水素の爆発について

質問

お世話になります。
水素が酸素と混合し、発火温度に達すると爆発するので危険だと聞きますが、いまいちピンときません。
たとえば理科の実験などで、発生した水素に点火して燃やすとき、大気中の酸素と混じって危険ではないのでしょうか？たまに事故が起こったりもしているようですが・・。
水素の濃度、発火温度などどの数値的なものは調べたのですが、それがいったいどういった状態なのか、よくわかりません。具体例をお教えいただけると助かります。
宜しくお願いいたします。

回答No.13

ht1914

＃１０です。瀑鳴気という言葉は水素、酸素の２：１の混合気体に対して用いられるのが普通だと思います。発生する熱量が大きいこと、比熱が小さいので温度変化が大きくなり、体積の膨張が大きくなるということが主な理由でしょう。構造が簡単なので反応が段階的に起こるということもありません。これはメタンなどと比べるとよくわかります。水素に比べるとメタンは一度に反応するのが難しいことが予想されます。
あの音は急激な体積膨張による衝撃波だろうという記事を見たことがあります。
水素は２原子分子ですがメタンは５原子分子です。原子数が多くなると比熱は大きくなります。考えてみると２原子分子で燃焼性のガスという例ははあまりないですね。（２原子分子の比熱は気体分子運動論によると１ｍｏｌあたり、（５／２）Ｒです。）

お礼

ご回答ありがとうございました。参考になりました。

回答No.12

mazeran

Ｎｏ，４です。

先にも書いたように、「燃焼」も「爆発」も同じ「酸化反応」ですので、爆発すると大量の水ができるのではなく、爆発も燃焼も同じ量の水、つまり２個の水素原子と１個の酸素原子で１個の水の分子になります。
しかし酸化反応は「熱」を伴いますので、水はできているのですが、熱で蒸気になってしまうので、なかなか液体の水としての確認は難しいと思います。

Ｎｏ，１１の方の回答に補足ですが、火種の大きさにもよりますが、火種の熱による空気の対流で、上方の水素が火種近くまで降りて来る可能性は十分にありますので、水素を扱うときは火気厳禁です。うっかり換気扇のスイッチや蛍光灯のスイッチを入れたり切ったりすると、スイッチの火花に引火する可能性は十分にありますので注意が必要です。

お礼

ご回答ありがとうございます。燃えて水ができるという現象は、実際は蒸気が出るわけですね。燃えて煙が出る代わりに、蒸気が立ち昇っているというイメージ・・・？

回答No.11

noname#52155

No.7です。
＞下のほうに火種があっても上のほうの水素が燃焼はしにくいような気がしますが、どうなんでしょうか？

　どうなんでしょうね・・・。『導火線みたいに発生源から水素ガスのパスが天井の溜まりまでつながっていれば，炎が空気中を走って「どかん」といく』という説明はどうでしょう。
　高校の実験で水素を発生させる程度なら大丈夫ですが，水素ボンベを用いるような場合は上記のようなこともあり得そうです。
　危険予知なので想像すればきりがないですが水素が危ないのは確かなので安全に気をつけて扱いましょう。

お礼

ありがとうございます。取り扱いにおける十分な安全管理が必要なこと理解できました。

回答No.10

ht1914

高等学校の化学の実験では水素が発生する反応を扱います。希酸と金属（マグネシウム、アルミニウム、亜鉛、鉄、・・・）、水と金属ナトリウムの反応がよく出てきます。水素の確認として試験管の中の気体にマッチで点火してポン！と音を出して燃える事を確かめます。液量は試験管の深さの１／３程度以下でやります。燃える気体はたくさんあるから燃えたというだけでは水素だと言えないよ、ポン、とかキュンとかの音がするところがポイントだといいます。これは瀑鳴気であるという性質を利用しています。生徒のやった実験条件にはかなりの幅があります。それでもたいていこの音を聞くことが出来ます。これは燃焼範囲が広いことによります。試験管のように太さが一定の容器でやると破裂の心配はほとんどありません。フラスコでやってはいけないとかアルコールランプのような形も危ないということも言います。
瀑鳴気、少量でも本当に凄い音がします。水素：酸素＝２：１の混合気体を作るところがポイントです。私のやったのは電気分解の容器の出口を一つにして気体を発生させることです。２：１で混ざった気体が出てきます。これをインスタントコーヒーのふたのようなものに入れたセッケン液に通じて混合ガスの泡を作ります。ガス点火器の炎を泡に近づけると凄い音がします。教卓で点火していると耳を塞ぐことが出来ないのでしばらくは耳が聞こえなくなるぐらいです。体積は１０ｍｌもないでしょう。
大学の実験室などで水素を使うことが前提になっている場合は天井に傾斜をつけ、換気窓を付けるというのが原則だというのを聞いたことがあります。

お礼

ご回答ありがとうございます。教育の現場で実際にやられている方のアドバイス、大変参考になります。
基本的な質問なのですが、「爆鳴気」とはどういった定義の気体なのでしょうか？水素以外にどんなものがあるのでしょうか？お教えいただければ幸いです。

回答No.9

gabo2gou

すでにたくさんの方がコメントされていますので
>危険なのは、密閉された空間に水素が充満しているということでしょうか。
についてのみ書かせていただきます。

何年かに一度新聞にのる理科の授業中の爆発事故は、すべて密閉した容器中で起こっています。燃焼による発熱で気体が急激に膨張しますが、そのとき圧を逃がす仕組みがなければ起こります。具体的には、キップの装置や三角フラスコなどを使って水素を発生し、容器内に火が入ったときです。消火器爆弾が大きな破壊力を示すのも同じ理由です。

