I - La lumière et la couleur
1- L'oxydoréduction :
A- Qu'est-ce que l'oxydoréduction :
Tout d'abord, l'oxydoréduction est un phénomène chimique. Ce phénomène chimique se produit principalement lors d'un feu d'artifice. Le mot « oxydoréduction » est en fait composé de deux mots distincts, le mot « oxydation » et « réduction ». Ces deux réactions, l'oxydation, et la réduction se produisent au même moment.
B- L'oxydation et la réduction :
L'oxydation :
L'oxydation c'est lorsqu'un oxydant capte un électron ou même plusieurs qui sont eux, libres. Pour la pyrotechnie, et donc, les feux d'artifices, l'oxydation se doit de respecter certaines propriétés. Elle doit tout d'abord contenir beaucoup d'oxygène et pouvoir le libérer facilement. Il être stable dans une température précise situé entre -60°C et 80°C. Il doit également être décomposable par l'eau tout en étant pas hygroscopique (il ne doit pas absorber l'humidité de l'air).
En pyrotechnie, les oxydants sont du nombre de trois :
- Les sels, par l'intermédiaire des nitrates (le nitrate de potassium (KNO3)), des perchlorates (Perchlorate d'ammonium (NH4ClO4)), des chlorates (Chlorate de potassium (KCLO3)), des chromates (dichromate de potassium (K2Cr2O7)), des oxalates (l'eau (H2O)) ou encore des carbonates (bicarbonate de sodium (NaHCO3)).
- Les oxydes font également partis des oxydants utilisés, tels que le fer (Fe2O3 et Fe3O4), le plomb (Pb3O4), le titane (TiO2), la manganèse (MnO2), le nickel (NiO) ou encore le silicium (SiO2)
Il existe aussi des peroxydes avec notamment les éléments (BaO2 et SrO2), ou encore les halogènes,avec le Viton.
La réduction :
La réduction consiste à ce qu'un réducteur (élément chimique) cède un ou plusieurs électrons libres. La réduction est une sorte d'inverse de l'oxydation. Elles ont pour commun un élément chimique qui intervient, un réducteur pour la réduction et un oxydant pour l'oxydation. Le terme « réducteur » définit une espèce chimique capable de capter un ou plusieurs électrons. Pour la pyrotechnie, ces réducteurs se doivent, comme les oxydants dans l'oxydation, de respecter certaines conditions. Ces conditions étant de pouvoir brûler avec une quantité d'oxygène moindre, de ne pas être hygroscopique, être décomposable par quelconque acide, être facilement oxydable et comme les oxydants, être stable entre -60°C et 80°C. Il existe différents réducteurs :
- En premier lieu, les métaux, étant la plupart du temps des bons réducteurs, tels que l'aluminium (Al), le magnésium (Mg), le bore (B), le fer (Fe), le zirconium (Zr), ou encore le zinc (Zn).
- Puis, des métalloïdes tels que le phosphore (P), le soufre (S), le carbone (C).
Ceux étant les plus utilisés dans la pyrotechnie sont l'aluminium, le magnésium et le carbone. Afin d'obtenir des températures plus élevées, on utilise le zinc, l'aluminium, le calcium et le magnésium. Pour obtenir des températures moins importantes, on utilise plutôt de l'hydrogène, le carbone, le lithium, ou encore le phosphore
C- La réaction de l'oxydoréduction :
Pendant une réaction d'oxydoréduction, les deux réactions citées ci-dessus ont lieu. Nous avons donc les électrons libres captés par le réducteur qui sont captés par l'oxydant. L'oxydoréduction est en fait une espèce de transfert d'électrons. L'oxydoréduction est formée par l'intermédiaire de la poudre noire, chaque combustion est un phénomène d'oxydoréduction. Donc, l'oxydant est le carburant et le réducteur est lui, le combustible. En utilisant le carbone C et le soufre S en tant que combustible et le nitrate de potassium KNO3 en tant que comburant.
On a donc l'équation : 2KNO3 + 3C + S → K2S + 3CO2 + N2
2- Expériences :
A-Protocoles et matériels des expériences:
Expérience 1 :
Matériel :
- Une bougie
- Poudre d’aluminium
- Poudre de fer
- Poudre de charbon de bois (carbone)
Protocole :
Allumer la bougie. Faire deux mélanges, un mélange de poudre de charbon de bois avec de la poudre d’aluminium et l’autre, un mélange de poudre de charbon de bois avec la poudre de fer. Saupoudrer les deux mélanges au-dessus des flammes. Selon le mélange des composés, des étincelles apparaitront plus ou moins intenses.
