Transcript 演示実験

燃えないハンカチ： 木綿＋含水エタノール
ハンカチが燃えない理由
● 液体は気化して燃える（蒸発燃焼）。
● 気化熱（蒸発熱）で周囲を冷やす。
● 液体の温度は沸点以上にはならない。
熱
燃料
○ 芯燃焼： 気化熱による冷却作用のため、
芯の温度が燃料の沸点以上にはならない。
○ 少量の水：燃え終わりの部分的な温度上昇を防ぐ。
① 液体燃料は下に流れる
② 持ち上がった所には燃焼熱が伝わりやすい
→ 温度上昇
1
指ローソク： 指のペンタンに火を付ける
●指から出る炎でろうそくに点火する
(1) ペンタンの沸点は３６℃
(2) ペンタンの温度は３６℃より高くならない。
(3)指に付けたペンタンに点火 ⇒ 指は熱くないはず。
指の上部： ペンタンの量が少ない、
熱が伝わりやすい
下部： ペンタンの量が多い、
熱が伝わりにくい
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油なら何でも燃えるか： 引火点と引火
可燃物
沸点（℃）
引火点（℃） 発火点（℃）
ガソリン
30ｰ180
約 ｰ50
600ｰ750
灯油
180ｰ250
約 50
600ｰ750
大豆油
熱分解
280
450
● 点火できるか？
● 芯を入れたらどうか？
● 石油スト－ブに、灯油（無色）でなく
ガソリン（薄い赤色）を入れたらどうなるか？
● 天ぷら油の熱分解 → 気体やコロイドが増える
● 油火災の消火法
(1) 引火点以下に冷却（マヨネーズの投入）
(2) 空気の遮断（窒息消火）
→
点火
3
水の中で燃える火
● Mg + H2O → MgO + H2
強力な還元剤
酸化剤
( MgO + H2O → Mg(OH)2 ）
● 燃焼とは
還元剤（燃料）と酸化剤（通常はＯ２）の急激な反応 （高温→熱と光）
● 燃焼の三要素
①燃えるもの（還元剤）
●消火の四要素
①燃える物を取り除く
③引火点以下に冷却
②空気（酸素）などの酸化剤
③十分な高温
②酸素を遮断するか希釈する（21%→15% ）
④活性種の失活
●消火剤としての水
①豊富 ②多量の気化熱 ③気化で体積が1200倍以上⇒
水蒸気が空気を遮断 ④水滴による活性種の捕獲
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酸化鉄から鉄をつくる
● 鉄の工業的製法： 高温が必要
鉄鉱石(Fe2O3) ＋ Ｃ（コークス） → 鉄
●テルミット反応
Fe2O3 + 2 Al（還元剤） → 2 Fe + Al2O3
●アルミニウムは炭素よりも強力な還元剤
→ より容易に反応
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圧力による発火 ：
● 6 P + 5 KClO3
自然発火（１）
圧力
─→ 3 P2O5 + 5 KCl ＋(heat)
（固体） （固体）
P： 赤リン（固体）
KClO3 ： 塩素酸カリウム（固体）
● 熱膨張する空気が閉じ込められると音が出る
● マッチの箱： 赤リンとガラスの粉
マッチの軸： 塩素酸カリウムと燃えやすい物
● 黒色火薬： 硝石（KNO3）+ 硫黄 ＋木炭
● 化合火薬： 同じ分子内に酸化還元
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拡散燃焼： 自然な燃焼
物質名
ﾍﾞﾝｾﾞﾝ
ｼｸﾛﾍｷｾﾝ ｼｸﾛﾍｷｻﾝ ｱｾﾄﾝ
ｴﾀﾉｰﾙ
ﾒﾀﾉｰﾙ
分子式
C 6H6
C6H10
C6H12
C 3H6O
C 2H6O
CH4O
Ｃ／Ｈ
１
3/5
1/2
1/2
1/3
1/4
Ｏ／Ｃ
０
０
０
1/3
1/2
１
炎
明るい
明るい
明るい
明るい
やや暗い
暗い
煤
特に多い
多い
少ない
ない
ない
ない
●C + O2 ──→ CO2， H + 1/4 O2 ──→ 1/2 H2O
●酸素不足→炭素微粒子→高温→熱発光（連続スペクトル）
●低温： 赤色（長波長） 高温： 青白色（短波長）
●煤（すす）： 炭素微粒子の集合体
●分子内の酸素原子： 燃焼に使われる→炭素微粒子の減少
熱発光： 連続スペクトル
http://www.isas.ac.jp/docs/ISASnews/No.251/intro.html
より
光の波長が連続的に異なる
