II - Feux d’artifices

"La science serait-elle un art, l'art de fabriquer, les feux d'artifices..."

de Natsume Soseki

                                                                                                                               

Les feux d'artifices sont composés du « triangle de feux », c'est à dire d'un oxydant (qui sert de comburant), d'un réducteur (qui est le combustible) et d'une énergie d'activation. S'il manque un de ces trois éléments, la formation pyrotechnique est impossible.

a) Réaction
Pour comprendre le fonctionnement des feux d'artifices nous avons tenté de reproduire un feux de Bengale. Pour cela nous avons utilisé du saccharose, du chlorate de potassium et de l'acide sulfurique qui permet la réaction.

Expérience de feu de bengal réalisée au lycée

Avec cette expérience nous avons vu que les feux d'artifices fonctionnent grâce à une oxydoréduction.
Un oxydant est une espèce chimique capable de capter un ou plusieurs électrons. Un réducteur est une espèce chimique capable de céder un ou plusieurs électrons .
Une oxydoréduction est composée de deux réactions qui se produisent en même temps, l'oxydant perd des électrons tandis que le réducteur gagne des électrons. Il y a donc un transfert d'électrons qui se produit, ce qui entraine un dégagement de chaleur, cela correspond à la quantité d'énergie libérée lors de la combustion. Cette chaleur, et ce dégagement gazeux entrainent la formation des couleurs et des formes par l'éclatement de la coquille. Dans notre cas l'oxydant est le chlorate de potassium et le réducteur est le glucose.

 Explication de M.BINARD sur la composition d'une bombe d'artifice

Schéma d'une bombe d'artifice

 La mèche est le déclencheur du feu d'artifice : une fois allumée, c'est parti ! La mèche brûle jusqu'à la chasse (charge propulsive) et provoque une réaction chimique. La mèche allume la chasse. La mèche est visible par le haut mais se termine en bas de la bombe ou de la fusée.

b) Couleur

Lors d'une expérience nous avons testé plusieurs produits chimiques, tel que : le nitrate de potassium, le sodium ou encore le chlorate de cuivre, pour cela nous avons déposé du coton avec une des substances chimiques citées pour voir à quelles couleurs elles correspondent. Pour cela on a utilisé une brique où nous avons déposé du coton avec du potassium (solide) au-dessus. Nous l'avons ensuite allumé pour voir quelle couleur cela donnait.

Les couleurs des feux d'artifices sont donc obtenues par adjonction de métaux ou sels métalliques à la flamme. 

Voici les éléments utilisés pour les différentes couleurs :

Nous nous sommes aperçues que le coton brûlait trop vite. Pour remédier à cela nous avons imbibé le coton d'alcool à brûler.

L'expérience vous sera montrée lors de l'entretien oral le mardi 18 Mars 2014.

Lorsque l'on a brûlé du sodium, on a pu voir une flamme jaune donc on part du principe que l = 580nm.

On calcule l'énergie pour l = 580nm :

DE =  h.c / l  

      = 6,63.10^-34 x 3,00.10⁸/ 580.10^-3

      = 3,4.10^-19 J

3,4.10^-19 / 1,60.10^-19 = 2,1 eV

On veut savoir dans quelle transition les photons émettent 2,1 eV.

On part de l'état fondamental E₀ + 2,12 = -5,14 + 2,12

                                                           = - 3,04

 -3,04 est proche de l'état excité E₁ qui est de -3,03. On en conclut que la couleur jaune du sodium est due au passage de E₁ à E₀  car lorsque le photon revient à son état initial, il perd de l'énergie et émet une raie dans le spectre du domaine du visible qui nous apparaît jaune pour notre cas.

Pour les autres molécules, on utilise le même procédé, elles auront différentes couleurs car elles n'ont pas les même niveaux d'énergies, ce qui entraînent des longueurs d'ondes différentes donc des couleurs différentes.

On peut donc en conclure que les différentes couleurs des feux d'artifices sont liées à la nature des substances, qui composent la matière pyrotechnique. Quand celle-ci est mise à feu, elle produit une flamme caractéristique de sa constitution.

 Extrait Harry Potter et la chambre des secrets

c) Perception
 La vision est un sens très développé chez la plupart des vertébrés grâce à un œil de type camérulaire. A la manière d'une caméra ce type d'œil possède une cavité sombre équipée à l'avant d'une lentille (cristallin) qui est capable de focaliser la lumière extérieure sur une surface équipée de cellules photosensibles situées à l'arrière de l'œil : la rétine.
 

Pour savoir comment est organisé et fonctionne l'oeil, nous avons disséqué un oeil de boeuf.

Nous avons commencé par coupé l'oeil de façon transversale. Un liquide noir s'est échappé de l'oeil : l'humeur vitrée.

Il nous apparait noir mais en réalité il est incolore. Il s'est imprégné des substances présentes sur la choroïde qui est noir ce qui explique sa couleur.

Coupe transversale d'un oeil de boeuf

La rétine est un tissu nerveux sur lequel se forme l'image des objets. Elle est composée de 3 couches superposées de neurones différents, la couche la plus profonde (contre la choroïde) contient des photorécepteurs, cônes et bâtonnets, capables de captés la lumière grâce à leurs pigments photosensibles.

Après une stimulation lumineuse, ces cellules produisent une information nerveuse transmise aux couches plus superficielles : les neurones bipolaires et les neurones ganglionnaires dont les fibres nerveuses forment le nerf optique.

Cette zone ne contient pas de photorécepteurs, elle est appelée point aveugle.

 Le cristallin est formé de cellules vivantes produites par mitose jusqu'à 20 ans. Les cellules du centre du cristallin assurent la transparence par une perte des organites de ces cellules. Leur cytoplasme contient des protéines solubles appelées cristallines qui forment un gel transparent homogène. Ces cellules ne sont ni vascularisées ni innervées et elles ne sont jamais remplacées.

Le cristallin est une lentille souple, déformable qui assure la convergence des rayons lumineux.

Grâce aux muscles ciliaires, le cristallin modifie sa courbure se qui permet la netteté des images sur la rétine. L'élasticité de ces cellules permet l'accommodation, c'est un mécanisme réflexe.   

Sans transparence il n'y a pas de vision car les rayons lumineux doivent traversés des milieux transparents pour atteindre la rétine. La lumière traverse successivement la cornée, l'humeur aqueuse, le cristallin et l'humeur vitrée qui sont des milieux transparents. La cornée et surtout le cristallin forme le système optique, par sa forme la cornée focalise les rayons sur le cristallin.

En résumé la composition de l'oeil est la suivante :

Les messages nerveux en provenance de la rétine sont acheminés par les nerfs optiques jusqu'au cerveau.

            Nous avons étudié plus précisément les feux d'artifices, nous avons pu constater que la réaction est due à une oxydoréduction bien particulière, qui dans notre cas était entre le saccharose, chlorate de potassium et l'acide sulfurique. Nous nous sommes ensuite demandées à quoi était due la couleur pour nous rendre compte qu'elle résultait du produit chimique qu'on ajoutait comme du sodium ou du potassium. Nous avons ensuite étudié l'œil et nous avons constaté que le rayon lumineux du feu d'artifice passe par la cornée puis par le cristallin et arrive sur la rétine. Il est ensuite transformé en message électrique qui est envoyé au cerveau.

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