연소이론, 화학적 연쇄반응

화재와 연소라는 단어는 비슷한 의미를 가지지만 무엇이 다를까요?

저에게 두 단어가 주는 이미지는 연소의 경우에는 어떤 물질이 불에 타는 것이고, 화재가 발생하면 불로 인해 인명 또는 재산상의 피해가 발생해서 뉴스에 나을 거 같다는 생각이 듭니다. 여러분도 그 생각이 드시나요? 두 단어를 자세히 정리하면 연소는 자체의 지속적인 화학반응으로 동일한 형태의 반응을 일으키게 하는 에너지와 생성물을 생성하는 반면, 화재는 변화하는 강도의 열과 빛의 방출을 수반하는 급격한 자체의 지속적인 발열반응이면서 산화 과정입니다. 연소의 개념이 화재보다 더 포괄적인 의미를 가지므로 화재는 연소의 한 형태로 속합니다.

반응이 일어나는 데 걸리는 시간이 관측되는 반응의 형태를 결정합니다. 좀 더 풀어서 설명해 드리면 산화 과정이 너무 천천히 일어나면 이때의 반응은 천천히 점진적으로 이루어져 관측할 수 없고, 마그네슘 등의 금속 화재와 같이 산화 과정이 너무 빠르게 이루어지면 가연물과 산화제의 매우 급격한 반응으로 폭발이 일어나게 되어 짧은 시간 동안 많은 양의 에너지를 발산합니다.

 

화재의 4요소

연소반응을 일으키기 위해서는 4가지 요소들이 있어야 합니다. 그 4가지는 산소(산화제) [Oxygen(oxidizing agent)], 가연물(Fuel), 열(Heat), 화학적 연쇄반응(Self-sustained chemical reaction)입니다.

위의 4요소 중에 어느 한 요소라도 제거되면 연소반응은 일어나지 않습니다. 발화가 이미 진행되는 상황이라면 화재의 4요소 중에 어느 한 요소가 연소반응으로부터 제거되면 화재는 종료됩니다. 소방을 공부하는 데 있어서 중요한 내용인 화재의 4요소에 대해 하나씩 알아보도록 하겠습니다.

 

1. 산소(산화제)

산화제는 일련의 화학반응 과정을 통해 산소나 산화가스를 생성하는 물질을 말합니다. 소화제를 예로 들어 설명해 보겠습니다. 소화가 안 될 때, 소화제를 먹으면 소화제 알약이 아니라 우리 몸이 소화가 잘됩니다. 이처럼 산소를 가진 산화제는 자신이 아닌 다른 물질에 산소를 주어 산화제와 반응하는 물질이 산화가 잘되도록 합니다.

산화제는 그 자체가 가연성은 아니지만 가연물과 결합하여 연소를 돕습니다. 가장 일반적인 산화제이며 가장 흔하게 접할 수 있는 공기 중의 산소를 대표적인 산화제로 간주합니다. 기본산화제인 공기 중의 산소는 약 21%이며, 실내 온도(섭씨 21도 또는 화씨 70도)에서는 14%의 낮은 산소농도에서도 연소반응이 일어납니다. 실내 온도가 높아지면 산소 농도가 낮아져도 연소반응이 일어난다는 사실을 통해 구획실(구획실: 천장과 벽으로 폐쇄되어 있는 공간) 화재에서 실내 온도가 증가할 때 더 낮은 산소농도에서도 불꽃 연소가 발생한다는 사실을 알 수 있습니다. 플래시오버 발생(최성기와 쇠퇴기 사이에서 일어남) 후에는 산소농도가 매우 낮지만 구획실내의 온도가 높으므로 불꽃 연소를 관찰할 수 있습니다. 한편, 산소농도가 21%를 넘는 경우의 대기를 '풍부한 산소'라 하고, 이러한 상태에서는 연소하는 물질들은 풍부한 산소의 대기상태에서 더욱 빠르게 연소하며, 일반적인 상태에서보다 훨씬 쉽게 발화하게 됩니다. 일부 석유화학 물질들은 '풍부한 산소'의 대기상태에서 자체 발화하기도 합니다.

 

2. 가연물

가연물은 연소 과정을 통하여 산화되거나 연소하는 재료 또는 물질을 말하고, 과학용어로 감소제(reducing agent)로 알려져 있습니다. 대부분의 일반적인 가연물은 수소와 산소의 결합을 통해 생성된 탄소화합물입니다. 이러한 가연물은 탄화수소형 가연물(가솔린, 연료유 및 플라스틱) 및 셀룰로스형 가연물(나무와 종이)로 세분화될 수 있고, 화학적인 측면에서 다른 가연물로는 수소가스 및 가연성 금속 물질인 Magnesium(마그네슘)과 Sodium(소디움, 나트륨)과 같은 것들도 있습니다.

연소 과정은 가연물의 물리적 상태와 그것의 분배와 관련하여 중요한 내용을 담고 있습니다. 첫 번째는 가연물은 물질의 3가지(고체, 액체, 기체)상태 중에 어느 하나의 물리적 상태로 존재한다는 것입니다. 그러나 가연물이 연소하기 위해서는 정상적으로 기체 상태로 존재해야 하므로 고체와 액체를 기체 상태로 상변화하기 위해서는 에너지가 필요합니다.

가연성가스는 고체 가연물의 열분해 작용을 통해 발생하고 물질의 화학적 분해입니다. 충분한 양의 가연물과 열이 있다면 열분해 과정을 통해 연소하기에 충분한 양의 연소성 가스를 발생하고, 화재의 4요소의 다른 요소들이 함께 존재한다면 발화가 일어나게 됩니다.

 

3. 점화원 또는 열

점화원은 화재의 4요소 중에 불이 붙을 수 있는 열 또는 불꽃입니다.

라이터, 마찰열, 전기 스파크 등을 통해 열이 가연물과 접촉하게 되면 고체와 액체에 대해 열분해 또는 증발을 일으키고 가연성 증기 또는 기체를 생성합니다. 그리고 발화를 위해 필요한 발화점 이상까지 온도가 가열하기 위한 에너지를 제공합니다. 지속적인 가연성 증기 또는 가스의 생성, 발화가 발생하여 연소반응이 지속되도록 합니다.

 

4. 화학적 연쇄반응

화학적 연쇄반응은 화재 발생 시 충분한 열에너지가 가연성 증기나 가스를 지속해서 생성시킬 수 있도록 공급될 때 일어나는 일련의 화학 반응들을 의미합니다. 이 반응들은 서로 연결되어 있으며, 한 번 시작되면 계속해서 연쇄반응이 일어나면서 열과 빛을 방출하게 됩니다.

연쇄반응은 일련의 반응으로써 각각의 개별 반응이 나머지 반응들과 결합하여 연속적으로 일어난다. 즉, 연소는 가연성 가스를 발생하는 가연물, 산소 등의 산화제, 발화점 이상의 열에너지 등이 필요하고, 서로 결합해야 하는 복잡한 반응입니다.