質問: 物が燃えるとはどういう現象でしょうか? はじめまして、お世話になります。 化学を始めてまだ1年経っていませんが わいてくる難しい問題はおいておいて ごく基本的な事が分かっていないと思いますので 授業には関係ありませんが教えてください。 物が「燃える」とはどういうことなのか。 「燃える」とは「燃焼」、物質が熱と光を出して酸素と激しく化合する事 「燃焼」とは「発光」「発熱」を伴う物で (蛍の発光は熱を持たない光”冷光”というと聞きました) 燃焼の3要素は「酸素供給源」「可燃物」「点火源」の3つ(ニトロセルロースなどは分子内に酸素供給源があり、外部からの供給はいらず「自己燃焼」する) 炎の光?と炎色反応は原子の基底状態と励起状態の繰り返しによるもの・とも聞きました。 以上が現時点で分かってる事です(間違いもある・^^;) (1)持続する理由は? (2)点火により加わったエネルギーが循環して光、熱は基底状態に戻るときに光と一緒に出されるものなのか... (3)物の燃焼時間の差は何によるものなのか... (4)着火より加わったエネルギーがあって燃えるのか 着火して燃える蝋燭ですらよく分からないのですね... 燃える・とはどういうことでしょうか? 難しいですねtt
回答: 燃焼とは一般には、発熱(や発光)を伴う急激な酸化現象と定義されます。従って「酸化現象」ですので、例外的ですが酸素が無くても燃焼する例がいくつかあります。例えば、塩素と水素の混合気体に火をつけると燃えます。これを塩素爆鳴気と呼びます。尚、上手に装置を組まないと爆発します。従って、燃焼には必ずしも酸素原子は必要な要素ではありませんが、このような反応例はあくまで例外としておいた方がいいかも知れませんね。 話を、酸素が必要な燃焼に戻します。 (1)持続する理由 これには、幾つかの要素がありますが、一つは既に回答があるように熱力学的に連鎖反応が進行する条件を満たしていることですね。次に、常に酸素が供給され続けることです。 例えば、蝋燭の燃焼反応を見てみましょう。まず、既に燃えている炎の熱で固体の蝋が溶かされさらに揮発します。この気体の蝋が酸素と結合して酸化して二酸化炭素になる際に大量の熱と光を放出します。これが燃焼ですね。このとき生成された二酸化炭素は炎によって温められているので、密度が小さくなります(cf.気体の状態方程式:pv=nrt)。地球上では重力があるので暖められて密度が小さくなった気体は上空へ上がっていきます。そうすると、その分だけその場所の気圧が下がってしまう(極端な話真空になってしまう)ので周囲(炎の横や下側)から空気や揮発した気体の蝋が供給されます。この空気には凡そ1/5程の割合で酸素が含まれているので、また燃焼します。と言うわけです。 従って、あの縦長の炎の形は地球の重力のせいなのです。因みに、無重力のスペースシャトルの中で蝋燭に火をつけると・・・。完全に球形の炎になり、無重力の為に空気の対流が起きないので、芯の周りの酸素を使い果たすと消えてしまいますが、酸素は常磁性(磁石にくっつく基底状態が三重項)の分子で二酸化炭素は反磁性なので、蝋燭の炎のそばに磁石をおいておけば、酸素が供給され続けるので燃え続けます。 (2)熱と光 一緒に放出される言うよりは、homoからlumoへ励起した後のlumoからhomoへの失活過程において、その分のエネルギーを光として放出するか、それ以外の熱エネルギーとして例えば、分子の振動や回転として放出するかの違いです。つまり、光(可視光)として放出する分と熱として放出する分があると、化学の範囲では考えて差し支えないかと。物理屋さんに聞くとちょっと違う回答が来ると思いますが。 (3)燃焼時間の差 これは、難しいですね。言い換えると、何が律速段階として効いてきているのか?と言うことでしょう。酸素の供給量のなのか、純粋に励起確率による速度論的な問題なのかと言うことでしょう。私にはここで回答するだけの能力が無いのでパスで。 (4)反応開始について 既に回答があるように、活性化自由エネルギーに対して十分な量のエネルギーが加われば、着火しなくとも燃焼反応は進行するでしょう。実際物質には引火点の他に、発火点と言う自発的に発火する温度があります。また、自爆性や自燃性の化合物もあります。 長文になりましたが、参考になるとうれしいです。