炎の中で何が起こっているの？

質問

ものが燃えるときに炎を出しますよね。高熱や光を連続的に発していますが、あの中ではでは一体何が起こっているのでしょうか。
　また、炎を出さずに燃えることもありますが、どう違うのでしょうか。
　燃焼（に限らず人間の体の中などでも）の後で、燃焼に関わった物質（気体も含めて）の質量が減っているはずでよね。Ｅ＝ＭＣ＾２が当てはまるとすれば、とても小さな質量ですが、エネルギーを放出している以上は質量も減っていると思うのです。これは正しいのでしょうか。もし正しいとすればどう説明できるのでしょうか。子供のような質問で恐縮ですが、よろしくお教え下さい。

回答No.5

chukanshi · ベストアンサー

燃焼を物理現象として見たときに、どの辺までちゃんと説明できるか、一般的なことをお話したいと思います。

まず、燃焼とは、物理的に定義すると、光と熱を発しておこる連続的な化学反応と言えるでしょう。そして燃焼は、ある一定の温度、つまり発火点に温度が達すると起こります。発火点は、物質の種類によって違います。

「熱」という言葉が入っているからには、ひとつの原子で起こっていることだけを考えても燃焼かどうかはわからない、ということです。「熱」は、原子が大量（アボガドロ数ほど、10^23個）に集まってはじめて定義できるものだからです。「温度」も原子が大量（アボガドロ数ほど、10^23個）に集まってはじめて定義できるものです。（１個の原子の温度が何度とはいえません。）

しかしながら、原子レベルで起こっていること（燃焼の素過程とよぶ）を考えてみましょう。燃焼が起こっているとき、原子レベルでは、化学結合の組換えが起こっています。もっと細かく言うと、電子が軌道を移っていて、軌道によってエネルギーが違うので、移った先のエネルギーとの差の分を、光として出します。これが、燃焼で発生する「光」の原因であると考えられます。しかし、１個の原子でこういうことが起こってもそれは、決して燃焼ではありませんね。このレベルでは、原子が電子を失ったか、受け取ったかはわかります。原子が電子を受け取ることを、酸化、失うことを還元と呼びます。これは言葉の定義です。つまり、原子のレベルでは、酸化、還元はわかっても、燃焼かどうかはわからないわけです。

燃焼というのは、大量（アボガドロ数ほど、10^23個）の原子が集まって、はじめて起こる現象です。そして温度を上げていったときに、この燃焼の素過程が連続して起こりはじめるのが、発火点です。化学結合のエネルギーが光のエネルギーに変わり、さらに光のエネルギーの一部が熱エネルギーに変換していくということが、連続的に一斉におこるのです。

このように、原子レベルの素過程があって、この素過程が大量に集まっている原子で一斉におき始めることを、一般に物理では「協力現象」、その一斉におき始める現象を「臨界現象」と呼びます。燃焼もその意味では「協力現象」ですね。

では、その「臨界現象」がおこる「臨界点」、（燃焼の場合は「発火点」）が、原子レベルの素過程を考えて、そこから決められるか、といえば、広く一般的には、決められない、というのが現状です。つまり、「発火点」は理論的には現時点では原子レベルからは求められません。

結論をいうと、燃焼は物理現象として考えると、原子レベルで起こっていることは大体わかる。また、人間が体感できるレベルでもわかる。しかし、その中間のスケールのレベルで本当に何が起こっていることはわからない（漠然としかわからない）、といのが現状ではないでしょうか。

お礼

わかりやすい説明ありがとうございました。プリントアウトしてすくなくとも１００回は読ませていただきました。

　燃焼現象は自動車や火力発電、暖房器具などに利用されて広く人間の生活や文明を支えていますよね。古代、人間が火を使うことをおぼえてから、おそらく何千年もたった今日まで、エネルギーの取り出し方の原理は全く変わっていないと思います。極端な見方をすれば進歩したのはその効率だけ、といえるのかもしれません。

　太陽光スペクトルは何十メートルもの紙をつかって観測するのに、普通の燃焼現象にはそんな話はあまり聞かないよなぁと思ったことが、この質問のきっかけでした。

　あとは、時間をかけて自分なりに消化できると思います。ご回答ありがとうございました。

回答No.9

chukanshi

motsuanさんの紹介してくださったページ、拝見しました。

なるほど、このページの著者は、質量＝エネルギーといっていますね。さらに、化学反応でも、質量が変化するということも述べられています。

しかし、「マイナスの重力質量」のページを読んでもすぐに変であることに気づきます。例えば、「重力場は、引力であるから、重力場の結合エネルギーは、マイナスの質量として振る舞う。」と書かれています。この理由は、どこにも述べられていません。これと同様に考えれば、「電磁場は、引力と斥力の両方があるから、電磁場の結合エネルギーは、引力の場合はマイナスの質量として、斥力（結合エネルギーというのは変かもしれませんが。）の場合はプラスの質量として振る舞う。」となりますね。まず、この段階で何となく変ですよね。

