B) Les réactions de la combustion de la poudre noire
Les hommes ont toujours utilisé la poudre noire lors de sa combustion.
Mais que se passe-t-il lors de la combustion de cette poudre?
La combustion se compose d'une suite de réactions chimiques.L'équation de la combustion de la poudre à canon est la suivante:
2KNO3(s) + 3C(s) + S(s) -----> K2 S(s) + 3CO2(g) + N2(g)
Ici, 2 nitrates de potassium réagissent avec 3 molécules de carbone et 1 molécule de soufre.
Il faut remarquer que la réaction libère beaucoup de gaz, ce qui va permettre à la poudre de devenir explosive. Les résidus solides sont appelés « calamine ».
1)L'oxyréduction
L'oxydant, le nitrate potassium alimente les combustibles en oxygène ce qui permet de brûler même sans le dioxygène atmosphérique, cette réaction s'appelle oxydoréduction.
L’oxydoréduction est un transfert d'électrons entre l'oxydant et le réducteur.
Les réducteurs relâchent des électrons que l'oxydant, ici le nitrate de potassium, va capter. Le nitrate de potassium relâche ensuite de l'oxygène qui alimente les réducteurs, c'est-à-dire le soufre et le carbone, tout au long de la réaction.
2)La thermodynamicité de la poudre
La thermodynamicité ou l’explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre ayant un volume plus grand, généralement du gaz. Plus cet transformation est rapide, plus le résultat de la réaction de la transformation est en surpression. La matière cherchera un équilibre avec la pression atmosphérique.
La poudre noire est un explosif, elle possède donc un combustible et un comburant.
Le comburant, le nitrate de potassium, va libérer de l'oxygène grâce à l’oxydoréduction, cet oxygène va alimenter les combustibles, le soufre et le carbone, pendant la réaction.
Comme nous l'avons vu, la combustion de la poudre noire produit une certaine quantité de gaz (CO2 et N2).Ce sont ces gaz qui vont permettre une explosion car ils élèvent la pression. Pour permettre à la poudre d'être encore plus thermodynamique il suffit de la compresser.
Grâce à une forte vitesse de propagation de la réaction, la poudre va se transformer rapidement en gaz qui sera en surpression .Si on compresse la poudre noire, la réaction de transformation sera donc encore plus rapide et les gaz générés seront encore plus en surpression. La poudre noire fortement compressée est appeler dynamite.
La Combustion de la poudre noire à l'air libre:
Lors d'une combustion à l'air libre, on dit que la poudre « déflagre », c'est-à-dire que les gaz générés se déplacent plus vite que « le front de la flamme » qui est la limite entre la flamme et l'air. Les gaz générés vont occuper tout l'espace dont ils disposent, à savoir l'atmosphère. Les vitesses de déplacement vers l'extérieur des gaz générés ne permettent pas une élévation de la pression suffisante pour qu’il y ait apparition d’une onde de choc.
La Combustion de la poudre noire dans un endroit clos:
Lors d'une combustion, dans un endroit clos, l'espace est constant et restreint. La combustion de la poudre va générer des gaz qui en s'ajoutant au gaz déjà présent vont permettre une élévation de la pression. Ici la température de réaction s’élève à plus de 1700 degrés Celsius. C'est la loi des gaz parfaits : à volume constant et si la température et la quantité de gaz augmentent alors la pression augmente également.
Cette hausse de la pression permet une augmentation de la force pressante (qui est la force exercée par un gaz sur une surface). Les parois de l'espace seront donc soumises à des forces plus grandes. Cette force pressante sera plus forte que la force pressante de l'air. Or si la force pressante des gaz générés est assez forte pour détruire les parois cela permet une libération du gaz en surpression et donc la vitesse de déplacement de ces gaz sera telle qu’ils provoqueront une ondes de choc, on dit que les gaz détonnent. Cet onde de choc est la base des utilisations la poudre, ce phénomène est le principe d’explosion.
