연소는 가연물이 산소와 반응하여 빛과 열을 내는 급격한 산화반응이다. 성립에 필요한 세 가지를 연소의 3요소라 한다 — ① 가연물(탈 수 있는 물질), ② 산소공급원(공기 중 산소, 산화제, 자기반응성 물질이 함유한 산소), ③ 점화원(불꽃ㆍ고온표면ㆍ전기불꽃ㆍ단열압축ㆍ마찰과 충격ㆍ정전기ㆍ자연발화 등의 에너지). 여기에 ④ 연쇄반응(화학적 연쇄반응)을 더하면 연소의 4요소가 되며, 불꽃연소(유염연소)는 4요소가 모두 필요하지만 작열연소(표면연소, 무염연소)는 연쇄반응 없이 3요소만으로 성립한다. 연소범위(폭발범위)는 가연성 기체가 공기 중에서 연소할 수 있는 농도의 범위로, 하한계(LFL)와 상한계(UFL)로 표시한다. 온도가 오르거나 압력이 높아지면 연소범위는 대체로 넓어지고, 특히 상한계가 크게 올라간다. 다만 일산화탄소는 압력이 높아지면 오히려 연소범위가 좁아지는 예외로 자주 인용된다.
02이해하기
3요소와 4요소를 나누어 두는 이유는 소화 방법이 거기서 나오기 때문이다. 가연물을 없애면 제거소화, 산소를 차단하면 질식소화, 열을 뺏으면 냉각소화, 연쇄반응을 끊으면 억제소화(부촉매소화)다. 그래서 「연소의 4요소 = 소화의 4방법」이 정확히 짝을 이룬다. 억제소화가 불꽃연소에만 통하고 작열연소(숯불)에는 잘 듣지 않는 이유도 여기서 나온다 — 애초에 끊을 연쇄반응이 없기 때문이다.
03핵심 포인트
연소의 3요소 — 가연물, 산소공급원, 점화원. 여기에 연쇄반응을 더하면 4요소
가연물이 되기 쉬운 조건 — 산소와의 친화력이 크고, 발열량이 크며, 열전도율이 작고, 활성화에너지가 작고, 표면적이 넓을 것
가연물이 될 수 없는 것 — 이미 산화가 완결된 물질(CO₂, H₂O, Al₂O₃), 흡열반응 물질(질소와 그 산화물), 불활성기체(He, Ne, Ar 등)
산소공급원 — 공기(산소 약 21%), 산화제(제1류ㆍ제6류 위험물), 자기반응성 물질(제5류 위험물)
분진폭발 — 금속분ㆍ밀가루ㆍ석탄분 등의 미분이 부유 상태에서 점화. 2차ㆍ3차 폭발로 이어지기 쉽다
04한눈에 보기
불꽃연소(유염연소)
기체 상태에서 화염을 내며 연소. 연쇄반응이 있어 4요소가 모두 필요하고 연소속도가 빠르다. 억제(부촉매)소화가 유효.
VS
작열연소(무염ㆍ표면연소)
고체 표면에서 화염 없이 빨갛게 달아오르며 연소. 연쇄반응이 없어 3요소로 성립하고 속도가 느리다. 억제소화의 효과가 낮다.
더 알아보기
자연발화 — 열이 쌓여 스스로 불이 붙는 자리
자연발화는 외부의 점화원 없이 물질 내부에서 발생한 열이 축적되어 발화점에 이르는 현상이다. 발열의 원인에 따라 다섯 유형으로 나뉜다 — ① 산화열(건성유를 먹인 헝겊, 석탄, 원면, 고무분말), ② 분해열(셀룰로이드, 니트로셀룰로오스), ③ 흡착열(활성탄, 목탄분말), ④ 발효열(퇴비, 먼지, 곡물), ⑤ 중합열(시안화수소, 산화에틸렌). 자연발화가 일어나기 쉬운 조건은 열의 「발생」이 크고 「방출」이 작을 때다 — 표면적이 넓고, 열전도율이 작으며, 주위 온도와 습도가 높고, 퇴적 두께가 두꺼우며, 공기 유통이 나쁠 때 위험하다. 그래서 예방법은 그 반대로 구성된다 — 통풍을 좋게 해 열을 흩고, 저장실의 온도와 습도를 낮추며, 퇴적을 피하고, 정촉매가 될 물질을 접촉시키지 않는 것이다. 「통풍을 좋게 하라」는 예방책이 「공기(산소)를 공급하라」와 모순돼 보이지만, 자연발화 단계에서는 산소 부족이 아니라 열 축적이 결정적 변수이므로 방열이 우선한다.
정전기 — 눈에 안 보이는 점화원
정전기는 서로 다른 물질이 접촉했다 분리될 때 전하가 한쪽에 남아 축적되는 현상으로, 방전 시 불꽃이 발생해 점화원이 된다. 발생하기 쉬운 조건은 물질의 대전서열 차이가 크고, 접촉면적과 압력이 크며, 분리속도가 빠르고, 상대습도가 낮을 때다. 특히 액체 위험물을 배관으로 이송할 때 유속이 빠를수록 대전량이 커지므로, 인화성 액체의 주입 속도를 제한하는 것이 안전 기준으로 자리 잡았다. 방지 대책은 네 갈래다 — ① 접지(earth)로 전하를 대지로 흘려보내기, ② 공기 중 상대습도를 70% 이상으로 유지해 표면 전도를 높이기, ③ 유속을 제한하고 배관 내 난류를 줄이기, ④ 제전기(이온화 장치)를 사용하거나 대전방지제를 첨가하기. 정전기가 위험한 이유는 발생 에너지 자체는 작아도 가연성 증기의 최소착화에너지(MIE)가 그보다 훨씬 작기 때문이다 — 예컨대 이황화탄소나 수소는 극히 작은 에너지로도 착화된다.
05기출 지문
O
연기(smoke)는 연소과정에서 발생하는 고체ㆍ액체ㆍ기체 상태의 미립자와 화학물질의 복합체로, 공기 중에 떠다니는 특성을 가진다.
분진폭발은 먼저, 입자 표면에 마찰 등으로 열에너지가 발생하여 표면온도가 상승하여 발화된다. 그 후, 열분해로 가연성 기체가 발생해 공기와 혼합되며, 주변의 열전파로 주위 분진이 추가로 열분해되어 가연성 기체가 연쇄적으로 확산된다. 이어서, 압력이 상승하면서 폭발이 일어나고, 폭발 이후 2차ㆍ3차 폭발이 발생한다.
분진폭발의 진행 과정(발화ㆍ열분해ㆍ연쇄확산ㆍ2차폭발) 서술에서 발화 개시 원인과 순서가 실제 메커니즘과 달라 옳지 않다(정답).