« On a enfin inventé la poudre ! » C’est la trouvaille du jour ! Une trouvaille combustible ! Bienvenue dans « Eurêka ! » De cette petite cuisine hasardeuse, est née l’une des inventions majeures de l’humanité.
La guerre a pris un visage moderne avec la poudre, puisqu'on va pouvoir utiliser des canons. Cela s'accompagnait aussi d'un changement profond dans la structuration des armées, avec l'infanterie qui gagnait en importance. On arrivait à une période de changement, en réduisant le nombre de combattants.
Toute l'architecture va évoluer à cause de la poudre, puisqu'on va tenter de parer l'efficacité nouvelle de l'attaque. En miroir, la fortification va donc évoluer. D'abord on changera la physionomie des châteaux, jusqu'à repenser totalement la structure des villes.
Explosif constitué de trois éléments : le salpêtre (nitrate de potassium KNO3), le soufre et le charbon de bois. La poudre noire est le premier explosif découvert par les hommes.
L'origine de la poudre noire est très obscure ; on sait néanmoins qu'elle a été utilisée dès le Xe siècle par les Chinois pour des feux d'artifice et que les Arabes s'en servaient au XIVe siècle pour lancer des flèches à partir de sarbacanes ou de canons. Les Européens l'ont adoptée à peu près à la même époque, également à des fins militaires puis, à partir du XVIIe siècle, pour des buts « civils », notamment dans les mines et pour des travaux publics. Elle est restée le seul explosif connu jusqu'au XIXe siècle.
Lire aussi: Comprendre la Fabrication de la Poudre Noire
Intimement associés au soufre et au charbon, les nitrates alcalins constituent la poudre noire qui fut longtemps le seul explosif connu. La vivacité, la force et le potentiel des poudres noires varient beaucoup avec leur composition.
La plupart des historiens des sciences attribuent aux Chinois la découverte de cette dernière. On attribue généralement son invention aux Chinois qui la nommaient huoyao, ce signifie « drogue à feu » ou « médicament à feu » car le soufre et le salpêtre appartenaient à la pharmacopée chinoise et étaient utilisés comme remèdes sous la dynastie Han. Elle intéressait aussi les alchimistes chinois qui cherchaient à produire « l’élixir de vie ».
A la même époque, le Wujing Zongyao, (Principes généraux du Classique de la guerre) de Zeng Gongliang donne une méthode de fabrication de grenades à poudre dont l’utilisation consiste essentiellement à produire du bruit. Vers 1130, des tubes de bambou remplis de poudre noire sont les ancêtres de nos « lance-flammes ». Par la suite, on a l’idée d’y introduire des flèches afin de les propulser à l’aide de l’explosion produite par la poudre. Au XIIIe siècle, toujours en Chine, apparaissent les grenades à corps de fonte. Les premières pièces d’artillerie métalliques chinoises seraient apparues au XIVe siècle et auraient été en bronze.
Les techniques de fabrication de la poudre auraient été transmises au monde arabo-perse entre le VIIIe siècle et le IXe siècle. En 1240, un ouvrage arabe de formules médicinales mentionne la poudre noire. Le salpêtre est alors appelé « neige de Chine ».
Au XIIIe siècle, la poudre noire arrive en Europe par l’intermédiaire des Arabes. Vers 1230, un certain Marcus Graecus fait paraître un livre rédigé en latin intitulé : Liber ignium ad comburendos hostes (Livre des feux pour brûler les ennemis). Dans ce livre, il décrit, pour la première fois en Occident, le procédé de préparation de la poudre noire et indique les précautions à prendre pour éviter un accident.
Lire aussi: Conservation optimale de la poudre noire
Au XVe siècle, apparaissent les premiers canons à poudre européens. Abou-Yousouf, sultan du Maroc, aurait été le premier acteur de l’histoire occidentale à utiliser une véritable pièce d’artillerie utilisant les effets de la poudre noire lors du siège de Sijilmassa en 1274. En Europe, on voit apparaître les premiers canons lors du siège de Metz et de celui de La Réole en 1324. En 1342, les Arabes en utilisent pour défendre la ville d’Algésiras assiégée par les troupes d’Alphonse XI lors de la Reconquista.
