De chemische werking van een 'hot ice' hotpack

Een hotpack bestaat uit een plastic zakje met daarin een oververzadigde oplossing en een metalen muntje. Wanneer je het muntje indrukt, zal de vloeistof uitkristalliseren. Hierbij komt warmte vrij waarmee je je kan verwarmen. Hotpacks worden vaak gebruikt door bergbeklimmers om bijvoorbeeld hun voeten warm te houden.

Inhoud

• Voorwaarden
• Oververzadigde oplossingen
• Kristallisatie en warmteontwikkeling
• Uitgestelde kristallisatie
• Herbruikbaarheid
• Alternatieven
• Rijst, granen, pitten…
• Warmmakende mengsels

Voorwaarden

Opdat een stof geschikt is om te gebruiken in een hotpack moet het een oververzadigde waterige oplossing kunnen vormen en moet de stof kristalliseerbaar zijn. Het uitkristalliseren veroorzaakt immers de warmteontwikkeling van het hotpack en de oververzadiging laat een uitgestelde kristallisatie/warmteontwikkeling toe.

Oververzadigde oplossingen

Stabiele oplossingen kunnen bij een bepaalde druk en temperatuur een maximum aan opgeloste stof bevatten. Dit maximum noemt men de oplosbaarheid (symbool: S) van de stof. Een oplossing die het maximum aan stof bevat, is een verzadigde oplossing. Een oplossing die minder stof bevat, is een onverzadigde oplossing. Een oplossing die meer dan S g/L van een stof bevat, is oververzadigd. In tegenstelling tot een onverzadigde en een verzadigde oplossing, is dit echter een onstabiele oplossing.

Met kleine goed in water oplosbare moleculen zoals bijvoorbeeld keukenzout (NaCl) is het niet mogelijk om een oververzadigde oplossing te maken. Als je bij kamertemperatuur meer dan 36g NaCl in 100 mL water brengt, zal het teveel aan zout niet meer in oplossing gaan en op de bodem blijven liggen als neerslag.
Grote in water oplosbare organische moleculen zullen daarentegen wel gemakkelijk oververzadigde oplossingen vormen, en wel om de reden dat ze moeilijk uitkristalliseren. Bij temperatuurafname zullen ze dan ook eerder verglazen i.p.v. te kristalliseren. Een voorbeeld hiervan is gewone huishoudsuiker (saccharose C₁₂H₂₂O₁₁) waarmee gemakkelijk een oververzadigde stroperige oplossing kan worden gemaakt.

Maar opdat een stof geschikt is om te gebruiken in een hotpack dient deze dus niet alleen een oververzadigde oplossing te vormen, ze moet ook uitkristalliseren. Natriumacetaat (CH₃COONa) is een voorbeeld van zo een stof en het is ook deze stof die het meest wordt gebruikt in hotpacks. Bij kristallisatie van natriumacetaat kan de omgevingstemperatuur tot wel 50°C stijgen.

Kristallisatie en warmteontwikkeling

Tijdens het proces van kristalliseren zullen stoffen zich ordenen in een kristalrooster. Hierbij verliezen de stofdeeltjes hun bewegingsenergie, welke vrijkomt onder de vorm van warmte. De hoeveelheid warmte die hierbij vrijkomt is verschillend voor elke stof.

Uitgestelde kristallisatie

Kristallisatie gebeurt in 2 stappen: kiemvorming en de kristalgroei (het werkelijk uitkristalliseren dus). Een kiem wordt beschouwd als een uiterst klein microscopisch vast deeltje. Dit kunnen kleine kristalletjes van de stof zelf zijn maar ook onzuiverheden of krasjes op de houder. Soms kunnen ook kleine turbulenties in de oplossing als kiemen optreden. Op een kiem kan de kristalgroei starten. De kiemvorming vormt dus het startschot van de kristallisatie. Zonder kiemvorming is er geen kristallisatie mogelijk. Als je er dus in slaagt om een overzadigde en bovendien kiemvrije oplossing te maken, kan je deze op een zelf te kiezen tijdstip laten uitkristalliseren. In het hotpack dient het muntje als kiemvormer. Door hierop te klikken, treedt het muntje op als kiem waarop CH₃COONa kan uitkristalliseren. Tijdens het kristalliseren verliest CH₃COONa zijn kinetische energie en deze energie komt dan vrij onder de vorm van warmte-energie.

Herbruikbaarheid

Hotpacks zijn herbruikbaar. Door ze even in warm water te leggen, zullen de kristallen weer in oplossing gaan. De CH₃COONa-moleculen nemen hiervoor weer energie op, energie die we op een later tijdstip weer kunnen gebruiken om ons aan te warmen.

Alternatieven

Rijst, granen, pitten…

Een goed gekend voorbeeld is het kersenpitkussen. Na verwarming in de microgolfoven blijft dit kussen nog een lange tijd lekker warm. Pitten maar ook rijst en granen hebben de eigenschap om warmte lang vast te houden. Wanneer je ze dus opwarmt, geven ze die warmte maar traag terug af.

Warmmakende mengsels

Er bestaan ook hotpacks die bestaan uit stoffen die je voor gebruik dient samen te voegen. Door het samenvoegen komt er bij deze mengsels warmte vrij. Een voorbeeld hiervan is CaCl₂ en water. Bij exotherm mengen kost het minder energie om het kristalrooster af te breken en de gelijke deeltjes uit elkaar te halen dan dat er energie vrijkomt bij het mengen. Er komt dus netto-energie vrij onder de vorm van warmte.