연소와 소화에 대하여 알아보기

연소 와 소화

１ 연소의 정의

물질이 빛이나 열 또는 불꽃을 내면서 빠르게 산소와 결합하는 반이다. 물질이 완전히 연소할 때 발생하는 열을 연소열이라고 하며 대부분의 연소반응은 발열반응이다.

주의

➀녹이생긴것은　산화반응은 맞으나 빛과 열을 않기 때문에 연소라고 하지 않는다．

➁질소의 경우 산화반응을 하지만 흡열반응을 하므로 산화라 하지않는다．

2. 연소의 3요소 및 4요소

-연소의 3요소 및 4요소중 어느 한 가지만 차단하여도 연소는 발생하지 않거나 지속되지 않는다.

(1) 연소의 3요소

불(연소)은 물질이 산소와 급격한 화학반응을 일으켜 열과 빛을 내는 강력한 산화반응현상이며 연료(가연물), 산소(공기), 열(발화원) 등 3가지 요소가 동시에 있어야만 연소가 이루어질 수 있어 이를 ‘연소의 3요소’라고 한다.

⓵ 연료(가연물) : 불에 탈 수 있는 물질을 말하며 이는 고체, 액체, 기체연료의 3가지로 구분된다.

⓶ 열(점화원) : 물질이 타서 불붙기 위해서는 반드시 열이 있어야 하는데, 이 열은 높은 열이어야 하며 그 양도 적당히 있어야 한다.

⓷ 산소(공기) : 물질이 열을 받아서 타려면 산소가 있어야 하며 산소가 없으면 불이 일어나지 않는다. 공기 중의 약 21%는 산소이며 연소하기 위해서 필요로 하는 산소의 양은 가연물질의 종류에 따라 서로 다르다. 대부분의 액체는 공기 중 산소 함량이 15% 이하로 줄어들면 불붙기 어려우며, 고체의 경우에는 6% 이하로 줄어들지 않으면 불은 계속 붙거나 그을면서 탄다.

(2) 연소의 4요소

연소의 3요소에 의해 연소는 시작되지만, 연소를 계속하기 위해서는 계속해서 분자가 활성화되고 연속적으로 산화 반응을 계속함에 의해 진행한다. 이 연쇄 반응을 추가하여 연소의 4요소라고 하는 수도 있다.

(연소의 4면체)

(연소의 3면체)

3.가연물 점화원 산소공급원

⓵ 가연물(연소가 가능한 물질)

(가) LPG(액화석유가스)

• 주성분 프로판(C3H8), 부탄(C4H10)

• 무미, 무색, 무취 ⇨ 누출 확인 위해 착취제첨가

• 무독성 가스이지만 폭발하기 때문에 위험

• 액화되면 물보다 가볍다

• 기화되면 공기보다 무겁다 ⇨ 유출되면 바닥에 깔리기 때문에 LNG보다 위험

(나) LNG(액화천연가스) – 도시가스

• 메탄(CH4)

• 무색, 무취

• 액화하면 물보다 가볍다

• 기화하면 공기보다 가볍다 ⇨ LPG보다 안전

(다) 가스의 주성분

증기비중(분자량 C = 12, H = 1, 공기 29)

• 메탄(CH4) 16/29 = 0.55 ⇨ 공기보다 가볍다

• 프로판(C3H8) 44/29 = 1.52 ⇨ 공기보다 무겁다

• 부탄(C4H10) 58/29 = 2 ⇨ 공기보다 무겁다

※ 가연물이 될 수 없는 물질

• 주기율표에서 18족 원소 ☞ 헬륨 네온 아르곤 크립톤 크세논 라돈

• 산소와 더 이상 반응하지 않는 물질(완전 연소 생성물)

☞ 물, 이산화탄소, 산화알루미늄, 오산화인

• 흡열반응 물질 ☞ 질소, 프레온

※ 특수 가연물

※ 합성고분자 물질

• 열가소성 수지 : 열에 의해서 변형이 가능한 물질

☞ PVC수지, 폴리에틸렌수지, 폴리스틸렌수지, 폴리아세트산 비닐

• 열경화성 수지 : 열에 의해서 굳어버리는 물질

☞ 페놀수지, 요소수지, 멜라민수지

⓶ 점화원(불을 붙여주는 물질)

점화원의 분류

1. 전기적 열에너지

(1) 유도열

(2) 유전열(누설전류에 의해..)

