TPE Feux D'artifice

Introduction

La pyrotechnie remonte au XIIIe siecle (en Europe). Marco Polo a ramene la poudre noire en Europe de son voyage en Chine, ou l’on s’en servait pour pour alimenter les armes a feux et pour impressionner un public lors de ceremonies (feux d’artifices). Avant la XIX siecle, il n’existait d’autres couleures de feux d’artifice que le jaune et le blanc. Au cours de ce dossier, nous allons vous presenter les differents types de feux d’artifices existant aujourd’hui, leur composantes chimiques, les phenomenes phsiques permettant un tel effet...

TPE les feux d’artifices.

Problématique : Quel est le fonctionnement des feux d’artifices et y a-t-il des axes de recherche actuellement ?

I] Le feu d’artifice :

1) Le principe de fonctionnement.

a) De quoi est-ce fait et comment cela fonctionne-t-il ?

Cas le plus classique : la bombe. A sa base se trouve ce qu’on appelle la chasse, une charge de poudre contenue dans un cône tronqué renversé. Placée dans un mortier, la bombe est posée sur sa base, qui contient la chasse, pour la propulsion. Ainsi, lorsque la mèche atteindra la chasse, la poudre prendra feu, et comme beaucoup de solides, en se consumant, la poudre produit des gaz. Ces gaz sont pris au piège entre la base du mortier et la bombe et vont donc chercher à se détendre. Ces gaz vont donc faire pression sur tout ce qui les entoure, y compris la bombe, jusqu’au point où la bombe est éjectée, à une vitesse pouvant atteindre 360km/h.

Une fois en l’air, l’élément qui relie la chasse à la charge d’éclatement qui va provoquer l’explosion de l’engin ne pourrait être de la simple poudre, sinon l’explosion se produirait au moment où la bombe sortirait du mortier, c’est à dire bien trop tôt. Pour que la bombe explose à son apogée, on dispose un petit conduit appelé l’espolette, entre la chasse et la charge d’éclatement, dans lequel on tasse au maximum la poudre de façon à augmenter son temps de combustion afin de permettre une explosion au zénith !

Dans la bombe, la charge d’éclatement est entourée d’éléments pyrotechniques, appelées étoiles. Ce sont les étoiles qui vont émettre des lumières de différentes couleurs de par leur combustion.

Le principe de l’oxydoréduction :

Une réaction d'oxydoréduction est une réaction chimique au cours de laquelle se produit un échange d'électrons. L'espèce chimique qui capte les électrons est appelée « oxydant » et celle qui les cède « réducteur ».

C’est ce principe qui explique la forte combustion de la poudre noire (i.e. explosion). Cette dernière est composée de 75% de nitrate de potassium (ou salpêtre), 15% de charbon végétal, et 10% de soufre. Lors de la combustion, l’oxydant va servir de combustible. Les trois espèces les plus utilisées en tant qu’oxydant sont le nitrate de potassium, le chlorate de potassium et le perchlorate d’ammonium.

Le réducteur va, lui, servir de comburant. L’équation chimique de la réaction d’oxydoréduction (dans le cas des feux d’artifice) est la suivante :

2 KNO₃ + 3 C + S --> K₂S + 3 CO₂ + N₂

Ici, c’est le nitrate de potassium (KNO₃) qui agit comme réducteur. On observe en effet la présence de trois atomes d’oxygène. Une fois le mélange enflammé, le charbon (3 C) va brûler aux dépends de l’oxygène libéré par le nitrate de potassium. Le charbon est donc l’oxydant.

Cette réaction dégage beaucoup de gaz, le dioxyde de carbone

(3 CO₂) et le diazote (N₂), ainsi qu’un peu de fumée (K₂S). Ces trois produits dégagés suffisent à fournir une forte poussée sur la fusée au-dessous de laquelle brûle ce mélange. Résultat : elle décolle.

Il y a 3 atomes qui changent de degré d'oxydation, ici : C qui s'oxyde, et N et S qui se réduisent.

b) Les différents types de feux d’artifice.

On trouve deux catégories de feux d’artifices qui se subdivisent encore. Ces deux catégories principales sont les feux d’artifice qui sont lancés dans le ciel et qui dispersent leurs effets en hauteur ; puis il y a les feux d’artifices qui dispersent leurs effets au sol, sans monter en hauteur.

-Les feux d’artifice qui se dispersent en hauteur :

-La fusée : la fusée est un des premiers feux d’artifices connus. Elle est autopropulsée, ce qui signifie que l’énergie nécessaire a son ascension se trouve sur la fusée même. Il y a donc une petite réserve de poudre noire sur la fusée qui se consume puis qui met feux aux effets sur le haut de celle-ci a la fin de la combustion.

Elle a tout d’abord eu une visée militaire mais a été remplacée par le canon car elle était trop imprécise et sensible aux vents.

-La bombe : un effets pyrotechnique qui apparu au 18 eme siècle la bombe se comporte d’une chasse, d’une mèche rapide interne, d’une charge d’éclatement et d’effets dispersés autour de cette charge.

La bombe est placée dans un mortier et utilise le même principe que le canon pour être projetée en l’aire. La chasse est placée vers le bas, c’est-à-dire le fond du mortier et explose en premier. Lors de cette réaction beaucoup de gaz sont créés et la pression augmente. Cette pression étant largement supérieure a la pression atmosphérique, elle exerce une force sur les parois du mortier et aussi sur la bombe. La bombe est libre, signifiant qu’elle n’est pas attachée au mortier et donc elle est projetée hors du mortier à haute vitesse. Apres l’explosion de cette chasse, la mèche allant de la chasse à la charge explosive centrale s’enflamme. Celle-ci a une longueur et un temps de combustion bien définis par un calcul au préalable afin que les effets pyrotechniques se fassent à la bonne hauteur. Lorsque la mèche arrive à

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