爆鳴気の実験では、風船や底を抜いたビンを使い、必ず圧を逃がすような仕組みを作っています。また、高圧の気体を扱う装置や設備には、必ず圧が高まったときにリークさせるための安全弁がついています。

お礼

ご回答ありがとうございます。圧がかからないようなしくみ、圧を逃がす仕組みが重要だということ、参考になりました。

回答No.8

kimi-ken

燃焼と爆発はスケールの大きさのみと理解して頂いて構わないと思います。物の本には、爆発は、爆風を伴う燃焼とありますが・・・。

お礼

ご回答ありがとうございます。理解できました。

回答No.7

noname#52155

水素の爆発については既に回答が得られているようなのでNo.5のお礼について一言（自信はありませんが・・・）。
　水素を外で発生させると空の彼方へ拡散していき安全ですが、室内だと水素は空気よりも軽いため部屋の一部分（天井の窪みとか）に集まります。このとき誰かが火を使うと「どかん」といくかもしれません。締め切った部屋を密閉と呼ぶか分かりませんが、水素を使うときは部屋の換気に気をつけましょう。

お礼

ご回答ありがとうございます。
水素は軽いので部屋の中でも天井の方に溜まると思いますが、部屋の中の空気に対して爆発範囲の濃度にあるとしても実際は、天井付近に固まって存在しているので、下のほうに火種があっても上のほうの水素が燃焼はしにくいような気がしますが、どうなんでしょうか？

回答No.6

kimi-ken

水素の爆発範囲は、常圧の空気中で４～７５％です。水素が少ないか、または、多量のありすぎても爆発は起こりません。（加圧状態では爆発範囲が広くなるのが一般的です。）水素より爆発範囲が広い気体もありますが、身近なところでは、アセチレンガスの２～１００％が挙げられます。アセチレンは、炭素－炭素の三重結合を持つ分子なので、反応性が高く、自己分解も起こすため、空気（酸素）が無くても爆発します。
以上、参考になれば幸いです。

お礼

ご回答ありがとうございます。
確認ですが、爆発範囲の４～７５％とは、空気中で水素がそれだけの濃度にあると、火種があれば燃焼するという理解でよろしいでしょうか。そのときの水素の量が少なければ単なる「燃焼」で、多量にあると「爆発」になるということで・・。

回答No.5

noname#160321

＃２です。某ガス協会に勤めていたことがあるので、大事な確認をしておきます。
＃３のお答えにある水素が危険なのは酸素との混合比が広いところで引火すると言う点で。
この範囲を「爆発限界」と呼びますが実際にはただの燃焼可能範囲のことです。

お礼

ご回答ありがとうございます。参考になりました。
普通に大気中に水素を開放すると多分、すぐ拡散してしまうのでそれほど危険ではないと考えていいのでしょうか。危険なのは、密閉された空間に水素が充満しているということでしょうか。

回答No.4

mazeran

理科の実験では確かに「爆発」しても問題のないレベル（量）で行なっています。

そもそも「爆発」というのは、「燃焼」の一部であり、「酸化反応」です。
酸素とゆっくり反応すると「燃焼」と呼ばれ、一気に激しく反応するときは「爆発」と呼ばれます。
つまり水素などの「可燃ガス」は、酸素の「量」で状態が変わります。

いくら濃い水素でも、細い管からチョロチョロ出して火を着けても爆発はせずに、「燃焼」に留まります。管から出た瞬間、空気と混ざり、「燃焼」に適した混合になった瞬間に、ゆっくりと酸化反応を起こします。
ところがチョロチョロ出してても、火を着けずに、噴出した水素が空気中の酸素と「爆発」を起こす割合で混ざったときに火を着けると「爆発」します。

決して水素だけでは燃えたり爆発したりはしません。その証拠に、何年か前に、木星に彗星が衝突したことがありましたが（シューメカーレビー第９彗星）、木星は云わば「水素の塊」です。水素単体で爆発するのなら、彗星が衝突したときに木星は太陽になっていたはずです。

発火温度は適度な酸素と混ざった状態で、火種の類がない状態で、熱による自然発火の温度です。（厳密には表現に違いがあるかも・・・）

家庭のプロパンガスも、料理をするときには「燃焼」に適した量だけ空気と混ぜて、「緩やかな酸化反応」をさせているのです。
ガスが漏れていることに気が付かないで、うっかり火種になるようなものを与えてしまうと、爆発にてきした割合に混合していたら、ガス爆発を起こします。

車のエンジンも同じです。ガソリンに火を着けてもただ燃えるだけです。これが適量の空気と混ぜられると、爆発を起こしてエンジンは動くのです。

ですから理科の実験では、少量の水素と、爆発に必要な適当な量だけ混ぜて「ポン！」とやり、その時の「爆圧」を確実に逃がす装置で行ないます。（試験管など。）小さな爆発でも、爆圧を逃がさずに容器に留めようとすると、水素の爆発以上の爆発を起こします。ダイナマイトと同じです。

お礼

ご回答ありがとうございます。参考になりました。
水素が酸素と反応して燃えると水が出来ると思いますが、爆発したときも同じようにみずが発生するのでしょうか？　大量の？