Combustion et réaction chimique mise en jeu

Combustion et réaction chimique mise en jeu

        La combustion

La base des feux d’artifices repose sur une combustion pyrotechnique. Pour qu'il y ait une combustion, il faut que 3 éléments soient réunis:

  • une énergie d'activation (flamme, feu)

  • un comburant (qui est l’oxydant dans la pyrotechnie) qui va fournir et libérer l’oxygène nécessaire à la combustion et

  • un combustible (qui est le réducteur en pyrotechnie) qui libère de l’énergie sous forme de chaleur et gagner un niveau d'énergie en absorbant un photon (qui transporte l’énergie de la lumière). Si l'un des trois n'est pas présent la combustion ne peut pas avoir lieu.

Ce principe est aussi appelé triangle du feu (voir schéma).

 

        La réaction chimique mise en jeu

La poudre contient :

-Un composé oxydant

-Un composé réducteur

        La réaction entre ces deux composés est à la base du feu d’artifice.

  1. Le composé oxydant

        C’est une espèce chimique qui doit être capable de gagner un ou plusieurs électrons en libérant de l’oxygène. Il existe plusieurs types de composés oxydants :

  • Les sels : le nitrate de potassium ou le salpêtre

  • Les peroxydes : eau oxygénée contenant du dioxygène et de l’oxygène

  • Les oxydes : composé de l’oxygène

  • Certains composés halogénés ( le chlorure d'hydrogène HCl est un composé halogéné mais le chlorure est un réducteur) : composés qui attaquent les métaux et qui donnent des sels

 

Caractéristiques du composé oxydant :

  • Il doit être stable entre -60°C et +80°C pour conserver son état solide

  • Il ne doit pas absorber l’humidité de l’air, car sinon il y aura un changement d’état (en liquide)

  • Il ne doit pas être décomposé par l’eau : le composé oxydant ne peut plus libérer de l’énergie
     

  1. Le composé réducteur

        C’est une espèce chimique qui doit être capable de céder un ou plusieurs électrons et qui sert de combustible comme les minéraux. Les minéraux sont de bons réducteurs car ils cèdent facilement un ou plusieurs électrons. Il existe plusieurs types de composés réducteurs :

  • Les métaux comme le cuivre

  • Les métalloïdes : le soufre par exemple

  • Les sulfures : combinaison du soufre avec une autre matière

    Les siliciures : formé à partir de silicium, c’est l’élément le plus abondant dans la croûte terrestre

    Exemple d'une équation de réaction : Cu (+O2) --> CuO
    Le cuivre réagit avec l'oxygène pour donner de oxyde de cuivre

 

Remarque : Dans le feu d’artifice, l’aluminium et le magnésium  sont le plus utilisés comme réducteurs. En effet, ils brûlent très facilement et réagissent vivement en contact du dioxygène en dégageant beaucoup de chaleur.

Exemple d'une équation de réaction de magnésium : 2Mg + O2 --> 2MgO
Deux molécules de magnéésium réagissent avec l'oxygène pour former deux molécules de magnésie.

Caractéristiques du composé réducteur :

  • Il doit être stable entre -60°C et 80°C pour garder son état solide

  • Ne pas absorber l’humidité de l’air pour ne pas modifier son état

  • Ne pas être décomposé par un acide (un acide attaque les minéraux dont les métaux)
     

  1. La réaction d’oxydoréduction

Il s’agit de la réaction entre le composé oxydant et le composé réducteur. Elle fait intervenir deux- demi réactions :

  • Une demi-réaction d’oxydation, couplée à

  • Une demi-réaction de réduction

        Il est important que les produits formés de la réaction correspondent à un gaz pour avoir une explosion.

La réaction s’écrit:

2KNO3 + 3C + S => K2S + 3 CO2 + N2

 

Les réactifs : le salpêtre, avec formule chimique KNO3 qui est l’oxydant (il cède l'oxygène); le carbone C et le soufre S qui sont les réducteurs
Les gaz produits :le sulfure de potassium K2S, le dioxyde de carbone CO2 et le diazote N2
La poudre noire permet non seulement l’explosion, mais aussi la couleur (voir à la suite), l’allumage de la bombe, et le retardement.

        Dans cette réaction, il y a conservation de la matière, et conservation de la charge électrique totale.

 

        Afin d’y trouver l’expérience de la réaction des feux d’artifices, nous sommes allées à la bibliothèque Chimie Enseignement à l’Université Pierre et Marie Curie. Le livre s’intitule Chimie expérimentale de Châtelet.

Expérience : "On mélange deux parties de nitrate de potassium, trois parties de carbone et une partie de soufre où on place le tout sur une brique. La réaction, qui se fait avec la flamme d’un bec Bunsen, est très vive. La réaction s’accompagne d’un dégagement de gaz très important.

        Pour obtenir l’effet d’un feu de Bengale (voir plus loin), les différents constituants doivent être broyés séparément puis mélangés dans un mortier grâce à une spatule.
        On amorce la combustion en enflammant une mèche de papier filtre préalablement trempée dans une solution de nitrate de potassium et séchée à l’air".

Schéma de l’expérience illustrant le principe des feux de Bengale
(Source : Chimie Expérimentale de Châtelet)