Feux d’artifice

Avec la découverte en Chine plusieurs siècles avant JC de la combustion de la matière organique accélérée par le salpêtre (nitrate de potassium) et l’invention de la poudre (également connue sous le nom de la poudre noire) vers 220 avant JC, l’Humanité a une fascination pour les feux d’artifice qui ne cessera probablement jamais. Aujourd’hui, les applications techniques qu’offre la pyrotechnie en plus des feux d’artifice, tels les airbags (cf. Azoture de sodium), des extincteurs, les fusées d’alarme, les allumettes, la production de mousses nanoporeuses et de propulseurs sont de plus en plus nombreuses. Le développement et la recherche en ce domaine sont toujours d’actualité avec notamment l’extension aux matériaux énergétiques.

Les feux d’artifice furent inventés en Chine au VIIe siècle pour éloigner les esprits maléfiques. Ils font partie de la culture chinoise et tiennent une grande place au moment du Nouvel An et du Festival de la Lune (automne). Il n’est donc pas étonnant que la Chine soit le plus grand fabriquant (et exportateur…) de feux d’artifice. Un livre d’Adrien Romain les évoque en 1611. En France, le premier vrai feu a été tiré en 1615 sur la Place des Vosges, à Paris, alors Place Royale, à l’occasion du mariage d’Anne d’Autriche avec Louis XIII. En Europe, jusqu’au début du XIXe siècle, les feux d’artifice étaient très médiocres et manquaient de couleur : ils étaient principalement jaunes ou blancs. Heureusement, la chimie a su faire progresser la pyrotechnie en développant une gamme de nouveaux produits plus performants.

Le principe de base des feux d’artifice repose sur la combustion pyrotechnique de la poudre noire contenant un composé oxydant (nitrate, chlorate, perchlorate) qui libère de l’oxygène et un composé réducteur (le soufre et le carbone en mélange avec des métaux comme le silicium, le bore, le magnésium et le titane) qui sert de combustible. Les ions nitrates libèrent seulement le tiers de l’oxygène qu’ils contiennent :
2 NO₃^– ———> 2 NO₂^– + O₂

Les chlorates libèrent autant d’oxygène qu’ils en contiennent :
2 ClO₃^– ———> 2 Cl^– + 3 O₂

Les perchlorates libèrent eux aussi autant d’oxygène, mais ils en contiennent plus que les chlorates :
ClO₄^– ———> Cl^– + 2 O₂

Les feux d’artifice émettent de la lumière selon trois phénomènes : l’incandescence, l’émission atomique et l’émission moléculaire. Il y a tout d’abord l’incandescence des particules d’oxyde métallique, formées lors de la combustion, qui va du blanc rouge (aux alentours de 1 000°C) jusqu’au blanc éblouissant (vers 3 000 °C) : on retrouve ce phénomène d’incandescence avec le magnésium (cf. Magnésium). Si l’on veut voir des gerbes de longues étincelles plutôt que des éclairs, il faut employer de plus grosses particules métalliques. Elles resteront chaudes plus longtemps que les petites particules et leur combustion se poursuivra dans l’oxygène de l’air. Il est aussi possible d’ajouter du perchlorate de potassium à la fine poudre de magnésium pour avoir une violente explosion qui accompagne l’éclair blanc.

L’explosion porte à haute température les composés métalliques qui donnent les couleurs. Pour l’émission atomique, les électrons de l’atome métallique sont excités thermiquement, ce qui leur permet de passer d’un niveau d’énergie fondamental à un état d’énergie supérieur ; au cours de leur retour vers l’état fondamental, l’énergie qu’ils avaient absorbée est émise sous forme de photons d’une longueur d’onde caractéristique de l’atome. L’atome de sodium est l’un de ceux qui émet le plus de lumière par ce mécanisme d’émission : lorsqu’il est chauffé à une température supérieure à 1 800 °C, il émet une lumière jaune orangé très intense qui tend à masquer toute autre émission atomique ou moléculaire ayant lieu en même temps.

Il existe plusieurs types de pièces pyrotechniques, chacune produisant un effet qui dépend de la composition ou de la structure de l’explosif. Les bombes, bouquets, embrasements, cascades, soleils ou le bouquet final, sont tous construits à partir du même principe. Ces pièces sont soit propulsées (fusées, à la disposition des amateurs), soit lancées par un mortier (plutôt réservé aux professionnels).

La pièce la plus courante est la bombe. Elle est constituée d’une charge de poudre pour la propulser (la chasse) et d’un dispositif d’allumage à retardement (l’espolette) et de billes de poudres (les étoiles). La disposition des étoiles autour de l’allumeur produit des effets différents donnant des pivoines, des palmiers et même des saules pleureurs.

Aujourd’hui, afin que les bombes s’étalent encore plus dans le ciel, les écarteurs sont renforcés d’une charge explosive, expulsant ainsi les étoiles sur un rayon beaucoup plus grand.Il existe aussi des bombes à plusieurs étages ayant chacune leur compartiment de propulsion et d’étoiles. L’explosion de chaque compartiment allume le dispositif à retardement du compartiment suivant, donnant plusieurs explosions successives.

Parmi les autres artifices, on peut citer :
– la chandelle qui est un tube, généralement en carton, dans lequel des bombettes ou comètes sont insérées l’une au-dessus de l’autre,
– le compact, assemblage de tubes contenant les mêmes ingrédients, qui partent automatiquement et d’une manière synchronisée après l’allumage du premier tube,
– la fusée, composée d’une tige stabilisatrice et d’un tube cylindrique contenant, à la base, la poudre pour la propulsion, et au sommet, la poudre avec les effets,
– le feu de Bengale, constitué d’un tube en carton ou en métal dans lequel on dispose un mélange pyrotechnique qui va se consumer lentement et engendrer un fort dégagement de lumière et de fumée,
– la roue, mécanisme rotatif avec un point fixe, composé d’un cadre sur lequel sont disposés des petites fusées fixes appelées jets. L’inflammation des jets provoque la rotation de l’ensemble et une gerbe de feu en forme de soleil,
– la cascade, assemblage de jets disposés tête en bas qui donne l’impression d’une cascade d’étincelles tombantes,
– le pot à feu, très semblable à la bombe, mais sans espolettes. La chasse enflamme directement le composé pyrotechnique destiné aux effets, etc.

Alors, bon feu d’artifice et, si vous voulez l’immortaliser, consultez le site
http://christopheblanc.free.fr/ pour quelques conseils photographiques.

Pensée du jour
« Pour faire la bombe : un pot à feu avec quelques épices noires, mais surtout le piment des espolettes ! »

Sources
– http://fr.wikipedia.org/wiki/Feu_d’artifice
– http://fr.wikipedia.org/wiki/Pyrotechnie
– http://en.wikipedia.org/wiki/Fireworks
– http://en.wikipedia.org/wiki/Pyrotechnics
– G. Steinhauser, T.M. Klapötke, Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 3330-3347.

Pour en savoir plus
– Azoture de sodium
– Magnésium