La poudre noire s’illustre également par une série d’explosions accidentelles qui se produisent au cours de sa fabrication ou lors de son stockage. Le premier accident important a lieu à Lubeck, en 1360.
La poudre noire est un produit explosif, ce qui signifie que sa combustion produit beaucoup de chaleur en libérant une grande quantité de gaz. Pour produire un tel effet, elle doit contenir à la fois un produit combustible et un produit comburant. Les produits combustibles sont le soufre et le carbone contenu dans le charbon de bois.
Lorsqu’elle brûle à l’air libre, la poudre noire « déflagre », ce qui signifie que l’onde de combustion (front de flamme) se déplace moins vite que les gaz générés, il n’y a donc pas d’onde de choc. La température de la réaction est assez élevée (plus de 2000 K) mais reste inférieure à celle obtenue avec des explosifs modernes (TNT, dynamite, poudres pyroxylées).
Au début de son histoire, la fabrication de la poudre noire n’était pas une opération simple. Les produits de base contenaient de nombreuses impuretés et les mélanges étaient effectués dans des proportions arbitraires, dans l’état naturel des produits, grossièrement pilés et brassés à la main.
Lire aussi: Utilisation de la poudre noire au jardin : ce qu'il faut savoir
Les Arabes furent les premiers à apporter à la poudre noire une amélioration importante en utilisant des produits purifiés notamment le salpêtre auquel ils appliquaient un traitement à base de cendres de bois. La transformation du salpêtre naturel en nitrate de potassium à peu près pur représente une amélioration considérable de la poudre noire qui, de poudre « lente » devient une poudre « vive » à la combustion plus rapide constituant un véritable produit explosif déflagrant pouvant propulser des projectiles à grande vitesse dans un tube principe de base de toute arme à feu.
Au XIVe et au XVe siècle, en Occident, la composition de la poudre était de 6 parties de salpêtre pour une partie de soufre et une partie de charbon de bois. C’est le charbon utilisé pour sa fabrication qui fait la qualité de la poudre. Pour cela, on utilise du bois de peuplier, d’aulne ou de tilleul. Par distillation à 3 500 °C, on obtient du charbon noir (poudre de guerre).
Par mesure de précaution, on broyait séparément le mélange de soufre et de charbon jusqu’à obtention d’une poudre homogène. Ces opérations étaient réalisées à l’aide de pilons mis en mouvement par des roues hydrauliques.
Jusqu’au XVIIe siècle, malgré les soins apportés à sa fabrication, la poudre noire n’était jamais totalement homogène. Cela nuisait beaucoup à ses performances et notamment à celle de produire une combustion « vive » c’est à dire rapide. Au début du XVIIIe siècle, les chimistes eurent l’idée de produire une poudre sous forme de grains. La combustion ne se faisait plus seulement dans la masse de la poudre mais, du fait de la granulation, elle se faisait également dans les interstices. Elle se propageait donc avec plus de rapidité et de régularité. La taille des grains variait en fonction de l’usage prévu : plus les grains étaient petits, plus la combustion était rapide.
Au XVIIe siècle, en France, la production de poudre était assurée par la « Régie royale des poudres et salpêtres » exerçant un droit exclusif pour le compte du roi. En 1775, Antoine-Laurent de Lavoisier assure la direction de la « Régie royale des poudres et salpêtres ».
Elle produit d’abondants résidus solides (sulfure de potassium) qui encrassent les armes. Aussi, au XIXe siècle, les chercheurs tentent de mettre au point une nouvelle poudre ne présentant pas ces défauts. En 1846, le chimiste allemand Christian Schönbein découvre la nitrocellulose. Le coton étant souvent utilisé pour sa fabrication, on l’appelle aussi coton-poudre ou fulmicoton. En 1884, Paul Vieille, ingénieur principal au Laboratoire Central des Poudres et Salpêtres à Paris, met au point un procédé de gélatinisation de la nitrocellulose à l’aide d’un mélange d’éther et d’alcool. Cette poudre est connue aussi sous le nom de poudre B ou poudre sans fumée. Comme son nom l’indique, elle ne produit pas de fumée.
