エタノールの爆発実験で、エタノール量が多すぎると爆発が小規模になる理由は？

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質問者：kaiwareee
質問日時：2009/06/14 20:34
回答数：4件

空き缶内でエタノールに火をつけ爆発させる実験で、エタノールの量が多すぎると爆発が小さくなるのはなぜすか？

エタノールの蒸気圧が飽和に達し、液体のままのエタノールが温度上昇を妨げ、気体の膨張が小さくなるからでしょうか？

全て気化していた場合でも、缶内の酸素に対する反応量より多く入れると爆発は小さくなるのでしょうか？

反応量の過不足という観点から考察を行いたいのですが、この実験では不適切でしょうか？

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No.4

回答者： htms42
回答日時：2009/06/15 18:39

爆発と燃焼の違いは火炎が伝わる速度です。

一ヶ所で生じた火炎面が一気に全面に伝わるのが爆発です。
火炎面が立ち消えせずに端まで伝われば燃えたということになります。
その燃えるための条件が燃焼限界です。３．３％～１９％という値です。この値の外側ではある場所で点火されて燃えたとしても全体に伝わらないのです。立ち消えします。フィラメント式のガス点火器を使うとよく分かります。フィラメントのすぐ近くでアルコールが燃えているのですが全体には広がらないのです。
燃焼限界の値は完全燃焼の割合を含んでいます。
完全燃焼の場合の濃度は酸素の１／３ですので空気に対しては１／１５です。空気との混合気体で言うと１／１６になります。６．３％です。上に３倍、下に１／２倍になっていますね。
６．３％～３．３％では酸素が余ります。燃料不足です。６．３％～１９％は酸素不足です。燃料が余ります。余りがあるということは反応に関係しない物質で薄めているということと同じです。燃えるためには熱も必要ですが燃焼に必要な物質の組が揃っていることも必要です。一ヶ所で起こった燃焼によって生じた熱を次の反応に使おうしてもすぐ近くに燃える物と酸素のペアーが必要な割合で存在していなければ次の燃焼が起こりません。（「熱が不足」というよりは熱を利用する「反応物質の不足」です。）
次々と反応が続いて起こる道筋が端まで続いていれば燃えたということになるのですから濃度に幅が出てきます。道筋がたくさん存在していて一度に全面に反応が伝わる場合は爆発です。爆発が起こるときには火炎面は超音速で伝わるそうです。衝撃波が生じますので音がします。理化学辞典を見るとこのような爆発は特に「爆轟」というようです。（普通の燃焼は爆燃といいます。）

燃えるものと酸素とが過不足なしに存在していれば一番効率よく燃焼が伝わるはずです。反応のしくみの違いによっていくらかずれると思いますが完全燃焼の割合の近くで爆発が起こるでしょう。

ピッタリとした割合に調整するのは難しいです。
空き缶を使われたようですが点火装置はどのようなものでしたか。
私が使っていたのはのりの缶にプラスティックスの蓋をして底の方に空けた穴にマッチを近づけるというものです。エタノールの量が少し多いときは穴の近くで炎が噴き出すように燃えます。少し燃えてエタノールの蒸気量が減った所でボン！と行きます。勝手に濃度調整をやってくれるのです。
電極を差し込んでの点火では濃度の調整が難しいです。
液体がはっきりと残っているとうまくいきません。
試験管に１～２ｍｌエタノールを取って缶に入れます。缶をぐるぐると回して缶壁をまんべんなくぬらしてからサカサマにして残っている液体を捨ててしまいます。２～３回振ってしずくも落とします。息を吹き込んで空気を入れる事もやります。蓋をして点火するのですがこれでもエタノールが多いということがよくあります。

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No.3

回答者： doc_sunday
回答日時：2009/06/14 22:06

原理という程のものはありません。

また「爆発」というのも適切とは言えません。
一応二つのことが考えられます。
１.爆発限界：
参照、↓(社団法人アルコール協会)
http://www.alcohol.jp/expert/bulist.html
気体の体積％で3.3％から19％の間でないと火が付きません。
この説明は結構むつかしいです。なお爆発限界という物騒な名前が付いていますが、実際は「引火限界」、「燃焼限界」というべきものです。
アルコール量が少なすぎると、燃焼を維持するだけの熱が出ません。一方多すぎると酸素が足り無くなり、やはり連鎖反応できるだけの熱量を維持できません。酸素は２１％しかないのです。
いずれも理論的には・ＯＨ、・ＯＯＨラジカル、炭素ラジカルの濃度が問題になります。
２.化学量論：
エタノールの組成式は、Ｃ2Ｈ6Ｏですから、完全燃焼は、
Ｃ2Ｈ6Ｏ＋３Ｏ2 → ２ＣＯ2 ＋３Ｈ2Ｏ
となりますから、エタノールが完全に気化した場合三倍の体積のエタノールが必要になります。ところが上記サイトによれば5.88ｋＰa(20℃)のエタノールが存在します。
先にも記したように大気の酸素分圧はは21％ですので一気圧101.3kＰaの場合分圧は21.3kＰaしかありません。実際にはエタノールの液体があるとそれと平衡にある5.88kＰａのエテノールの分圧を一気圧から差し引いたものの21％で20.0kPaになります。
完全燃焼の場合エタノール5.88kＰaの三倍17.64kＰaあれば良いので、ふつうなら完全燃焼します。
しかし、加温したりするとその分圧は上がります。↓
http://www3.u-toyama.ac.jp/kihara/chem/fire/alco …
この図のように４０℃まで上げると爆発限界から外れてしまいます。またそこまでいかなくても、30℃で0.178気圧=18.0ｋPaになり、残りの酸素は(ボイルシャルルの法則を無視して)17.5kＰaになり、酸素分圧<エタノール分圧、になりますから「完全燃焼」は出来なくなります。
この様な関係から「景気の良い」破裂音を立てるのは結構ムツカシイ事がお分り頂けたでしょうか。^^