연소론 : 소방원론

1. 연소의 정의

  ▣ #가연물이 공기중에 있는 산소와 반응하여 열과 빛을 동반하여 급격히 산화반응을  하는 현상

  ▣ 일종의 산화반응으로 그 반응이 너무 급격하여 열과 빛을 동반하는 발열반응

    ⊙ #산화반응 / 열과 빛을 동반

    ⊙ 연소가 아닌 것 : 쇠못이 녹이 슨다.

          ⇒ 녹이 스는 것은 산화반응에 해당하지만 열과 빛을 내지 않음

      ㉠ 산소와 결합하는 산화반응이어야 한다.

      ㉡ 발열반응이어야 한다.

      ㅇ③ 빛을 발생시켜야 한다. (단, 훈소(Smoldering)는 제외 : 훈소는 빛을 발생하지 않음)

           ※ A + B ⇒ C + D + 에너지 (kcal)

        ⊙ 일반적으로 화학반응은 에너지 변화를 동반하는데 반응에서 발생하는 에너지 변화가 클수록 반응 속도가

             빠르게 된다.

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2. 연소현상과 관련이 있는 것

   ① #부탄가스 라이터에 불이 붙었다.

   ② 황린을 공기중에 방치했더니 불이 붙었다.

   ③ 알콜램프에 불이 붙었다.

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3. 연소의 색과 온도 ★★★

   ※ 암, 적, 휘, 황, 백, 휘

색	암적색 (진홍색)	적색	휘적색 (주황색)	황적색	백적색	휘백색
온도 [℃]	700~750	850	925~950	1100	1200~1300	1500

4. 연소의 3요소 [표면연소 (작열연소)]

   ① 가연물 (연료)          ② 산소공급원 (산소)          ③ 점화원 (온도)

   ※ 연소의 4요소 [불꽃연소]

       ▣ 가연물, 산소공급원, 점화원, 순조로운 연쇄반응

   ※ 표면연소 [작열연소] : 철은 불꽃에 가열하면 빨갛게 되는데 이것은 철의 표면에 연소되는 현상인데 이를 표면연소

                                          또는 작열연소라고 한다.

   ※ 목재의 연소 : 표면연소(훈소) → 불꽃연소 → 표면연소 → 표면연소 (훈소)

      ⊙ 표면연소는 가연성 기체가 발생하지 않기 때문에 나타나는 현상이다.

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가. 가연물의 구비조건 (연소하기 쉬운 조건)

  ① #열전도율 이 작을 것 (에너지(열) 축적이 쉬울 것)

    ⊙ 물질은 금속과 비금속이 있는데 일반적으로 비금속이 불에 잘 탄다. 그 이유는 비금속은 열전도율이 작기 때문에

         연소가 잘 된다.

  ② 발열량이 클 것 (연소열이 크다)

    ⊙ 발열량 : 탄소수가 적다 < 탄소수가 많다.

  ③ #활성화 #에너지 가 작을 것 (점화 에너지, 임계점이 낮을 것)

     ※ 활성화 에너지란 화학반응을 하기 위해서 필요로 하는 에너지로 활성화에너지가 작은 물질은 작은 에너지를

         가하더라도 쉽게 반응을 시작할 수 있다.

    ㉠ 활성화 에너지 : 프로판 < 가솔린 < 경유 < 목재

    ㉡ 활성화 에너지 : 탄소수가 적다 < 탄소수가 많다.

  ④ 산소와 친화력이 클 것

    ㉠ 산소와 친화력 : 금속(+이온) > 비금속 (-이온)

    ㉡ 산소와 친화력 : 1족 > 2족 > ··· > 6족 > 7족

 

  ⑤ #표면적 이 넓을 것 ( 고체 < 액체 < 기체) : 분자크기가 작을 수록

  ⑥ 연쇄반응을 일으킬 수 있을 것

  ⑦ 수분이 적을 것

  ⑧ 주위 온도가 높을 수록

      ⊙ 10[℃] 상승시 반응속도는 2~3배 빨라진다.

