La chimie des feux d’artifice

Feu d'artifice

La PYROTECHNIE a été découverte par les Chinois à une époque immémorable. Au fil des siècles, la science pyrotechnique s’est transmise de civilisation en civilisation. Chaque nouvelle génération a apporté sa moisson de nouvelles idées et de nouveaux maîtres

La poudre noire

La poudre noire est apparue il y a plus d’un millénaire, en Chine. Elle était utilisée dans les canons, les pétards, et les premiers missiles. Toutefois, encore aujourd’hui, sa formule est toujours la même. C’est un mélange de salpêtre, de charbon et de souffre. La poudre noire comporte plusieurs avantages. Les substances qu’elle contient ne sont pas dispendieuses, sont très abondantes, peu toxiques, sans danger pour l’environnement et extrêmement stables. De plus, il ne suffit que d’une faible quantité d’énergie pour provoquer la combustion. Finalement, la poudre noire est à la source de la propulsion et d’éclatement des fusées de feux d’artifices.

Les réactions d’oxydoréduction

L’oxydoréduction est une réaction chimique au cours de laquelle il y a à la fois:

  • Une oxydation (une perte d’électrons pour certains éléments chimiques)
  • Une réduction ( un gain d’électrons pour d’autres éléments chimiques)

Les réactions de combustion

Les combustions sont des réactions chimiques d’oxydoréduction particulières qui se réalisent en libérant une énergie importante, cette libération d’énergie se fait sous forme de chaleur et de rayonnements. Les substances appartenant au milieu réaction sont portées à haute température, les solides sont incandescents et les gaz forment des flammes.

Les combustions et oxydoréductions des feux d’artifices

Dans les feux d’artifice combustible(s) et oxydant(s) sont des produits solides intimement mêlés. Le mélange n’a pas besoin de l’oxygène ambiant pour réagir. Les combustibles peuvent être des métaux comme l’ aluminium, des non-métaux comme le soufre ou le charbon ou des composés organiques divers. Dans la plupart des cas les oxydants sont des sels métalliques riches en oxygène comme des nitrates, chlorates, perchlorates. Le mélange peut être un simple mélange binaire ( à deux constituants ), comme un mélange de perchlorate de potassium et d’aluminium, très vif, capable de violemment déflagrer, mais comportera plus généralement trois constituants ou plus, comme par exemple dans le cas de la poudre noire composée de nitrate de potassium, du charbon et du soufre.

La réaction sera donc plus complexe que dans une combustion « simple » comme la réaction du méthane et de l’oxygène évoquée précédemment et pourra se dérouler en plusieurs étapes et « sous-réactions » même dans le cas d’un simple mélange binaire : On aura par exemple sous l’influence de la chaleur d’initiation d’abord fusion des constituants, puis décomposition de l’oxydant (décomposition qui peut absorber de la chaleur -endothermique- ou en libérer -exothermique- selon l’oxydant) en oxygène qui réagira alors avec le combustible. Mais l’inflammation peut aussi avoir lieu avant la liquéfaction complète du mélange. Ainsi dans un mélange de chlorate de potassium et de soufre, ce dernier commence à fondre vers 120°C puis l’inflammation a lieu à moins de 200°C largement avant la fusion et la décomposition du chlorate vers 360°C car des petites molécules de soufre liquéfié ont pu pénétrer dans la structure cristalline du chlorate encore solide et commencer à réagir avec lui. Au contraire un mélange de soufre et de nitrate ne s’enflammera qu’après le fusion de ce dernier vers 330°C. Bref tout cela n’est pas simple et fait intervenir plusieurs étapes en phases solide, liquide et gazeuse.

