Incendies impliquant des liquides inflammables et combustibles : quelles informations peut-on tirer des flammes? par Arnaud Courti,, radiochimiste, Ph. D. Josianne Roy, chimiste, M. Sc.
THÈMES ÉTUDIÉS 3 Inflammabilité (temps d inflammation) Couleurs des flammes (proportions) Fumée (densité, couleur) ph fumée
AVERTISSEMENTS 4 Les résultats obtenus sont qualitatifs et présentés à titre indicatif seulement. Ils sont basés sur des observations et des évaluations subjectives. Les études ont pour but de tracer des tendances générales sur certains liquides inflammables et combustibles. Plusieurs variables difficiles à contrôler peuvent modifier les résultats obtenus : éclairage, ventilation, température ambiante, volume de liquide, composition des liquides, instrumentation, contaminants, distance de la source d ignition, etc.
MÉTHODOLOGIE 5 Les liquides ont été allumés avec des allumettes ou avec des torches au propane. Les photos ont été prises avec un éclairage permettant de visualiser le plus possible les flammes et la fumée en même temps. Par contre, les flammes bleues ne pouvaient être visibles avec cet éclairage et la fumée n était pas toujours bien visible. Le ph de la fumée a été mesuré avec des papiers tournesol. Les données de points d ébullition et de points d éclair (coupelle fermée) proviennent du site REPTOX ou de SIGMA-ALDRICH.
LIQUIDES ÉTUDIÉS 6 1. Hydrocarbures (alcanes, aromatiques et mélanges) : pentane, naphta/éther de pétrole, hexanes, cyclohexane, heptane, toluène, xylènes, octane, nonane, décane, essence, kérosène, térébenthine, diesel 2. Alcools : méthanol, éthanol, propanol, isopropanol, butanol, isobutanol, pentanol, 2-méthyl-2-butanol, hexanol, cyclohexanol, heptanol, octanol, 2- octanol, éthylène glycol 3. Cétones : acétone, 2-butanone, 2-pentanone 4. Éthers : diéthyl éther 5. Aldéhydes : propionaldéhyde, benzaldéhyde 6. Halogénés (chlorés) : tétrachlorure de carbone, chloroforme, dichlorométhane, 2- chloro-2-méthylpropane, 2-chloro-2-méthylbutane 7. Acides carboxyliques : acide formique, acide propionique, acide acétique glacial 8. Esters : acétate d éthyle 9. Amines : diéthylamine, triéthylamine 10. Fonctions mixtes : éthanolamine, triéthanolamine
7 HYPOTHÈSES 1.Plus il y a de carbones dans un composé de même famille organique et de même structure moléculaire, plus ce dernier émet de la fumée lors de sa combustion. 2.Plus il y a de carbones dans un composé de même famille organique et de même structure moléculaire, plus l inflammation est difficile. 3.Pour un nombre de carbones égal, les hydrocarbures aromatiques émettent plus de fumée que les alcanes.
HYPOTHÈSES (suite) 8 4. Plus un composé organique émet de fumée, plus ce dernier a une flamme de coloration allant de jaune clair à orange foncé. 5. Plus il y a une proportion élevée en oxygène par rapport au nombre de carbones dans un composé de même famille organique et de même structure moléculaire, plus ce dernier a une flamme de coloration bleue.
HYPOTHÈSES (suite) 9 6. Plus un composé est polaire, pour un même nombre de carbones, plus l inflammation est difficile. 7. Plus un composé contient d atomes d halogènes (chlores) par rapport à un même nombre d atomes de carbones, plus il est difficile à allumer (effet des retardateurs de flammes).
RAPPELS THÉORIQUES 10 1. COMBUSTION : Réaction chimique rapide et fortement exothermique entre un comburant et un combustible. 2. FLAMME : Zone de combustion en phase gazeuse, où se produisent les émissions les plus lumineuses et énergétiques. 3. COMBUSTION DE LIQUIDES : Ce sont les vapeurs d un liquide qui brûlent à sa surface.
