Principes des feux d’artifice

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.: ½ 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.

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.
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
feux d'artifice, 14 juillet, 1er Aout, 15 Aout, 31 Décembre

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