La poudre noire, parfois dénommée poudre à canon ou poudre à fusil, est le plus ancien explosif chimique connu. De couleur noire, elle est constituée d'un mélange déflagrant de soufre, de nitrate de potassium (salpêtre) et de charbon de bois.
Inventée en Chine probablement vers le , elle est importée en Europe au cours du avec l'intensification des échanges commerciaux entre l'Orient et l'Occident. La poudre noire s'est progressivement diffusée en Europe et en Asie jusqu'au . Utilisée pour les canons et les fusils, c'était le seul explosif chimique connu jusqu'au . La poudre noire n'est plus utilisée de nos jours, ni pour les armes modernes, ni pour les applications industrielles, en raison de sa faible efficacité comparée à celle des explosifs plus récents. Son usage est aujourd'hui limité à des armes anciennes de chasse et de tir sportif (armes authentiques ou répliques), aux pétards et aux feux d'artifice.
Historique vignette|upright=1.2|De la poudre noire.|alt=
Certaines sources situent l'invention de la poudre noire durant la dynastie Han (206 av. J.-C. à 220 ap. J.-C), mais la plupart des historiens pensent que la poudre à canon fut inventée en Chine vers le , durant la Dynastie Tang (618-907). En chinois, la poudre à canon est désignée par le terme Huoyao () et est d'abord utilisée pour ses propriétés médicinales.
Au milieu de la dynastie Xixia, vers 1044, il est conseillé d'éviter ce type de mélange qui risque d'exploser. Le Wujing Zongyao () donne une méthode de fabrication de grenades à poudre noire, dont l'effet principal semble encore être le bruit. Au , apparaissent les premières lances de feu, au départ de simples tubes de bambou contenant de la poudre noire et un projectile, dispositif fixé sur une lance chinoise (Qiang). Il semble qu'aux alentours de 1130, des tubes de bambou remplis de poudre noire servirent de lance-flammes.
Les techniques de fabrication de la poudre auraient été transmises au monde arabo-perse entre le et le , car des échanges de techniques d'alchimie existaient déjà entre le monde musulman et le monde chinois.. Cependant l'usage « connu » de la poudre semble plutôt dater du , avec des mentions écrites de composition à base de salpêtre, lors des guerres entre la dynastie Yuan et les pays musulmans d'Asie centrale. Dès 1326, le chapelain du roi Edouard II d'Angleterre décrit les premières armes à feu. La poudre à canon a été introduite en Europe à partir du , principalement par l'intermédiaire d'échanges commerciaux avec le monde arabe.. Il semble également que les Mongols aient joué un rôle déterminant.
À partir du , la poudre noire est utilisée pour animer les spectacles équestres du Maghreb organisés par les tribus berbères.
Roger Bacon et Albert le Grand en mentionnent la recette, en s'inspirant de celle donnée par Marcus Graecus dans son manuscrit Liber ignium ad comburandos hostes (1230), mais le but en reste incendiaire. Selon d'autres sources, le moine allemand Berthold Schwarz est considéré comme celui qui redécouvrit ses secrets en Occident. Ibn Khaldoun mentionne un usage de la poudre pour l'artillerie en 1273 au siège de Sidjilmesa. Les premières armes à feu utilisables apparaissent environ cinquante ans plus tard.
C'est en 1617 qu'est attestée la première utilisation de la poudre noire en Europe pour l'extraction de minerais dans une mine de cuivre du Thillot grâce aux travaux archéologiques menés par la Société d'étude et de sauvegarde des anciennes mines (SESAM) depuis 1987 dans ces mines.
En 1829, Samuel Colt est le premier à faire déflagrer une charge de poudre sous l'action d'un courant électrique.
vignette|upright=1|Poudre sans fumée.
En 1886 est inventée la poudre pyroxylée, qui dégage beaucoup moins de fumée et peu de résidus lors de sa combustion. Cette poudre est aujourd'hui utilisée dans toutes les armes contemporaines, car la quasi-absence de ne les encrasse pas. L’introduction de la poudre à canon provoque une révolution militaire sans précédent : les murs des forteresses et des châteaux forts ne résistent pas longtemps au pouvoir destructeur des nouveaux canons, et les combats se déplacent des abords des châteaux aux champs de bataille. Les châteaux eux-mêmes évoluent : puisqu’ils n’ont plus de rôle défensif, ils deviennent des lieux de résidence prestigieux pour les nobles.
