De scheikundige werking van een instant coldpack

In de sportwereld wordt er regelmatig gebruik gemaakt van een instant coldpack om zwellingen bij blessures te voorkomen of te laten afnemen. Een instant coldpack bevat twee stoffen die bij samenvoeging een koudmakend mengsel vormen. De stoffen hebben dus energie (warmte) uit de omgeving nodig om te kunnen mengen. Deze warmte kunnen ze bijvoorbeeld halen van een omgeslagen voet die daardoor wordt afgekoeld en dus minder zal opzwellen.

Inhoud

• Een koudmakend mengsel
• Invloed van intermoleculaire krachten
• Het streven naar meer wanorde
• Verschil met een ijszak

Een koudmakend mengsel

Een veel gebruikt instant coldpack bevat ammoniumnitraat (NH₄NO₃) en water (H₂O). Beide stoffen bevinden zich in een plastic zakje gescheiden van elkaar in twee compartimenten. Wanneer je het zakje indrukt, beschadig je de scheiding tussen beide compartimenten en worden de stoffen samengevoegd. Hierbij ontstaat een koudmakend mengsel met een temperatuur van ongeveer -10°C. Er wordt tijdens het oplossen van beide stoffen warmte uit de omgeving opgenomen en alzo maakt het zakje zijn omgeving koud.

Invloed van intermoleculaire krachten

Dat NH₄NO₃ en H₂O een koudmakend mengsel vormen, is te verklaren op basis van de intermoleculaire krachten die heersen tussen beide stoffen. Intermoleculaire krachten zorgen ervoor dat stoffen bij elkaar blijven. Of twee stoffen mengbaar zijn, hangt af van de grootte van de intermoleculaire aantrekkingskrachten tussen de moleculen van dezelfde soort en van de grootte van de intermoleculaire aantrekkingskrachten tussen de twee stoffen.
Watermoleculen vormen onderling zeer sterke waterstofbruggen.

Waterstofbruggen kunnen gevormd worden bij moleculen die H-atomen bevatten welke gebonden zijn aan kleine atomen met een grote elektronegatieve waarde (ENW). Een grote elektronegatieve waarde betekent dat die atomen elektronen naar zich toetrekken. Stikstof, zuurstof en fluor zijn voorbeelden van atomen met een grote ENW. Waterstofbruggen waarin een zuurstofatoom betrokken is, zijn het sterkst omdat zuurstof een hogere ENW heeft dan stikstof en fluor. De waterstofbruggen tussen H₂O en NH₄NO₃ zijn dus veel zwakker.

Het streven naar meer wanorde

Je zal verwachten dat de intermoleculaire krachten tussen de twee stoffen minstens even sterk moeten zijn als deze tussen de individuele stoffen om vermenging te krijgen. Dit hoeft niet steeds waar te zijn. Er is ook nog zoiets als het streven naar een maximum aan wanorde. Het mengen van deeltjes zorgt voor meer wanorde dan wanneer de stoffen netjes in twee lagen blijven.
Ondanks de zwakkere intermoleculaire krachten die na mengen ontstaan, zal ammoniumnitraat toch goed oplosbaar zijn in water, dit dus door de toegenomen chaos. Het moet hiervoor wel energie opnemen uit de omgeving. Het kost hier immers meer energie om gelijke moleculen uit elkaar te halen dan dat er energie vrijkomt bij het ontstaan van menginteracties. Het mengen heeft dus een sterke temperatuurafname als gevolg wat dit mengsel uitermate geschikt maakt om gebruikt te worden in een coldpack.

Verschil met een ijszak

Voor de koeling van een blessure kan uiteraard evengoed een ijszak worden gebruikt. Hiervoor moet je gewoon ijsblokjes uit de diepvriezer nemen. Er komt geen chemie aan te pas. Alhoewel een ijszak goedkoper is, blijft een instant coldpack toch handiger. Je kan het gemakkelijk vervoeren en het blijft gebruiksklaar bij elke omgevingstemperatuur.