さらに、引力（結合エネルギー）がマイナスの質量として振る舞うのなら、そのマイナスの質量のエネルギーが解放されると、マイナスのエネルギーがでる、つまりエネルギーが減少することになります。（プラスの質量のエネルギーが解放されると、正のエネルギーが解放されることの逆を考えるとこうなりますよね。）結局、結合が切れると、マイナスの質量が解放され、まわりのエネルギーが減るという結論に達します。このページの著者の主張する理論だとこう結論されますよね。
でも、核分裂は、結合を切ることによって、「正の」エネルギーがでる。
明らかに事実と矛盾します。

つまり、まちがった理論であることがわかります。

ちなみに、「ＰＲ誌」は普通の「ＰＲ誌」ではありません。念ため。
ＰＲＤとは、アメリカ物理学会の発行する専門誌「Physical Review」のＤ（巻）のことです。ＰＲＬは、同じく「Physical Review Letters」です。物理学専門の専門誌としては、世界屈指の権威あるものです。
そこにこのような理論や実験結果が掲載されているとは、大変驚きました。

回答No.8

motsuan

chukanshiさんすみません。
私の理解が間違っていご迷惑をお掛けしているようなので
何かコメントしなくてはならないと思い
さらに迷惑かもしれませんがＵＰさせていただきました。
本論とそれつつあるけどまだ範疇ではないかと思います（みなさんごめんなさい）。

私の理解では質量とエネルギーは等価ですということだと安直に思ったのです。
たとえば、重力の結合エネルギーと質量の関係に関して下記に記されています。
http://www.ne.jp/asahi/up/to/soutairon/prin-eq/negamass.html
たぶんそこで引用されているＰＲ誌においても同様の文脈で検証が行われている
と思いますが、これと物質の結合エネルギーというのは違うのでしょうか
（重力子も到達距離無限遠で質量がないと思うのですが）？
（化学反応を焼きなおすと
　はじめに捉えられていた太陽から地球が離れて、
　さらに重い太陽に捕捉されるなどして
　（同じ運動エネルギーじゃないと意味ないですね）、
　結合エネルギーが下がり質量がより軽くなった、
　ということになるのでしょう。
　月の動きを調べればわかるという話なので
　月に相当するものがあればいいのですがないですね。）

なにぶん単純に質量（定義がいろいろあったりするので
この辺りがおかしいのかもしれません）＝エネルギーと思っていたもので。

お礼

たいへん興味ふかいサイトの紹介ありがとうございました。私も、内容を吟味しながら読んでみることにします。

回答No.7

chukanshi

「結合エネルギーが質量にみえる」のは、核力の場合だけで、電磁気的（すなわち化学的）結合エネルギーが質量に見えることはありません。
この理由は、核力を引き起こす粒子が中間子といった質量をもった粒子であるのに対し、電磁的相互作用を引き起こす粒子は光子で質量を持たないからです。（もちろん、バネの変形で質量が変化することもありません。）

また、一般に
「質量が減った」→「エネルギーが出る」
は、成り立ちますが、
「エネルギーが出た」→「質量が減った」
は必ずしも成り立ちません。

お礼

話の流れに興奮してしまいました。しばらく図書館にこもっても一回勉強してみたいと思います。

　化学反応の実態は物理現象である、などとうかつにも口走ってしまいましたが、この二つの間には科学史の中で、大きな距離があることに思い至っております。原子の個々のふるまいは予測できなくても、全体としての振る舞いは完全に把握できると昔学校で習ったことを思い出しました。

　また、よろしくお願いします。

回答No.6

motsuan

質量に関しては、siegmundさんがおっしゃっているように、
ちょっとだけ変化するはずです。
いわいる原子がなくなるとかそういうことではなく、
結合エネルギーが質量として見えていたと言うことです。
物質が消滅して熱・光に変わったわけではないが、
質量が変化して熱・光に変わったといえると思います。
（結合エネルギーというか質量というかの違いだと思います。
　～バネを変形させても質量は変わるということです、
　もちろん、普通はそうは言わないと思いますが。）

