Sciences · Chimie
La chimie des explosifs
Un explosif est une substance capable de se décomposer ou de réagir en un temps extrêmement court en produisant de grandes quantités de gaz chauds. L’expansion brutale de ces gaz crée l’onde de choc.
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Un kilogramme de bois libère en brûlant plus d’énergie qu’un kilogramme de TNT ; ce qui les distingue, c’est la vitesse. La bûche brûle en une heure, l’explosif réagit en quelques millionièmes de seconde. La puissance libérée est alors colossale, et les gaz produits, qui occupent des centaines de fois le volume initial, n’ont pas le temps de s’échapper. Cette fiche explique les principes chimiques en jeu ; elle ne donne, volontairement, aucune composition ni mode de fabrication.
Les trois ingrédients d’une explosion chimique
- Une réaction exothermique : elle libère de la chaleur (voir les réactions exothermiques et endothermiques).
- Une réaction très rapide, qui s’auto-entretient et se propage dans toute la masse.
- Une production de gaz : le passage d’un solide ou d’un liquide à des gaz très chauds multiplie le volume.
Une combustion ordinaire a besoin de l’oxygène de l’air, qui arrive lentement à la surface du combustible. La plupart des explosifs contiennent au contraire leur propre oxydant : soit dans un mélange (un combustible et un comburant finement mêlés), soit dans la même molécule, qui porte à la fois des atomes de carbone et d’hydrogène, et des groupes riches en oxygène comme les groupes nitro (–NO₂). C’est une oxydoréduction interne.
Pourquoi l’azote
De nombreux explosifs sont des composés azotés. Leur décomposition produit du diazote N₂, dont la triple liaison est l’une des plus solides de la chimie (945 kJ/mol). Former cette liaison libère beaucoup d’énergie, et le N₂ est un gaz. Voir l'énergie de liaison.
Déflagration et détonation
| Déflagration | Détonation | |
|---|---|---|
| Mécanisme | la réaction se propage par transfert de chaleur, couche après couche | la réaction est entretenue par une onde de choc qui traverse la matière |
| Vitesse de propagation | inférieure à la vitesse du son dans le matériau (de quelques cm/s à quelques centaines de m/s) | supérieure à la vitesse du son : plusieurs kilomètres par seconde |
| Effet | poussée (propulsion) | effet brisant, fragmentation |
| Exemples | poudre noire, poudres propulsives, feux d’artifice | explosifs industriels et militaires |
On distingue aussi :
- les explosifs primaires, très sensibles au choc, à la friction ou à la chaleur, utilisés en très petite quantité dans les détonateurs ;
- les explosifs secondaires, beaucoup plus stables, qui ne détonent que sous l’effet de l’onde de choc d’un détonateur. Cette stabilité permet de les transporter et de les manipuler dans un cadre professionnel.
Une brève histoire
| Date | Événement |
|---|---|
| IXᵉ siècle environ | des alchimistes chinois découvrent la poudre noire, mélange de salpêtre, de soufre et de charbon de bois |
| XIIIᵉ – XIVᵉ siècle | la poudre arrive en Europe ; armes à feu et canons |
| 1846 | Ascanio Sobrero synthétise la nitroglycérine, liquide extrêmement instable |
| 1846 | Christian Schönbein obtient la nitrocellulose (« coton-poudre ») |
| 1863 | Julius Wilbrand synthétise le TNT (trinitrotoluène), d’abord utilisé comme colorant |
| 1867 | Alfred Nobel brevette la dynamite : la nitroglycérine absorbée dans une terre poreuse devient beaucoup plus sûre à manipuler |
| 1884 | Paul Vieille invente la poudre B, « poudre sans fumée », à base de nitrocellulose |
Alfred Nobel, enrichi par la dynamite, légua sa fortune à la création des prix qui portent son nom, décernés depuis 1901.
Les usages civils
L’immense majorité des explosifs fabriqués dans le monde a un usage civil :
- mines et carrières : abattage de la roche pour extraire minerais, granulats et charbon ;
- travaux publics : creusement de tunnels, démolition contrôlée de bâtiments ;
- pyrotechnie : feux d’artifice, dont les couleurs viennent de sels métalliques (strontium pour le rouge, baryum pour le vert, cuivre pour le bleu, sodium pour le jaune) ;
- sécurité : générateurs de gaz des airbags, qui gonflent le coussin en quelques dizaines de millisecondes ; déclenchement préventif d’avalanches ;
- aérospatial : propergols des fusées, boulons explosifs de séparation des étages.
Explosions accidentelles
Certaines substances banales peuvent exploser dans de mauvaises conditions :
- poussières fines de farine, de sucre, de charbon ou de bois en suspension dans l’air, dans les silos et les moulins ;
- gaz inflammables (gaz naturel, butane) mélangés à l’air dans un local fermé (voir le méthane) ;
- nitrate d’ammonium, engrais stable en temps normal mais qui peut détoner s’il est contaminé, chauffé ou confiné : catastrophes d’AZF à Toulouse (2001) et du port de Beyrouth (2020) ;
- mélanges de produits chimiques incompatibles, d’où l’importance des pictogrammes de danger.
Questions fréquentes
Quelle est la différence entre une combustion et une explosion ?
C’est une question de vitesse et de confinement. Une combustion libère son énergie progressivement en consommant l’oxygène de l’air. Une explosion libère une énergie comparable en un temps infime, et les gaz formés, n’ayant pas le temps de s’échapper, produisent une onde de choc.
Pourquoi la nitroglycérine est-elle si instable ?
Sa molécule contient à la fois le combustible et l’oxydant, et la moindre énergie apportée par un choc peut amorcer sa décomposition, qui se propage aussitôt. Nobel a résolu le problème en l’absorbant dans un matériau poreux.
Comment fonctionne un airbag ?
Un capteur détecte la décélération brutale et déclenche un générateur pyrotechnique qui produit en quelques millisecondes un grand volume de gaz, principalement du diazote, qui gonfle le coussin.