火は何からできているの? 燃料と酸素からですね?

みなさん、火は何からできて、どのように発生するのか、解説します。

●一口に火といっても、火にもいろいろな種類があります。マッチの火、ろうそくの火、ガスストーブの火、石油ストーブの火など、これらはすべて火ではありますが、燃えているものはそれぞれ違っています。
たとえばマッチの火は、マッチの先の部分についている「リン」という火薬と、その下の細い木の軸が燃えてできますし、ローソクの火はとけたロウが燃える材料となって、あのようにゆらゆらと燃えているのです。また、ガスや石油ストーブについては、都市ガス、LPガス、灯油などが燃料となっています。
火というのは、このような燃料を、それぞれに決められた一定の高温にすると、燃え始めます。ところが、高温にしただけではもちろん燃えません。ここで、もうひとつどうしても必要なものがあります。それは酸素です。何かが燃えるということは、空気中の酸素が、燃料と高温ではげしく反応している状態のことなのです。
つまり火は、燃料になるものと酸素のふたつからできているということになるといえばいいでしょう。

火とは、 化学的には物質の燃焼(物質の急激な酸化)に伴って発生する現象、あるいは燃焼の一部と考えられている現象である。
火は熱や光と共に様々な化学物質も生成する。気体が燃焼することによって発生する激しいものは炎と呼ばれる。煙が熱と光を持った形態で、気体の示す一つの姿であり、気体がイオン化してプラズマを生じている状態である。燃焼している物質の種類や含有している物質により、炎の色や強さが変化する。
人類の火についての理解は大きく変遷してきている。象徴的な理解は古代から現代まで力を持っている。また理知的には古代ギリシアにおいては4大元素のひとつと考えられた。西欧では18世紀頃までこうした考え方はされた。18世紀に影響力をもったフロギストン説も科学史的に重要である。
人類は調理、暖房、合図として、また動力源としても火を利用してきた。
火は火災を引き起こし、燃焼によって人間が物的損害を被ることがある。また、世界的な生態系にも影響する重要なプロセスである。火はある面では生態系を維持し、生物の成長を促す効果を持つ。また、火は水質・土壌・大気などを汚染する原因という側面もある。

●火の理解史
人類は火を様々に理解してきた。いかにして火を手に入れたのかという、火の起源神話も世界各地から知られている。このタイプの火の起源神話として最も知られているものの一つに、ギリシア神話におけるプロメテウスの神話がある。
火を信仰の対象とする宗教もある。古代世界において火は神格化され、畏敬の対象とされた。例えばインド神話におけるアグニがある。また拝火教という異名を持つゾロアスター教もある。日本でもお盆の送り火(京都市の五山送り火が有名)をはじめ、国内各地で特徴的な火祭りが数多く存在する。なかでも小正月に行われる左義長(どんど焼き)は、日本各地にほぼまんべんなく存在する。信仰の場以外でも、例えばキャンプファイヤーなど多くの行事、象徴的な場などで火は用いられている。現代でも火は象徴としての力を持ち続けている。

●四元素説における元素の関係図
前6世紀、ヘラクレイトスは、流転する世界の根源に火を位置づけ、魂を神的な火とみなした。前5世紀のエンペドクレスは、火を四元素のうちのひとつとし、プロメテウスに因んで「パイロ(古代ギリシア語: πυρ)」とした。デモクリトスは、魂と火を同一視し、原子は無数あるとしつつ、「球形のものが火であり、魂である」とした。アリストテレスの『自然学』において、火は四元素のひとつと位置づけられていた。古代ギリシャ哲学の流れを汲むイスラム科学でも火は元素の1つであると考えられた。(また中国の哲学でも類似の考えかたがされていた)。18世紀ころまでのヨーロッパでも、おおむね主にアリストテレスの『自然学』における火の理解のしかたを継承したと考えてよい。ただし、他方で錬金術においては、火は物質や物質に仮託された精神の統合や純化を促す力、と考えられていた。

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●ゲオルク・エルンスト・シュタール
18世紀になると、多くの思想家は、熱や光に火の本質を求めようとした。カントは、温度上昇を火の元素の移動と関連付けて理解した。
ゲオルク・エルンスト・シュタールは、火というのは可燃性の原質「フロギストン」によって起きていると考え1697年の著書『化学の基礎』でこれを表明した。フロギストン説は多くの人々に支持され最大の影響力を持っていた。同説に対抗する諸説はあったが、18世紀末にラヴォアジエが行った批判や同氏の理論の説得力などにより、燃焼を酸素との結合現象とする説を採用する人が増え主流となってゆくことになった。