Aujourd’hui, la poudre noire n’est plus utilisée que dans un but ludique ou sportif. Elle a donné naissance à une activité appelée : tir à la poudre noire ou tir à l’arme ancienne. Elle a de nombreux amateurs et fait l’objet de compétitions. Celles-ci utilisent des armes d’origine ou des répliques d’armes anciennes représentant les divers systèmes de mise à feu historiques (mèche, silex, percussion).
Mais la poudre noire n’est pas un jouet et son utilisation est très règlementée. Pour les particuliers, elle est vendue exclusivement en armurerie.
On nomme poudre noire, ou poudre à canon, un mélange explosif de salpêtre ($\ce{KNO3}$) (du latin salpetrae signifiant « sel de pierre »), de soufre ($\ce{S}$) et de charbon de bois ($\ce{C}$).
La composition de la poudre résulte du mélange ternaire soufre, salpêtre et charbon de bois. La proportion de ces composants a été modifiée suivant l’époque et les usages. Le salpêtre variant de 40 % à 80 %, le soufre de 10 % à 30 % et le charbon de 12 % à 30 %, la provenance végétale de ce charbon varie selon les recettes.
Au Moyen Âge européen, la composition de la poudre noire est abordée par plusieurs auteurs. Pour Marcus Graecus la poudre noire se compose d’une partie de soufre, deux parties de charbon de bois pour six parties de salpêtre. Roger Bacon vers 1248-57, décrit la préparation de la poudre noire. Albert le Grand décrit également cette préparation dans un manuscrit du XIIIe s. qui lui est attribué. Le nom de Berthold Schwartz est aussi associé à l’invention de la poudre. En Occident, l’utilisation de la poudre noire dans une arme à feu est mentionnée dans un manuscrit anglais de 1326.
La production d’une poudre de bonne qualité nécessite de satisfaire à plusieurs conditions : les matières premières, le charbon de bois et le soufre doivent être de bonne qualité, le salpêtre (nitrate de potassium) doit être le plus pur possible.
Le broyage, le mélange, la granulation, le conditionnement, le stockage et l’expédition de la poudre nécessitent des conditions de sécurité. Car en raison de son instabilité, la poudre noire est susceptible d’exploser accidentellement au cours de sa fabrication ou lors de son stockage.
Jusqu’au XVIIe s., la qualité de la poudre n’était pas constante. Pour remédier à cet inconvénient, on utilisa progressivement la poudre sous forme de grains. Sous cette forme, le front de flamme se propage, non plus dans la masse de l’explosif mais dans ses interstices.
Les trois composants sont des produits solides réduits en poudre et intimement mélangés, la réaction chimique est provoquée par une élévation locale de température, elle se traduit par une oxydation exothermique du charbon et du soufre, l’oxygène étant fourni par le salpêtre (nitrate de potassium). Il est à noter que cette réaction d’oxydation ne nécessite pas d’apport d’oxygène gazeux.
| Usage | Effets recherchés | Effets à éviter | Conditions contraignantes |
|---|---|---|---|
| Feux d'artifice | Effet lumineux, sonore | Brisance | Maîtrise de la combustion |
| Armes à feu | Propulsion de projectiles | Brisance | Résistance du canon |
| Artillerie | Propulsion de projectiles lourds | Brisance | Résistance du canon, absorption du recul |
| Mines | Brisance contrôlée | Poussée excessive | Confinement, sécurité |
| Travaux publics | Brisance et poussée | Projection de débris | Sécurité, contrôle de la zone |
| Démolition | Brisance et poussée | Effondrement incontrôlé | Calcul des charges, sécurité |
| Pot à feu | Brisance localisée | Fuite des gaz | Application directe, confinement |
| Sapes | Destruction de fortifications | Effondrement prématuré | Calcul des charges, étayage |
La réaction chimique exothermique est mal définie, plusieurs formulations ont été proposées :
Et pour tenir compte des impuretés du charbon de bois, donc de la présence d’un carbone sous forme de composé, C est donc remplacé par la formule C7H4O, on utilise aussi empiriquement deux équations de décomposition possibles :
À côté des résidus solides, les corps gazeux formés à haute température, l’oxyde de carbone, le dioxyde de carbone, l’eau et l’azote représentent un volume de 300 litres de gaz par kg pour un mélange stœchiométrique. Il y a explosion si le produit est confiné. La mise à feu d’un tas de poudre à l’air libre ne produit qu’une combustion vive fusante.
