理科

ろうそくの炎ほのおはなぜ3つの層そうに分わかれる？ — いちばん明あかるい場所ばしょと、いちばん熱あつい場所ばしょはちがう

ろうそくの炎ほのおをじっと見みると、色いろがひとつではないことに気きづきます。外側そとがわはうすくて見みえにくく、まん中なかはオレンジ色いろにかがやき、芯しんの近ちかくは少すこし暗くらい。この3つの層そうにはそれぞれ名前なまえと役割やくわりがあって、層そうになる理由りゆうをたどっていくと、「そもそも何なにが燃もえているのか」という意外いがいな問といに行いき着つきます。

燃もえているのは、固体こたいのろうではない

ろうそくに火ひをつけると、まず炎ほのおの熱ねつでろうがとけます。とけて液体えきたいになったろうは芯しんにしみこんで上のぼっていき、芯しんの先さきで熱ねっせられて気体きたいに変かわります。燃もえているのは、この「ろうの気体きたい」です。消防庁しょうぼうちょうの消防しょうぼう研究けんきゅうセンターも、燃もえるものの例れいを「ろうそくのロウの蒸気じょうき」という言いい方かたで挙あげています。

固体こたいからとけて液体えきたいになり、芯しんを上のぼって気体きたいになって、気体きたいになってはじめて燃もえる。理科りかで習ならう状態じょうたい変化へんかが、ろうそく1本ほんの中なかでぜんぶ起おきています。

火ひを吹ふき消けした直後ちょくごに立たちのぼる白しろい煙けむりは、燃もえそこねたろうの気体きたいが冷ひえたものです。この煙けむりに横よこから火ひを近ちかづけると、炎ほのおが煙けむりをつたってろうそくに飛とび移うつります。あとで紹介しょうかいするファラデーの講義こうぎでも披露ひろうされた、有名ゆうめいな実験じっけんです。

炎ほのおは3つの層そうでできている

いちばん内側うちがわ、芯しんのまわりの少すこし暗くらい部分ぶぶんが炎心えんしんです。ろうの気体きたいがたまっているだけで、まだほとんど燃もえていません。だから暗くらく、温度おんども3つの中なかでいちばん低ひくくなります。

そのまわりの明あかるくかがやく部分ぶぶんが内炎ないえんです。ここでは酸素さんそが足たりず、ろうの気体きたいは燃もえきれません。燃もえ残のこった炭素たんそのつぶ、つまり、すすが高温こうおんに熱ねっされて光ひかっています。炎ほのおがオレンジ色いろにかがやくのは、このすすのおかげです。

いちばん外側そとがわの、うすい膜まくのような部分ぶぶんが外炎がいえんです。まわりの空気くうきにじかにふれて酸素さんそをたっぷり受うけ取とれるので、ろうの気体きたいが燃もえきり、温度おんどは3つの中なかでいちばん高たかくなります。

いちばん明あかるい場所ばしょと、いちばん熱あつい場所ばしょはちがう

いちばん明あかるいのは内炎ないえん、いちばん熱あついのは外炎がいえん。 「明あかるい＝熱あつい」と思おもいこんでいると逆ぎゃくに答こたえてしまう、試験しけんの定番ていばんポイントです。

明あかるさの正体しょうたいは、すすが熱ねっされて出だす光ひかり。熱あつさの正体しょうたいは、燃もえきる激はげしさ。光ひかっているのは燃もえ残のこりで、熱あついのは燃もえきっている場所ばしょ——出でどころが別べつなので、場所ばしょもずれるのです。

こげあとで温度おんどをたしかめる実験じっけんも定番ていばんです。竹たけ串くしを炎ほのおに水平すいへいにさっと通とおすと、外炎がいえんが当あたった両側りょうがわだけが黒くろくこげ、炎心えんしんのあたりはこげずに残のこります。こげあとが、そのまま温度おんどの地図ちずになります。

燃もえるとは、酸素さんそと結むすびつくこと

ろうは、炭素たんそと水素すいそでできています。燃もえるとは酸素さんそとはげしく結むすびつくことなので、炭素たんそは二酸化炭素にさんかたんそに、水素すいそは水蒸気すいじょうきに変かわります。ろうそくにコップをかぶせると内側うちがわが白しろくくもるのは、この水蒸気すいじょうきのしわざです。そしてしばらくすると、コップの中なかの酸素さんそを使つかいきって、炎ほのおは消きえます。

消防しょうぼう研究けんきゅうセンターは、ものが燃もえるのに必要ひつような3つ、可燃かねん物ぶつ・酸素さんそ・熱ねつを「火ひの三角形さんかくけい」と呼よんでいます。どれか1つを断たてば火ひは消きえる。コップをかぶせるのは酸素さんそを断たつ消けし方かたで、息いきでふっと消けすのは、ろうの気体きたいという可燃かねん物ぶつを吹ふき飛とばす消けし方かたです。

宇宙うちゅうでは、炎ほのおがまるくなる

ところで、炎ほのおはなぜどれも上うえへ細長ほそながくのびた形かたちをしているのでしょう。あたためられた空気くうきは軽かるくなって上うえへのぼります（海風かいふうと陸風りくふうの記事きじで風かぜを起おこしていたのと同おなじ理屈りくつです）。炎ほのおのまわりでは熱あつい空気くうきがのぼり続つづけていて、その流ながれが炎ほのおを上うえへ引ひきのばしています。

JAXAの解説かいせつによると、無む重力じゅうりょくでは、あたためられた気体きたいとふつうの気体きたいのあいだに重おもさの差さがないため、のぼる流ながれが生うまれません。すると炎ほのおは上下じょうげを失うしなって、まるくなります。ふだん見みている炎ほのおの細長ほそながい形かたちは、重力じゅうりょくがあってこその形かたちなのです。

覚おぼえるなら「明あかるい内炎ないえん、熱あつい外炎がいえん」

覚おぼえることばはひと組くみだけです。明あかるいのは内炎ないえん、熱あついのは外炎がいえん。明あかるさはすす、熱あつさは燃もえきる激はげしさと、理由りゆうごとおさえておけば、逆ぎゃくに答こたえることはなくなります。そのうえで、燃もえているのは芯しんの先さきで気体きたいになったろうで、燃もえたあとには二酸化炭素にさんかたんそと水蒸気すいじょうきが残のこる。ここまで言いえれば、この単元たんげんの背骨せぼねは通とおっています。

19世紀せいきのロンドンでは、科学かがく者しゃファラデーが英国えいこく王立おうりつ研究所けんきゅうじょの大だい講堂こうどうで、700名めいほどの少年しょうねん少女しょうじょに向むけて、ろうそくだけを題材だいざいにした実験じっけん授業じゅぎょうを6回かい行おこないました。その記録きろく『ロウソクの科学かがく』は、いまも読よみつがれています。1本ほんのろうそくをじっと見みることは、160年ねん前まえから変かわらない、科学かがくの入いり口ぐちです。