RAPPELS THÉORIQUES 11 4. POINT D ÉCLAIR : Température minimale à laquelle des vapeurs combustibles peuvent s enflammer dans l air ambiant au contact d une source d inflammation, sans pouvoir soutenir une flamme. + - 5. POLARITÉ : Force d attraction résultant de charges partielles positives et négatives créées à l intérieur d une liaison covalente ou d une molécule.
RAPPELS THÉORIQUES 12 6. INFLAMMABILITÉ : Facilité relative avec laquelle un matériau peut être enflammé et soutenir la combustion. 7. FAMILLES ORGANIQUES (R = chaîne carbonée) : Hydrocarbures (C x H y ), Alcools (R-OH), Cétones (R-CO-R), Aldéhydes (R-CO-H), Éthers (R-O-R), halogénés/chlorés (R-Cl), Esters (R-COO-R), Acides carboxyliques (R- COOH), Amines (R-NH y )
ANALYSES DES RÉSULTATS 13 http://ici.radio-canada.ca/regions/ottawa/2011/05/10/004- explosion-station-service-ottawa.shtml
LIQUIDES INFLAMMABLES ET 14 COMBUSTIBLES http://www.csb.gov http://www.denpubs.com www.centrea ntipoisons.be http://www.sitepresse.fr
1. Plus il y a de carbones dans un composé de même famille organique, plus ce dernier émet de la fumée e lors de sa combustion. Vrai 15 Pentane (5 C) Hexanes (6 C) Heptane (7 C) Octane (8 C) Nonane (9 C) Décane (10 C)
1. Plus il y a de carbones dans un composé de même famille organique, plus ce dernier émet de la fumée e lors de sa combustion. Vrai 16 Méthanol (1 C) Éthanol (2 C) Propanol (3 C) Butanol (4 C) Pentanol (5 C) Hexanol Heptanol (7 C) Octanol (8 C) (6 C) La fumée apparaît vers environ 5 carbones (pentanol) chez les alcools linéaires.
2. Plus il y a de carbones dans un composé de même famille organique, plus l inflammation l est difficile. Vrai, mais il faut tenir compte de la structure moléculaire culaire. 17 Composé organique Formule chimique Structure moléculaire Point d éclair ( C) Temps d inflammation Pentane C 5 H 12 Alcane -49,44 Instantané Hexanes C 6 H 14 Alcane - 22 Instantané Heptane C 7 H 16 Alcane - 4 Instantané Toluène C 7 H 8 Aromatique 4,4 Instantané Essence C 5-10 H y Hydrocarbures - 43 Instantané Octane C 8 H 18 Alcane 12 Instantané Xylène C 8 H 10 Aromatique 29 2-3 sec Nonane C 9 H 20 Alcane 31 3-4 sec Décane C 10 H 22 Alcane 46 Instantané, torche Kérosène C 9-16 H y Hydrocarbures 37-65 3-4 sec, torche Térébenthine C 10 H 16 Hydrocarbures + impuretés 1 sec, torche Diesel C 9-20 H y Hydrocarbures 52-96 4-5 sec, torche
2. Plus il y a de carbones dans un composé de même famille organique, plus l inflammation l est difficile. Vrai, mais il faut tenir compte de la structure moléculaire culaire. 18 Composé organique Formule chimique Structure moléculaire Point d éclair ( C) Temps d inflammation Méthanol CH 4 O Primaire 11,1 Instantané Éthanol C 2 H 6 O Primaire -13 Instantané Propanol C 3 H 8 O Primaire 15 Instantané Isopropanol C 3 H 8 O Secondaire 11,7 Instantané Butanol C 4 H 10 O Primaire 29 Instantané Isobutanol C 4 H 10 O Secondaire 28 3-4 sec Pentanol C 5 H 12 O Primaire 50 3-4 sec Hexanol C 6 H 14 O Primaire 63 1-2 sec, torche Cyclohexanol C 6 H 12 O Cyclique 68 1-2 sec, torche Heptanol C 7 H 16 O Primaire 70 1-2 sec, torche Octanol C 8 H 18 O Primaire 81 3-7 sec, torche 2-octanol C 8 H 18 O Secondaire 81 3-7 sec, torche
