연소 / 연소의 3요소 / 가연물, 산소, 점화원

연소란?

연소를 화학적으로 정의하면 '가연물이 공기 중의 산소와 화합하여 열과 빛을 발산하는 급격한 산화반응 현상'이라고 할 수 있다. 다시 말해 단순히 물질이 산소와 결합하여 산화반응을 일으킨다고 해서 모두 연소라고 하지 않는다. 동시에 빛과 열을 발산해야 하기 때문이다. 그래서 철이 녹스는 현상(산화철의 생성반응)은 철이 산소와 결합하는 산화반응이지만 빛과 열이 발생되지 않고 반응속도가 느리기 때문에 연소라고 하지 않는다. 또한 백열전구의 니크롬선이 빨갛게 빛과 열이 내지만 이것은 저항에 의해 빛과 열을 내는 것이지 산화반응이 아니기 때문에 또한 연소라고 하지 않는다.

ⓑ. 산화와 환원반응(Oxidation and Reduction Reaction)

연소의 정의에서 '가연물이 공기 중의 산소와 화합하여 열과 빛을 발산하는 급격한 산화반응 현상'이라고 하였다. 그럼 과연 산화반응이 무엇인지 알아보도록 하자.
① 산화란 산소와 결합하는 반응이고 환원이란 산소를 잃는 반응이다.
②산화란 수소를 잃는 반응이고 환원이란 수소를 얻는 반응이다.
③산화란 전자를 잃는 반응이고 환원이란 전자를 얻는 반응이다.
④산화란 산소수가 증가하는 반응이고 화원이란 산화수가 감소하는 반응이다.
⑤산화제란 자신은 환원되고 과 다른 물질을 산화시키는 물질을 말하는데 연소에서 산소를 가지고 있는 물질들이 산화제가 된다. 이와 반대로 환원제란 자신은 산화되고 다른 물질을 환원시키는 물질을 말한다.
ⓒ. 연소의 반응식
탄화수소로 이루어진 가연물이 완전연소 하면 이산화탄소와 수증기가 생성된다.

2. 연소의 필수 요소

연소가 일어나기 위해서는 연소의 3요소인 가연물(환원제), 산소공급원(산화제), 점화원이 꼭 구비되어야 하고, 이 중 하나라도 구비됮 ㅣ않으면 연소는 일어나지 않는다.

[1]가연물질

가연물이란 불에 타기 쉬운 물질이나 물건을 말한다.

(1) 가연물질의 구비요건
① 탄소(C) 수소(H) 산소(O) 등으로 구성된 유기화합물이 많다.
② 일반적으로 산화되기 쉬운 물질로서 산소와 결합할 때 발열량이 커야 한다.
③ 열전도율이 작아야 한다.(전도 : 기체 < 액체 < 고체)
④ 연속적으로 연쇄반응을 일으키는 물질이어야 한다.
⑤ 산소와 접촉할 수 있는 비표면적이 큰 물질이어야 한다.
⑥ 조연성(지연성) 가스인 산소 염소와의 결합력이 강한 물질이어야 한다.
⑦ 연소반응을 일으키는 점화원의 활성화에너지(최소발화에너지)의 값이 적어야 한다.
⑧ 한계산소농도가 낮을수록 낮은 농도의 산소 조건에서도 연소가 가능하므로 가연물이 되기 쉽다.
⑨ 건조도가 높아야 한다(마른 나무가 젖은 나무보다 잘 탄다)
⑩ 화학적 활성도가 높아야 한다.(화학적 활성도가 높으면 화학적으로 물질이 불안정하다)

(2) 가연물이 될 수 없는 물질 및 반응
①더 이상 산소와 화학 반응을 일으킬 수 없는 물질(완전 산화물질)
 ⓐ이산화탄소 ⓑ오산화인 ⓒ산산화크롬 ⓓ산화알루미늄 ⓔ규조토

②산화흡열 반응물질 : 물질이 산소와 결합하는 산화반응을 하지만 그 반응이 발열반응이 아닌 흡열반응이라면 그 물질은 가연물이 아니다. 그 대표적인 예로 질소의 산화반응을 들 수 있다. 질소와 산소는 공기 중에서 대부분을 차지하는 물질이다. 그러나 질소와 산소는 화학적으로 안정되어 있어 쉽게 화학반응을 일으키지 않고 고온 고압 상태에서 주로 화학반응이 일어나게 되는데 화학 반응이 일어나면 발열반응이 아닌 흡열반응이 일어나게 된다.
③ 주기율표 18족(0족, 8A족)의 비활성기체

 ⓐ 주기율표의 18족에 속하는 물질은 비활성기체로써 산소와 반응하지 않는다.
 ⓑ 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈
④ 자체가 연소하지 아니하는 물질 : 흙 돌과 같이 물질 그 자체가 연소하지 않는 것도 불연성 물질로 취급한다.

