燃焼とは、燃料が酸化され、多くの場合ガス状の生成物の混合物に変換される高エネルギーの化学反応を指します。燃焼は発熱反応であり、光と熱の形でエネルギーを放出します。燃焼反応における最も一般的な酸化剤は大気中の酸素 (O) ですが、他の酸化剤には塩素 (Cl)、フッ素 (F)、亜酸化窒素 (N2O) などがあります。人間が制御を利用した化学反応 (火)。
燃焼反応は、物理的な仕事を行うために使用できる大量のエネルギーを生成するために利用できるため、技術的に非常に有用です。燃焼中に発生する熱エネルギーを、自動車の内燃機関などの機械エネルギーや、発電所などの電気エネルギーに変換する技術がいくつかあります。
燃焼の基本
燃焼反応には、反応物 (燃料)、酸化剤、および熱の 3 つの主要な成分が必要です。燃焼反応の最も一般的な種類の燃料は、メタン (CH4)、プロパン (C3H8)、オクタン (C8H18) などの炭化水素化合物です。最も一般的な酸化剤は大気中の酸素です。したがって、私たちが検討する燃焼の例の大部分は、酸素化された雰囲気での炭化水素化合物の燃焼を伴います.
たとえば、メタンは一般的な可燃性燃料です。酸素中のメタンの燃焼の化学式の一般的な形式は次のとおりです。
CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O
したがって、メタンの燃焼中に、1 つのメタン分子と 2 つの二原子酸素分子が分裂し、再結合して 1 つの二酸化炭素分子と 2 つの水分子になります。
燃焼は発熱反応であるため、反応生成物の 1 つは熱の形のエネルギーです。化学反応によって放出される熱量は、反応の変化エンタルピーと呼ばれます .変化のエンタルピーは、化学反応が環境から放出または吸収する熱量の尺度です。エンタルピーを表す標準的な表記法は ΔH です。変化のエンタルピーを測定するために使用される標準の SI 単位はジュール (J) です。反応が吸熱性 (熱を吸収する) である場合、ΔH は正になります。反応がエネルギー (発熱) を放出する場合、ΔH は負の値になります。
燃焼は常に発熱性であるため、燃焼反応の変化のエンタルピーは常に負になります。たとえば、メタン燃焼反応のエンタルピー変化は ΔH =-891/kJ/mol です。メタン燃焼反応は、メタン 1 モルあたり 891 キロジュールの熱エネルギーを放出します。燃焼反応によって生成されるエネルギーは、燃料の化学結合に蓄えられたエネルギーに由来します。このエネルギーは、反応物が分解されて生成物に再配置されるときに放出されます。炭化水素反応物の燃焼は、特に炭化水素化合物の酸素分子の高エネルギー結合のためにエネルギーが高いです。
燃焼は、メタンだけでなく、他の多くの炭化水素生成物でも発生します。炭化水素反応の生成物は、常に二酸化炭素 (または一酸化炭素) と水です。たとえば、プロパンの燃焼反応の式は次のとおりです。
C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O (ΔH =-2043.455 kJ/mol)
プロパンは、最初の反応物により多くの炭化水素結合が存在するため、変化のエンタルピーが高くなります。同様に、エタン (C2 H6 ) は:
2C2 H6 + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O (ΔH =-3120 kJ/mol)
一般に、酸素中の炭化水素燃焼反応の式は次のとおりです。
CₓHᵧ + z O₂ → x CO₂ + (y /2)H₂O
ここで z =x + (y /4).
