基礎知識 | 第2章 1節：燃焼の化学

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。

酸化反応の中には、化合が急激に進行して多量の熱を発し、さらに発光を伴うものがあります。このように、熱と発光を伴って進行する酸化反応を、燃焼といいます。

鉄（Fe）は酸化するとさびが生じますが、これを燃焼とはいいません。なぜなら、著しい発熱や発光を伴わないからです。なお、酸化反応であっても吸熱反応として進行するものは、燃焼には該当しません。

燃焼の定義 — 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 多量の煙を発生しやすく、一酸化炭素（CO）などの有害ガスを生じるおそれがあります。

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

固体の可燃性物質特有の燃焼形態である。
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。
熱分解により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、火炎は維持できないが、表面燃焼は維持できる場合に起こる。

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（完全燃焼）。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）がなくても単体で分解爆発する。
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。

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ことから、可燃性ガスが発生しやすくなり、 燃焼速度や火炎の拡がる速度も増大します。

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

燃焼の結果として発生するガスや、消火に使われるガスも頻出テーマです。

一酸化炭素（CO）：酸素の供給が不十分なときに発生する不完全燃焼ガス。 可燃性をもち、人体に対して非常に有毒。
二酸化炭素（CO₂）：すでに最も酸化が進んだ状態にあるため可燃物ではない。不燃性で、消火剤や不活性ガスとしても利用される。
不活性ガス：反応性が非常に低く、消火剤や反応性物質の保存に用いられる。代表例は窒素やアルゴン。ヘリウム（He）、ネオン（Ne）、アルゴン（Ar）、クリプトン（Kr）、キセノン（Xe）、ラドン（Rn）など第18族元素は希ガスと呼ばれ、ほとんど他の原子や分子と結合しないため、不活性ガスとして広く利用されている。いずれも不燃性・無色無臭の気体。

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、有機物では液体は蒸発燃焼、固体は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。これは空気（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、すすの発生量が増加するとともに、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。