(3) 저항열

(4) 아크열 아크(불꽃)

(5) 정전기열

※ 정전기 : 부도체의 마찰에 의해 발생되는 전기

※ 정전기의 발생 순서

☞ 부도체의 마찰에 의해 전하가 발생 ⇨ 전하가 흐르지 못하고 축적해 전위가 상승 ⇨ 전하가 방전 ⇨ 열발생

⇨ 점화 ⇨ 발화

※ 정전기 방지대책★

• 도체사용(축적 방지)

• 접지

• 상대습도를 70% 이상으로 유지

• 공기를 이온화 시킨다

2. 기계적(물리적) 에너지원

(1) 압축열

(2) 마찰열

(3) 마찰 스파크

3. 화학적 열에너지원

(1) 연소열

(2) 용해열(농황산, 묽은 황산)

(3) 분해열

(4) 생성열

(5) 자연 발화열 : 외부의 열을 공급받지 않고 내부 반응열의 축적만으로 온도가 상승하여

발화점에 도달하여 연소를 일으키는 현상

⓷ 산소 공급원

산소 공급원이 될 수 있는 물질 = 산소를 함유하고 있는 물질 산소, 공기, 위험물 등

• 제 1류 위험물 (산화성 고체)

• 제 5류 위험물 (자기 반응성 물질)

• 제 6류 위험물 (산화성 액체)

• 지연성(=조연성) 가스, 물질 = 산소, 불소, 염소, 오존

• 공기(압축공기)

◎ 연소범위(= 연소한계 = 폭발범위 = 폭발한계) : 연소가 일어나는 데 필요한 공기 중의 가연성 가스의 농도

가스	하한계	상한계	위험도	가스	하한계	상한계	위험도
수소	4.0	75.0	17.75	벤젠	1.4	7.1	4.07
일산화탄소	12.5	74.0	4.92	톨루엔	1.4	6.7	3.79
시안화탄소	6.0	41.0	5.83	메틸알코올	7.3	36.0	3.93
메탄	5.0	15.0	20.0	에틸알코올	4.3	19.0	3.42
에탄	3.0	12.4	3.13	아세트알데히드	4.1	57.0	12.9
프로판	2.1	9.5	3.31	에테르	1.9	48.0	24.26
부탄	1.8	8.4	3.67	아세톤	2.6	12.8	3.92
에틸렌	3.1	32.0	9.32	산화에틸렌	3.0	80.0	25.67
프로필렌	2.0	11.1	4.55	산화프로필렌	2.5	38.5	14.4
아세틸렌	2.5	81.0	31.4	염화비닐	4.0	22.0	4.5
암모니아	16.0	25.0	0.56	아황화탄소	1.2	44.0	4.3
황화수소	4.0	44.0	1.0	가솔린	1.4	7.6	4.43

◎ 위험도(H)

H = (U-L)/L = 연소의 범위/연소 하한계

U : 연소 상한계

L : 연소 하한계

◎ 혼합가스의 폭발 하한계(르 샤틀리에 법칙)

100/L = V1/L1 + V2/L2 + Vn/Ln

L : 혼합가스의 폭발 하한계

L1, L2, L3 : 각 성분의 단독 폭발 한계치

V1, V2, V3 : 각 성분의 체적

2.소화의 원리

화재의 소화는 연소의 요소 즉 가연물, 산소공급원, 점화원(열) 및 연쇄반응의 네가지 중에서 어느 한 가지 또는 둘 이상을 제거함으로서 연소반응을 중지시키는 것이며, 기본소화방법은 화재시 온도를 발화점 이하로 냉각시키는 냉각소화, 산소의 공급을 차단시키는 질식소화, 가연물을 화재현장으로부터 제거시키는 제거소화, 연쇄반응을 차단시키는 부촉매소화 등의 방법이 있다.

(1)제거소화

제거소화란 연소물이나 화원을 제거하여 소화하는 방법을 말한다. 화재현장에서 대상물을 파괴 제거하여 연소를 방지하거나, 대형 화재시 일정 범위의 건물을 제거하여 방어선을 만들어 연소를 방지하는 경우, 도시가스 누출 화재시 밸브를 잠궈 가스공급을 차단하는 것, 전기화재시 전원차단 등이 이 방법이다.

(2)냉각소화

냉각소화란 연소의 요소 중 발화원(열)을 발화점 이하로 냉각시켜 소화하는 방법을 말한다. 일반적으로 타고 있는 물체에 물을 뿌려서 소화하는 방법으로 냉각소화에는 물이 대표적이며 구하기 쉽고, 값이 싸고, 냉각효과가 가장 뛰어난 성질을 가지고 있다.

(3)질식소화

질식소화란 가연물의 연소에 필요한 산소를 차단하거나 그농도를 낮추어 소화하는 방법을 말하며, 대부분의 가연물 화재는 산소농도 15% 이하가 되면 소화된다.

어떤 화학반응에서는 한 분자가 반응하여 생성되는 에너지나 생성물질이 다른 분자에 작용하여 다음 반응이 계속 일어나는 일이 있는데, 이와 같은 메커니즘에 의해 진행되는 반응을 연쇄반응이라 한다. 화학반응에서 볼 수 있는 연쇄폭발반응이나 중합반응 외에, 핵폭발에서 볼 수 있는 핵분열연쇄반응 등이 있다.