      ⊙ 50[℃] 상승시 : 25배 23배 빨라진다.

  ⑨ 주위 압력이 클수록

  ⑩ 화학적으로 불안정할 수록 : 반응성이 풍부할 수록

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가-1. 가연물이 될 수 없는 물질

  ① 화학적으로 안정된 물질으로 산소와 더 이상 화학반응할 수 없는 물질

  ② 불활성, 비활성기체 (8족, 0족)

  ③ 산화반응을 하는데 흡열반응을 하는 물질

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나. 산소공급원

  ▣ 가연물이 연소하기 위해서는 가연물이 산화반응을 하기 위한 산소가 필요하다.

       이 때 산소를 공급해 줄 수 있는 인자를 산소공급원이라고 하며 물질의 연소를 도와준다하여

       조연성 또는 지연성 가스라고 한다.

   ① 산소         ② 공기(바람)        ③ 산화계

   ④ 위험물 - 제1류 : 산화성 고체 : 질산나트륨, 과산화나트륨

                      제5류 : 자기반응성물질 (물질내부에 산소공급원을 충분히 가진 물질)

                      제6류 : 산화성액체 : 과산화 수소

   ⑤ 지연성 가스 (조연성 가스) : 산소, 불소, 염소, 오존

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   ※ 물질의 상태(고체, 액체, 기체)의 구분

       ⊙ 1기압(상압), 20[℃] (상온) 기준

   ※ 상태별 % 구분

      ⊙ 기체의 % : 체적 % = 압력 % = 몰 %

      ⊙ 액체, 고체의 % : 무게 % (중량 %, 질량 %)

공기중 산소의 %          21 % : 체적 % = 압력 % = 몰 %         하지만 중량 % = 23 % 이다.

   ※ 원자량

       ㉠ 수소 H = 1 ㉡ 탄소 C = 12 ㉢ 질소 N = 14 ㉣ 산소 O = 16  ㉤ 불소 F = 19 ㉥ 염소 Cl = 35.5 ㉦ 브롬 Br = 80

       ㉧ 요오드 I = 127   ㉨ 아르콘 Ar = 40

   ※ 산소 (O2)의 중량 %​

   ※ 공기의 구성성분

     ① 질소(N2) : 78 % = 78 vol %

     ② 산소 (O2) : 21 % = 21 vol %

     ③ 아르곤(Ar) : 1 % = 1 vol %

     ④ 이산화탄소 (CO2) : 0.03% = 0.03 vol %

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   ※ 위험환경 : 산소농도 23 %

                        일반 : 21 %

                        불안전 연소 : 18 %

                        최소산소농도 : 15 %

    ⊙ 일반적으로 연소가 되기 위해서는 공기중의 산소농도가 15 [%] 이상이어야 한다.

         ◈ 최소산소 농도 (MOC)

    ⊙ 가연물이 연소시 필요로 하는 최소 농도

       ※ 산소농도가 MOC 미만이 되면 연소가 중지되며, 연소성이 우수한 가연물일 수록 MOC가 작다.

  [증기압과의 관계]

     ㉠ 증기압이 높다 = 기체가 되기 쉽다 = 증발이 쉽다

         * 증기압 : 액체가 기체가 되려고 하는 압력

            ⊙ 비등점이 낮다. ⊙ 인화점이 낮다.

         * 비등점 : 물 100[℃], 알코올 78 [℃]

     ㉡ 탄소수가 적다 → 증기압이 높다.

         * 메탄 CH4, 에탄 C2H6, 프로판 C3H8, 부탄 C4H10, 펜탄 C5H12 (액체)

비등점의 정의 : 어떤 물질의 증기압이 대기압과 같아질 때의 온도

​다. 점화원 (온도)

   ▣ 가연물이 연소하기 위해서는 가연물과 산소가 반응하게 하는 에너지가 필요로 하는데 이를 활성화 에너지,

        착화 에너지 또는 점화 에너지라고 한다.