3. Pour un nombre de carbones égal, les hydrocarbures aromatiques émettent plus de fumée e que les hydrocarbures alcanes. Vrai 19 Alcane Aromatique Alcane Aromatique
4. Plus un composé organique émet de fumée, plus ce dernier a une flamme de coloration allant de jaune clair à orange foncé. Vrai 20
5. Plus il y a une proportion élevée e en oxygène dans un composé de même famille organique et de même structure moléculaire, plus ce dernier a une flamme de coloration bleue. Vrai 21 Méthanol (CH 4 O) 1 C : 1 O Éthanol (C 2 H 6 O) 2 C : 1 O Propanol (C 3 H 8 O) 3 C : 1 O Butanol (C 4 H 10 O) 4 C : 1 O Flamme 100 % bleue Flamme 50 % bleue Flamme 25 % bleue Flamme base bleue
5. Plus il y a une proportion élevée e en oxygène dans un composé de même famille organique et de même structure moléculaire, plus ce dernier a une flamme de coloration bleue. Vrai 22 Acide formique (CH 2 O 2 ) 1 C : 2 O Acide acétique (C 2 H 4 O 2 ) 2 C : 2 O Acide propionique (C 3 H 6 O 2 ) 3 C : 2 O Flamme 1 100 % bleue Flamme ¾ bleue Flamme ½ bleue
5. Plus il y a une proportion élevée e en oxygène dans un composé de même famille organique et de même structure moléculaire, plus ce dernier a une flamme de coloration bleue. Vrai 23 Acétone (C 3 H 6 O) 3 C : 1 O 2-butanone (C 4 H 8 O) 4 C : 1 O 2-pentanone (C 5 H 10 O) 5 C : 1 O Flamme 25 % bleue Flamme 10 % bleue Flamme base bleue
6. Plus un composé est polaire, pour un même nombre de carbones, plus l inflammation l est difficile. Vrai (Polarité : Amide > Acide 24 Amide > Acide carboxylique > Alcool > Cétone ~ Aldéhyde > Amine > Ester > Éther > Hydrocarbure) Composé organique Formule chimique Polarité Famille chimique Point d éclair ( C) Temps d inflammation Éthanol C 2 H 6 O Polaire Alcool 13 Instantané Éthylène glycol C 2 H 6 O 2 Très polaire Alcool 111 5 sec, torche Propanol C 3 H 8 O Polaire Alcool 15 Instantané Acide propionique C 3 H 6 O 2 Très polaire Acide carb. 54 2-3 sec, torche Pentane C 5 H 12 Non polaire Alcane -49,44 Instantané Pentanol C 5 H 12 O Polaire Alcool 50 3-4 sec Heptane C 7 H 16 Non polaire Alcane - 4 Instantané Heptanol C 7 H 16 O Peu polaire Alcool 70 1-2 sec, torche Toluène C 7 H 8 Non polaire Aromat. 4,4 Instantané Benzaldéhyde C 7 H 6 O Peu polaire Aldéhyde 63 1-3 sec, torche Octane C 8 H 18 Non polaire Alcane 13 Instantané Octanol C H O Peu polaire Alcool 81 3-4 sec torche
7.. Plus un composé contient d atomes d d halogènes (chlores) par rapport à un même nombre d atomes d de carbones, plus il est difficile à allumer (effet des retardateurs de flammes). Vrai 25 Composé organique Formule chimique Proportion Carbone/ Chlore Chloroforme CHCl 3 1 C : 3 Cl Dichlorométhane C 2 H 2 Cl 2 2 C : 2 Cl Ininflammable 2-chloro-2- méthylpropane 2-chloro-2- méthylbutane Point d éclair ( C) Ininflammable Temps d inflammation Ne s allume pas, même avec une torche Brûle en présence d une torche C 4 H 9 Cl 4 C : 1 Cl -23 Instantané C 5 H 11 Cl 5 C : 1 Cl -10 Instantané
