燃焼

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燃焼による炎

燃焼(ねんしょう)とは、燃料可燃物)が光や熱の発生を伴って、激しく支燃物(主に酸素分子など)と反応する化学反応酸化還元反応)である。燃焼に必要な支燃物は、空気中の燃焼であれば主に酸素分子がその役割を果たすが、適切な酸化剤還元剤の組み合わせ(火薬類など)が存在する場合は、酸素分子の供給が無くても燃焼は起こる[1]。 燃焼を起こすには燃料と支燃物に加えて、反応を開始するのに十分な熱エネルギーを必要とする。 燃料の酸化反応は通常は発熱反応として進行し、反応開始後は必要な熱エネルギーを継続的に得ることができる状態となる。

狭義には可燃物と酸素分子との反応のみを燃焼と定義する場合もあるが、この場合、上述の酸素分子の供給がなくとも進行する火薬の燃焼などは含まれないことになる。 より広義には、燃料の構成元素と酸素原子との化合以外に、酸素の代わりとして塩素フッ素などと反応する酸化反応も含める場合もある[2]

また、生体内で起こる穏やかな酸化反応(ブドウ糖が酸化されて二酸化炭素になる反応など)に対して比喩的に燃焼という表現が使われる場合もあるが、定義的に区別されるものである[3]

特に気体の燃焼現象はまたは火炎と呼ばれる。は燃焼現象(特に発光を伴う場合)を指す一般的な名称である。燃焼には炎を有する有炎燃焼と有しない無炎燃焼(燻焼)があり、線香の火やタバコの火は無炎燃焼の例である。

爆燃爆轟爆発を伴う燃焼のことであり、反応速度が音速以下の場合が爆燃、反応速度が音速を超え衝撃波を伴う場合が爆轟と定義される。非常に大きなエネルギーを持つことから、土木工事や鉱業、兵器に利用され、また事故の原因ともなる。

燃焼の3要素[編集]

燃焼の3要素(酸素:Oxygen、可燃物:Fuel、熱:heat)。別名:火の三角形英語版

燃焼に必要な要素として、次の3要素が挙げられる[4]

  1. 可燃性物質
  2. 酸素
  3. 発火点以上の温度

燃焼の3T[編集]

完全燃焼の要素として、次の3つの「T」が挙げられる[5]

  1. 燃焼温度(Temperature)
  2. 滞留時間(Time)
  3. 空気との混合状態(Turbulance)

燃焼の種類[編集]

気体燃焼[編集]

  • 拡散燃焼 - 燃料と酸化剤が別々に供給される燃焼。
  • 予混合燃焼 - 燃料と酸化剤が予め混合される燃焼。

液体燃焼[編集]

  • 蒸発燃焼 - 液面から燃料が蒸発して燃焼すること。
  • 灯芯燃焼 - 芯を用いて燃料を吸い上げて燃焼する。

固体燃料[編集]

燃焼機器[編集]

  • バーナー - 気体液体粉体を空気などと混合して燃焼させる機器。
  • 火格子燃焼 - 格子の上に固体の固定層を作り燃焼させる。
  • ストーカー燃焼(移動火格子) - 固体を移動する火格子の上で燃焼させる。
  • 流動床燃焼 - 空気などで流動させた高温のケイ砂などに固体を接触させ燃焼させる。

反応機構[編集]

燃焼の化学反応機構は100以上の素反応を経るためかなり複雑である。各素反応は、開始反応、連鎖分岐反応、置換反応、停止反応の4つに分類される。

水素ガスの場合[編集]

水素ガス(H2)の燃焼が最も単純なため(理由は、反応には水素と酸素の2種類の元素のみが関わるため)、まず水素の燃焼機構について記す。

開始反応
H2 + M → H + H + M (水素分子の開裂
O2 + M → O + O + M (酸素分子の開裂)

このうち、結合エネルギーから、水素分子の開裂のほうが起こりやすい。

連鎖分岐反応ラジカルの数が増える反応で、開始反応以外のもの)
O2 + H → OH + O
H2 + O → OH + H
O2 + OH → HO2 + O
置換反応(ラジカルの個数は変わらず、種類が変わるもの)
H2 + OH → H2O + H
H2 + HO2 → H2O + OH
停止反応(ラジカルの数が減少するもの)
H + OH + M → H2O + M
H + H + M → H2 + M
O + O + M → O2 + M

高等学校までの化学授業では、水素ガスが燃焼する反応は、単に

2H2 + O2 → 2H2O

と習うのであるが、これは反応前と反応後の物質収支を述べたに過ぎず、実際には上記のように複雑な過程を経て最終的には停止反応により反応が終息する。

また、燃焼がいったん開始すると継続して行われ、悪条件により暴走すると爆発爆燃または爆轟)に至るのは、ラジカルが急速(等比級数的に)に増加する連鎖分岐反応を経るからである。 [注 1]

燃焼後の軽重[編集]

物質が燃焼すると、残った物質が軽くなる場合と重くなる場合とがある。

軽くなる場合[編集]

大気中に含まれる酸素と燃える物質とが結びついて気体となれば燃える物質の分だけ軽くなる。

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C + O2 → CO2
H2 + O → H2O

重くなる場合[編集]

大気中に含まれる酸素と燃える物質とが結びついても個体のままであれば酸素の分だけ重くなる。

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Fe2 + O3 → Fe203

脚注[編集]

[脚注の使い方]

注釈[編集]

  1. ^ 燃焼の化学反応機構を研究する分野では、慣習上例えば水素ラジカル2個を表現する場合、"2H"とは書かず、"H + H"のように表記する。また、Mはここでは任意の化学種である(エネルギーだけを与えたり、持ち去ったりするもの。反応の前後で化学変化をしない)。

出典[編集]

  1. ^ 松永猛裕「花火の原理・安全・データベース」『日本燃焼学会誌』2018年 第60巻193号、p.173~180
  2. ^ Donald Jones, Myron Kaufman "Combustion of hydrocarbons in purified fluorine" Combustion and Flame, 1987, 67(3), p.217~221
  3. ^ Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff,Keith Roberts, Peter Walter 共著『細胞の分子生物学-第5版-』中村桂子, 松原謙一 監訳、Newton Press、2010年2月、p.820、ISBN 978-4-315-51867-2
  4. ^ 化学工学会SCE・Net、2011年『熱とエネルギーを科学する』東京電機大学、ISBN 9784501419004、47ページ目。
  5. ^ Miyoshi, Y.、2000年「Selection guide of incinerator on medical organizations」『臨床病理』2000年5月、補冊112、53~63ページ、PMID 10901046

関連項目[編集]

外部リンク[編集]