物理・化学の基礎６

こんにちは、あさとです。

今日も危険物の勉強をしていきましょう。

今日は燃焼についてお話ししていきます。

化学・物理の基礎ですが、この燃焼に関しては学校では勉強しないところなので、この動画でしっかりと勉強していって欲しいと思います。

それでは、スタートします。

まず、燃焼とは何かというところですが、燃焼とは簡単に言えば物が燃えることです。

正確に言えば、物質が熱と光を出しながら酸化することです。

熱と光を出さない酸化、例えばさびなどの現象は、燃焼ではないです。

燃焼が起こるためには、必要になる３つの要素があります。

それが、可燃物、酸素供給体、点火源です。

例えばローソクに火をつけるためには、ローソクのロウと空気とマッチやライターが必要です。

ローソクのロウが可燃物で、酸素供給体が空気、そしてマッチやライターが点火源です。

これらの３つが揃って初めてローソクは燃えます。

可燃物は木や石炭、ガソリンなど燃えるものはなんでも可燃物です。詳しくいうと、酸素と化合する物質であればほとんどが可燃物です。

すでに酸化している酸化物や窒素などは酸素と反応しないため可燃物では不燃物となります。

酸素供給体で一般的なのは空気です。空気には酸素が含まれているので、酸素供給体なのです。

ほかには第一類危険物や第六類危険物のような酸化性物質や第五類危険物のような可燃物自体が酸素を含んでいる物質もあります。

点火源はマッチやライターの他に、静電気や火花、摩擦熱なんかがあります。

ここからは燃焼と一言でいっても様々な燃焼があるので、それらについてみていきしょう。

まず気体の燃焼についてです。

気体の燃焼には定常燃焼と非定常燃焼があります。

定常燃焼は炎の状態が安定していて制御できる燃焼のことです。

都市ガスやプロパンガスなど、家で使うようなガスのことですね。

一方非定常燃焼は爆発や爆発的に燃焼のことです。

ガソリンエンジンの内部で起こる燃焼などが例になります。

次に液体の燃焼についてです。

液体は、液体のまま萌えるのではなく、液体の表面から蒸発したじょうきが燃焼します。

これを蒸発燃焼と言います。

例としてガソリンや灯油、アルコールの燃焼などがあります。

蒸発燃焼は重要なので覚えておきましょう。

次に固体の燃焼です。

固体の燃焼には、分解燃焼、自己燃焼、表面燃焼、蒸発燃焼の４種類があります。

分解燃焼は可燃物が熱によって分解し、その時に生じる可燃性ガスが燃焼することです。

例として木材や石炭の燃焼があります。

次に自己燃焼です。内部燃焼とも言います。

可燃物自体が酸素を含んでおり、自己反応によって燃焼するものです。

例としてセルロイドの燃焼があります。これは第五類の危険物です。

次に表面燃焼です。

これは可燃性の固体が蒸発も分解もせずに、固体の表面で燃焼するものです。

例として木炭やコークスの燃焼があります。

最後に、蒸発燃焼です。

液体の燃焼のところでも出てきましたね。

固体が熱によって誘拐し、さらに蒸発して気体に変わり燃焼します。

例として、硫黄の燃焼があります。

ここまで気体・液体・固体それぞれの燃焼についてお話ししました。

ここからは完全燃焼と不完全燃焼についてお話しします。

炭素を燃焼して二酸化炭素が発生したり、炭化水素が燃焼して二酸化炭素と水が発生したりと二酸化炭素が発生する燃焼を完全燃焼と言います。

一方、酸素の供給が不十分で炭素や炭化水素を燃焼すると、一酸化炭素が発生します。このような一酸化炭素を派生する現象を不完全燃焼と言います。

さて次に、燃焼しやすい条件についてお話しします。

物質の燃えやすいかどうかには色々条件があります。

物質が燃えやすくなる条件を見ていきましょう。

ここは重要なので覚えてください。

まず、燃えやすいものは酸化されやすいという特徴があります。

燃焼は酸化反応の一種なので、酸化されやすいものほど燃えやすくなります。

次に、酸素との接触面積が大きいです。

反応できる面積が大きい方が、反応が起こりやすいですよね。

木材は塊よりも、細かく切った方が燃えやすくなります。

次に、熱伝導率が小さいです。

熱伝導率が小さいというのは熱が逃げにくいということなので、熱が1箇所に集まりやすく、結果的に燃えやすくなります。

次に発熱量が大きいです。

燃焼によって発熱が大きければ、燃焼をさらに促します。

次に、乾燥しているです。