Aspects chimiques Aux , la composition massique était : six parties de salpêtre (75 % nitrate de potassium KNO) pour une partie de soufre (12,5 %) et une partie de carbone sous forme de charbon de bois (12,5 %). Mais ultérieurement, on trouve des compositions variables selon les usages.
Par exemple (pourcentages massiques) : 30 % de charbon, 30 % de soufre, 40 % de salpêtre pour la poudre de mine (lente) ; ou bien 12 % de charbon, 10 % de soufre, 78 % de salpêtre pour la poudre de chasse et les poudres françaises PNF destinées au tir sportif ; ou encore 15 % de charbon, 10 % de soufre, 75 % de salpêtre pour la poudre dite « de guerre f3 » ; ou alors 12 % de charbon, 12 % de soufre, 76 % de salpêtre pour les poudres suisses destinées au tir sportif.
Dans les pièces d'artifices, on trouve généralement la composition (charbon 15 %, soufre 10 %, salpêtre 75 %). Cette poudre est un mélange de deux éléments très combustibles (le soufre et le charbon), avec un corps très oxydant : le salpêtre. La qualité de la poudre est due en grande partie au charbon utilisé. Il provient du bois d'arbres des plantes telles que Rhamnus frangula (Bourdaine), Solanum mauritianum, Prunus domestica (Prunier), Salix caprea (Saule marsault) ou Fraxinus americana ; par pyrolyse à , on obtient du charbon noir (poudre de guerre), tandis que la pyrolyse à donne du charbon roux (poudre de chasse).
Pour que la combustion se déroule efficacement, le soufre et le charbon doivent être broyés en poudres fines (moins de ), avant de le mélanger avec un moulin à billes. Par la suite, un mélange de nitrate de potassium et d'alcool est ajouté et le tout est mélangé dans un mélangeur pour obtenir un mélange très homogène. Enfin, le mélange est séché à basse température et doucement réduit en poudre à l'aide d'un pilon. On obtient une poudre noire qui brûle comme un flash.
La poudre noire craint beaucoup l'humidité, contrairement à ses descendantes modernes (poudres pyroxylées).
La poudre noire, contenant du salpêtre, a un goût salé en raison de ce constituant (nitrate de potassium KNO3). Pendant les différents conflits européens de la fin du , les soldats utilisaient de la poudre noire pour assaisonner et conserver leurs aliments lorsque le sel venait à manquer. Le salpêtre est encore utilisé de nos jours comme conservateur (on en trouve dans la charcuterie par exemple).
L'équation de la combustion de la poudre à canon (charbon 15 %, soufre 10 %, salpêtre 75 %) est la suivante : 10 KNO + 4 S + 2 CHO → 5 KO + 3 + 4 SO + 12 CO + 2 + 5 N.
Les résidus solides sont appelés « calamine ».
Aspects physiques Parmi les avantages de la poudre noire, elle est peu onéreuse, stable et qu'une faible quantité d'énergie en provoque la combustion. Ainsi, peut-on l'enflammer à l'aide d'une flamme, d'une friction, d'une étincelle, ou même d'un laser. Il en résulte que sa manipulation est dangereuse.
La combustion de la poudre noire produit : d'abondants résidus solides, surtout composés de sulfure de potassium, abusivement nommée calamine, qui encrassent les armes. C'est l'une des raisons pour lesquelles une arme à feu ancienne présente un fort calibre qui augmente la tolérance donc réduit la fréquence des nettoyages nécessaires ; de la fumée, gênant la visée lors des tirs répétés si le vent ne la chasse pas.
Pour ces raisons, on lui préfère aujourd'hui la poudre sans fumée.
