불타는 원리

연소란 가연물과 지연물(산소 등 가연물에 연결되어 가연물을 태우는 것)이 착화원으로부터 열을 받음으로써 고온에서 고속의 발열반응을 일으켜 가연물과 지연물의 화학에너지가 열과 빛의 에너지로 변환되는 현상을 말합니다.

안정된 물질이 화기나 전기 불꽃 등으로부터 열을 받아 고온이 되면 열운동의 에너지가 늘어나 물질 간에 격렬한 충돌을 일으키기 쉬워집니다. 충돌의 격렬함이 어느 정도에 도달하면 충돌한 물질끼리 상호작용을 일으켜 물질을 구성하고 있는 원자끼리의 결합(화학결합)에 변화가 생깁니다. 지금까지 묶여 있던 동일한 물질의 원자보다 더 묶이기 쉬운 다른 원자(예 : 촛불의 증기에 포함된 수소원자와 주변 공기에 포함된 산소원자) 사이에서 결합 재조합이 발생합니다. 재조합 전보다 안정된 강한 결합이 가능하면 재조합 전후의 결합 강도 차이에 상당하는 화학에너지가 물질에서 손실되어 열과 빛의 형태로 외부 방출됩니다. 방출된 열에너지를 아직 불타지 않은 가연물이나 지연물이 흡수하여 열운동의 에너지가 늘어나면 더욱 결합의 재조합이 일어납니다. 이와 같이 하여 고온·고속으로 진행하는 열에너지의 방출을 수반하는 연속적인 결합의 재조합 과정이 연소현상입니다.

물체가 불타는 것은 물체를 구성하고 있는 원자 간의 화학결합의 강도가 원자의 조합에 의해 크게 다른 경우가 있기 때문입니다.

물체가 타오르려면 3가지의 아이템인 '가연물', '산소', '열'이 필요합니다. 이 불의 삼각형이 완성되면 물체가 불타오릅니다.

가연물과 산소가 열을 흡수하여 고온이 되면 열운동의 에너지가 늘어나 화학결합의 재조합이 일어나기 쉬워집니다. 처음에 연결되어 있던 원자보다 새롭게 만난 원자 쪽이 결합하는 방법이 강하면 더욱 안정된 물질이 되어 물질이 가지는 화학에너지는 줄어들고 그만큼 열이 발생합니다.

온도가 더욱 상승하면 가연물과 산소가 차례차례로 결합하게 되어 불타기 시작합니다. 가연물과 산소가 결합함으로써 가연물과 산소는 줄어들어 이산화탄소(CO2)나 물(H2O) 등 불타기 전보다 안정된 강한 화학결합을 가진 연소생성물로 바뀝니다. 불탄 후에 연소생성물이 가지고 있는 화학에너지는 가연물과 산소가 가지고 있던 화학에너지보다 적게 됩니다.

불타는데 필요한 열(E)보다 발생하는 열(E+Q)이 많기 때문에 수지가 남습니다. 발생하는 열은 가연물과 산소뿐만 아니라 공기 중의 질소와 같은 주변의 모든 것들로 옮겨집니다. 물체가 불탈지는 불의 삼각형의 3가지 아이템뿐만 아니라 주위에 있는 모든 것과 관련되어 있습니다.

불타기 위해 필요한 열을 가연물과 산소에 공급하는 것을 점화원이라고 부르고 여러 가지가 있습니다.

• 콘센트 전기(누전)
• 정전기 방전
• 충격 불꽃
• 태양광(오목거울에 의한 집광)
• 낙뢰

점화원의 종류는 다르더라도 역할은 동일합니다. 외부 점화원으로부터 열을 받지 않아도 가연물과 산소가 서서히 연결될 때 발생하는 열이나, 가연물이 미생물에 의해 분해될 때 발생하는 열이 외부로 도망치지 않고 모이면 불타는 경우도 있습니다. 이것을 자연발화라고 합니다.

