cuillères de sel dans de l’eau à 20 °C va la ramener autour de 17~18 °C. C’est plus visible avec le chlorure d'ammonium, qui permet d’aller à −15°C facilement selon les quantités.

De façon général, il est plus difficile de trouver ce genre de réactions car normalement les réactions passent d’un état hautement énergétique à faiblement énergétique (pour libérer cet énergie). Or les réactions endothermiques c’est manifestement l’inverse : on passe d’un état faiblement énergétique à un état hautement énergétique (de la chaleur entre dans le système, ce qui augmente son énergie).
Ces réactions ont lieue à cause d’une hausse d’entropie : la hausse d’entropie est alors ce qui anime la réaction (entropie et énergie sont liées par la notion d’enthalpie).

Je m’étais demandé une fois s’il pouvait y avoir un solide qu’on liquéfiait par un clic et qui produisait du froid. Autrement dit, de la sur-solidité. Ce n’est apparemment pas possible.


Quoi qu’il en soit, des réactions de production de froid existent (la dissolution du chlorure d'ammonium expliquée ci-dessus en est une) et je vous souhaite bonne continuation pour trouver une façon simple pour mettre en pratique une telle réaction pour votre usage.
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John Doe a dit :

Bonjour,

Savez-vous s'il existe le même principe mais pour le froid?

Merci

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Le Hollandais Volant a dit :

@John Doe : Bonjour, c’est ce que l’on discutait juste au dessus avec @Baron : je n’ai pas connaissance d’un objet similaire mais pour le froid, mais il existe des réactions chimiques et physiques qui produisent du froid.

L’une d’entre elles est la dissolution de cristaux de chlorure d'ammonium dans de l’eau : la dissolution absorbe alors toute la chaleur contenue dans l’eau devient très froide.

On peut voir ici une vidéo (en anglais) similaire : https://www.youtube.com/watch?v=GQkJI-Nq3Os
Il mixe du chlorure d’ammonium avec de l’hydroxyde de baryum, et le refroidissement est tel que l’eau entre le verre et son support gèle et colle le verre sur le support !

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Dylan a dit :

Moi j'ai un probleme, j'ai mis la chauferette dans l'eau bouillante mais je l'ai oublié comme un abruti fini... ducoup bah fumée, bouillote percée et le liquide est sorti de la pochette et a cristalisé dans ma casserolle... j'ai jeté la caserolle par securité mais est ce que le fait d'avoir respiré la fumé de cette xombustion peut jouer sur ma santé??

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Le Hollandais Volant a dit :

@Dylan : le seul problème aurait été le plastique fondu.
L’acétate de sodium ne me semble pas dangereux, même chauffé. Au pire, ça sent le vinaigre, c’est tout.

Ce n’est pas un produit toxique, ni dangereux.

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Jojo a dit :

Bonjour, étant en école d'ingé je comprends un peu près tout ce que vous avez expliqué et je voudrais en fabriquer une. N'ayant pas à ma disposition de bout de fer concave et de récipient en plastique "mou", je voulais savoir ce que vous entendiez par choc qui provoque la cristallisation. Est ce qu'une bouteille qui tombe par terre est un choc, une onde qui suffira à faire cristalliser ma solution sursaturé à l’intérieur de de ma bouteille ?

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Le Hollandais Volant a dit :

@Jojo : l’utilisation d’un petit morceau métallique dans la chaufferette permet de l’actionner sans l’ouvrir, et donc d’avoir un objet très simple à utiliser.

Si tu veux te faire une chaufferette, alors tu peux utiliser une bouteille en plastique. Pour déclencher le processus, alors il suffit de l’ouvrir et d’ajouter un petit grain solide d’acétate de sodium.
Tu peux aussi ajouter à peu près n’importe quoi d’autre, mais si tu veux utiliser ta bouteille chauffante plusieurs fois de suite, il faut faire attention à ce que tu y rajoute puisse être retiré ensuite et soit particulièrement propre. Il faut pour l’acétate un point de départ pour la cristallisation, c’est tout.

Secouer la bouteille suffit également (pour l’avoir testé moi-même dans une bouteille d’eau en plastique), mais ce n’est pas toujours systématique.

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Jojo a dit :

Merci beaucoup pour la réponse. Oui j'y avais pensé pour le petit grain d'acétate mais l'inconvénient est d'avoir toujours des petits grains sur soi mais ça se fait ! Je vais essayer et découvrir ça moi même ! Encore merci pour cette réponse.


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