Bij outdoorwinkels zijn kleine zakjes te koop die warmte kunnen afgeven. Hoe werken die?
Een handwarmer wordt vastgehouden door Nicola Sturgeon, die als minister-president van Schotland in januari 2023 een bezoek aan de stad Cumbernauld bracht, nabij Glasgow.
Heerlijk, tijdens snerpende kou: van die kleine zachte pakketjes die je in je jaszak of handschoen kunt doen, en die warmte afgeven. Sommige een halfuur, andere wel tien uur lang. Hoe werken die?
Er bestaan twee varianten: de ene gebruik je maar één keer, de andere gaat jarenlang mee. Ze werken fundamenteel anders.
De wegwerphandwarmer is een zuurstofdoorlatend zakje met daarin een mengsel dat spontaan ‘verbrandt in aanwezigheid van zuurstof. Daarbij komt warmte vrij, net zoals bij andere verbrandingsreacties. Het mengsel bestaat uit ijzerpoeder, water, keukenzout, actieve koolstof en een vulstof, meestal vermiculiet: een licht, sponsachtig, natuurlijk mineraal. Zolang het zakje nog in de buitenste, luchtdichte verpakking zit, gebeurt er niets. Maar zodra je die verpakking opent, stroomt zuurstof naar binnen en begint het ijzer te oxideren – oftewel te roesten.
Normaal gesproken gaat roesten supertraag en merk je niks van de vrijkomende warmte. Maar het fijne ijzerpoeder heeft naar verhouding een enorm oppervlak dat reageert. Bovendien zitten in het zakje ook hulpstoffen die de reactie versnellen. In dit geval zijn dat water en keukenzout. Samen zorgen die voor een omgeving waarin geladen deeltjes elkaar gemakkelijk kunnen ontmoeten en met elkaar kunnen reageren.
Dan is er nog actieve koolstof, een poreuze vorm van pure koolstof. Die zorgt voor een gelijkmatige zuurstofverdeling én fungeert als vochtbuffer. De kool kan water opnemen en later weer afgeven. Zo blijft het ijzeroppervlak net vochtig genoeg om urenlang te reageren. De minerale vulstof, ten slotte, houdt het mengsel luchtig en voorkomt dat alles samenklontert.
Al met al gaat dit roesten véél sneller dan bijvoorbeeld op je fietsstuur. Het resultaat is een stabiele, urenlange warmteafgifte van veertig tot zestig graden: evenveel energie als er in tien tot twintig AA-batterijen zit. Maar de reactie verloopt maar één kant op: het ijzer verandert in roest. Zodra het ijzer op is, stopt de reactie. De handwarmer kun je dan weggooien.
Dat geldt niet voor de herbruikbare variant: een doorzichtig kunststof zakje met daarin een gel-achtige vloeistof en een dun metalen schijfje. De vloeistof is een oplossing van natriumacetaat – een zout – in water. Het is een zogeheten oververzadigde vloeistof: een vloeistof die bij die temperatuur eigenlijk wil stollen, maar niet vanzelf over een bepaalde drempel heen komt. Dat zit zo: bij hogere temperatuur kan meer zout oplossen dan bij lagere. Koelt zo’n warme, verzadigde oplossing heel rustig af, dan blijft die vloeibaar. Tenminste, bij specifieke zouten, waaronder natriumacetaat. Maar er is dan eigenlijk te veel zout opgelost voor die temperatuur.
Zo’n vloeistof is stabiel zolang er geen startpunt voor kristalvorming is. Dat startpunt wordt geleverd door het metalen plaatje, dat iets bol van vorm is. Wanneer je dat laat ‘klikken’, ontstaan microscopische vervormingen in het metaal die plaatselijk drukverschillen veroorzaken. Daarmee verstoren ze heel lokaal de fragiele chemische stabiliteit. Ze fungeren als nucleatieplaatsen: plekken waar de eerste zoutkristallen zich kunnen vormen. Zodra die er zijn, zet de kristallisatie – in feite de stolling – zich als een kettingreactie voort door de hele vloeistof. Bij die overgang van vloeibaar naar vast komt warmte vrij.
Dit proces is wél omkeerbaar. Als je de gestolde handwarmer in heet water legt, lossen de kristallen weer op, wordt opnieuw warmte in het systeem opgeslagen, en ontstaat na rustig afkoelen weer een oververzadigde vloeistof. De energie-inhoud is vergelijkbaar met die van twee tot drie AA-batterijen. Flink minder dan van de wegwerpwarmer, maar wél jarenlang herbruikbaar.
Op de hoogte van kleine ontdekkingen, wilde theorieën, onverwachte inzichten en alles daar tussenin
Source: NRC