Le feu est aussi bien dangereux qu’indispensable. En effet, sa découverte a été indispensable aux développements des différentes civilisations, mais il est susceptible de provoque d’énormes incendies et des brûlures parfois fatales. Mais, de quoi est-il composé ? Pourquoi est-il chaud et lumineux ?

En l’an -400 avant JC, le feu était perçu comme de la matière, au même titre que l’air, l’eau et la terre. Nous savons aujourd’hui que le feu n’est rien d’autre qu’une réaction chimique appelée « combustion ». Ce processus, que nous allons décrire, est capable de dégager une quantité d’énergie considérable.

La combustion : une réaction chimique

Imaginons qu’aujourd’hui, vous souhaitez fêter votre anniversaire ! Vous décidez  alors d’allumer, et de souffler vos bougies. Vous vous emparez d’un briquet, afin de produire une flamme : ce n’est rien d’autre qu’une réaction de combustion. Mais, physiquement, quel est ce phénomène ?

La base du feu est une réaction chimique : les molécules de différents composants vont rentrer en contact, et se réarranger pour donner des nouvelles molécules. Par exemple, les atomes de Fer rentrant en contact avec des molécules de dioxygènes vont réagir, et produire de l’oxyde ferrique, en d’autre termes, de la rouille !

Réaction chimique représentant la production de la rouille

Ce processus est une réaction chimique, au même titre que la combustion. (Bien sûr, le phénomène de production de rouille ne produit ni de chaleur ni de lumière.). Les réactions chimiques rythment notre monde : la photosynthèse (production de sucre et d’oxygène par l’intermédiaire du dioxyde de carbone, d’eau et de lumière), l’oxydation (production de rouille à partir d’oxygène et de fer), la fermentation (production d’alcool par l’intermédiaire de glucides), etc. Pour généraliser, une réaction chimique se déroule de la façon suivante :

Schéma d’une réaction chimique

Différentes espèces, appelés « réactifs » se rencontrent (ici A et B), pour former de nouvelles espèces (ici C). Ce sont les « produits ».

Dans le cas de notre briquet, la réaction mise en jeu est la combustion. Habituellement, le gaz inflammable contenu dans les briquets est le butane. Cependant, pour simplifier les illustrations, nous allons le remplacer par du méthane (la molécule est plus simple à représenter). La réaction est la suivante :

Réaction de combustion

En général, toutes les réactions de combustion se déroulent de la même façon : un combustible (ici le méthane) et un comburant (ici le dioxygène) se rencontrent pour former de l’eau et du dioxyde de carbone.

La réaction chimique peut être assimilée aux Légos : Initialement, plusieurs blocs se rencontrent (les réactifs) et forment d’autres nouveaux blocs (les produits). Ces blocs représentent les molécules. Ils sont composés de pièces insécables (qui ne peuvent être divisées en pièces plus petites) assimilables aux atomes. Lorsque les réactifs se rencontrent, les blocs initiaux ont besoin de se déstructurer et, donc de se décomposer pour ne rester que les petites pièces, afin de se reformer, et créer de nouvelles pièces : ce sont les produits de la réaction.

Étapes d’une réaction de combustion

Cependant, déstructurer ces blocs a un coût énergétique. En effet, un apport d’énergie vers les réactifs est nécessaire afin de les désorganiser. Les atomes ayant horreur de se retrouver seuls, vont se rassembler et former de nouvelles molécules.

Nous pouvons représenter l’état énergétique du système à chaque étape. Initialement, c’est-à-dire lorsque les réactifs se rencontrent, le système possède une certaine énergie. Pour déstructurer les molécules, le système a besoin d’énergie. Ainsi, lorsque toutes les molécules sont « éclatées », l’énergie du système va augmenter.  Étant alors dans un état de déséquilibre, les atomes vont tout de suite se reformer pour produire de nouvelles molécules : les produits.  Cependant, contrairement à l’éclatement des atomes, leur restructuration ne nécessite pas d’énergie. Au contraire, elle en cède ! Le système va donc transférer de l’énergie à son environnement.

Représentation de l’énergie lors d’une réaction de combustion

Cette énergie va être cédée au système sous forme de chaleur et de lumière. C’est pour cela que le feu chauffe et qu’il émet de la lumière !

Schéma complet d’une réaction de combustion

Bien sûr, une seule réaction de combustion ne peut pas créer une flamme au bout de notre briquet. Il y en a une infinité, et identiques les unes aux autres. C’est pour cela que l’énergie produite est considérable.

Une réaction en chaîne

Nous avons vu que la réaction de combustion ne se réalise pas spontanément : il faut apporter de l’énergie au système afin de déstructurer les molécules, et donc d’amorcer la réaction : c’est l’énergie de réaction. En pratique, elle est apportée sous forme de chaleur. Pour notre briquet, la percussion entre un silex et une pièce d’acier crée une étincelle afin de créer une flamme. Cette étincelle n’est rien d’autre que de la chaleur. L’air et le méthane au niveau de l’étincelle vont réagir et produire du CO2, de l’eau, de la lumière et de la chaleur. Une partie de cette chaleur va servir à amorcer les autres réactions de combustion : l’air et le méthane proche de la première combustion vont réagir, et activer une autre réaction des combustion, et ainsi de suite.. La flamme s’auto-entretien !

Caractère auto-entretenu de la flamme

La flamme peut donc continuer de vivre après l’utilisation de la molette d’un briquet. Cet auto-entretien est à la fois pratique (la flamme perdure) mais également très dangereux : Plus il y a de feu, plus il va produire d’énergie, et plus il pourra activer d’autres réactions de combustion, et donc grossir. C’est pourquoi un incendie peut très vite devenir hors de contrôle.

Conclusion

Ce qu’on appelle communément le feu est une réaction chimique appelée « réaction de combustion ». Pour avoir lieu, un combustible (méthane, bois, pétrole,…) et un comburant (le plus souvent du dioxygène) doivent être en contact. Un apport d’énergie est également indispensable afin d’amorcer la réaction : les réactifs se déstructurent pour se reformer, et dégager de l’énergie sous forme de chaleur. Une partie de cette énergie va amorcer les réactions de combustion au voisinage des premières qui ont eu lieu. Cela va produire une flamme qui va s’auto-entretenir, et s’arrêter lorsque soit le combustible, soit le comburant sera insuffisant pour continuer la combustion.