   ▣ 에너지의 종류

      ① 화학적 에너지         ② 기계적 에너지           ③ 전기적 에너지

  [화학적 에너지] - 화학반응에 의하여 에너지가 발생

       ㉠ 연소열           ㉡ 자연발열            ㉢ 분해열            ㉣ 용해열

  [기계적 에너지]

       ㉠ 마찰열           ㉡ 스파크               ㉢ 압축열

  [전기적 에너지]

   ㉠ 저항가열     ㉡ 유도가열        ㉢ 유전가열        ㉣ 아크가열        ㉤ 정전기가열       ㉤ 분해에 의한 가열

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  [점화원이 될 수 있는 것]

     ① 불씨   ② 불꽃 ③ 고온표면   ④ 단열압축   ⑤ 마찰   ⑥ 충격   ⑦ 전기불꽃  ⑧ 복사열  ⑨ 자연발화  ⑩ 정전기

   * 단열압축 : 부피를 작게 하면 분자의 활동이 증가하여 분자간에 충돌이 많아지고 이로 인해 에너지가 증가하여

                       점화원이 될 수 있다.

   * 단열이란 말은 에너지의 출입이 없다는 말이다.

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   ※ 점화원이 될 수 없는 것

     ① 단열팽창

         * 단열팽창 : 부피가 커지면 분자활동이 감소하여 분자간 충돌이 작아져서 에너지가 감소하게 되어 점화원이 될 수

                             없다.

     ② 기화열 (증발열) : 기화를 하려면 에너지가 필요하므로 주변 에너지를 흡수한다.

     ③ 냉각열

     ④ 용해열

     ⑤ 흡착열

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5. 연소의 4요소 (4면체적 요소)

       = 연소의 3요소 + 순조로운 연쇄반응

   ▣ 불꽃 연소의 경우 연소의 3요소 이외에 계속적인 산소공급이 필요하다.

   ▣ 발생된 가연성 기체는 지속적이고 순조롭게 산화반응을 할 수 있어야 하는데 이러한 반응을 연쇄반응이라고 한다.

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6. 연소의 형태

   가. 불꽃 연소 : 가연성 기체가 공기와 혼합하며 연소하는 일반적인 연소 형태

   나. 표면연소 : 가연성 기체 없이 가연물이 표면에서 산화만을 하는 연소형태

   [가연물의 상태별 연소의 형태]

     ① 기체 가연물

        ㉠ 확산연소 : 기체 가연물의 일반적인 연소 형태

        ㉡ 예혼합연소 : 에너지 효율을 고려해 연료와 공기를 적절한 비율로 혼합하여 연소시키는 형태

       * 예혼합연소 

         도시가스는 메탄 CH4 이다,

         메탄의 연소범위는 공기중의 농도 5 ~ 15 [%] 이다.

         이 경우 공기 비중은 95 ~ 85 [%] 이다.

       ※ 연소범위 : 메탄의 경우 공기중의 농도가 5[%] 미만이어도 연소가 되지 않고 농도 15 [%]를 초과하여도 연소되지

                             않는다. 연소되는 범위를 말함.

     * 메탄의 열효율 : 메탄 7%와 공기 93%를 혼합할 경우 가장 열 효율이 높다.

   ② 액체 가연물 : 액체가 불이 붙는 경우는 하나도 없다. 연소가 되기 위해서는 액체가 기체로 바뀌어야 한다.

      ㉠ 증발연소 : 저비점 액체 가연물의 연소형태

           * 증발은 물질 자체는 변화지 않고 상태만 변한 것이고

           * 분해는 물질 자체가 변하는 것이다.

      ㉡ 분해연소 : 고비점 액체 가연물의 연소형태

           * 중유 (벙커C유) : 비등점 B.P 300 [℃] C20H40 ⇒ 크래킹 : 결합 중간을 끊어 프로탄이나 다른 가스로 분해해서

                                        사용한다.