燃焼のほとんどの場合、酸素源は通常の大気です。また、大気中には大量の窒素 (N) が含まれています。私たちの大気では、酸素分子 1 モルあたり約 3.77 窒素分子の比率で、酸素は窒素より数が多いです。したがって、普通の空気を使用するほとんどの燃焼反応では、窒素製品も生成されます。通常、窒素は可燃性物質とは見なされませんが、空気中での燃焼反応により、少量の亜酸化窒素 (NOₓ の形の化合物) が生成されます。
燃焼には酸素の存在が必要であり、そうでなければ発生しません。したがって、燃焼反応を停止する 1 つの方法は、酸素源を除去することです。これが消火器の設計の背後にある主な原則です。消火は、火の近くで二酸化炭素の噴霧を行います。二酸化炭素は大気よりも重いため、火の周りの空気を追い出し、酸化源を遮断します。これが、宇宙での火災が特に危険である理由でもあります。宇宙の人工生息地の酸素含有量が高いため、火災が非常に急速かつ激しく広がる可能性があります。高酸素環境では、たった 1 つの火花でも壊滅的な被害を受ける可能性があります。
燃焼の種類
燃焼反応は、反応に利用できる酸素の量に基づいて、完全または不完全の 2 つの主なタイプに分けることができます。燃焼反応が完全か不完全かは、燃焼反応の効率に依存します。
- 完全燃焼
- 完全な化学反応では、反応物は完全に水と酸化物生成物 (XO2 の形の生成物) に変換されます。 ）。炭化水素反応物の場合、酸化物生成物は二酸化炭素です。本質的に、2つの酸素原子が各炭素原子に一致できるように十分な酸素分子がある場合、完全な反応が起こります.炭化水素以外の他の燃料源の場合、生成物はその元素の一般的な二酸化物です。例えば二酸化硫黄 (SO2 ) 硫黄 (S)、二酸化鉄(III) (Fe2 O3 ) 鉄の場合
- 完全な燃焼反応が最も理想的であり、仮説的にはすべての燃料が使い果たされるまで続きます。現実の世界では、化学反応は 100% 効率的ではありません。放出されたエネルギーの一部は環境に散逸するため、反応物のすべてが 100% 生成物に変換されるわけではありません。燃焼反応の効率は、燃料源の不純物、酸化剤の不純物、および温度に関連している可能性があります。一般に、温度が高いほど燃焼反応が効率的になります。
- 不完全燃焼
- 対照的に、不完全燃焼反応は、燃料を製品に完全に変換するのに十分な酸素が存在しない場合に発生します。酸素分子の量が少ないため、各炭素原子と 2 つをペアにするのに十分な酸素原子がありません。その結果、炭化水素の不完全燃焼により、水とともに炭素と一酸化炭素が生成されます。たとえば、エタンの不完全燃焼反応は次のようになります。
2C2 H6 + 5O₂ → 4CO + 6H₂O + 熱
- この場合、2 つの酸素原子を各炭素原子と一致させるのに十分な酸素が存在しません。その代わりに、ガス状の生成物である一酸化炭素が形成されます。一酸化炭素は非常に有毒なガスであるため、生活空間での不完全燃焼は非常に危険です。
2C2 H6 + 3O₂ → 4C + 6H₂O + 熱
- この場合、エタンは燃焼してガス状の炭素分子を形成します。これらの炭素分子は近くの固体表面に堆積し、煤を形成します。
燃焼の例
- 発射
- 日常生活で最も一般的な燃焼反応は火事です。火災は、大気中の有機反応物質の加熱により発生する高エネルギー燃焼反応の結果です。火の目に見える炎は、二酸化炭素、酸素、窒素、水蒸気などの加熱されたガスで構成されています。一部の火災では、炎が十分に熱くなり、ガスが過熱イオン化物質の状態であるプラズマに変換されます。
- 地球上で常に火事が起こるとは限りません。先カンブリア時代、地球の大気中の酸素含有量は低すぎて、裸火を発生させる燃焼ができませんでした。火が地球上で可能になったのは、約 4 億 6000 万年前、地球の酸素含有量が 13% 強に達したときです。
- ロケット燃料
- 現代のロケット技術は通常、水素と酸素を燃焼させて水蒸気にすることを推進力の源として利用しています。最新のロケットは、反応に従って酸素と燃焼する液体水素を使用します。
2H₂ + O₂ → 2H₂O (ΔH =-242 kJ/mol)
- ロケットは水素を燃焼用燃料として使用することを好みます。これは、水素が豊富に利用可能であり、反応の唯一の生成物 (熱エネルギーを除く) が水蒸気であるためです。水素燃焼反応は非常にエネルギーが高く、質量対エネルギー比が高いため、ロケット推進剤の従来の方法よりも単位エネルギー出力あたりの燃料の量が少なくて済みます。
- 車の中
- 最近のほとんどの車は、酸素の存在下でガソリンを燃焼させるある種の内燃機関で作動します。車のエンジン内部では、ガソリンと酸素の燃焼反応によって大量の熱が発生します。この熱がピストンを押し、その動きによって車輪が動きます。したがって、内燃エンジンは、燃焼反応によって生成された熱エネルギーを (ピストンを介して) 車輪を動かす機械エネルギーに変換することによって機能します。
- 燃焼反応が進行するには、安定した酸素源が必要です。十分な酸素がないと、燃焼反応が不完全になるか、まったく発生しない可能性があります。これが、車にキャブレターが付いている理由です。キャブレターは、エンジンの燃料に空気を注入することによって機能し、安定した酸素源を提供します。キャブレターがなければ、内燃エンジンには空気が供給されず、燃焼反応によって利用可能な酸素がすべてすぐに使い果たされてしまいます。