水分が少ないものほど、燃えやすいです。

これは経験的にわかると思います。

次に、可燃性ガスを発生しやすいです。

加熱されて可燃性ガスを多く発生すれば、その可燃性ガスは燃えるので、さらに物質が燃えやすくなりますよね。

最後に周囲の温度が高いです。

周囲の温度や、可燃物の温度が高いほど物質は燃えやすくなります。

これも当たり前といえば当たり前ですね。

さて、次に引火点について見ていきます。

液体が燃焼するには、蒸気が出ていないといけないという話がありましたよね。

液体の温度が低いと、蒸気の量は少ないです。一方液体の温度が高いと蒸気の量は多いです。

蒸気が燃焼に必要な濃度になったときの液体の最低温度を引火点と言います。

つまり、火を近づけると燃える温度ということです。

引火点に似ている言葉で発火点という言葉があります。

発火点は、点火源がなくても自ら発火や爆発を起こすときの最低の温度です。

火を近づけなくても温度が上がれば発火や爆発をするなんて怖いですね。

引火点についても発火点についても物質によって温度が違いますが、どちらも温度が低い方が危ない物質ということになります。

温度が低くても発火したり爆発したりするということですからね。

次に自然発火についてです。

空気中で常温の状態にある物質が加熱しないのに自然に発熱し、その熱が蓄積されて発火点に達し、燃焼を起こす現象を自然発火と言います。

周りの温度に関係なく、自然に発火するというところが怖いですね。

カイロを思い浮かべてみるとわかりやすいかもしれません。

カイロって何もしなくても勝手に暖かくなってきますよね。

あれは燃えませんが、あれがどんどん暖かくなって自然に燃えるみたいなイメージです。

次に燃焼範囲についてです。

ガソリンなどの可燃性の液体は液体表面から発生する蒸気が薄いと引火しませんが、反対に蒸気が濃すぎても引火できません。

蒸気と空気の割合が一定の範囲にあるときだけ点火すると燃え始めます。

このときの空気中の蒸気濃度の範囲を燃焼範囲と呼びます。

例えばガソリンの燃焼範囲は1.4～7.6%です。この割合は体積の割合です。

1.4%以下で燃焼しないのは、可燃性の蒸気が少なければ燃えないからですね。

7.6%以上で燃焼しないのは、空気が少なくなるからです。

燃焼には３つ必要だという話をしましたが、可燃物と酸素供給体と点火源が必要です。

可燃性の蒸気が7.6%以上だと、酸素供給体である空気が少なくて燃焼できないのです。

だから燃焼範囲には上限と下限があるのです。

例として問題を解いて見ましょう。

燃焼範囲が1.5～7.0vol%の可燃性蒸気がある。この蒸気10Lを200Lの空気と混合させて点火すると、燃焼が始まるか？

では、可燃性蒸気の濃度を求めてみます。

可燃性蒸気が１０Lで全ての気体を合わせると、可燃性蒸気１０Lと空気が２００Lあるので２１０Lです。

蒸気濃度は１０Lわる２１０Lで約４.８vol％となるので、1.5~7.0%の間に入っています。

だから燃焼が始まるということができます。

こういう計算ができるようにしておくといいですね。

次に、危険物の危険性を比較する数値について簡単に紹介します。

ここも重要なので、覚えてください。

数値が大きいほど危険なことを表す指標は、

燃焼範囲、燃焼速度、蒸気圧、燃焼熱、火災伝播速度です。

燃焼範囲は広い方が危ないですし、燃焼速度は早い方が危ないですよね。

次に数値が低いほど危険なことを表す指標は

引火点、発火点、燃焼範囲の下限値、最小着火エネルギー、電気伝導度、沸点、比熱です。

たくさんの指標を使って、物質が危ないかどうかを管理しているんですね。

最後に混合危険についてお話しします。

２種類以上の物質を混合すると発火や爆発の恐れがあることを混合危険と言います。

混合危険には、

酸化物質と還元物質との混合、

酸化性塩類と強酸との混合、

複数の物質が接触して化学反応を起こし、爆発性物質が生成される混合

などの場合があります。こういった混合危険性のある物質には、混ぜるな危険といった注意書きがしてあります。

以上が燃焼についてです。

学校ではなかなかやらない内容なので、動画を何回も見て勉強してほしいと思います。

ご視聴いただきありがとうございました。

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それではまた次回の動画でお会いしましょう。