7.. Plus un composé contient d atomes d d halogd halogènes par rapport à un même nombre d atomes d de carbones, plus il est difficile à allumer (effet des retardateurs de flammes). Vrai 26 Tétrachlorure de carbone (CCl 4 ) Chloroforme (CHCl 3 ) Dichlorométhane (CH 2 Cl 2 ) 2-chloro-2- méthylpropane (C 4 H 9 Cl) N allume pas vraiment Torche soutenue Torche, longtemps Instantané
AUTRES RÉSULTATS Fumée et ramifications 27 1. La présence de ramifications dans la structure d un composé organique augmente l émission de fumée. (ramifié) (ramifié)
AUTRES RÉSULTATS Fumée et ramifications 28 1. La présence de ramifications dans la structure d un composé organique augmente l émission de fumée. (ramifié)
29 AUTRES RÉSULTATS Fumée et cycles 2. La présence de cycle dans la structure d un composé organique augmente l émission de fumée.
30 AUTRES RÉSULTATS Couleur des liquides chlorés 3. Les 4 liquides chlorés étudiés émettent une couleur bleu-vert à la base de leur flamme, en particulier ces deux liquides :
AUTRES RÉSULTATS Couleur de flamme et oxygène 31 4. Plus un composé contient d atomes d oxygènes par rapport à un même nombre de carbones, plus sa flamme sera bleue (indépendamment de la famille chimique).
AUTRES RÉSULTATS Couleur des alcools-amines 32 5. L éthanolamine et la triéthanolamine ont des teintes de lilas dans leurs flammes, jusqu à 50 %. (peu visible sur photo)
AUTRES RÉSULTATS Fumée et ph 33 6. Le ph de la fumée des liquides organiques était généralement faiblement acide ou neutre. Par contre, le ph de la fumée des liquides organiques halogénés (chlorés) était très acide (ph 1-2), possiblement à cause du chlorure d hydrogène (HCl) formé. Leur fumée était donc très corrosive.
CONCLUSION 1 : L inflammabilité 34 L inflammabilité (temps d inflammation) diminue avec : L augmentation de la masse (nombre d atomes de carbones) L augmentation de la polarité L augmentation du nombre d atomes de chlores L augmentation du nombre de fonctions alcools (OH)
CONCLUSION 2 : les couleurs 35 La coloration bleue d une flamme de diffusion de liquide n est pas due à sa température élevée, mais plutôt à la présence d oxygène dans sa composition chimique. Plus la proportion d atomes d oxygène augmente par rapport aux atomes de carbone, plus la flamme est bleue. Les atomes de chlore peuvent donner une couleur vert-bleu aux flammes. Les fonctions alcools-amines peuvent donner une couleur lilas aux flammes.
CONCLUSION 3 : la fumée 36 La production de fumée augmente avec : L augmentation du nombre d atomes de carbones La présence de ramifications L aromaticité (présence de benzène) La présence de cycles L absence d oxygène La fumée absorbe de la chaleur et refroidit la flamme, qui change sa couleur d incandescence pour des couleurs plus froides (de jaunes clairs à orangés foncés).
REMERCIEMENTS 37 Merci au CENTRE RISC pour le financement de cette étude. Merci à certains de nos étudiants pompiers pour leur aide dans plusieurs expériences : Pierre-Luc Asselin, Éric Bouchard, Vincent Cardinal, Alexandre Chouinard, Maxime Forcier, Alexandre Lapointe, Étienne Lebeau, Simon Leduc-Brunet, Steven Gaeta, Tommy Paradis, Étienne Soucy
38 MERCI DE VOTRE ATTENTION!