●火の構造、しくみ
火は炎心と内炎と外炎によって構成されている。最も明るいのは内炎である。これは、炭素(すす)が最も多く含まれているためである。最も熱いのは、外炎である。これは、酸素と最も多く接触しているためである。また、内炎は、不完全燃焼を起こしている。
近年では「燃焼によって解放されたエネルギーのために、燃焼している物体(や気体)は発光する」と説明することがある。

●燃焼
火には、燃料と酸素と熱が必要である。
火が点火するには、可燃物、酸素ガスのような酸化剤、それらの混合物が引火点を越えるための熱が必要である。そして火が燃焼し続けるには連鎖反応を生み出すよう酸素が連続的に供給される必要がある。火はこれらの要素が揃わない環境では存在しない。燃料と酸素だけでなく、触媒が必要な場合もある。触媒はそれ自体が燃焼するわけではないが、化学反応を促進する役目を果たす。
火が点火すると、燃焼によって発生した熱エネルギーがさらなる燃焼を起こす。火が燃え続けるには燃料と酸素の継続的な供給が必須となる。
火を消すには、上述の要素のいずれかを取り除けばよい。例えば天然ガスの火を消すには以下のいずれかを行えばよい。
• ガスの供給を止める – 燃料を除去する。
• 炎を何かで完全に密閉する – 酸素供給を断ち、炎の周囲にCO2を充満させる。
• 水を大量にかけ、炎が熱を発生するよりも素早く熱を奪う。冷気を吹き込んでも同じ効果が得られる。
• ハロメタンのような反応遅延剤を使う。燃焼の化学反応そのものを遅延させ、連鎖反応できなくする。
逆に、燃焼効率を高めることで火を強めることができる。そのためには化学量論的につりあいのとれた形で燃料と酸素の供給量を調整する。これによって火の温度も高くなって連鎖反応も強まるが、同時に触媒を必要とする場合もある。

●炎
高く上がる炎
炎は可視光や赤外光を放つ化学反応中の気体と固体の混合物であり、その周波数スペクトルは燃焼物や中間生成物の化学組成によって異なる。木などの有機物を燃やしたり、ガスを不完全燃焼させると、すすと呼ばれる白熱した固体粒子を生じ、おなじみの赤からオレンジ色の火になる。火の発する光は連続スペクトルを有する。ガスが完全燃焼すると、炎の中では励起された分子の電子が様々な遷移を起こして単一の波長の光を発するため、やや暗い青色の光になる。一般に火には酸素が必須だが、水素と塩素が化学反応して塩化水素となる場合も炎を生じる。他にも、フッ素と水素、ヒドラジンと四酸化二窒素の化学反応でも炎を生じる。
炎の発する光は複雑である。すす、ガス、燃料の粒子などが黒体放射するが、すすの粒子は完全な黒体として振舞うには小さすぎる。また、ガス内で下方遷移した原子や分子が光子を放出する。放射のほとんどは可視光と赤外線の範囲にある。色は黒体放射の温度や燃焼に関わる物質の化学組成によって変化する。炎の色を最も左右するのは温度である。山火事の写真を見ると、様々な炎の色が見てとれる。地表付近は最も激しく燃焼しているため、有機物が最も高温で燃焼しているときの白または黄色の炎が見える。その上にはやや温度の低いオレンジ色の炎があり、さらに温度の低い赤い炎が見える。赤い炎の上では燃焼は起きず、燃焼しきらなかった炭素粒子が黒い煙となっている。
アメリカ航空宇宙局 (NASA) は、炎の形成に重力もある役目を果たしていることを発見した。重力の条件が異なれば、炎の形状や色が変化する。通常重力下では対流によってすすが上に登っていくため、右の写真に見られるような形になり、黄色になる。宇宙空間などの無重力状態では対流が起きないため、炎は球状になり、完全に燃焼するため青くなる(ただし、燃焼によって発生したCO2がその場に留まって炎を包むため、ゆっくり炎を移動させないと火が消えてしまう)。この違いの説明はいくつか考えられるが、温度があらゆる方向に等しく伝わるためすすが生じず、完全燃焼するためという説明が最も妥当と見られる。

火や炎にもいろいろな話があり面白いですね。みなさん、燃焼反応を使った化学合成もあるよ。

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