Au cours du , les chimistes mirent au point un procédé permettant d'obtenir de la poudre noire en grains, dont la taille peut être modulée selon l'usage prévu : plus les grains sont petits, plus la poudre obtenue est dite « vive », c'est-à-dire qu'elle présente une vitesse de combustion élevée. Ce conditionnement permet également de mieux conserver et de mieux doser la poudre noire.
Aspects thermodynamiques La poudre noire contient à la fois un combustible et un comburant. Le comburant est le salpêtre qui libère de l'oxygène au cours de la réaction, venant oxyder les combustibles (soufre et carbone).
Stable à température ambiante, un petit apport d'énergie localisé suffit à amorcer la réaction.
Du fait de sa vitesse de combustion à l'air libre, on dit que la poudre noire « déflagre », ce qui signifie que l'onde de combustion (front de flamme) se déplace moins vite que les gaz engendrés, ne produisant donc pas d'onde de choc. Placée dans un endroit confiné qui permet une élévation de la pression des gaz, elle (engendre une onde de choc) et produit un effet de souffle assez important en raison du volume de gaz produit. On estime que la vitesse de propagation des gaz n'excède pas dans le meilleur des cas.
Considérée comme un explosif à effet de souffle, par opposition aux explosifs à effet brisant, elle a longtemps été utilisée à cette fin.
La température de la réaction est assez élevée (plus de ) mais reste nettement inférieure à celle obtenue avec des explosifs modernes (TNT, dynamite, poudres pyroxylées), limitant les risques de brûlures. L'ajout de certains composés chimiques ou de corps simples (particules métalliques, oxydes, etc.) permet de modifier la couleur de la flamme obtenue et est utilisé dans les feux d'artifice par exemple. La fumée dégagée par la réaction chimique est blanche, assez dense, en raison de nombreuses particules issues de la combustion.
Étapes de fabrication Lors de son élaboration, la poudre noire suit un protocole précis, pratiquement identique dans les différents pays de production. En France, et plus particulièrement à la poudrerie de Vonges, le protocole est le suivant :
Les éléments entrants dans la fabrication de la poudre noire sont stockés séparément. Le charbon de bois issu de la bourdaine produit en Europe, arrive en vrac. Il est stocké dans des poches en tissu (coton) dans un hangar chauffé l’hiver et ventilé l’été pour obtenir le meilleur séchage possible. Le soufre et le salpêtre importés très souvent du Mexique et du Chili, sont livrés en sacs (papier ou polyester) de . Dans la composition de certaines variétés de poudres noires, il y est ajouté quelquefois du lignite importé régulièrement d’Allemagne, en quantité précise.
Tonnes binaires
Dans un premier atelier nommé « tonnes binaires » (tonneaux en acier de de diamètre et de hauteur équipés d’une porte d’accès, placés horizontalement sur un axe rotatif contenant un poids précis de billes en bronze pur d’environ de diamètre, entraînés par des courroies), le charbon de bois et le soufre sont malaxés ensemble. L’atelier est équipé d’un nombre variable de « tonnes », généralement une dizaine.
Après plusieurs heures de pulvérisation des composants, les tonnes sont vidées sur un tamis très fin et leur contenu stocké dans des étouffoirs (tonneaux en matière plastique).
Remarque importante à partir de l’étape de fabrication suivante, tous les ateliers dans lesquels les préparations seront traitées ou entreposées seront soumis à des règles de sécurité drastiques afin d’éviter tous risques de surchauffe, d’étincelle (port de sabots en caoutchouc, sols en asphalte le plus souvent maintenus mouillés, utilisation d’outils en bronze, en bois ou en aluminium, interdiction formelle de fumer ou d’utiliser une flamme nue). La sécurité des employés est primordiale.
Préparations
Dans cette deuxième phase, le produit arrivant des tonnes binaires est mélangé au salpêtre, en respectant des poids très précis suivant la variété de poudre à fabriquer. Une certaine humidité est observée à ce mélange en y ajoutant un peu d’eau. Tout en restant compact, le mélange est entreposé dans des bacs plastiques individuels de .
Ces bacs sont entreposés dans un hangar fermé attenant aux ateliers des préparations.