           * 연소성 : 증발연소 > 분해연소

           * 증발연소 : 알코올, 가솔린 등 저비점 액체 가연물, 탄소수가 적은 물질

           * 분해연소 : 중유, 기계유, 실린더유 처럼 고비점 액체가연물, 탄소수가 커서 무거운 물질

   ③ 고체 가연물

       ㉠ 분해연소 : 고체가연물의 일반적인 연소형태 (목재가 대표적인 형태)

       ㉡ 표면연소 : 가연성 기체의 생성 없이 고체 표면에서 연소하는 형태

       ㉢ 증발연소 : 승화성 물질의 연소형태

          * 승화성 물질 : 황, 나프탈렌

       ㉣ 자기연소 : "가연물 + 산소공급원" 을 함께 지닌 물질의 연소형태

          * 5류 위험물 : 물질 내부에 충분한 양의 산소를 가지고 있는 물질, 질산에스테르류, 니트로화합물

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7. 연소가 확대되는 요인

   가. 접연 연소 : 불꽃이 계속 번져나가는 현상

   나. 비화 연소 : 옆으로 불꽃이 날아가 불이 번지는 현상

      ※ 비화연소 3요소

         ① 불씨          ② 바람           ③ 가연물 (주변)

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8. 가연성 가스와 지연성 가스 (조연성 가스)

   가. 가연성 가스

       ▣ 수소, 메탄, 일산화탄소, 천연가스, 메탄, 암모니아

   나. 지연성 가스

       ▣ 산소, 공기, 오존, 불소, 염소

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[연소속도에 영향을 주는 요소]

  ◈ 연소의 필요요소 (3요소, 4요소)의 각 인자에 적합여부에 의해 연소속도 (산화반응 속도)가 달라진다. 즉, 반응을

       잘할 수 있는 조건이면 연소속도가 빨라지고 그렇지 않은 경우는 연소속도가 느려진다.

▣ 연소가 빨라질 수 있는 조건     ㉠ 가연물 : 작을 수록, 금속성일 수록, 발열량이 클수록     ㉡ 산소공급원 : 산소의 농도가 높을 수록     ㉢ 점화원 : 온도가 높을 수록, 압력이 높을 수록     ㉣ 연쇄반응 : 열분해(기화)가 쉬울수록

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【 출제예상문제】

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1. 다음 중 연소와 가장 관련이 있는 화학반응은 ? ① 산화반응

 

2. 연소현상과 관계가 없는 것은 ? ④

   ① 부탄가스라이터에 불이 붙었다.

   ② 황인을 공기중에 방치했더니 불이 붙었다.

   ③ 알코올 램프에 불이 붙었다.

   ④ 공기중에 돌출된 쇠못이 녹이 슬었다.

 

3. 보통 화재에서 암적색 불꽃의 온도는 섭씨 몇 [ ℃] 정도인가 ?

    ② 700 ~ 750 [℃]

 

4. 연소의 3요소가 아닌 것은 ? ②

   ① 가연물         ② 소화약제          ③ 산소공급원         ④ 점화원

 

5. 가연물이 되기 위한 조건으로 가장 거리가 먼 것은 ? ①

   ① 열전도율이 클 것

   ② 산소와 친화력이 좋을 것

   ③ 표면적이 넓을 것

   ④ 활성화 에너지가 작을 것

 

6. #물질 의 연소시에 산소공급원이 될 수 없는 것은 ? ④

   ① #산화칼슘     ② 과산화나트륨      ③ #질산나트륨      ④ 압축공기

 

7. 공기중의 산소는 약 몇 [vol %] 포함 되어 있는가 ? ③

      21 [vol %]

 

8. 다음중 점화원이 될 수 없는 것은 ? ②

   ① #정전기        ② #기화열           ③ 전기불꽃           ④ 마찰열

 

9. 연소에서 연쇄반응은 어느 것에 해당하는가 ? ②

     연소의 4면체적 요소

 

10. 가연성 물질이 아닌 것은 ? ②

    ① 수소        ② 산소          ③ #메탄           ④ #암모니아