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予混燃焼： 人類が創造した燃焼
● 拡散燃焼の速さを制限するもの
(1) 可燃性気体の供給速度（蒸発速度）
(2) 空気の拡散による酸素分子の供給速度
● この制限因子を予めクリアしておく → 燃焼が速い
● 液体燃料を蒸発させて空気と混ぜておく（予混） →
酸素不足にならない → 完全燃焼（効率が高い）
● 炎の色： 薄青色
（ＣＨ，Ｃ２ の化学発光 → 帯スペクトル）
● 可燃性気体の濃度が高過ぎても低過ぎても着火しない。
（可燃範囲の濃度のときだけ、着火する）
→
● ガソリンでも加熱したアルコールでも、
密閉空間内では燃えない
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予混炎の発光スペクトルの例
可視領域
瀬尾、赤松、芝原、香月, 日本燃焼学会誌、48巻、144号、206－213 （2006）
燃焼の活性種の化学発光による帯スペクトル（可視光線の波長は 380～750 nm）
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可燃（爆発）範囲： 燃焼が起こる濃度
試薬
可燃範囲
(体積%)
可燃下
限温度
（℃）
可燃上
限温度
（℃）
爆発予測
－－－－－－－
5℃ 室温 50℃
予測結果
ヘキサン
1.1-7.5
-28
-4
×
×
×
ベンゼン
1.2-7.8
-17
15
○
×
×
ヘプタン
1.1-6.7
-5
27
○
×
×
冷やすと爆発
オクタン
1.0-6.5
15
50
×
○
×
温めると
燃えない
トルエン
1.2-7.1
5
38
？
○
×
温めると
燃えない
メタノール
6.0-36
7
41
×
○
×
温めると
燃えない
エタノール
3.3-19
-2
41
○
○
×
温めると
燃えない
冷やすと爆発
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原子発光（炎色反応）： 金属原子による炎の着色
●
●
●
●
拡散燃焼の赤橙色の炎： 炭素微粒子の熱発光
予混燃焼の炎の薄い青色： CH, C2 の化学発光
メタノールに金属塩を溶かして点火する → 原子発光
価電子が熱で空の軌道に移る → 電子が、元の
より安定な軌道に戻るときに、光を出す → 線スペクトル
高温では電子移動 Ｎａ＋Ｃｌ－ → Ｎａ・ ＋ Ｃｌ・ も起こる
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原子発光： 線スペクトル
www.purebits.com/ appnote8.html より
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触媒燃焼： 燃える砂糖と燃えない砂糖
●角砂糖 （ショ糖）に炎を当てる。
●角砂糖植物の灰をこすりつけて、炎を当てる。
●炭酸水素ナトリウムをこすりつけて炎を当てる。
（2 NaHCO3 ───→ Na2CO3 + CO2）
●炭酸カリウムの水溶液で紙に字を書き乾燥させたものに点火する。
● K,Naの炭酸塩や炭酸水素塩は、燃焼を助ける触媒作用をもつ。
●アルカリ（alkali） ←の植物の灰（kali、アラビア語）
●触媒燃焼： 触媒に助けられた燃焼
○ 黒砂糖は燃えるか
○埋れ火はなぜ消えないか
○練炭や線香の灰はなぜ多いのか
○ミカンの果汁があぶり出しに使えるのはなぜか。
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砂糖の自然発火
濃硫酸（１滴）
●ショ糖（スクロース）＋ KClO3
還元剤
→
発火
酸化剤
KClO3 ＋ H2SO4 → HClO3 （液体）
●炎の色：
(1) なぜ赤橙色でなく白色か
(2) なぜ紫色がかっているのか
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グリセリンと過マンガン酸カリウムによ
る自然発火
● 還元剤 ＋ 強力な酸化剤 →自然発火
● グリセリン ＋ KMnO4
（還元剤） （酸化剤）→（大気中のO２）
● 自然発火： 予想外の場所と時間で
