La chimie - tout est dans le mélange!

unfall bei chemie-experiment, verrußte kidsLes mélanges pyrotechniques fonctionnent presque toujours selon le principe d'une réaction REDOX. Pour simplifier, une substance libère de l'oxygène, c'est-à-dire qu'elle est réduite, tandis qu'une autre substance absorbe de l'oxygène, c'est-à-dire qu'elle est oxydée. Cependant, comme un mélange pyrotechnique est rarement constitué de deux composants seulement, les réactions qui s'y produisent sont assez complexes.

Prenons l'exemple de la poudre noire normale, un mélange composé de 75 % de nitrate de potassium, 15 % de soufre et 10 % de poudre de charbon de bois. Le nitrate de potassium (formule chimique : KN03) est un composé de potassium (K), d'azote (N) et d'oxygène (O). Comme le montrent les 3 derrière le "O", il "consiste" en 3/5 d'oxygène et le libère très facilement en substances oxydables telles que le soufre, le charbon de bois, etc. lorsque l'énergie de départ sous forme de chaleur ou de friction est ajoutée au mélange fini.

Sur cette base, la plupart des mélanges peuvent être réalisés : substance libérant de l'oxygène + substance facilement combustible (oxydable). Il faut toutefois faire attention à l'équilibre dit "chimique", c'est-à-dire qu'il ne doit pas y avoir plus de substance libératrice d'oxygène dans un mélange que nécessaire pour la combustion de la substance combustible, car un tel excès entraverait la réaction. Le rapport correct peut être calculé à l'aide de l'équation de réaction, mais vous devez d'abord trouver une équation de réaction complète avant de pouvoir ensuite effectuer vos calculs à l'aide de la masse moléculaire (masse molaire). Mais un équilibre parfait ne signifie pas qu'un mélange fonctionnera bien - il faut parfois faire de nombreuses expériences avant de réussir.

Mais il y a d'autres facteurs qui jouent un rôle, comme la taille des particules. Supposons que vous vouliez fabriquer de la poudre noire, que vous pulvérisiez vos ingrédients de base dans un mortier et que vous les mélangiez, vous constaterez que le produit final brûle assez lentement. Si vous la mettez dans un pétard, il n'y aura pas de détonation, mais peut-être un "pouf", mais rien de plus. La poudre que l'on peut produire à l'aide d'un mortier peut sembler très fine à première vue, mais cette "finesse" n'est pas suffisante pour assurer une réaction rapide. Plus une poudre est fine, plus sa surface est grande et mieux elle peut réagir. Un kilo de bois en forme de cube ne brûlera pas si vous lui présentez une allumette allumée, mais un kilo de laine de bois, oui ! Néanmoins, vous devez savoir quelle réaction vous souhaitez obtenir - fabriquer un cierge magique avec de la poussière de fer n'a aucun sens, car il brûlerait en deux secondes avec un éclair brillant, alors qu'avec de la poudre de fer grossière, il brûle calmement et scintille. Donc, pour une poudre flash qui est censée brûler brusquement, vous utiliserez toujours des ingrédients fins comme de la poussière.

La procédure de mélange est également un facteur important pour obtenir un bon mélange. Mais c'est aussi un aspect important de la sécurité, car tout type d'énergie que vous ajoutez à un mélange peut le faire réagir. Certains mélanges sont si insensibles que vous pouvez les frapper avec un marteau et qu'il faut un cierge magique pour les enflammer. D'autres mélanges, en revanche, explosent au moindre contact.

Les coleurs

nico_europe_chemie_farben_in_reagenzgläschenCe qui est beau avec les feux d'artifice, ce sont toujours les différentes couleurs : bleu, rouge, vert, violet, jaune, etc. Ce qui semble si beau est parfois très difficile à réaliser. Une flamme peut être créée par des sels de métaux comme : Sodium (jaune), Baryum (vert), Strontium (rouge), Potassium (violet), Cuivre (bleu). Les métaux mentionnés ne sont pas les seuls à pouvoir provoquer une coloration de la flamme, mais ce sont les plus courants. Et comme toujours, en matière de couleur, il faut savoir ce que l'on veut obtenir.

