燃焼の定義

物質が酸素と結びつく反応を酸化といい、その結果生じる生成物を酸化物と呼びます。例えば、炭素が酸素と反応すると二酸化炭素が生じます。 このとき、炭素は酸化されて、酸化物である二酸化炭素へと変化したことになります。

酸化反応の中でも、反応が急激に進み、多量の熱と光(炎)を出すものがあります。 このような酸化反応を燃焼といいます。

たとえば鉄(Fe)が酸化するとさびが生じますが、これは燃焼とはいいません。 著しい発熱や発光を伴わないからです。 また、酸化反応であっても、周囲から熱をうばう吸熱反応として進むものは、燃焼には含めません。

燃焼の定義と吸熱反応の対比例
一般に、物質は燃焼によって、より安定した化学的性質をもつ物質へと変化します。

無炎燃焼

燃焼には、火炎を伴う有炎燃焼と、火炎を伴わない無炎燃焼があります。 無炎燃焼は燻燃(くんねん)とも呼ばれ、一般に煙を多量に発生しやすく、 一酸化炭素(CO)などの有害ガスを生じやすい燃焼です。

無炎燃焼は、タバコや線香のような燃焼のほか、くすぶっている木材や布などにもみられます。 火が出ていないからといって、必ずしも安全とは限らない点に注意が必要です。

無炎燃焼の特徴

  1. 固体の可燃性物質特有の燃焼形態である(表面でじわじわ燃える表面燃焼)。
  2. 酸素の供給量が増加すると、有炎燃焼に移行することがある。
  3. 熱分解による可燃性気体の発生速度が小さい場合や、雰囲気中の酸素濃度が低下した場合などに起こる。 このとき、火炎は維持できないが、表面燃焼だけは維持できる。
炭素・炭化水素の完全燃焼と不完全燃焼の例
炭素や炭化水素が酸素と反応すると、酸素が十分なときは二酸化炭素(CO₂)と水(H₂O)まで酸化されます。 これを完全燃焼といいます。一方、酸素が不足すると一酸化炭素(CO)などが生じ、 無炎燃焼を含む不完全燃焼となり、有害ガスや煙が多く発生します。

ガスの分解爆発

アセチレン、エチレン、酸化エチレンなどの気体は、たとえ空気などの支燃性(助燃性)ガスが存在しない場合でも、 単体のままで火花、加熱、衝撃、摩擦などの刺激を受けると分解爆発を起こすことがあります。

このような分解爆発では、分子が自ら分解する過程で大量の熱が発生します。 つまり、酸素がなくても気体そのものが激しく分解してエネルギーを放出する点が、 ふつうの燃焼爆発との大きな違いです。

アセチレンなどの分解爆発の反応式と発熱量の例
図では、アセチレン(C₂H₂)、エチレン(C₂H₄)、酸化エチレン(C₂H₄O)などの分解反応と、 そのときに発生する熱量の例を示しています。これらの気体は、酸素が存在しなくても分子が自ら分解して 大きなエネルギーを放出するため、高圧ガス容器や配管中で分解爆発を起こすおそれがあります。

出る出るポイント!

  • アセチレン・エチレン・酸化エチレンなどは、空気(支燃性ガス)がなくても単体のままで分解爆発を起こすことがある。
  • きっかけは火花・加熱・衝撃・摩擦など、わずかな刺激でよい。
  • 分子が自ら分解して大量の熱と高圧ガスを生じ、容器・配管の破裂事故につながる。

燃焼の三要素

燃焼の三要素とは、燃焼が発生するために必要な3つの条件を指します。 これらのうち、いずれか1つでも欠けると、燃焼は成立しません。

燃焼の三要素(可燃物・酸素供給源・点火源)
※「④燃焼の継続(酸化の連鎖反応)」で四要素とする場合もある。

① 可燃物

可燃物とは、点火されるとよく燃焼する性質をもつ物質のことであり、 代表的なものに水素一酸化炭素硫黄木材石炭ガソリンプロパンなどがあります。

② 酸素供給源

酸素供給源には、空気のほか、第1類危険物(酸化性固体)や第6類危険物(酸化性液体)などが含まれます。 これらの酸化性物質は、化学反応の相手に酸素を供給する性質をもつため、 可燃物と混合すると非常に危険です。

また、第5類危険物(自己反応性物質)の多くは、分子内に酸素を含んでおり、さらに自らが可燃性であるため、 可燃物と酸素供給源が一体となった状態になっています。このような性質をもつ物質は、特に注意が必要です。

酸素濃度が高くなると、同じ物質であっても着火温度が低下するため、火がつきやすくなります。 さらに、火炎温度も上昇するため、可燃性ガスに着火しやすくなり、 燃焼速度や火炎の広がる速さも増大します。

③ 点火源(熱源)

点火源(または熱源)には、代表的なものとして火気のほか、 火花(金属の衝撃による火花や静電気の放電)、摩擦熱、過電流、高温体などが挙げられます。

出る出るポイント! CO・CO₂・不活性ガス

ガス系の問題は細かいけど、ここだけは押さえておきたい!

  • 一酸化炭素(CO):酸素が足りないときに出てくる不完全燃焼ガス。自分も燃えるし、体にもめちゃくちゃ毒。「見えない・におわない・でも危ない」って覚えておこう。
  • 二酸化炭素(CO₂):もうこれ以上ほぼ酸化しないところまで行ったガス。だから燃えない。 消火器の中身や、不活性ガスとしてよく使われる。
  • 不活性ガス:ほとんど反応しないおとなしいガス。窒素やアルゴン、ヘリウムなんかが代表選手で、 反応性の高い物質を安全に保管したり、火を消したりするときに使う。どれも燃えないし、 無色・無臭だと思っておけばOK。

炎色反応

炎色反応とは、アルカリ金属やアルカリ土類金属、銅などの金属元素を無色の炎の中に入れたときに、 その元素特有の色が炎に現れる現象です。

  • リチウム(Li):赤色
  • ナトリウム(Na):黄色
  • カリウム(K):赤紫色
  • カルシウム(Ca):橙赤色
  • ストロンチウム(Sr):紅色
  • バリウム(Ba):黄緑色
  • 銅(Cu):青緑色
主な金属元素の炎色反応(色のイメージ)
※すべての元素が炎色反応を示すわけではありません。

有機物の燃焼

有機物の燃焼は、その状態(液体か固体か)によって燃え方が異なります。 ガソリンや灯油などの液体有機物は、いったん蒸発して気体となり、この気体に火がつく蒸発燃焼を起こします。一方、木材や石炭などの固体有機物は、加熱によって分解して 可燃性ガスを出し、そのガスが燃える分解燃焼をします。

このため、有機物では「液体=蒸発燃焼」「固体=分解燃焼」として覚えておくと整理しやすくなります。

すすとは、可燃性ガスの中に含まれる炭素粒子が高温でも燃えきらずに残り、ガスから分かれてしまったものを指します。 空気(酸素)の供給が部分的に不足しているときに多く発生し、濃い煙である黒煙として見られます。

不完全燃焼が起こると、すすの発生量が増えるとともに、可燃性ガス中の炭素が十分に酸化されないため、 結果として一酸化炭素(CO)の生成量も多くなります。

クイズ

次のうち、燃焼の三要素に該当しないものはどれか?

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