Histoire des

Les feux d'artifice

La chimie pour le plaisir des sens!

Certains prétendent que la roue est la plus grande invention de toute l'histoire tandis que d'autres diront que c'est le feu qui a changé le plus notre façon de vivre. Un fait est certain, c'est que le feu a été exploité sous presque toutes ses formes et il le restera encore pour longtemps. Il a été utilisé pour sa chaleur, sa lumière, sa destruction, et maintenant, on peut même l'utiliser pour se divertir grâce à l'invention des feux d'artifice.

Historique

Avec un peu d'imagination, on pourrait dire que les feux d'artifice s'inspirent directement d'armes utilisées vers les années 670. Ces armes, bien que très rudimentaires, projetaient du feu liquide sur les adversaires. Il suffisait d'enflammer un mélange de résine, de soufre, de bitume et de salpêtre pour obtenir un magnifique lance-flammes. Puis vers le VIIIe ou le IXe siècle, les Chinois ont commencé à utiliser la poudre noire. Lorsque la poudre s'enflammait, l'expansion subite et considérable des gaz permettait de propulser un projectile. La poudre noire a fait son entrée en Europe au XIIIe siècle, grâce au Vénitien Marco Polo qui l'a rapportée de son long voyage en Chine. Elle a été énormément utilisée au profit des guerres et lors des fêtes qui s'en suivaient. Jusqu'au début du XIXe siècle, les feux d'artifice étaient très médiocres et manquaient de couleur. Heureusement, la chimie a su faire avancer la pyrotechnie énormément en développant une gamme de nouveaux produits plus performants.

Utilités

La pyrotechnie est évidemment utilisée lors des spectacles de feux d'artifice, mais aussi dans la vie de tous les jours. L'allumette, qui est composée de chlorate de potassium, de soufre et d'un combustible qui sert de liant, fonctionne de la même manière que les feux d'artifice. Il existe aussi des grenades fumigènes pour la signalisation en plein jour, des dispositifs d'allumage à retardement à bord des fusées spatiales, des boulons explosifs pour les sièges éjectables ou bien les fusées éclairantes à base de magnésium qui peuvent parfois sauver des vies. De plus, un système générateur de chaleur a été mis au point lors de la Seconde Guerre mondiale, qui était placé au fond des boîtes de ration de l'armée et qui servait à réchauffer la nourriture sans faire de feu et sans produire de gaz toxique. Malgré le fait que la pyrotechnie soit une science dangereuse, elle nous est d'une grande utilité.

Principes des feux d'artifice

Réaction d'oxydoréduction
 Pour comprendre les réactions produites dans les feux d'artifice, il est important de connaître ce qu'est une réaction d'oxydoréduction. Premièrement, le terme comporte deux mots: oxydation et réduction. Ce sont ces deux réactions, l'oxydation et la réduction, qui se produisent simultanément au cours d'une réaction d'oxydoréduction. Les définitions simples et modernes de ces deux mots sont:
 

une perte d'électrons pour ce qui est de l'oxydation
ex.: Mg(s)  Mg2+(aq) + 2é

et un gain d'électrons pour la réduction.
ex.: 1/2 O2 (g) + 2é  O2-(aq)
 

Par ce fait même, l'oxydant capte les électrons d'un corps qui s'oxyde et le réducteur cède les électrons au corps qui est réduit. Ce type de réaction implique un transfert d'électrons entre l'oxydant et le réducteur tout comme les réactions entre acides et bases nécessitent un transfert de protons d'une molécule ou d'un ion à un autre. Une réaction d'oxydoréduction assez simple dans son ensemble, et bien connue, est celle entre le magnésium et l'oxygène. Dans ce cas-ci, le réducteur est le magnésium et l'oxydant est l'oxygène. L'équation se traduit essentiellement à la perte d'électrons par les atomes Mg (pour former des ions Mg2+ ) et au gain d'électrons par les atomes O de O2 (pour former les ions O2- ). Des phénomènes complexes se produisent quand le métal est converti en oxyde, mais l'effet global est celui d'un transfert d'électrons entre l'oxydant et le réducteur.
On peut voir l'énergie lumineuse produite par le magnésium excité en cliquant ici.