燃焼に関してですが
ろうそくの燃焼はプラズマ状態になっていると聞いたことがあります。
おそらく通常の燃焼でも白っぽい光がでているときは
（高温であること、炎色反応とかと違って
　広いスペクトルになっていることから？？～しかし白熱灯は白い光ですね。）
プラズマ状態であるといえるのではないでしょうか？
（分子振動と特定の反応熱だけが光に変換されているわけではない）
http://www.jsps.go.jp/j-rftf/projectpdf/p/96p00406.pdf
とかロウソクとプラズマをキーワードにするといろいろ検索に引っかかると思います。
（電圧や磁場をかけると曲がったりするようです
　～プラズマぁっていう感じですね。ごめんなさい。）

静電気学会関連のようですが
ロウソク炎の燃焼電離イオンの空間分布
（山形大工）○八塚京子，浅野和俊
という研究もあるようです。

お礼

私も、この質問をする前にプラズマとか炎とか、考えられる言葉を使って検索をかけてみたのですが、ご紹介いただいたサイトは見落としていました。ありがとうございます。

　かねてから、ブルーバックスだのなんとか新書だのしか読まないので、理解したつもりになっていることが、あまりに多く、恥じ入るばかりです。

　もうすこしつっこんで勉強してみます。しかし、ほんとに背筋がゾクゾクするような論点の提供、感謝します。しばらくは病みつきになりそうです。

回答No.4

chukanshi

普通に物が燃えるといったときは、化学反応が起っている場合を指します。これは、化学結合のエネルギーが熱エネルギーに変換されているのであって、質量エネルギー（mc^2)が熱エネルギーに変換されているわけではありません。したがって、質量欠損は起りません。
燃えるということは、熱とともに光をだす化学反応が起っていることの一種の現れと考えてよいでしょう。

炎の問題ですが、これは、化学反応が起ったときに、「燃えかす」がまわりで燃えている状態になっています。例えば、ガスの場合は、ある程度、広がりをもって化学反応がおこるので、炎に見えます。木や紙が燃える場合は、二酸化炭素になりきれない、すす（燃えかす）が飛び散り、それが再度燃えているので、炎が見えます。スチールウールでは、そのような燃えかすが飛び散らないので、炎は見えません。

お礼

お答えいただきまして感謝します。燃焼は質量欠損がない反応であることは分かりました。動物が生活のために必要とするエネルギーも、もともとは光合成によって成し遂げられた分子の化学結合のエネルギーを利用しているということも理解できました。

　さて、すべての化学反応の実体は物理現象である、という観点にたったとき、燃焼の時起こる光や熱が連続して発生するおおもとの物理現象は解明されているのでしょうか。

　一定の振動数や振幅をもった電磁波が放射されるには、電子の軌道が変わるなどの量子力学的な解釈が成り立つ場合もある、と考えられます。もしそうなら、炎の光る場所で一体何が起こっているのか、結果としての酸化や還元反応にどのように貢献しているのか、自発的な連続がどうして起こるのか（火は条件が続く限り消すまで消えない）、とても不思議に思えたのです。

　自然状態で、光や熱が連続して発生する現象の種類は、私が知る限り指を追って数えるほどしかありません。たとえば恒星活動や金属ウランからの放射現象に関しては、詳しく解説した書物も多いと見受けられますが、一般的な燃焼現象に関しては探した限りではなかったのです。

　なんだか、子供に何か聞かれたとき、なんでなんで、と畳み込まれるような質問ですが、たぶん、ここで答えるにはボリュームが不足するのかもしれませんね。

　最後までよんでいただきありがとうございました。

回答No.3

riv20

普通の燃焼(要するに酸化)の場合、出てくるエネルギーは、質量が変換されたものではありません。
物質の内部エネルギーが熱や光のエネルギーに変換されたものです。

燃えるものというのは、例えば、木材の場合、木が生きているときに、空気中の二酸化炭素を、太陽の光エネルギーを使って炭素化合物に変化させます(光合成）。
このとき、光のエネルギーは、炭素化合物の中に、結合エネルギーとして閉じ込められます。(結合エネルギーも、内部エネルギーの一種です。）
この炭素化合物が燃えるとき、閉じ込められていたエネルギーが、熱エネルギーや光エネルギーとして放出されます。

そのほか、世の中にある燃えるものは、例えば石油はもともと植物でしたし、マグネシウムみたいな金属は、精製するときにエネルギーを投入しています。
そのときに物質の内部に閉じ込められたエネルギーが、物質が燃えて元の姿（二酸化炭素など）に戻ったときに放出されるのです。

