活性炭素から発生する一酸化炭素の発生量について

質問

学校の化学の勉強で疑問に感じたことです。

活性炭素を不完全燃焼させると二酸化炭素ではなく、一酸化炭素が発生すると聞きます。

質問１
つまり、大気中で燃焼させると「すべて」二酸化炭素となるのでしょうか？

質問２
不完全燃焼とありますが、それは、その雰囲気中の酸素がどれだけ少ない場合に一酸化炭素の発生量（二酸化炭素と比べて）が「大部分（７０％以上）」になるのでしょうか？
http://www.s-yamaga.jp/nanimono/taikitoumi/taikinokouzo.htm
によりますと、大気中では酸素は20％含まれてます。３％くらいでしょうか？

ご指導よろしくお願いいたします。

回答No.1

cyba

質問１
この質問は、Ｃ＋Ｏ２→ＣＯ２ ……式(1)（完全燃焼）、２Ｃ＋Ｏ２→２ＣＯ ……式(2)（不完全燃焼）と化学で教えられたが、では、大気中で活性炭素を燃やしたら、式(1)だけが起こるのか？と言う意味だとします。

この意味であれば、ＣＯ２と共にＣＯが発生します。
これは十分な空気（酸素）があっても、式(1)と式(2)は程度の差はありますが常に同時に起きる、燃焼温度が低いと式(2)反応が増大する、燃焼温度が高いとＣ＋ＣＯ２→２ＣＯ（不均化反応）が起きると言った原因が挙げられます。ＣＯと酸素があれば、２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２と更に燃焼しますが、それでも燃焼ガスには必ず微量のＣＯが検出されてしまいます。結論としては、理想的に燃やせば「ほとんど」二酸化炭素になります。そして、普通の理科実験程度では、理想的に活性炭素を燃やすのは難しいことです（一般家庭も同様）。活性炭素は表面燃焼なので単純に比較できませんが、活性炭素よりは燃えやすい都市ガス（メタン）を燃焼させた場合、水蒸気を除いた炭素分だけで考えると９９．９６～９９．９９％はＣＯ２になって、残りがＣＯとなります。（４００ｐｐｍもＣＯがでるのではなく、元々の窒素と水蒸気を合わせると多くても４０ｐｐｍとなります。でも、換気を忘れずに）。

質問２
着火した活性炭素が定常燃焼（自分の燃焼熱で燃焼を継続する状態）するとき、燃焼ガスの最大ＣＯ／ＣＯ２比になる酸素濃度はいくつぐらいか？と言う意味だとします。

これは、寡聞にして知りません。

これじゃあまりにも素っ気ないので、式(2)の反応がしたいが実際にはどうなるかを紹介します。
一定容積の密閉された容器に、空気と活性炭素粉末を入れ、粉末が空気中に全部漂う（空気と反応しやすい）状態になったところで、燃やします（これを粉塵爆発と言って石炭、小麦粉なで過去に大事故が起こっています）。例えば、一定容積が１１２リットルの場合、そこに含まれている酸素は２２．４リットル（１モル）で、式(2)から活性炭素は２４ｇ（２モル）が量論量となります。この時、燃焼ガスのＣＯ／ＣＯ２比は２／５程度で、おおよそ化学式通りに反応してくれず、７割は完全燃焼です。この実験では、活性炭素６０ｇ（５モル）の時に最大ＣＯ／ＣＯ２＝３（ＣＯ濃度７５％）が得られています（３６ｇは当然燃え残る）。

この結果から類推して、「普通の空気ではほとんどＣＯ２、その５倍の炭素で最大ＣＯ／ＣＯ２比になるから、２０％÷５＝４％」となる訳ではないことを先に断っておきます。酸素４％（窒素１６％）可燃物８０％の常温常圧状態ですと水素さえ燃えません。唯一、アセチレンが燃えるぐらいです。尚、電気炉などで十分熱した活性炭素に酸素４％窒素９６％を通じれば燃焼しますが、この時のＣＯ／ＣＯ２比は空気の流量と炭素の比、活性炭素と空気の接し方、温度や温度制御の仕方など工学的な要素で左右されてしまい、やはりわかりません。