Vous pouvez consulter le site Chimisterie pour en savoir davantage sur l'oxydoréduction.

Combustion
 

Le principe de base des feux d'artifice repose sur la combustion. Le mélange pyrotechnique contient un composé oxydant (nitrates, chlorates, perchlorates), qui libère de l'oxygène, et un composé réducteur (habituellement des non-métaux comme le soufre et le carbone ou des métaux comme le silicium, le bore, le magnésium et le titane), qui capte l'oxygène et sert de combustible. La réaction commence par le transfert d'électrons du combustible (réducteur) vers l'oxydant. Au cours de cette réaction d'oxydoréduction, les atomes du combustible se lient aux atomes d'oxygène libérés par l'oxydant et forment des produits plus stables que les produits initiaux. (Ces produits formés sont le plus souvent du dioxyde de soufre SO2 ou du dioxyde de carbone CO2). Ce gain de stabilité des produits s'accompagne d'un dégagement d'énergie, sous forme de chaleur. La réaction est semblable à une combustion normale, mais la source des atomes d'oxygène n'est pas l'air; c'est le mélange pyrotechnique lui-même, de sorte que la libération de chaleur s'effectue dans un très petit volume.

Vitesse

Les deux constituants du mélange pyrotechnique ne réagissent qu'en surface, à une vitesse limitée par la diffusion moléculaire. Cette diffusion est très lente à l'état solide, donc la stabilité du mélange est bonne tant que ce dernier est maintenu au sec et au frais. Pour briser cette stabilité, le dispositif d'allumage se consume, puis vaporise localement les réactifs, qui se mélangent alors davantage dans la flamme. Cette mise en contact permet d'augmenter la vitesse de la réaction d'oxydoréduction. De plus, l'énergie accumulée accélérera elle aussi la réaction.

D'autres facteurs comme l'homogénéité du mélange et la forme des fusées changent aussi la vitesse de réaction. Plus la poudre est confinée et entassée, plus la force et la vitesse de combustion seront grandes, car la chaleur et les gaz seront concentrés dans un plus petit volume; plus le mélange est homogène, plus l'échange d'électrons est facile. Donc, un mélange qui brûle lentement en plein air peut exploser violemment lorsqu'il est confiné.
On privilégiera la poudre aux liquides pour la formation des mélanges, car les liquides, même s'ils ont les avantages d'être homogènes et compacts, risqueraient de s'enflammer trop facilement . De plus, lors d'un entreposage trop prolongé, ce mélange risquerait de décanter. Il est très important de préparer un mélange petit à petit, car la force d'explosion est élevée au cube à chaque quantité ajoutée. Par exemple, une explosion de 9 grammes d'explosif devient 729 fois plus puissante qu'une explosion d'un seul gramme du même explosif, car sa force est élevée au cube.

Chaleur de combustion

Il est important de choisir des combustibles et des oxydants de réactivité appropriée. La réactivité du combustible dépend essentiellement de sa chaleur de combustion, c'est-à-dire de la quantité d'énergie libérée lors de sa réaction avec l'oxygène. La combustion des métaux, par exemple, dégage bien plus d'énergie que la combustion du sucre. Par ailleurs, la réactivité des oxydants dépend de la température et de la chaleur de décomposition. La température de décomposition correspond à la température à partir de laquelle la libération d'oxygène par l'oxydant devient notable. La chaleur de décomposition se définit plutôt par la quantité de chaleur nécessaire à la décomposition de l'oxydant et à la libération d'oxygène. Selon l'oxydant utilisé, la décomposition résulte d'une absorption ou d'un dégagement de chaleur, ce qui donne dans le premier cas une réaction endothermique et dans l'autre, une réaction exothermique. Le chlorure de potassium, très facilement activé, grâce à sa décomposition très exothermique à une température supérieure à 360 °C, peut être utilisé dans les allumettes ou dans les grenades fumigènes. Cependant, d'autres composés, comme l'oxyde de fer, qui se décompose seulement aux alentours de 1 500 °C, ont une réaction si endothermique que seul un combustible métallique très actif comme l'aluminium peut l'amorcer.

