● 연소(燃燒, Combustion)
1. 정의
물질이 산소와 화합할 때 다량의 열과 빛을 발하는 현상을 말한다. 설탕이나 에탄올 등은 공기 중에서 가열되면 연소하지만 소금은 아무리 가열되어도 타지 않는다. 이와 같이, 물질에는 가열되면 타는 것과 타지 않는 것이 있다
- 가연성 물질이 산소와 만나 빛과 열을 수반하며 급격히 산화하는 현상
= 물질이 산화제와 화합하여 열과 빛을 발생하는 급격한 산화반응
= 빛과 발열반응을 수반하는 산화반응
2. 산화반응, 환원반응
| 구분 | 산소 | 전자 | 수소 |
| 산화반응 | 얻음 | 잃음 | 잃음 |
| 환원반응 | 잃음 | 얻음 | 얻음 |
3. 발열반응
일반적으로 가연물은 연소반응이 일어날 정도의 에너지 상태가 되어야 한다. 이 에너지 상태를 활성화 에너지(Potential Energy)라고 하며, 가연물은 활성화 에너지를 받아 활성 상태가 된 후, 점화원에 의해 연소하며 산화반응을 거쳐 에너지를 외부에 방출한다. 이러한 반응을 연소의 발열반응(Exothermic Reaction)이라고 한다.
이때 방출된 에너지는 다시 주위의 가연물을 활성화시키게 되고, 남은 양의 에너지는 반응열로 축적 및 발산되며 연소가 지속된다. 이때의 반응속도는 아레니우스의 화학반응속도론에 의해 온도는 가속적으로 상승하게 된다.
● 연소의 조건
1. 연소의 3요소 : 가.산.점
- 가연물, 산소공급원, 점화원
2. 연소의 4요소 : 가.산.점.연
- 가연물, 산소공급원, 점화원, 연쇄반응
3. 가연물
- 불에 타기 쉬운 물질이나 물건으로 산소와 반응시 발열에 의하여 연소가 계속되기 쉬운 것
- 가연물은 산화되기 쉬운 물질이라 할 수 있고 산화되기 쉽다는 것은 활성화(점화) 에너지가 작고 발열량이 많아 연소하기 쉽다는 말이다.
1) 가연물의 구비조건
- 산소와 친화력이 커야 한다 (산화되기 쉬울 것)
- 산소와 접촉할 수 있는 비표면적이 넓어야 한다 (고체 < 액체 < 기체)
- 발열량이 커야 한다.
- 화학적 활성도가 커야 한다
- 활성화에너지가 작아야 한다 = 화학반응시 필요한 최소에너지 값은 작아야 한다
- 최소발화에너지가 작아야 한다
- 열전도율(열전도도)이 작아야 한다 (고체 > 액체 > 기체)
- 수분 함유량이 적어야 한다
- 열용량이 작아야 한다
- 한계산소농도가 작아야 한다
- 발열반응을 해야 한다
- 열의 축적이 용이해야 한다 (고체 > 액체 > 기체)
- 연쇄반응을 수반해야 한다
- 점화에너지가 작아야 한다
| ● 가연물이 되기 쉬운 조건 : 가연산 활성화에 열전발표 1. 연쇄반응을 일으킬 수 있을 것 : 연소의 4요소 2. 산소와의 친화력이 클 것 3. 활성화에너지가 작을 것 4. 열전도율이 적을 것 : 기체<액체<고체 5. 발열량이 클 것 6. 표면적이 넓을 것 : 기체>액체>고체 |
※ 산소는 가연성물질이 아닌 조연성(지연성)물질이다
※ 가연물은 고체, 액체, 기체의 상을 가질 수 있다
2) 가연물이 될 수 없는 물질
- 불활성기체: 헬륨(He), 아르곤(Ar), 네온(Ne), 크세논(Xe), 라돈(Rn), 크립톤(Kr)
- 완전산화물질: 이산화탄소(CO2), 물(H2O), 삼산화황(SO3), 오산화인(P2O5), 규조토(SiO2)
- 흡열반응하는 물질: 산소와는 반응하나 발열반응이 아닌 흡열 반응하는 물질, N2, 질소산화물 등
4. 산소공급원
① 공기
② 산화성물질(산화제)
- 분자 내의 다량의 산소를 함유하고 있는 물질
- 제1류 위험물(산화성 고체) : 염소산염류(NaClO3, KClO) 등
- 제6류 위험물(산화성 액체) : 과산화수소(H2O2), 질산(HNO3) 등
- 기타: 오존, 불소, 염소 등
③ 자기반응성물질
- 제5류 위험물
- 연소에 필요한 산소공급원을 함유하고 있는 물질로서 연소속도가 빠르고 폭 발적인 연소현상을 일으킨다.
