LA THEORIE

LES EFFETS PYROTECHNIQUES

Un spectacle pyrotechnique resulte d'un mélange de trois effets principaux :

• La lumière
• Le bruit
• La fumée

Ces effets sont obtenus en utilisant les propriétés chimiques et physiques de combustion des substances utilisées.

Combustion

Les produits utilisés sont géneralement composés d'un combustible :

• Souffre
• Poudre de magnesium
• Poudre d'aluminium
• Charbon
• Lactose (sucre)
• ...

et d'un comburant :

• nitrates
• perchlorates
• peroxydes
• chlorates (de moins en moins)
• ...

qui améne l'oxygéne nécessaire à la combustion. Les proportions de ce mélange combustible/comburant sont calculés précisemment dans chaque cas pour obtenir les effets souhaités. Ce qui differencie une combustion d'une explosion c'est sa vitesse d'émission de gaz.

La lumiére

Elle est obtenue avec la température de combustion : elle est d'autant plus blanche que sa température est élevée.

Les differentes couleurs sont obtenues en ajoutant des mélanges des différents produits :

• Charbon de bois : Dorée
• Baryum : Vert
• Strontium : Rouge
• Cuivre : Bleu
• Sodium : Jaune

Un mélange de plusieurs composés peut donner d'autres couleurs : Strontium + Cuivre = Violet.

Le bruit

Le bruit crée est assimilé à une déflagration. Les effets sonores sont obtenus en employant un comburant et un métal (aluminium). On utilise la poudre noir pour des effets moins puissants. Les bruits de sifflets sont obtenus par une composition comprimée.

On appelle marrons d'air ou marrons de terre, une composition uniquement sonore permettant l'annonce, le rythme et/ou le final d'un feu. Ces marrons de calibre d'environs 75mm sont deja beaucoup puissant que les simple pétard à méches et peuvent provoquer l'explosion de vitres trop proches.

La fumée (Fumigénes)

La fumée est le résultat de combustion incomplétes qui se disperse dans l'air en fines particules. Elle peut etre de plusieurs couleurs selon les colorants organiques utilisées. On l'utilise essentiellement pour mettre en valeur les LASER lors de spectacles. Les compositions fumigénes sont souvent difficiles a initier.

DISSECTION D'UNE BOMBE

La bombe est constituée d'une chasse (en bas) qui contient la poudre d'ejection.

Une fois la bombe lancée, il y a un retard pyrotechnique avant de faire éclater la bombe par la charge d'éclatement.

Ensuite, les étoiles se dispersent et produisent de la lumiére en se consumant.

La trajectoire est donnée par le mortier qui contient la bombe :

REACTIONS CHIMIQUES

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

exemple : Mg(s) Mg2+(aq) + 2é

un gain d'électrons pour la réduction.

exemple : 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.

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.

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.