Quantité d'oxygène libérée
 

Les agents oxydants comme les nitrates, les chlorates et les perchlorates sont constitués d'un ion métallique et d'un radical oxydant.

Exemple: le nitrate de potassium (KNO3) contient l'ion métallique potassium (K) et le radical oxydant nitrate (NO3).

Les nitrates libèrent seulement le tiers d'oxygène qu'ils possèdent. La réaction est:

2NO3  NO2 + O2

Les chlorates libèrent autant d'oxygène qu'ils en possèdent. La réaction est:

2ClO3  2Cl + 3O2

Les perchlorates libèrent eux aussi autant d'oxygène qu'ils en possèdent et ils en contiennent plus que les chlorates. La réaction est:

ClO4  Cl + 2O2

Caractéristiques des feux d'artifice

La lumière

Les feux d'artifice émettent une odeur et font du bruit lorsqu'ils explosent, mais c'est principalement leur lumière qui les rend si attrayants. Les feux d'artifice émettent de la lumière selon trois phénomènes: l'incandescence, l'émission atomique et l'émission moléculaire.

L'incandescence

C'est tout simplement le rayonnement de tout corps qui est chauffé. Fait intéressant: l'intensité de la lumière émise, au total, est proportionnelle à la puissance quatrième de la température, de sorte qu'une faible augmentation de température correspond à une augmentation considérable de l'émission lumineuse. On retrouve ce phénomène d'incandescence avec du magnésium, par exemple. Lorsque les particules d'oxyde métallique, formées lors de l'oxydation du combustible, sont portées à plus de 3 000 °C, l'incandescence est d'un blanc éblouissant. Si on veut voir des gerbes de longues étincelles plutôt que des éclairs, on a qu'à prendre de plus grosses particules métalliques. Elles resteront chaudes plus longtemps que les petites particules et leur combustion se poursuivra dans l'oxygène de l'air. Il est aussi possible d'ajouter du perchlorate de potassium à la fine poudre de magnésium pour avoir une violente explosion qui accompagne l'éclair blanc.

L'émission atomique

Pour retrouver les couleurs chatoyantes des feux d'artifice modernes, on a recours à l'émission atomique ou moléculaire. La couleur provient essentiellement des atomes ou des molécules vaporisés par les flammes. Pour l'émission atomique, ce sont les électrons de l'atome qui sont excités par la chaleur de la flamme. Ceci leur permet de passer d'un niveau d'énergie fondamental à un état d'énergie supérieur, et ce, d'un seul bond. Au cours de leur retour vers l'état fondamental, les électrons libèrent sous forme de photons, l'énergie qu'ils avaient absorbée. Selon la nature des atomes du gaz et la quantité d'énergie retournée par les électrons, les photons auront différentes longueurs d'onde, donc différentes couleurs émises par les rayons lumineux. L'atome de sodium est l'un de ceux qui émet le plus de lumière par le mécanisme d'émission atomique. Lorsqu'il est chauffé à une température supérieure à 1 800 °C, il émet une lumière jaune orangé très intense qui tend à masquer toute autre émission atomique ou moléculaire ayant lieu en même temps.

L'émission moléculaire

Elle est semblable à l'émission atomique, mais elle résulte d'une transition entre deux états d'énergie. Le phénomène se produit lorsque les molécules sont vaporisées dans une flamme à une température suffisante pour communiquer l'énergie assurant la transition. Cependant il faut faire attention, car les flammes trop chaudes décomposent les molécules qui ne pourront plus émettre aucune lumière. La concentration en molécules dans la flamme doit être assez élevée pour que la lumière émise soit fortement colorée, mais le nombre de particules solides ou liquides doit rester suffisamment faible pour que les phénomènes d'incandescence ne masquent pas les couleurs produites.