- 니트로글리세린(C3H5N3O9), 니트로셀룰로오스, TNT(C7H5N3O6) 등]
④ 조연성 가스
- 자기 자신은 타지 않고 가연물을 잘 탈 수 있도록 도와주는 가스
5. 점화원
- 가연물이 연소를 시작할 때 가해지는 활성화 에너지로 생성물질을 형성하는 데 필요한 에너지
1) 전기적 점화원
- 저항열, 아크열, 낙뢰, 정전기, 유도열, 누전열, 유전열 등 ☆
① 정전기
- 전하의 이동이 적어 전기가 흐르지 못하고 축적되어 있는 전기
- 발생과정
- 대전서열이 멀수록
- 물페 표면적이 거칠수록
- 분리속도가 빠를수록
- 접촉압력과 면적이 클수록
- 방지대책
- 정전기 발생이 우려되는 장소에 접지를 한다 ☆
- 상대습도 70% 이상 유지 ☆☆
- 전도성이 큰 물체(도체) 사용 ☆
- 배관 내 유속을 제한 ☆
- 공기를 이온화하여 정전기 발생을 예방한다 ☆
- 대전방지제를 사용한다
- 제전기를 사용한다
② 저항열
- 백열전구의 필라멘트와 같이 도체에 전류가 흐르면 저항인자에 의해 열이 발생된다.
③ 유도열
- 자기장 내 도선에는 전류가 유도되는데 이 유도전류에 의한 발열을 말한다
④ 유전열
- 전선피복의 절연불량 등으로 인한 누설전류에 의해 발생되는 열
⑤ 아크열
- 아크 방전 때 일어나는 높은 열
- 아크방전: 전극에 전위차가 발생하여 전극 사이의 기체에 지속적으로 발생하는 절연 파괴의 일종이다
2) 화학적 점화원
- 용해열, 연소열, 분해열, 자연발열 등
① 용해열
- 용질 1mol이 용매에 섞일 때 출입하는 반응열
- 강산이 물에 용해될때 발생되는 열
② 연소열
- 어떤 물질 1㏖이나 1g이 완전히 연소할 때 발생하는 열량이나 발열량
③ 분해열
- 물체가 분해할 때 관여하는 열의 양
3) 기계적 점화원
- 기계를 압축시키면서 발생되는 열
- 마찰열, 충격에 의한 열(스파크), 단열압축열 등
4) 열적 점화원
- 고온표면, 적외선, 복사열 등
- 고온표면
- 가열로, 전열기, 배기관 등의 고온부
- 가스절단의 불꽃, 용융금속 등의 고온
5. 연쇄반응
- 화학반응 중 생성된 물질로 인해 화학반응을 지속적으로 유지시키는 것
- 불꽃연소를 관찰할 수 있다
- 연소의 4요소 중 하나로 화학적 반응에서 지속적으로 활성라디칼(O+ , OH+ , H +)이 발생되는 과정
- 활성라디칼이 원인계->생성계->원인계로 이동하면서 반응이 지속되는 과정
- 연쇄반응이 지속되기 위해서는 물질의 전파반응, 분기반응을 통해 연쇄전달체가 지속되어야 한다.
- 화학적 소화 (부촉매소화) 즉, 연쇄반응억제는 이러한 연쇄전달체의 발생을 억제하여 연쇄반응을 차단함으로서 소화하게 됨 ☆
6. 소화 원리
- 연소의 3요소 또는 4요소 중 한 가지만 차단해도 연소는 발생되거나 지속되지 않는다
- 가연물제거: 제거소화 (물리적소화)
- 산소공급원 제거: 질식소화 (물리적소화)
- 점화원 제거: 냉각소화 (물리적소화)
- 연쇄반응 차단: 부촉매소화, 억제소화 (화학적소화)
기출문제
Q 불활성 가스에 해당하는 것은?
① 수증기 ② 일산화탄소 ③ 아르곤 ④ 아세틸렌
【해설】 정답 ③
가연물이 될 수 없는 조건
- 산화반응이 완전히 끝난 물질
- 질소 또는 질소산화물 (흡열반응하기 때문)
- 주기율표상 18족 원소 (불활성기체) : He(헬륨), Ne(네온), Ar(아르곤), Kr(크립톤), Xe(크세논), Rn(라돈)
Q 연소의 4요소에 해당하는 것으로 옳지 않은 것은?
① 폭발적이고 빠른 속도로 연소하는 자기반응성 물질
② 기체를 압축시키면서 발생되는 열
③ 산화반응을 하는 가연물
④ 공기 중에 질소가스를 봉입하는 것
【해설】 정답 ④
연소의 4요소 - 가연물, 산소공급원, 점화원, 연쇄반응
Q 연소반응은 빛과 발열을 동반하는 산화반응이다. 산화반응 중 연소반응으로 옳지 않은 것은?
① C + O2 -> CO2
② N2 + O2 -> 2NO
③ 2NH3 + 3/2O2 -> 3H2O + N2
④ 2HCN + 5/2O2 -> 2CO2 + H2O + N2
【해설】 정답 ②
Q 점화원으로 옳지 않은 것은?
① 분해열 ② 저항열 ③ 기화열 ④ 단열압축열
【해설】 정답 ③
Q 양초와 같은 연소형태를 갖는 것으로 옳은 것은?
① 섬유 ② 나프탈렌 ③ 히드라진 유도체 ④ 목탄
【해설】 정답 ②
섬유: 분해연소
나프탈렌: 증발연소
히드라진유도체: 자기연소
목탄: 표면연소
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