La Poudre noire
B- Aspects chimiques
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1- Les composants de la poudre noire
Au regard d’un chimiste, la poudre noire peut passer pour un composé sommaire, voire rudimentaire, ou même primitif. En effet, bien que sa fabrication et sa manipulation demandent tout de même quelques précautions, elle n’est en réalité composée à l’état pur que de trois éléments : le salpêtre, le soufre, et le charbon. Bien entendu, la simple mise en présence de ces trois composants ne suffirait pas à produire de la poudre noire : ces derniers doivent avant tout subir une longue série de mélanges, tamisages, et autres macérations en milieu aqueux…
Mais avant toute analyse des réactions de la poudre noire, il convient de présenter par le détail chacun de ses composants :
Le salpêtre :
Comme l’indique son étymologie latine du bas Moyen-Âge, sal petrae : le sel de pierre, le salpêtre, nommé également nitrate de potassium, est le résultat de la perte d’eau et de la cristallisation de certains sels comme les nitrates, les sulfates, et les chlorures. Cette lente transformation va finalement aboutir à la formation d’une fine couche de poudre blanche qui s’accumule sur les parois des lieux humides et sombres tels les caves.
D’un point de vue moléculaire, le salpêtre est un solide ionique de formule chimique KNO3 , composé de cations(ions positifs) potassium (K+), et d'anions (ions négatifs) nitrate (NO3-). Il est très fréquemment utilisé pour accélérer les combustions, car il libère une grande quantité d’oxygène.
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La poudre de salpêtre
Le soufre :
Elément inodore, jaunâtre, et insoluble dans l’eau, le soufre est l’un des éléments chimiques les plus abondants sur terre. Présent sous forme de poudre ou de cristaux, on le trouve en grande quantité dans les minerais (sulfures et sulfates), et plus rarement sous forme native, c’est-à-dire à l’état pur, particulièrement dans les régions volcaniques. Elément 16 de la classification périodique, le soufre a pour symbole S et appartient à la famille des non-métaux.
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La poudre de soufre
Le carbone :
Présent sur la Terre depuis sa formation, le carbone est un constituant fondamental de la matière vivante. Il se trouve le plus souvent sous la forme d’un solide noir et rugueux, mais il peut également former du graphite ou du diamant. Elément 6 de la classification périodique, le carbone a pour symbole C et appartient à la famille des cristallogènes.
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La poudre de carbone
Ces trois composants chimiques sont donc indispensables à la préparation de la poudre noire. Cependant, leur mélange ne peut s’effectuer sans un respect des proportions pour chacune des espèces. La poudre noire classique, explosive, puissante, et efficace, telle qu’on la produisit aux quatorzième et quinzième siècles, s’obtient grâce à la mise en commun (en termes de masse) de six doses de salpêtre pour une de soufre et une de carbone sous forme de charbon de bois. Néanmoins, les compositions ultérieures varieront selon les usages.
Pour que la combustion se déroule efficacement, les trois composants sont moulus en poudre fine et mélangés de façon très homogène. Ces deux opérations, indispensables mais délicates, sont menées à bien grâce à un instrument nommé « moulin à billes ».
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11- La réaction chimique
L’équation de la combustion de la poudre noire est la suivante :
2KNO3(s) + 3C(s) + S(s) K2S(s) + 3CO2(g) + N2(g) Avec : (g) : présent sous forme gazeuse
(s) : présent sous forme solide
Rapidement, cette réaction libère un important volume gazeux composé essentiellement de diazote (N2) et de dioxyde de carbone (CO2), sous la forme d’un épais panache de fumée blanche. Sont également produits d’abondants résidus solides, majoritairement composés de sulfure de potassium (K2S), abusivement nommé « calamine ».
Comme toute réaction ignée, la combustion de la poudre noire est sujette aux fameux « triangle du feu », en vertu duquel elle ne peut s’accomplir sans la présence de trois facteurs primordiaux : un combustible, un comburant, et une énergie d’activation.
Lors de la susdite réaction, l’énergie d’activation peut être une flamme, une friction, une étincelle, ou encore un faisceau laser. Les combustibles, quant à eux, sont le soufre et le carbone contenus dans le charbon de bois, tandis que le salpêtre, libérant de l’oxygène au cours de la réaction, constitue le comburant. La présence de ces deux derniers éléments, combustible et comburant, cause un grand dégagement de chaleur et de gaz lors de la combustion de la poudre noire, ce qui justifie son appellation de « produit explosif ».
Lorsqu’elle brûle à l’air libre, la poudre noire « déflagre », ce qui signifie que son onde de combustion (le front de flammes) ne se déplace pas aussi rapidement que les gaz générés : ainsi la réaction ne produit pas d’onde de choc. Si au contraire la combustion se déroule dans un espace confiné, la pression gazeuse augmente et la poudre « détonne », créant dans ce cas-là une onde de choc et un effet de souffle plus ou moins importants selon le volume de gaz produit.
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Le triangle du feu
Combustion de la poudre noire à l’air libre
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Au fur et à mesure du déroulement de la réaction, les quantités des réactifs initialement présents vont décroître, au profit des quantités des produits, lesquelles vont à l’inverse augmenter. L’avancement de la réaction peut être ainsi calculé à tout instant grâce à un « tableau d’avancement ».
L’unité utilisée pour mesurer la quantité de matière est la mole (de symbole : mol) : une mole d’entités chimiques est égale à Na entités chimiques, avec Na 6,02 1023 appelé nombre (ou constante) d’Avogadro.
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Avec : ni(KNO3) : quantité de matière initiale de salpêtre
ni(C) : quantité de matière initiale de carbone
ni(S) : quantité de matière initiale de soufre
x : avancement de la réaction
xmax : avancement maximal de la réaction
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111- Comment obtenir la meilleure poudre noire ?
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Cependant, malgré la précision des proportions de salpêtre, de soufre et de carbone déterminant une composition aussi parfaite que possible de la poudre noire, la combustion se trouve bien souvent inachevée, ce que l’on constate en analysant la calamine : ces résidus de réactifs n’ont pas pris part à la réaction. Il existait donc une disproportion entre les réactifs : par exemple, le soufre n’a pas été entièrement utilisé car il était en excès…
Pour que la combustion soit achevée, les réactifs doivent être utilisés dans des proportions dites « stœchiométriques », de manière à ce qu’ils soient tous employés dans leur intégralité.
Calcul des proportions stœchiométriques des réactifs de la poudre noire :
Ces proportions sont telles que pour l’équation chimique :
2KNO3 + 3C + S K2S + 3CO2 + N2
Alors :
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Avec : M(KNO3) : masse molaire ( pour une mole) de salpêtre : 101,1 g.mol-1
M(C) : masse molaire de carbone : 12,0 g.mol-1
M(S) : masse molaire de soufre : 32,1 g.mol-1
mi(KNO3) : masse initiale de salpêtre
mi(C) : masse initiale de carbone
mi(S) : masse initiale de soufre
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Donc les pourcentages %(KNO3), %(C) et %(S) seront :
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Par le calcul des proportions stœchiométriques, on obtient donc des quantités bien plus précises, garantissant une combustion totale de la poudre et évitant le danger de projection de résidus lors du tir.
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Tableau d’avancement de la combustion de la poudre noire :
