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Combustion : le triangle du feu
Cette expérience illustre le principe fondamental de la combustion (qui est le même que pour la fabrication des poudres pyrotechniques). Trois éléments : un comburant, un combustible et une énergie sont réunis en même temps. Si l'un des trois n'est pas présent la combustion ne peut pas avoir lieu. Ce principe est aussi appelé triangle du feu par les sapeurs-pompiers.
1 Précautions
2 Matériel
3 Protocole expérimental
4 Explications
Outre les précautions en chimie qui sont d'usage, cette expérience comporte les attentions suivantes :
La manipulation doit être effectuée avec précautions en raison de la grande quantité de chaleur et d'étincelles produites. Une fois la réaction terminée, tremper le dé dans de l'eau froide du robinet.
Manipuler de préférence derrière un écran de protection ou une hotte aspirante.
2 Matériel Combustion du charbon dans le nitrate de potassium.
Nitrate de potassium KNO3 Charbon de bois pilé (carbone)
Dé à coudre (en acier inoxydable)
Pinces en bois
Bec Bunsen ou chalumeau à gaz
Spatule
3 Protocole expérimental Enrouler le fil de fer autour du dé à coudre pour faire une sorte de poignée. Tenir le système avec la pince en bois.
Remplir le dé avec du nitrate de potassium et le chauffer à la flamme du bec Bunsen jusqu'à ce qu'il devienne liquide (une ou deux minutes).
Une fois liquéfié, verser dans le dé une ou deux spatules de carbone en poudre . Une réaction très exothermique se produit avec projections d'étincelles : la combustion du carbone par le nitrate de potassium. La chaleur produite peut être si intense que le dé peut devenir rouge orangé.
Si tout le nitrate de potassium n'a pas réagit, on peut rajouter une spatule de carbone pour continuer la réaction. Chauffer de nouveau si besoin est.
4 Explications Pour créer une combustion, il est nécessaire de combiner trois éléments :
un combustible, c'est à dire la matière qui brûle (ici le charbon de bois), identifié sur les étiquettes des produits par le pictogramme ci-dessous. Exemples de combustibles : papier, bougie, dihydrogène, méthane, éthanol (alcool), essence, poudre de fer, poudre de magnésium, etc.
SGH02
un comburant, c'est à dire une substance apportant de l'oxygène (ici le nitrate de potassium), identifié sur les étiquettes des produits par le pictogramme ci-dessous. Exemples de comburants : dioxygène , protoxyde d'azote N2O , difluor , chlorate de sodium , permanganate de potassium , etc.
une énergie, comme de la chaleur, des étincelles, une flamme, une pression, un frottement...
Le nitrate de potassium seul ne réagit pas lorsqu'on le chauffe car il n'est pas en présence de matière combustible. Le carbone, lorsqu'on le chauffe ne brûle que grâce à la présence de dioxygène contenu dans l'air (un comburant). Le mélange (comburant + combustible) ne réagit pas non plus si on ne fourni pas une énergie initiale. Lorsqu'on donne au système de la chaleur grâce à une flamme, une combustion impressionnante a lieu.
La combustion s'arrête si au moins un des trois éléments disparaît. Ceci est très connu de nos valeureux pompiers sous le nom de triangle du feu, car il "suffit" (avec plus ou moins de difficulté !) de supprimer un des éléments pour arrêter un feu :
Ainsi pour lutter contre un incendie :
On peut supprimer le comburant, par exemple le dioxygène de l'air, en étouffant la flamme à l'aide de sable, de couvertures épaisses, de mousse ou de dioxyde de carbone CO2 (extincteurs). C'est pour cela qu'il faut orienter l'extincteur à la base des flammes, là où se produit la combustion (et non pas sur les flammes). Voir l'expérience : Asphyxie d'une flamme à l'azote.
On peut aussi essayer de supprimer l'énergie calorifique en arrosant avec de l'eau le foyer de la flamme, là aussi à la base des flammes. L'eau s'évapore au contact de la chaleur mais permet de réduire la température. (En outre elle a une action étouffante.) Cela dit, l'eau n'est pas efficace sur des feux d'huile, de pétrole, car elle est plus dense et passe en dessous. Il faut alors utiliser une mousse à base d'eau.
Enfin le dernier moyen consiste à supprimer le combustible pour empêcher la combustion de continuer. Cette technique n'est pas courante pour les feux de bâtiments, mais est très employée lorsqu'il s'agit d'un incendie de forêt. Les pompiers brûlent volontairement et de manière contrôlée une bande d'arbres située en avant du front d'incendie. Lorsque le front arrive sur la zone morte, où il n'y a plus aucun combustible (arbres) à brûler, le sinistre s'arrête. On appelle ceci un contre-feu.
Bien sûr les trois actions peuvent être réalisées simultanément (largage d'eau par canadairs + contre-feu).
Remarques :
Il existe un autre type de combustion présentant les mêmes caractéristiques, mais pour lequel il n'y a aucune flamme, mais seulement une forte chaleur : c'est l'incandescence. Bien souvent, une matière incandescente (charbon de bois ou fil de fer rougi par une flamme, voir les étincelles) peut donner des flammes lorsqu'on augmente la quantité de comburant (illustré par la combustion dans l'oxygène pur). L'incandescence est, en quelque sorte, une "combustion à bas régime" ou "incomplète" (ce qui ne veut pas dire qu'elle est moins dangereuse).
La quantité d'énergie qu'il faut fournir pour initier une combustion est très variable selon le combustible et le comburant mélangé. De plus, cette quantité d'énergie peut-être fortement diminuée en présence d'un catalyseur, comme l'illustre parfaitement le sucre qui flambe.
Consulter aussi : Le protoxyde d'azote : un gaz comburant
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