Lors de la réaction chimique d’un tel mélange en milieu confiné, les produits gazeux subissent une très rapide expansion de volume ; cela provoque la création d’un front d’onde de pression (onde de Friedlander). La vitesse de ce front d’onde détermine la classification des explosifs déflagrants ou brisants. La poudre noire est classée dans la catégorie des explosifs déflagrants. Plus tardivement seront inventés des explosifs brisants (dont le régime de détonation est régi par un front d’onde plus rapide).
Deux types d’effets sont à l’origine des particularités et usages de la poudre, tout d’abord l’effet de brisance résultant de l’action de l’onde de choc suivi ensuite de l’effet de poussée, conséquence de l’expansion du volume gazeux produit. Le résultat obtenu dépend de la résistance des matériaux de l’enveloppe contenant la charge vis-à-vis de ces deux effets, la pression s’exerçant de préférence vers la zone de moindre résistance.
Tous les usages de la poudre sont paramétrés par ces trois données, brisance, poussée et résistance de « l’enveloppe », deux sont propres à la réaction chimique et la dernière est liée aux caractéristiques de l’environnement immédiat du milieu réactionnel.
Il est à noter que dans tous les cas la poussée est un effet recherché, l’effet de brisance peut être souhaité ou craint.
Selon les principes suivant, les conditions de mise en œuvre de la poudre et les caractéristiques du contenant déterminent les principes des divers usages dont on peut retenir huit cas principaux :
Dans ce cas, le confinement et la résistance de l’enveloppe conduisent à un échappement de projectile vers la zone de moindre résistance. Le contenant est fabriqué en matière résistante à l’onde de choc et à la poussée et un projectile est utilisé. L’effet de brisance doit être contré. La poussée des gaz est recherchée et utilisée comme énergie propulsive. L’orifice est dimensionné aux caractéristiques du projectile afin de produire l’effet maximum, un bourrage limité accentue l’effet de propulsion en favorisant la compression par réduction de la durée de poussée. L’épaisseur et la résistance des parois de l’arme sont proportionnées à l’importance de la charge de poudre et à la taille du projectile. Il est nécessaire d’absorber le recul au départ du coup.
Ici, le confinement est important. Le contenant est fabriqué en matière métallique résistante à l’onde de choc et à la poussée et aucun projectile n’est utilisé. L’effet de brisance et l’effet de poussée sont recherchés ; le contenant doit être stable et résister à la poussée. L’orifice est dimensionné afin de produire l’effet maximum. L’arme est appliquée contre une paroi (porte) qui doit correspondre à la zone de faiblesse et sur laquelle l’effet doit être concentré. L’absence de vide et un calage rigoureux sont essentiels à l’efficacité.
Les sources, en particulier au XVe s., ne distinguent pas toujours les mélanges explosifs de la traditionnelle sape incendiaire.
Il est très probable que des charges de poudre noire aient été utilisées vers 1450 à des fins militaires, si l’on se réfère aux croquis de Jacopo Mariano, l’ingénieur toscan connu sous le nom de Taccola. Deux dates sont retenues pour l’usage de ces mines en sape lors des sièges de Sarzanello (Ligurie) en 1487, puis en 1495 de Castel Nuovo à Naples.
tags: #composition #poudre #noire
Chargement des visites