(3) 가연물의 특성

가연물로서 연소가 잘 일어나기 위한 방법으로 가연물은 다음과 같은 특성을 가지고 있다.
① 열전도도, 활성화에너지, 인화점, 착화점, 점성, 비점, 비중이 낮을수록 위험하다
② 온도, 압력, 열량, 연소속도, 폭발범위(연소범위), 화학적 활성도, 건조도, 연소열이 클수록 위험하다.

2. 산소공급원

(1) 공기
공기 중에는 질소와 산소가 대부분을 차지하고 있으며 공기 중에 함유되어 있는 산소의 양은 전체 공기의 양의 21%로 연소에 필요한 산소의 주공급원이 된다.

(2) 산화제(산화성 물질)
연소반응에서 가연물에 산소를 공급해 주는 역할을 하는 물질을 산화성 물질이라고 한다.
ⓐ 제 1류 위험물(산화성 고체)는 산소를 포함하는 불연성 고체 물질로써 출격, 가열 등으로 물질이 분해되어 산소를 방출시킨다.
ⓑ 제 6류 위험물(산화성 액체)는 산소를 포함하는 불연성 액체 물질로써 충격, 가열 등으로 물질이 분해되어 산소를 방출시킨다.

(3) 자기연소성 물질(자기반응성 물질)
제 5류 위험물(자기반응성 물질)은 폭발적 연소현상을 일으키는 가연물질인 동시에 산소를 가지고 있어 산소 공급원 역할을 할 수 있다.

(4) 조연성 가스(지연성 가스)
가연물을 잘 탈 수 있게 도와주는 역할을 하는 가스로써 산소, 이산화질소, 산화질소, 불소, 오존, 염소 등이 있다.

3. 점화원

(1) 정의
가연물과 산소공급원이 연소범위를 만들었을 때 연소반응이 일어나기 위해서는 그림과 같이 활성화 상태까지 이르게 하는 최소의 에너지가 필요한데 이를 활성화에너지(최소발화에너지)라고 한다. 이 활성화에너지(최소발화에너지)를 공급해 주는 에너지원을 점화원이라 한다.

(2) 점화원은 종류
ⓐ 열적 점화원 : 고온표면, 적외선, 복사열 등
ⓑ 기계적 점화원 : 단열압축, 마찰, 충격
ⓒ 화학적 점화원 : 용해열, 연소열, 분해열, 자연발화에 의한 열 등
ⓓ 전기적 점화원 : 정전기, 전기저항 열, 낙뢰에 의한 열, 전기스파크, 유도 열, 유전 열 등
ⓔ원자력 점화원 : 원자의 핵으로부터 나오는 에너지이며 열, 압력, 방사선 등이 나온다.

4.(순조로운) 연쇄반응

가연물질의 연소과정에서 생성된 에너지가 연소반응을 계속 유발시키는 것을 연쇄반응이라고 한다. 화학반응 중 라디칼이 생성되는데 이 라디칼이 새로운 라디칼을 생성하여 화학반응을 지속적으로 유지시켜 주는 역할을 한다. 일반적인 불꽃연소(화염연소)에서 지속적인 연소가 일어나기 위해서는 연소하고 있는 부분이 미연소 부분에서의 가연성 가스를 지속적으로 생성시킬 수 있고 이를 재점화시킬 수 있는 크기 이상으로 공급되어야 한다.

(1) 불꽃연소
불꽃연소는 가연물, 산소 공급원, 점화원, 순조로운 연쇄반응으로 일어나는 연소로써 불꽃(화염)이 나타나는 연소이다.

(2) 작열연소(무염연소, 표면연소, 응축연소)
작열연소는 줄 조로 운 연쇄반응 없어 가연물, 산소 공급원, 점화원으로 일어나는 연소로서 불꽃 없이 불티만 존재하는 연소이다.

ⓐ 고온의 열을 받았을 때 산소와 직접 접촉하여 일어나는 연소이다. 표면연소를 하는 대표적인 물질로 숯 , 코크스, 금속분 등이 있다.

ⓑ 솜뭉치가 느린 속도로 탈 때처럼 연소속도가 느려 가연물의 표면으로 가연성 가스가 거의 대류를 일으키지 못하고 고농도 상태를 형성하면서 응축되어 그 표면에서 일어나는 연소이다.