Les couleurs

Pour que les feux d'artifice soient attrayants, il faut une production de lumière, mais encore, elle doit être colorée. Selon Heinrich Hertz, la lumière est un rayonnement électromagnétique émis à une certaine fréquence, c'est-à-dire une onde propageant des oscillations d'influence électrique et magnétique qui exerce une force sur les particules. Nos yeux peuvent capter une radiation électromagnétique seulement si sa longueur d'onde est comprise entre 380 nm, qui correspond au violet, et 780 nm, qui correspond au rouge. Les longueurs d'onde intermédiaires sont dans l'ordre de l'arc-en-ciel (bleu, vert, jaune et orangé) et le blanc résulte de l'émission simultanée de plusieurs longueurs d'onde de la lumière visible. Les autres radiations qui ont une longueur d'onde inférieure à 380 nm se nomment ultraviolets et celles d'une longueur supérieure à 780 nm sont appelées infrarouges.

Selon Max Planck, l'énergie d'une onde est directement proportionnelle à sa fréquence (f). La longueur d'onde (lamda) est aussi indirectement proportionnelle à la fréquence (lamda=c/f ) où c = 3.0 X 108m/s, la vitesse des photons. Ainsi, l'énergie transportée par les ondes du violet est plus considérable que celle transportée par les ondes du rouge.

La forme

Il existe plusieurs sortes de pièces pyrotechniques, chacune produisant un effet qui dépend de la composition ou de la structure de l'explosif. Que ce soit des cascades, des fontaines, des soleils, des feux de Bengale, des chandelles romaines, des comètes, des serpentins ou des bombes, elles sont toujours construites à partir du même principe:

emmagasiner un maximum d'énergie dans un minimum d'espace.

La pièce la plus populaire est la fameuse bombe. Ces bombes peuvent être de type européen ou japonais. Les bombes européennes sont remplies de poudre noire, d'un dispositif d'allumage à retardement et d'une trentaine de petits sachets remplis de la mixture pyrotechnique appelés étoiles. La disposition des étoiles à l'intérieur produit des effets différents nous donnant des pivoines, des palmiers, des marrons d'air et même des saules pleureurs. Pour ce qui est des bombes japonaises, «chrysanthème», elles sont aussi lancées à partir de la poudre noire entassée au fond d'un mortier, mais la disposition des étoiles à l'intérieur de la bombe fait en sorte que les étincelles colorées sont réparties de façon bien symétrique. Il existe aussi des bombes à plusieurs étages ayant chacune leur compartiment de propulsion et d'étoiles. L'explosion de chaque compartiment allume un dispositif à retardement conduisant au compartiment suivant, ce qui permet d'avoir plusieurs explosions à partir d'une seule fusée.
Bref, les feux d'artifice reposent sur deux principaux phénomènes: la combustion et l'émission de lumière. À cela s'ajoutent le son, la musique, les reflets, la propulsion ainsi qu'une multitude d'autres phénomènes nécessaires à la production d'un spectacle haut en couleurs. Même si les spécialistes en ont découvert beaucoup sur les secrets bien gardés des artificiers, ils ont de la difficulté à mettre la main sur ce qui rend les spectacles pyro-musicaux si magiques.

Poudre noire
Ses utilités

La poudre noire, placée à la base des fusées, sert à:
* Propulser la bombe jusqu'à la hauteur où elle doit exploser;
* Éclater les fusées des feux d'artifice et éparpiller les étoiles dans le ciel lors de l'explosion.

Son utilisation présente plusieurs avantages: elle est peu dispendieuse, les substances qui la composent se retrouvent abondamment dans la nature, elle présente peu de toxicité et le mélange est très stable à l'abri de l'humidité. De plus, une faible quantité d'énergie comme une étincelle provoque la combustion.

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