예를 들면, 수소와 염소의 1 대 1 혼합기체인 염소폭발성기체(鹽素爆發性氣體:鹽素爆鳴氣:chlorine detonating gas)는 빛을 조사(照射)하면 폭발적으로 반응하여 염화수소를 생성하는데 이 경우는,

Cl2 → 2Cl ①

Cl + H2 → HCl + H ②

H + Cl2 → HCl + Cl ③

와 같은 3단계 과정에 의해서 진행된다.

①의 반응은 하나의 염소분자가 빛에너지를 흡수하여 일어나며, 여기서 생긴 Cl은 활성이 강한 들뜬상태[勵起狀態]가 되어, ②의 반응이 일어나 가까운 수소분자와 충돌하여 염화수소를 만들고, 동시에 활성이 있는 H를 만든다. 이것이 ③의 반응과 같이 염소분자와 반응하여 HCl을 만듦과 동시에 활성이 있는 Cl을 생성한다. 이 Cl은 다시 ②의 반응으로 H를 생성하고, 반복하여 반응이 진행된다. 이 반응은 ② 또는 ③의 반응에서 생긴 H 및 Cl이

H + H → H2, Cl + Cl → Cl2

와 같은 반응으로 진행을 정지시키지 않는 한 모든 반응 분자에 대하여 무한히 계속된다. 실제로는 이와 같은 연쇄정지반응에 의해 반응이 소멸하는데, 1개의 염소분자가 해리(解離)하는 연쇄개시반응에 의해서 100만 개 정도의 염화수소 분자가 생긴다.

(4)피복소화

질식소화의 형태로 이산화탄소 등이 피복을 입히듯 하여 소화

(5)유화소화

물분무입자에 의해 냉각이 일어나 이에 따라 유류의 증발능력을 떨어뜨려 소화

(6)부촉매소화

할론의 연쇄반응차단에 의한 소화

3.연쇄반응

연쇄반응의 개념은 처음에 화학분야에서 도입되었으나, 물리학분야에서도 핵분열연쇄반응이 잘 알려져 있다. 우라늄이나 플루토늄의 원자핵에 중성자가 충돌하면 핵분열을 일으키는데, 1개의 핵분열로 평균 2.5개의 중성자(中性子)가 발생한다. 이 중성자가 또 다른 원자핵에 충돌하여 핵분열을 일으켜서 중성자를 발생시키고, 이것을 반복하여 연쇄반응을 일으키게 된다. 원자폭탄은 이러한 연쇄반응이 순간적으로 일어나 핵분열에 의한 에너지가 한꺼번에 방출되도록 한 것이며, 원자로(原子爐)는 연쇄반응이 조용히 일어나도록 한 것이다.

핵분열연쇄반응의 예로서 우라늄의 경우 중성자 하나를 흡수하는 핵분열이 일어나면 두 개의 작은 핵으로 갈라지며 원자핵 속의 2~3개의 중성자를 원자핵 밖으로 내보낸다. 이 중성자는 다시 주위의 다른 우라늄 원자핵을 분열시키는데 이용될 수 있다. 따라서 이 과정은 계속하여 진행된다.

이 연쇄과정이 통제되지 않고 계속 일어나는 경우 핵분열 반응을 하는 핵의 수는 기하급수적으로 늘어난다. 이것이 원자폭탄의 원리이다. 이러한 계속적인 반응을 조절하기 위하여 우라늄 연료 내부에 중성자를 쉽게 흡수하는 흑연과 같은 물질을 삽입하면 핵분열 과정에서 방출되는 2~3개의 중성자 중에서 1~2개를 흑연이 흡수하고 나머지 하나만 핵분열에 이용된다. 따라서 핵분열 반응의 수를 일정하게 유지할 수 있다.

연쇄반응이 일어나기 위해서는 핵분열에 의해 생산된 중성자들 중 실제로 다음의 핵분열을 유도하는 중성자의 개수 k(재생산율: reproduction factor)가 1보다 크거나 같아야 하는데, 1보다 매우 클 경우 반응 속도는 폭발적으로 증가한다.

재생산률은 여러 조건에 영향을 받는다. 분열에서 생산되는 빠른 중성자(K＝1MeV)보다는 느린 중성자(K＝0.01eV)가 중성자-유도 분열에 유리하며, 일정량 이상의 물질이 필요하다. 연쇄반응이 일어나기 위한 물질의 최소 질량을 임계질량이라고 한다.

여기까지 연소와 소화였습니다 날씨가 많이 춥습니다 다들 감기조심하시고 다음시간에 더욱 유익한 정보로 찾아뵙겠습니다 감사합니다.

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