起こりうる → 火災や爆発などの原因
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プロパンガスはなぜ爆発しやすいか
家庭用ガスの組成
●部屋の下部：上部よりも通気
性が悪く点火源（冷蔵庫）も多
い
●火災（燃焼）： 低酸素濃度の
空気を吸う → 脳への酸素供
給停止 →ATPの生成不可
→ 意識喪失
●床近くの空気（O２が多い）を
吸いながら逃げる
ビル火災で44名死亡（2001年、新宿）
焼死者は頭を窓向き ⇒
焼死前の意識喪失
（脳は数十kg/日のATPを使う。しかし、脳
のATPは約１ｇ。6-8秒ごとの再生にO2が
必要。）
(体積％、西部ガス)
メ 空 エ プ ブ
タ 気 タ ロ タ
ン
ン パ ン
ン
分子量
16
6
都市
ガス
89
9
(29)
)
30
44
58
5
3
3
プロパ
パン
ガス
軽い ← （空気）
い
ペ
ン
タ
ン
72
80 20
0 0
→ 重い
17
超微粒子状鉄の自然発火
熱分解
●シュウ酸鉄 → 超微粒子状の鉄
Fe + O2 → Fe2O3 （酸化熱→熱発光）
（微粉鉄）
（酸化鉄）
O2
●内部の原子： 結合能力が全て
満たされている
●表面の原子：外側方向にも結合を作れるが結合していない
⇒他の分子を捕まえやすい（吸着しやすい）
⇒電子移動 ⇒ 化学反応（酸化、燃焼）
●鉄の酸化の応用例： 使い捨てカイロ、脱酸素剤
⇒菓子類などの長期保存
18
粉塵爆発の可能性の実証
● 粉塵爆発の例： 炭塵爆発（炭鉱）
● 小麦粉爆発： 米国中西部の製粉工
場で、小麦粉が、塔中を落下する時の火
花放電によって爆発
● 閉じられた空間内での燃焼 → 強
い力が発生 → 爆発やエンジンのシリ
ンダーの中での燃焼など
● 韓国の釜山の射撃場で８人死亡（09/11/14）
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リズム反応（振動反応）： 生物リズム現象のモデル
● リズム反応：一定の周期で繰返される
反応
● 生物界のリズム現象：
内臓等の周期的伸縮運動など多数
●生物の体内で周期的な化学反応が起
こっているため？
●仮想的モデル：
①草が生える（エネルギー供給）
エネルギー供給： マロン酸の臭素
酸による酸化
マンガンイオンの触媒作用：
②白兎増 → ③赤狐（捕食者）増 →
④兎（被捕食者）減 → ⑤狐減 → ②
Mn2+
（無色、白兎）
の繰り返し
揃って変化（平衡ではない） →
電位差の周期的変動 20
Mn3+
（赤色、赤狐）
触媒と活性化エネルギー
ここで、基質-触媒複合
体ができている
http://www2.yamamura.ac.jp/chemistry/ を参照。
21
触媒の作用機構を見る
酒石酸 ＋ 過酸化水素（H2O2) → CO2 ＋ ・・・・
●触媒基質複合体を作って活性化エネルギーを下げる
触媒 + 基質 ⇔ 触媒基質複合体→生成物 ＋触媒
Co2+
酒石酸
（ピンク色）
酒石酸ーCo2+ ＣＯ２など
（暗緑色）
Co2+
（ピンク色）
触媒がない場合
触媒がある場合
22
誘導期のある反応
●誘導期とは： 活性種生成に時間がかかる
（反応が遅いのではない）
●活性種の例： 触媒・基質複合体
（酵素・基質複合体）
※基質： 反応を受けるもの
●例え： 潜伏期のある病気
●潜伏期に発症の原因物質が作られる →
● 感染から発症までに時間がある
23
問： ドライヤーで浮かせたカップメンの容器は、ドライヤーを動
かすと、その方向に移動する。なぜか。
カップメンの容器
周囲からの
圧力が等し
いので安定
カップメンの
容器が浮く
のは流れる
空気の抵抗
による
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ベルヌーイ定理が働く例
飛行機の翼
霧吹き
変化球
http://www.sonet.ne.jp/kagaku/naze/
hon/cat_d_1_32.html
より
http://www8.ocn.ne.jp/~kenbec/btop-004c.htmより
25
問： コップの近くでゴム風船を膨らませると、
コップは風船にくっつく。なぜか。
圧力高
膨らませた風船
膨らませ
る前
コップ
縁でゴム膜
は滑るか？
コップがない