가연물과 산소가 결합했을 때에 발생한 열이 아직 불타지 않은 가연물과 산소에 전해져 한층 더 차례차례 연속해서 가연물과 산소가 결합되는 현상을 연소의 '연쇄반응'이라고 합니다. 가연물도, 산소도, 열도 모두 이 연쇄반응을 일으키기 위해서 필요합니다.

연쇄 반응이 일어나기 위해서는 가연물이나 산소로부터 발생하는 '연쇄운반체'라는 불안정한 중간체(연소생성물이 되기 전에 일시적으로 생기는 것)가 일정 농도 이상 존재해야 합니다. 따라서 열의 역할은 가연물이나 산소로부터 연쇄운반체를 발생시키는 것이라고도 말할 수 있습니다.

연쇄반응의 과정을 가장 단순한 구조의 가연물인 수소(H2)가 산소와 연결되어 불타는 경우를 예로 들면, 안정한 수소분자(H2)와 산소분자(O2)에 점화원으로부터 열이 주어지면 먼저 연쇄개시반응이라는 느린 과정에서 약간의 연쇄운반체가 발생합니다.

수소에 한정되지 않고 가스렌지의 가스나 촛불 등 많은 가연물이 산소와 결합되어 타오를 때 중심적인 역할을 담당하는 연쇄운반체는 수소원자(H), 산소원자(O), OH 라디칼(OH) 3종류입니다.

연쇄개시반응에 의해 약간 발생한 연쇄운반체는 연쇄분지반응에서 빠르게 증가합니다.

연쇄운반체의 수가 증가하거나 감소하지 않는 연쇄성장반응도 일어납니다.

연쇄운반체는 연쇄정지반응에 의해 비교적 반응성이 낮은 다른 중간체나 연소생성물안 물(H2O) 등으로 바뀝니다. 주요 연쇄정지반응은 제3체라는 자기 자신은 반응하지 않는 안정한 물질(질소분자나 물분자 등)을 포함하는 삼중충돌에 의한 반응입니다. 제3체는 연쇄정지반응에서 나오는 열을 받음으로써 제품을 안정화하고 다시 분해하지 않도록 하는 작용을 하고 있습니다. 이 반응이 일어날 때 많은 양의 열이 발생합니다.

여기에서 소개한 반응은 물건이 타오를 때 일어나는 반응의 일부분에 불과합니다. 가스렌지와 촛불과 같은 가연성 물질이 산소와 연결되어 연소생성물이 생길 때까지는 많은 반응이 일어납니다.

일부 연소현상은 일반적인 연소와 달리 가연물이 공기 중의 산소와 결합하는 것이 아니라 다른 지연물과 결합하는 현상이 있습니다. 산소분자 이외의 지연물도 '연소의 3요소'에 포함시키면 이러한 타입의 연소도 설명할 수 있습니다.

산소분자 이외의 산화제에 의한 연소의 예로는 폭죽과 고체연료 로켓의 추진제 등으로, 폭죽은 산화제인 염소산칼륨 등에서 발생하는 산소가 지연물입니다.

자기반응성 물질의 연소의 예로는 무연 화약, 폭약이 있는데, 화약이나 폭약 대부분은 하나의 물질이 가연물과 지연물을 모두 포함하고 있어서 열이나 충격을 가하면 연소·폭발하는 물질입니다.(다이너마이트의 원료가 되는 니트로글리세린 등)

또한 산소를 함유하지 않아도 산화력이 강하고 가연물과 급속하게 결합되어 대량의 열을 방출하는 물질(예를 들면 염소가스나 불소가스)은 지연물로서 작용합니다.

이처럼 물체가 타오를 때 발생하는 산화반응은 산소와의 반응만이 아닙니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- ものはなぜ燃えるのか
https://nrifd.fdma.go.jp/public_info/faq/combustion/index.html