연소의 3요소
가연성 물질이 연소하기 위해서는 산소(공기) 및 점화원이 있어야 하며, 이를 “연소의 3요소”라 말한다. 한편, 화학반응에서는 한 분자가 반응하여 생성되는 에너지가 다른 분자에 작용함으로써 다음 반응이 계속 일어나는 것을 연쇄반응이라 말하며, 연소라는 화학반응을 계속 유지하기 위해서는 이러한 연쇄반응이 필요하며, 이를 포함하여 “연소의 4요소”라 말한다.
1. 가연성 물질
쉽게 불에 탈 수 있다는 의미로 이연성(易燃性) 물질이라고도 한다. 우리 주위에 무수히 많이 존재하는 대부분의 유기화합물, 금속(Na 및 Mg 등), 비금속(탄소, 인, 황 등), 가연성 가스(LPG, LNG, CO 등)가 가연성 물질에 해당한다. 즉, 산화하기 쉬운 물질이며 이는 산소와 발열반응을 일으키는 물질을 말한다. 불연성 물질은 반대로 산화하기 어려운 것(활성화 에너 지가 큰 물질)으로서 물, 흙과 같이 이미 산화되어 더 이상 산화되지 않는 물질이다.
가. 가연물질의 구비조건
가연물질이 되기 위해서는 다음과 같은 조건을 구비하여야 한다.
1) 화학반응을 일으킬 때 필요한 최소의 에너지(활성화 에너지)의 값이 적어야 한다.
2) 일반적으로 산화되기 쉬운 물질로서 산소와 결합할 때 발열량이 커야 한다.
3) 열의 축적이 용이하도록 열전도의 값이 적어야 한다. [열전도율 : 기체 < 액체 < 고체 순서로 커지므로 연소순서는 반대이다]
4) 조연성 가스인 산소, 염소와의 친화력이 강해야 한다.
5) 산소와 접촉할 수 있는 표면적이 큰 물질이어야 한다.(기체 > 액체 > 고체)
6) 연쇄반응을 일으킬 수 있는 물질이어야 한다.
나. 가연물이 될 수 없는 조건
1) 주기율표 0족의 불활성기체로서 이들은 결합력이 없으므로 산소와 결합하지 못한다.
- 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe) 등
2) 이미 산소와 결합하여 더이상 산소와 화학반응을 일으킬 수 없는 물질
- 물(H2O), 이산화탄소(CO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화규소(SiO2), 오산화인(P2O5), 삼산화황(SO3), 삼산화크롬(CrO3), 산화안티몬(Sb2O3) 등
※ 일산화탄소(CO)는 산소와 반응하기 때문에 가연물이 될 수 있다.
3) 산소와 화합하여 산화물을 생성하나 발열반응을 하지 않고 흡열반응하는 물질
- 질소 또는 질소 산화물 N2, NO 등
4) 자체가 연소하지 아니하는 물질 : 돌, 흙 등
2. 산소 공급원
보통 공기 중에는 약 21vol%의 산소가 포함되어 있어서 공기는 산소공급원 역할을 할 수 있다. 일반적으로 산소의 농도가 높을수록 연소는 잘 일어나고 일반 가연물인 경우 공기 중의 산소농도가 15vol% 이하에서는 연소가 어렵다. 이 밖에도 물질 자체가 분자 내에 산소를 보유하고 있어서 마찰·충격 등의 자극에 의해 산소를 방출하는 물질이 있는데 이를 산화성물질이라 하며 화재에서 산소 공급원 역할을 하는 위험한 물질이므로 「위험물안전관리법」에서 위험물로 분류하여 관리하고 있다.
가. 공기
일반적으로 공기 중에 함유되어 있는 산소(O2)의 양은 공기의 부피비율을 기준으로 21vol%, 질량비율을 기준으로 23wt%가 존재한다. 연소에 필요한 산소는 공기 중의 산소가 이용된다.
나. 산화제
「위험물안전관리법」에 따른 위험물의 분류 상 제1류(산화성고체)·제6류(산화성액체)에 해당하는 물질로서 가열·충격·마찰에 의해 산소를 발생한다. 산소를 함유하고 있는 강산화제로서 제1류 위험물에는 염소산염류, 과염소산염류, 과산화물, 질산염류, 과망간산염류, 무기과산물류 등이 있으며, 제6류 위험물에는 과염소산, 질산 등이 있다.
1) 과산화칼륨(K2O2) : 물과 접촉하거나 가열하면 산소를 발생시킨다.
2) 과산화나트륨(Na2O2) : 수용액은 30~40℃의 열을 가하면 산소를 발생시킨다.
3) 질산나트륨(NaNO3) : 조해성이 있어 열을 가하면 아질산나트륨과 산소가 발생한다.
다. 자기반응성물질
「위험물안전관리법」 상 제5류 위험물에 해당하는 물질로서 분자 내에 가연물과 산소를 충분히 함유하고 있기 때문에 연소 속도가 빠르고 폭발을 일으킬 수 있다. 니트로글리세린 (NG), 셀룰로이드, 트리니트로톨루엔(TNT) 등이 이에 해당한다.