Si vous prenez un mélange de soufre, de nitrate de potassium, de nitrate de strontium et de nitrate de sodium, il brûlera toujours en jaune, car le sodium produit un jaune très intense qui couvre complètement le rouge du strontium et le violet du potassium. Si vous ajoutez du magnésium à un mélange de nitrate de strontium et de soufre, ce mélange sera beaucoup moins rouge, car le magnésium émet une lumière blanche très vive et le rouge s'estompe donc dans une certaine mesure.

Toutes les couleurs, sauf le bleu, peuvent être produites très facilement. On utilise simplement le nitrate du métal correspondant. Cependant, l'utilisation du nitrate de cuivre ne permet pas d'obtenir la couleur bleue dans les mélanges pyrotechniques. Pour produire du bleu, il faut utiliser différents sels de cuivre dans le même mélange et ajouter des quantités exactes de composés chlorés organiques. La coloration bleue n'est produite que lorsque le chlore est présent en plus du cuivre pendant la combustion. Dans ces mélanges, il existe un équilibre subtil qui ne peut être calculé. Il ne peut être atteint que par l'expérimentation !

Les chimiques

ALUMINIUM Al - Combustible
Utilisé pour les étincelles blanches ou argentées ou dans les jeux de flash bang.

NITRATE D'AMMONIUM NH4NO3 - Agent oxydant
Très hygroscopique. Rarement utilisé en pyrotechnie.

NITRATE DE BARIUM Ba(NO3)2 - Agent d'oxydation, colorant
Toxique. Colorant vert.

ACIDE BORIQUE - Inhibiteur de corrosin
L'acide borique est finement pulvérisé et utilisé en petites quantités dans les mélanges de nitrates avec des poudres métalliques pour prévenir la corrosion et les réactions prématurées.

CARBONATE DE CALCIUM CaCO3 - Agent colorant
Colorant rouge-orange.

SULPHATE DE CALCIUM CaSO4 - Agent colorant
Sauf dans les jeux de chlorate pour les effets clignotants rouge-orange et les étoiles lumineuses.

DEXTRINE - Liant
Poudre fine jaunâtre. Pour les étoiles et les scintillants.

IRON Fe - Combustible
Poudre ou limaille fine à grossière (également limaille d'acier) pour les étincelles dorées dans les fontaines et les étincelles.

CHARBON C – Combustible
Utilisé comme ingrédient principal de la poudre noire. La qualité et l'origine du charbon de bois sont cruciales pour la qualité de la poudre noire. Un charbon de bois très finement pulvérisé est nécessaire pour la poudre noire et une poudre un peu plus grossière pour les longues étincelles.

CHLORATE DE POTASSIUM KClO3 - Agent oxydant fort
Le chlorate de potassium est un agent oxydant très puissant. Les mélanges de chlorate de potassium et de substances inflammables sont très sensibles au contact. Le chlorate de potassium ne doit jamais être mélangé avec du soufre, des sulfates, des sulfures, des poudres métalliques ou même du phosphore rouge. De tels mélanges explosent généralement au contact.

NITRATE DE POTASSIUM KNO3 - Agent oxydant
Principal composant de la poudre noire et oxydant couramment utilisé en pyrotechnie.

CARBONATE DE CUIVRE BASIQUE CuCO3 * Cu(OH)2 - Agent colorant - Toxique
Poudre verdâtre. Agent de coloration bleu.

CHLORURE DE CUIVRE CuCl, CuCl2 - Agent colorant - Toxique
Hygroscopique. Poudre verdâtre. Colorant bleu.

OXYDE DE CUIVRE CuO, Cu2O - Agent colorant - Faible toxicité
Poudre noire ou rouge. Colorant bleu.

LAMPBLACK C – Combustible
Parfois utilisé pour créer de longues étincelles orange incandescentes.

HUILE de LIN ou VERNIS – Liant, inhibiteur de corrosin
Dans quelques mélanges, l'huile ou le vernis de lin est utilisé comme liant séchant à l'air. Plus souvent, cependant, elle est utilisée pour enrober les poudres métalliques afin de les protéger d'une oxydation prématurée.

