1) Combustion et oxydoréduction

 

La poudre noire existe aujourd'hui sous plusieurs formes comme des gros grains ou des grains extrêmement fins. Auparavant, cette poudre était sous forme sableuse ce qui engendrait des problèmes lors de la combustion car cette poudre était beaucoup trop compacte. Mais au XIXème siècle, des chimistes ont réussi à mettre cette poudre sous forme de granulés. Il est ainsi plus facile de la doser et de l'air peut circuler entre ces grains, ce qui facilite la combustion. Lorsque la poudre entre en contact avec le feu, la réaction suivante se produit :

 

         2  KNO3 + 3 C + S -----> K2S + 3 CO2(g) + N2(g)   + chaleur

 

La poudre noire est composée de 75 % de nitrate de potassium, 15 % de soufre (SO2 ) et 10 % de carbone (C).

On peut donc voir que du nitrate de potassium réagit avec du carbone et du soufre pour former du sulfure de potassium, du dioxyde de carbone et du diazote. Les produits de cette réaction sont principalement des gaz. Ces gaz vont jouer un rôle important lors de la propulsion de la bombe.

 

Une réaction d'oxydoréduction se produit, c'est-à-dire que des échanges d'électrons entre deux espèces chimiques se réalisent. Ces espèces chimiques constituent un couple oxydant/réducteur, ou couple rédox.

 

Définitions :

 

• Une oxydation est une perte d’électrons.

• Une réduction est un gain d’électrons.

• Une entité chimique (atome, ion, molécule) qui perd des électrons est un réducteur.

• Une entité chimique (atome, ion, molécule) qui gagne des électrons est un oxydant.

 

 

Une combustion a lieu car il y a un combustible, un comburant et une énergie d'activation (aujourd'hui ce sont  des dispositifs électriques à distance mais autrefois, c'étaient des lances d'allumages en bois contenant de la poudre compactée).

 

Dans les feux d'artifice, le combustible (substance capable de générer de la chaleur en présence de dioxygène) est un réducteur qui libère des électrons pour respecter la règle de l'octet. La réaction avec l'oxygène engendre une libération d'énergie sous fome de chaleur, de lumière et un gain en stabilité. Il existe différents combustibles comme le strontium, le brome, le magnésium, l'aluminium, le silicium, le titane ou encore le soufre, le charbon.

 

Ensuite, le comburant (substance capable de permettre la combustion d'un combustible) va fournir le dioxygène nécessaire à la combustion. En pyrotechnie, c'est un oxydant qui capte des électrons et libère de l'oxygène et le plus souvent ce sont des perchlorates, des chlorates et des nitrates qui sont utilisés.

 

 

Les atomes du combustible vont se lier avec les atomes de dioxygène libérés par le comburant, formant ainsi des produits stables (ce sont souvent du dioxyde de soufre ou du dioxyde de carbone qui sont formés). Cette stabilité s'accompagne d'un dégagement d'énergie sous forme de chaleur et comme la réaction se fait dans un très petit volume, la température de la réaction est très importante.

 

 

Dans notre équation ci-dessus, le nitrate de potassium (KNO3) (comburant) est un oxydant libérant de l'oxygène qui réagit avec le carbone (C) (combustible), qui est un réducteur captant de l'oxygène. Cela produit des gaz, le dioxyde de carbone (CO2) et le diazote (N2), ainsi que des résidus (K2S).

 

    2) Pression

 

Lors de cette combustion, la production de gaz est très importante et ce, dans un laps de temps très faible. L'espace dans lequel se trouve le gaz étant très restreint lui aussi, les gaz n'arrivent pas à se détendre pendant la combustion de la poudre noire et font donc pression sur tout ce qui les entoure (y compris la bombe), ce qui entraîne aussi une augmentation de la température : c'est le phénomène des gaz parfaits qui se traduit par la formule :

 

 

 

 

 

 

 

Elle spécifie qu'à température constante, la pression est inversement proportionnelle au volume et réciproquement c'est à dire que plus la pression augmente, plus la température augmente.

 

    3) Conséquence de la pression

 

En fonction de la valeur de cettre pression, la bombe se trouvant dans le mortier va être éjectée plus ou moins vite. Voici un schéma des forces qui s'exercent sur le mortier et sur la bombe : 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

De plus, lorsque l'on allumera le feu d'artifice, nous aurons l'impression qu'il décolle instantanément. Cela s'explique par le confinement de la poudre noire qui se consume extrêmement rapidement, contrairement à si elle était à l'air libre, où elle brûlerait beaucoup plus lentement.