したがって、物が燃えるときは、物質の質量は減っていません。

エネルギーには、いろいろな形があります。熱、光はもちろん、運動している物体のもつ運動エネルギーや、高いところにある位置エネルギー、電気エネルギーなどです。これらのエネルギーは全て、何らかの方法で入れ替わることができます。
例えば、高いところにある物体の位置エネルギーは、落ちてくるときに運動エネルギーに変換されますし、運動している物体が地面と擦れ合ったときの摩擦熱が発生するのは、運動エネルギーが熱エネルギーに姿を変えたからです。したがって、摩擦で熱が出るほど、その物体はスピードを落とし、運動エネルギーを失っていきます。運動エネルギーがすべて熱エネルギーに変わったときに、その物体は停止するのです。
同じように、物が燃えるときに出てくる熱や光は、その物質が持っていた内部エネルギーが変換されたものなのです。

お礼

質量喪失については、なるほど、言われてみるとという気もします。もういちど勉強しなくては、いけませんね。（こんな質問をいまだにするようでは、そろそろあきらめるべきかもしれませんが）

　たしかに、後半に例示してもらったことは、筋をたどっていけばその通りだと思います。学校で勉強したはずのことでもありますし。ただ、エネルギーの変換のし方によっては、質量喪失がおこることもあると聞いておりましたので、実際炎の中で何が起こっているのか、それを具体的に検証できれば、と思ったのです。

　有名な燃焼の化学式でしめされる酸化や還元反応、エネルギーの出入りの式はいわば結果であり、現象としては具体的に何が起こっているのか記述したものに遭遇できないのです。

　ただ、やはり、基本に戻って考えるとそうにしかならないこともありますし、こむつかしく考えすぎてしまったようです。

　それから、蛇足ですが、石油は化石燃料ではない可能性がＴＶで紹介されていましたね。位置エネルギーについても物理の問題をとくには便利な考え方でしたが、実はわからないことがあるんです。そのうちまた質問させていただけるチャンスがあればと考えています。

　ご面倒をおかけしましたが、今後もよろしくお願いします。ありがとうございました。

回答No.2

siegmund

後半について，yumityan さんの例でちょっと考えてみましょう．

炭素１ｇの燃焼熱は約 7800 [cal] = 32760 [J] です．
E = mc^2 で，質量欠損がどれくらいになるかというと
c = 3×10^8 [m/s] ですから
32760/c^2 ≒ 3×10^4 / (3×10^8)^2 ≒ 3×10^(-13) [kg] = 3×10^(-10) [g]
程度です．
CO2 だと炭素 12 [g] に酸素 32 [g] の割合ですから，
炭素 1 [g] と酸素 32/12 [g] が結合します．
つまり，1g の炭素を燃やして CO2 が 3.7 [g] ほどになります．
ということは，質量を 10^(-10) 以上の精度で測定しないといけません．
漏れや容器への吸着を考えると，絶望的精度のような気がします．

なお，炭素の燃焼熱はダイヤモンドか黒鉛か(他にもあるが)と言うことで
多少違います．
これは，固体状態の結合エネルギーがダイヤモンドと炭素で
異なるためです．

お礼

わざわざ計算してくださってありがとうございます。

3×10^(-10) [g] ってすごく小さな質量ですが、たとえば電子一個の質量からするとかなり大きいことになりますね。減った分はもとはなんだったのか、どんな過程でそうなったかって考えるとほんとに不思議です。

　理屈で分かってはいても、人間が感覚的に踏み込む事のできる範囲は、きわめて狭いと言うことがよく分かります。数学は物理の奴隷なんて言葉がありましたが、このような物性の世界は数学的理解なしに入ることは許されないということがよく分かります。もっと勉強しておけば良かったとなげくばかりです。

　お答えいただいてありがとうございました。

回答No.1

yumityan

こんにちは
物体の燃焼は高校の化学では
Ｃ＋Ｏ2＝ＣＯ２
等と簡単に書いてありますが、これは単なる化学量論的な話であって、実際には燃焼時には色々なイオンやラジカルが生成されものすごく複雑な反応が起きています。光りが出でいるのは、励起状態を示しています。酸化燃焼もあれば還元燃焼もあります。実験で証明するのは大変でしょうが、消費されたエネルギーの分質量は減少しているはずです。

お礼

そうなんです。燃焼や炎でネット上の検索をかけても化学的な反応しか説明がでてこないんです。（見落としている可能性もあります）

　いろいろな波長の光、（可視光線以外は見えませんので推測ですが、）赤外線から紫外線、ことによるともっと上の方までいってるのかなとか、それぞれの波長の電磁波は具体的にどのような反応で発生しているのか、などとと思い始めるとほんとに不思議です。

　いつも化学の質問で的確な答えを書いていらっしゃるとお見受けしますが、知識の正確さとその表現力には感服しております。

　お答えありがとうございました。