問題
炭化水素を空気中で燃焼させた場合の、完全燃焼と不完全燃焼に関する記述として、最も適切なものはどれか。
(1) 酸素が十分に供給されるほど、一酸化炭素やすすが多く発生する。
(2) 酸素が不足すると、炭素はすべて二酸化炭素となり、水素だけが未燃焼のまま残る。
(3) 完全燃焼では、主に二酸化炭素と水が生成し、不完全燃焼では一酸化炭素やすすが発生することがある。
(4) 一酸化炭素は、二酸化炭素よりもさらに酸化された状態の物質である。
(5) すすは、燃料中の水素が酸素不足によって固体化したものである。
危険物取扱者乙種４類｜完全燃焼と不完全燃焼 酸素量と二酸化炭素、一酸化炭素、すすの発生を解説
炭化水素の燃焼では、供給される酸素の量によって生成物が変化します。酸素が十分にある場合は完全燃焼し、炭素は主に二酸化炭素に、水素は水になります。酸素が不足すると不完全燃焼となり、一酸化炭素やすすが発生することがあります。正解は(3)です。完全燃焼と不完全燃焼の違いを、酸素の供給量と生成物の組合せから正しく説明しているためです。
(1) 酸素が十分に供給されるほど、一酸化炭素やすすが多く発生する。
不適切です。酸素が十分に供給されるほど、炭化水素は完全燃焼しやすくなります。完全燃焼では、燃料中の炭素は主に二酸化炭素となり、水素は水となります。一酸化炭素やすすは、酸素不足によって炭素が十分に酸化されないときに発生しやすい物質です。そのため、酸素の供給が多いほど一酸化炭素やすすが増えるという説明は、燃焼の関係を逆にしています。
(2) 酸素が不足すると、炭素はすべて二酸化炭素となり、水素だけが未燃焼のまま残る。
不適切です。酸素が不足した場合、燃料中の炭素がすべて二酸化炭素になるとは限りません。炭素の一部は酸化が不十分なまま一酸化炭素となったり、固体状の炭素を主成分とするすすになったりします。また、水素だけが未燃焼のまま残ると決まっているわけでもありません。不完全燃焼では、燃料の種類、酸素濃度、温度、燃料と空気の混ざり方などによって、さまざまな未燃焼成分や中間生成物が生じます。
(3) 完全燃焼では、主に二酸化炭素と水が生成し、不完全燃焼では一酸化炭素やすすが発生することがある。
適切です。炭化水素は炭素と水素からできているため、酸素が十分に供給されて完全燃焼すると、炭素は二酸化炭素に、水素は水になります。例えば、メタンの完全燃焼は、CH₄＋2O₂→CO₂＋2H₂Oと表せます。酸素が不足すると、炭素が二酸化炭素まで十分に酸化されず、一酸化炭素となることがあります。さらに燃焼状態が悪い場合には、炭素を主成分とするすすも発生します。完全燃焼と不完全燃焼の生成物を正しく示しているため、この選択肢が正解です。
(4) 一酸化炭素は、二酸化炭素よりもさらに酸化された状態の物質である。
不適切です。一酸化炭素は、二酸化炭素よりも酸化が不十分な状態の物質です。一酸化炭素の化学式はCO、二酸化炭素の化学式はCO₂であり、二酸化炭素のほうが炭素に結び付いている酸素の割合が多く、より十分に酸化されています。一酸化炭素はさらに酸素と反応して二酸化炭素になることがあり、この反応では熱が発生します。また、一酸化炭素は無色、無臭で強い毒性があり、血液中のヘモグロビンと結び付いて酸素の運搬を妨げるため、火災時には特に注意が必要です。
(5) すすは、燃料中の水素が酸素不足によって固体化したものである。
不適切です。すすの主成分は炭素であり、水素が固体化したものではありません。炭化水素が酸素不足の状態で燃焼すると、燃料中の炭素が二酸化炭素や一酸化炭素まで十分に酸化されず、微細な炭素粒子として残ることがあります。これがすすです。すすは黒煙の原因となり、炎が黄色や橙色に見える原因にもなります。水素は完全燃焼すれば水となり、すすの主成分にはなりません。
この問題で覚えるポイント
炭化水素は、炭素と水素を含む物質です。酸素が十分に供給される完全燃焼では、炭素は主に二酸化炭素となり、水素は水となります。酸素が不足する不完全燃焼では、一酸化炭素、すす、未燃焼の炭化水素などが生じることがあります。一酸化炭素は二酸化炭素よりも酸化が不十分な物質であり、さらに酸化されると二酸化炭素になります。すすは水素ではなく、主に微細な炭素粒子からできています。完全燃焼か不完全燃焼かは、酸素の量だけでなく、燃料と空気の混合状態、温度、燃焼時間などにも影響されます。試験では、酸素が十分なら二酸化炭素と水、酸素が不足すれば一酸化炭素やすす、という基本関係を確実に押さえることが重要です。
ひっかけポイント
このテーマでは、酸素の供給量と生成物の関係を逆にした文章がよく出されます。酸素が多いほど一酸化炭素やすすが増えるのではなく、酸素が不足するほど発生しやすくなります。また、一酸化炭素と二酸化炭素の酸化の程度を取り違える誤りにも注意が必要です。酸素原子を多く含む二酸化炭素のほうが、より十分に酸化された状態です。すすについては、炭化水素に含まれる水素と炭素を混同させる表現が使われることがありますが、すすの主成分は炭素です。文章の一部に「酸素不足」などの正しい言葉が含まれていても、生成物や反応の説明全体が正しいとは限りません。酸素量、炭素の変化、水素の変化を分けて確認すると、同じ形式の問題でも判断しやすくなります。