Expérience 2 :
Matériel :
- Un petit récipient en porcelaine
- Permanganate de potassium (KMnO4)
- Glycérine
- Compte-goutte
Protocole :
Moudre un tas de permanganate de potassium au centre du petit récipient. Verser quelques gouttes de glycérine au centre du mélange. Au bout de quelques temps, une réaction se produit, de la fumée se dégage du récipient
B- Explications des expériences :
Expérience 1 :
Les trois composés de l’expérience ne s’enflamment lorsqu’ils sont en masse, sous forme compact. Le fer et l’aluminium sont facilement oxydables mais pas assez pour donner une combustion s’ils ne sont pas sous forme de poudre. Le charbon de bois, lui, devient incandescent si on le chauffe et ne donne aucun signe d’étincelles. Lorsqu’il est réduit en poudre, le combustible, subit un changement considérable au niveau du dioxygène, car il y a une augmentation considérable de ce gaz. La chaleur de la flamme commence la combustion et différents oxydes sont produits :
- Al+ O2 à Al2 O3 : l’oxyde d’aluminium
- Fe+ O2àFe2 O3 : l’oxyde de fer
- C+CO2à CO2 + CO: l’oxyde de Carbone
Selon le compose, la chaleur dégagé est plus ou moins élevée, plus la chaleur est élevée plus l’étincelle est forte, éblouissante ; la chaleur affecte également la couleur. Ce phénomène est appelé rayonnement du corps noir.
Expérience 2 :
Le permanganate de potassium oxyde le glycérol, très lentement au début, en émettant de la chaleur, la chaleur accélère ensuite la réaction et libère son oxygène plus rapidement, ce qui produit de la fumée.
C-Galerie photos/vidéos :
Nos photos des expériences: http://tpe-1s4-lyceerenoir.e-monsite.com/album-photos/
Nos vidéos des expériences: http://tpe-1s4-lyceerenoir.e-monsite.com/videos/
3- La lumière :
A – L'incandescence :
L'incandescence c'est lorsqu'un corps chaud, grâce à cette chaleur, émet de la lumière. Pour notre travail, concernant les feux d'artifice, on peut conclure que la lumière émise est en partie d'origine thermique. La lumière se rapproche de la couleur bleue, des ultraviolets lorsque la température du corps est élevée, en effet, plus la température du corps est élevée, plus la lumière émise sera proche de la couleur bleue, des ultraviolets, on remarque également que plus la température est moins élevée plus la couleur de la lumière se rapprochera de la couleur rouge, des infrarouges. La lampe utilise le principe de l'incandescence, le filament est chauffé afin de pouvoir émettre de la lumière.
B- L'émission atomique :
L'émission atomique consiste à exciter un ou plusieurs électrons afin de passer ces électrons à un niveau d'énergie supérieur. Une fois que l'électron est excité, il retombera à son énergie initial ou même inférieur plus tard. Lorsque l'électron revient à un niveau d'énergie initial ou inférieur provoque une émission d'un photon (particule de lumière) et donc d'émettre un certain taux de lumière. Un atome est donc en quelque sorte, capable d'émettre ce qu'il absorbe. On peut également noter que l'énergie de l'atome passe d'un niveau à l'autre.
On a donc cette égalité où E= L'énergie en Joules, h=La constante de Planck= 6.63.10 -34 J*s et où v= la fréquence en Hz ou par seconde.
C- L'émission moléculaire :
L'émission moléculaire est très similaire à l'émission atomique, différents sur quelques points. Il faut savoir qu'une molécule peut émettre un rayonnement sans en avoir absorbé avant. En effet, contrairement au fonctionnement de l'atome, l'énergie passe par plusieurs niveaux, contrairement à l'atome où son énergie passe sur un seul niveau. Ce phénomène est dû à une sorte de '' relaxation '' de la molécule. Ce phénomène fait que la molécule émettra un rayonnement de longueur d'onde moins élevée. En effet, en faisant absorber des rayons infrarouges par une molécule, elle pourra émettre des rayonnements du domaine visible. Comme exemple, à partir de l'émission du chlorure de cuivre, nous obtiendrons du bleu, à partir du chlorure de calcium, de l'orange, à partir du chlorure de baryum, du vert et à partir du sodium, du jaune.
4- Les couleurs :
Depuis la naissance des feux d’artifices, grâce à la chimie, nous avons vu se développer de nouveaux produits plus performants qu’auparavant, afin de faire évoluer la couleur ou l’effet de l’explosion. Ce n’est que fin XIXème siècle que le début des premières gerbes colorées de rouge et de vert apparait. Le bleu et le violet apparaissent eux au XXème siècle et ensuite, les nuances de couleurs plus tard. L’obtention des couleurs se produit lorsque des éléments chimiques métalliques brûlent, en voici une liste des éléments et la couleur qu’ils donnent :
L’obtention des couleurs est difficile, car elle est liée à l’émission de la lumière. Comme dit lors de la première partie du I, les électrons vont capter de l’énergie sous forme thermique et vont en libérer sous forme lumineuse.
Avec l’exemple du Strontium et du Sodium dans notre tableau, si l’on brûle la poudre de sodium, elle va produire de la lumière jaune, et lorsqu’on brûle le strontium, la lumière va être rouge. Les différentes couleurs sont dues à la quantité d’énergie que dégagent les électrons qui redescendent sur leur couche. L’électron de sodium redescendant sur la couche restitue d’avantage d’énergie sous forme lumineuse que celui de strontium, malgré que les ondes émises par les deux électrons font toutes les deux parties du spectre visible.
On conclue donc que la couleur de la flamme n’est pas liée à la couleur de la poudre de l’élément.