La détonation

Tout cela est bien joli mais comment ces réactions peuvent elles générer les effets visibles et audibles que nous connaissons bien : Selon la température de la réaction et les caractéristiques des produits qu’elles générent ces derniers seront tantôt solides, liquéfiés ou gazeux. De fines particules dispersées dans l’air par les gaz de combustion forme la fumée, effet qui pourra être volontairement amplifié dans le cas d’un fumigène mais qui est en général plutôt indésirable surtout si aucun vent n’est là pour la dissiper… La formation très rapide d’un fort volume de gaz porté à haute température produit une perturbation du milieu matériel élastique qu’est l’air… autrement dit un son. Ces mêmes gaz pourront « pousser » un projectile, éclater un contenant et en disperser le contenu, ou, convenablement canalisés et dirigés, être source de propulsion.

Lumière

Il existe 3 phénomènes engendrant les effets lumineux des feux d’artifices : l’incandescence, l’émission atomique et moléculaire.

  • Incandescence : correspond au rayonnement de tout corps qui est chauffé. Cependant, l’intensité de la lumière projetée, au total, est proportionnelle à la puissance quatrième de la température. De cette façon, une petite augmentation de température s’associe à une énorme augmentation de la lumière.
  • Émission atomique : les électrons de l’atome sont excités par la chaleur de la flamme donc ils entraînent la production de couleurs.
  • Émission moléculaire : ressemble de très près à l’émission atomique. La seule différence est qu’elle est le résultat d’un intermédiaire entre 2 états d’énergie.

La couleur de la lumière émise dépend des longueurs d’onde de celle-ci. Aux températures élevées des flammes pyrotechniques, les atomes et les molécules sont excités. Ils reperdent de l’énergie en émettant de la lumière.

Les couleurs

Il existe seulement quelques composés ioniques qui émettent les couleurs.

  • Rouge : composés du strontium ( SrOH, SrCl )
  • Vert : composés de baryum ( chlorure de baryum)
  • Orangé : composés de calcium (nitrate de calcium)
  • Violet :composés de potassium (chlorate de potassium)

Quant aux effets spéciaux, nous parlons alors de combinaisons particulières : des composés chromogènes, des combustibles et des oxydants.

Forme

L’effet que produit une pièce pyrotechnique dépend principalement de la composition ou de la structure de l’explosif.

Il existe plusieurs types de feux d’artifices dont, les bombes.les feux de bengals les chandelles romaines et les batteries

Les bombes, sont les principaux utilisés dans les feux professionnels, on les reconnait par leur forme en goutte d’eau. En effet, celles-ci ont une charge propulsive, la poudre noire, qui ses situe sous la bombe qui est ronde, à cette charge en forme de cône est rattaché la mèche de mise à feu. La quantité de poudre noire dans ces cônes dépends de la grosseur de la bombe, qui peut varier de 1″ à plus de 24″ (par contre la limite au Canada est de 12″)

Les feux de Bengal sont les bâtons que l’on mets sur les gâteau d’anniversaires et qui font des étincelles, la composition de ces feux est la suivante : nitrate de baryum (BaNO3) qui agit comme comburant, poudre d’Al et limaille de fer qui créent les étincelles blanches et argentés ( voir ci-haut).Evidemment ont peut avoir de très gros Bengal dans les spectacles pyrotechniques.

Les Chandelles Romaines sont des pièces pyrotechniques qui envoient des boules ou des étoiles colorées. Ces pièces peuvent avoir plusieurs « coups »; soit 5, 7, 12. 24, 36, 48 etc…

Toutes ces pièces sont fabriquées à partir d’un même principe : EMMAGASINER UN MAXIMUM D’ÉNERGIE DANS UN MINIMUM D’ESPACE.

Il est important de savoir que dans la confection de mélanges pyrotechniques, les composés liquides ne sont jamais utilisés. La raison est simple. Même s’ils se mélangeraient probablement mieux, ils risqueraient de s’enflammer trop facilement.

Références :

  • Castelnau, Didier, L’invention du feu d’artifice, Science et vie Junior, 97 pages, juillet 1998
  • Bachant Luc, Petit Guy, Vanier Philippe, Manuel de l’élève- Chimie 534, Lidec inc. 1996 443 pages

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