CARBONATE DE LITHIUM Li2CO3 - Agent colorant
Poudre blanche. Colorant rouge.

MAGNÉSIUM Mg – Combustible
Produit une flamme blanche aveuglante qui peut endommager la rétine ! Par conséquent, ne regardez pas dans les flammes !

SODIUM HYDROGEN CARBONATE (NATRON) NaHCO3 – Colorant
Agent colorant jaune.

NITRATE de SODIUM NaNO3 - Agent oxydant - Agent colorant
Similaire au nitrate de potassium, mais fortement hygroscopique. Utilisé avec le perchlorate de potassium dans les sifflets.

PHOSPHORE rouge/blanc - Combustible - Toxique
Le phosphore rouge est rarement utilisé en pyrotechnie, presque exclusivement dans les mélanges pour têtes de friction, et encore, rarement. Les mélanges pyrotechniques contenant du phosphore sont instables et il existe un risque de formation de phosphore blanc lors de leur combustion. Le phosphore blanc est HAUTEMENT TOXIQUE et peut s'enflammer spontanément à des températures ambiantes élevées ; il est donc stocké sous l'eau.

CHLORURE DE POLYVINYLE (PVC) - Améliorant de couleur
Donneur de chlore. Ingrédient essentiel des mélanges bleus.

SULPHUR S – Combustible
Poudre jaune et fine. N'utiliser que de la poudre de soufre lavée, car le soi-disant bloom de soufre a une teneur élevée en acide sulfurique. Ingrédient important de la poudre noire.

SHELLAC – Combustible, liant
Résine de couleur orange obtenue à partir du pou de la gomme-laque.

NITRATE de STRONTIUM Sr(NO3)2 - Agent oxydant - Agent colorant
Hygroscopique, semblable au nitrate de potassium. Colorant rouge.

ARGILE
Les truyères des fusées et des fontaines sont presque toujours en argile.

VASELINE - Inhibiteur de corrosion
Parfois utilisée pour protéger la poudre métallique de l'oxydation.

ZINC Zn – Combustible
Principalement de la poudre fine (poussière de zinc), utilisée dans les mélanges de fumée.

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Des produits chimiques dangereux

Chlorates

Ils ne doivent généralement pas être utilisés car ils sont très réactifs et ont tendance à réagir de manière indésirable avec de nombreuses substances. Ce n'est pas pour rien que les chlorates ne sont plus utilisés dans les feux d'artifice professionnels ! Ils ne doivent généralement pas être mélangés avec les substances suivantes :

• Des composants acides :
(libère de l'acide hyperchlorique HAUTEMENT RÉACTIF, qui peut entraîner une combustion spontanée et une explosion)

• Sulfates, sulfures and soufre :
(contiennent souvent des traces d'acide sulfurique, voir ci-dessus)

• Composés d'ammonium :
(peuvent former ensemble du chlorate d'ammonium HAUTEMENT EXPLOSIF)

• Substances organiques finement pulvérisées :
(Danger de combustion spontanée)

Nitrates

Ne jamais mélanger avec des poudres métalliques non flegmatisées, surtout le cuivre (décomposition catalytique possible), surtout le nitrate d'ammonium !

Composés du chrome

Presque tout les composés du chrome, par exemple aussie le bichromate d'ammonium, sont classés comme cancérigènes ! En outre, le bichromate d'ammonium réagit très violemment avec les solvants organiques.

Les composés de métaux lourds

Sont parfois utilisés dans les anciens mélanges. Par exemple, l'acétoarsénate de cuivre (vert de Paris) pour les flammes bleues. Ou le nitrate de plomb pour les fontaines spéciales (des fumées de métaux lourds sont produites lors de la combustion - TOXIQUE !). S'applique également aux azides de métaux lourds (par exemple l'azide de plomb).

Le fulminate de mercure

Est HAUTEMENT TOXIQUE, extrêmement sensible et le processus de fabrication produit de grandes quantités de déchets de mercure toxiques.

Peroxydes organiques et inorganiques

Presque toujours toxiques et imprévisiblement explosifs !

Literature reference

A substantial part of this article is taken from the z-netz.alt.pyrotechnik-FAQ.
Author is Mr Solon Luigi Lutz.