時の形
圧力中
（大気圧）
膨らませる前
の形（左図）
圧力低
実際の形はどう
なっているのか？
ヒント： 風船を膨らませることによるコップ内部の圧力の変化を考える
演示実験(1)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
この授業での演示実験には燃焼に関するものが多い。①燃焼の定義を述べ、
②演示実験に燃焼実験が選ばれた理由を３つ推定せよ。
① 芯が木綿のアルコールランプでは、可燃性である芯が燃えない。なぜか。「
引火点」と「液体の沸点」という用語も取り入れて説明せよ。
①ろうそくの芯は、ろうの近くでは燃えない。なぜ可燃性の芯が燃えないのか。
「気化熱（蒸発熱）」、「引火点」、「沸点」という用語も取り入れて説明せよ。②ま
た、ろうが燃えるにつれ芯も短くなる。なぜ炎の中の芯の長さは変わらないのか
（なぜ芯も少しづつは燃えるのか）。
①マッチの火で、ヘキサン（ガソリンと同等）には点火できるが皿や鍋に入れた
灯油や食用油に火をつけることはできない。なぜか。②しかし、木綿や紙で作っ
た芯では灯油や食用油にも点火できる。なぜか。
天ぷらを作っているときに、油に引火したらどのように対処したらよいか。原理
の異なる対処法を２つあげ、その原理について解説せよ。
石油ストーブに灯油の変わりにガソリンを入れて火を着けたらどうなるか。根拠
もつけて説明せよ。
演示実験(2)
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
① 消火の四要素と燃焼の三要素とを書き、② 火事の消火には水が用いられる
理由を５つ述べよ。
精製ショ糖である白砂糖には自燃性がないが、未精製ショ糖である黒砂糖には
自燃性がある。なぜか。
炭火は灰に埋もれ、きわめて空気の流通の悪い状態でも消えない。また、線香が
燃えると多量の灰が残る。これらの現象に共通して関与する物質名をあげ、その
作用について説明せよ。
皿に入れたエタノールは穏やかに燃えるが、アルミ缶に少量入れ蓋をして振った
ものに点火すると急速に燃える。同じエタノールなのに、後のケースの方が前の
ケースよりも燃焼速度が速い理由を２つあげよ。
① ろうそくの炎が橙赤色に明るく輝く理由と、② メタノールの燃焼炎が暗くて見
えにくい理由と、③メタノールに食塩を加えたものの炎が黄色である理由を述べ
よ。
① ガスコンロの炎は、空気口（空気取り入れ口）を閉じた状態では、ろうそくの炎
ように橙黄色である。なぜ橙黄色の光が出るのか。② 空気口を開けて空気をガ
スに混ぜると、炎の色は薄い青色になる。なぜ橙黄色が消えたのか。③ この青
色はどのような種類の発光に由来するのか。
予混燃焼の燃焼速度が拡散燃焼の燃焼速度よりも速い理由を２つあげよ。
演示実験(3)
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
○ 予混燃焼の燃焼速度が拡散燃焼の燃焼速度よりも速い理由を２つあげよ。
○ ① ガソリンスタンドの地下にあるガソリン（性質はヘキサンに近い）の貯蔵槽（密閉
状態にある）に火のついたマッチを投入しても、火は消えると推定される。なぜか。「飽
和蒸気の割合」、「可燃範囲（爆発範囲）」という用語を用いて説明せよ。② 一方、ガソ
リンの代わりにメタノールやエタノールを入れたタンクでは、マッチを投げ込むと、爆発
が起こると推定される。なぜか
○ 都市ガス（ガス管で送られてくるガス）とプロパンガス（圧力容器中のガス）とではガ
ス漏れ検知器の設置場所が異なる。なぜか。①２つのガスの組成と② その構成ガスの
性質に基づいて説明せよ。
○ 室内で火災にあったときには、焼死する前に、呼吸を止めていられる時間よりも短時
間で意識を失う可能性がある。① 脳が働くには、なぜ酸素が必要なのか。② 室内火災
の際、室内の空気を吸うと、息を止めるよりも短時間で意識を失う可能性があるのはな
ぜか。（一酸化炭素中毒は、急性中毒ではない。）
○ ① 空気より重い飛行機が空中に浮く理由と② 右回転（時計回り）の変化球が、右方
向へ曲がる理由を、図を書いて説明せよ。
○ 霧吹きを使うとなぜ霧を発生させられるのか。その仕組みについて述べよ。
○ ゴム風船をコップの近くで膨らませると、コップはゴム風船にくっつく。なぜコップは風
船にくっつくのか。