木炭はなぜ燃えるの？木炭の燃焼メカニズムや木の燃焼との違いを理系ライターが5分でわかりやすく解説！

ライター／ふっくらブラウス

理系単科大学で機械系を専攻。機械工学のほか、材料の物性などを通じて各種化学分野の知識も持ち合わせる。塾講師時代の経験を活かして、シンプルでわかりやすい解説を心がけている。

そもそも木炭や木ってどうして燃えるの？

日常生活において、私たちは燃焼というものを幾度となく目にしています。しかし、燃焼とは具体的にどのような現象のことなのか説明できない人もいるのではないでしょうか？そこで、木炭の燃焼について解説する前に、そもそも物体が燃えるとはどういうことなのかまずおさらいしていきましょう。

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燃焼とは物体に酸素が結びつく現象のこと

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物体は基本的に空気中で燃え、水中では燃えることはありません。これは、物体の燃焼には酸素の安定供給が必要なためです。燃焼とは、物体を構成する分子や原子が、空気中の酸素と起こす化学反応の一種を指します。物質が酸素と結合する化学反応を酸化反応といい、鉄が錆び付く、物体が燃えるなどの現象は酸化反応なんです。

代表的な酸化しやすい物質には、金属のほか有機物があります。有機物とは、炭素原子Cと水素原子Hからなる骨格をもった物質の総称です。CやHが豊富に含まれているので、酸素O₂と結びついて二酸化炭素CO₂や水H₂Oを生成する反応を起こします。紙や木、ロウソクなど、日常生活において燃えるものは基本的に有機物です。

炎は物体から揮発・気化した成分が燃える

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燃焼の中には、炎をともなうものとそうでないものの2種類に分かれます。今回解説する木炭は炎をあげない燃焼、木は炎をあげる燃焼ですね。これらの違いはなんなのでしょうか？

実は、炎とは気体が燃焼している様子が見えているんです。最も身近な例としては、ガスコンロはプロパンなどの可燃性のガスを燃やしている例がわかりやすいでしょうか。炎が上がる前には、熱により液体が揮発したり、分解しやすい成分がガス化することで可燃性の気体が立ち上ります。この可燃性の気体が空気中の酸素と混合し、熱により燃焼した姿が炎なんです。成分の揮発・気化が続く限り、炎をともなう燃焼も継続します。

木炭が炎をあげずに燃える秘密はその製法にあり

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先ほども触れたように、木炭は炎をあげない燃焼、木は炎をあげる燃焼です。炎をあげることから、木の燃焼では成分の揮発もしくは分解・気化が起こっていることが分かります。しかし、木炭では炎がおこらないということは、成分の揮発・気化が発生していません。この違いはどこから来るのでしょうか？

この違いは、木炭と木の成分の違い、もっと突き止めると木炭の製造過程における成分の変化が関係しているんです。引き続き、木炭と木の成分および木炭の製造メカニズムについて考えていきましょう。

木炭はほぼ純粋な炭素からできている

木材の成分は、セミロースやヘミセルロース、リグニンといった繊維質が大半、残りは微量の無機質（ミネラル）分が含まれています。繊維質となる物質は全て有機物で、炭素Cや水素H、酸素Oから形成された物質です。

一方で、木炭はその成分のほぼ全てが炭素原子Cであり、純粋な炭素の塊と考えることができます。木炭は薪などの木から作られるということは、木に含まれている余分な成分、特に繊維質を構成する水素や酸素が取り除かれたものが木炭と考えることができますね。これは、木炭の製造過程で炭化反応という反応が起こっているために生じる変化となります。炭化反応とはどのような反応なのでしょうか？

木炭は不完全燃焼により炭化反応を起こした木材のこと

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炭化反応は通常の燃焼とは異なる状況下において発生する反応です。ふつう木や紙に火をつけると、炎や煙をあげ燃え尽きて何も残りません。これは、着火および燃焼で発生する熱により有機物の熱分解が進むこと、空気中という酸素が豊富にある状況であることから、燃焼反応が継続するためです。このように、物質の成分が全て酸化、反応してしまう燃焼のことを完全燃焼といいます。炎をともなう燃焼は基本的に完全燃焼と考えてかまいません。

一方で、木材を木炭、つまり純粋な炭素の塊にするためには、炭素を反応させることなく無駄な水素や酸素などを取り除なければいけません。そのため、木炭を作るときには木材に直接火をつけずに低温で蒸し焼きにする手法をとるんですね。

酸素供給が少ない状況で木材加熱すると、300℃程度で組成分解が始まり二酸化炭素や一酸化炭素のほか、水分や不純物が揮発します。木材の成分の中でも炭素は揮発しにくいため、温度と酸素供給をコントロールして炭素のみが残るようにしたものが木炭なんです。このように、酸化が不十分な燃焼を不完全燃焼といい、有機物から炭素以外の成分が失われる反応を炭化反応といいます。

実は木炭は高機能な素材！

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ここまで、木炭とは木材から余分な成分を取り除いて炭化させたものということを解説してきました。最後に木炭が持っている優秀な性質を、木材と比較していくつか見ていきましょう。

木炭の優れている点の一つは、燃焼時間が長いことです。これは、木炭と木材の燃焼メカニズムの違いから説明できます。燃焼とは酸化反応の一つなので、酸素に多く触れることができるほど反応が激しいです。木材は揮発・気化した成分が燃えているため、効率よく酸素と混合し酸化することができます。一方で木炭は表面の炭素のみが酸化するため、酸素の循環に時間がかかり燃焼が長く続くわけなんです。

また、木炭は炭素以外の成分が抜けてしまうことから、無数の小さな穴があいた多孔質構造をしています。多孔質なため、重量あたりの表面積が非常に大きく1g程度のかけらでも表面積は300～700m²にもなるんです。このような構造から、木炭には不純物をキャッチしやすい性質があり、消臭やろ過機能を目的とした利用も多く見られます。