라. 조연성 물질
자신은 연소하지 않고 가연물의 연소를 돕는 기체로 산소(O2), 불소(F2), 오존(O3), 염소 (Cl2)와 할로겐원소 등이 있다.
3. 점화원
연소반응이 일어나려면 가연물과 산소공급원이 적절한 조화를 이루어 연소범위를 만들었을 때 외부로부터 활성화 에너지가 필요한데 이를 점화원이라 하며 전기불꽃, 충격 및 마찰, 단열압축, 나화 및 고온표면, 정전기 불꽃, 자연발화 등이 있다.
가. 전기불꽃
전기불꽃은 전기설비의 회로상 또는 전기기기·기구 등으로부터 언제든지 발생할 수 있다. 전기불꽃은 전기회로의 접점 및 자동제어기 릴레이 접점, 모터의 정류자와 브러시 사이에서 발생할 수 있으며, 고전압에 의한 방전 시에도 발생할 수 있다. 조명기구 등이 파손되면서 과열된 필라멘트의 노출도 이에 해당한다. 아주 작은 불꽃도 가연성 가스를 착화시키기에 충분한 에너지를 가지고 있다.
나. 충격 및 마찰
두 개 이상의 물체가 서로 충격·마찰을 일으키면서 작은 불꽃을 일으키는데, 이러한 마찰 불꽃에 의하여 가연성 가스에 착화가 일어날 수 있다.
다. 단열압축
단열은 열의 출입이 없다는 것을 뜻한다. 단열압축이란 외부로의 열의 이동이 없는 상태에서 압력을 가한 것을 말한다. 단열상태에서 기체를 높은 압력으로 압축하면 내부 기체의 온도는 상승한다. 단열압축 상태로 인하여 각종 연료유나 윤활유가 고온에 노출되면 그 성분이 열분해하여 저온 발화물질을 생성하고 그 발화물질이 연소하면 폭발하게 된다.
라. 나화 및 고온표면
나화(裸火)란 화염이나 불꽃 또는 발열부를 외부에 노출한 상태로 사용하는 것을 말한다. 연소성 화학물질 및 가연물이 존재하고 있는 장소에서 나화의 사용은 대단히 위험하다. 또한 작업장의 화기, 가열로, 건조장치, 굴뚝, 전기·기계설비 등의 고온표면은 항상 화재의 위험성이 내재되어 있다.
마. 정전기 불꽃(Static Electricity Flame)
정전기 불꽃이란 물체가 접촉하거나 결합한 후 떨어질 때 양(+)전하와 음(-)전하로 전하의 분리가 일어나 발생한 과잉 전하가 물체(물질)에 축적되는 현상을 말하는데, 이렇게 되는 경우 정전기의 전압은 가연물질에 착화가 가능하다. 예를 들면 화학섬유로 만든 의복 및 절연성이 높은 옷 등을 입으면 대단히 높은 전위가 인체에 대전되어 접지 물체에 접촉하면 방전 불꽃이 발생한다. 정전기를 방지하기 위한 예방대책은
1) 정전기의 발생이 우려되는 장소에 접지시설을 한다.
2) 실내의 공기를 이온화하여 정전기의 발생을 예방한다.
3) 정전기는 습도가 낮거나 압력이 높을 때 많이 발생하므로 상대습도를 70% 이상 으로 한다.
4) 전기의 저항이 큰 물질은 대전이 용이하므로 전도체 물질을 사용한다.
바. 자연발화
인위적으로 가열하지 않아도 원면(原綿), 고무분말, 셀룰로이드, 석탄, 플라스틱의 가소제, 금속가루 등의 경우 일정한 장소에 장시간 저장하면 열이 발생하고, 그 열이 지속적으로 축적되어 가연물의 온도가 발화점에 도달하면 스스로 발화하게 된다.
자연발화를 일으키는 원인에는
1) 분해열에 의한 발열 : 셀룰로이드, 니트로셀룰로오스
2) 산화열에 의한 발열 : 석탄, 건성유
3) 발효열에 의한 발열 : 퇴비, 먼지
4) 흡착열에 의한 발열 : 목탄, 활성탄 등
5) 중합열에 의한 발열 : HCN, 산화에틸렌 등
자연발화를 방지할 수 있는 대책으로는
1) 통풍 구조를 양호하게 하여 공기유통을 잘 시킬 것.
2) 저장실 주위의 온도를 낮출 것.
3) 습도 상승을 피할 것.
4) 열이 축적되지 않는 구조로 적재할 것.
사. 복사열(Radiation Heat)
물체에서 방출하는 전자기파를 직접 물체가 흡수하여 열로 변했을 때의 에너지를 말한다. 전자기파에 의해 열이 매질을 통하지 않고 고온의 물체에서 저온의 물체로 직접 전달되는 현상이다. 물질에 따라서 비교적 약한 복사열이라도 장시간 노출될 경우 발화할 수 있다. 예를 들어 햇빛이 유리나 거울에 반사되어 가연성 물질에 장시간 쪼일 때 열이 축적되어 발화할 수 있다.
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