簡単に言えば、木材が火に触れると、熱分解または熱分解が起こります。木材の熱分解は、特定の揮発性ガスの放出と焦げの形成につながり、最終的にそれぞれ燃焼反応と白熱反応を経て、熱エネルギーを放出します。
あなたがジャングルでのキャンプが好きな冒険好きな魂なら、キャンプファイヤーの周りに座ってスモアの甘い良さを楽しんだこともあるかもしれません.そう思うなら、ご馳走を味わうために燃やさなければならなかった木に感謝しなければなりません。
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木が火と混ざるとどうなるかは誰もが知っています。最初に煙が発生し、次にオレンジと赤の色合いで燃え上がります。燃え盛る燃えさしの山が最終的に消えて、冷却された灰色の灰の山を形成します。
これはすべて表面レベルで観察されていることですが、燃え尽きた木材の分子レベルで何が起こるか考えたことはありますか?
木材の組成
木材の化学組成は、木材が由来する木の部位、種類、場所によって異なります。しかし、一般的に木材は、リグニン (18-35%) と炭水化物 (65-75%) という 2 つの重要な化学成分で構成されています。セルロース (40-50%) やヘミセルロース (25-35%) などの炭水化物は、木材組成の大部分を占めています。
木材の化学組成。
これらの複雑な分子とは別に、木材には無機物質 (灰) と有機抽出物 (フェノール化合物、脂肪、ワックス、テルペン、テルペノイド) も含まれている場合があります。
簡単に言えば、木材の元素組成は、およそ 50% の炭素、6% の水素、44% の酸素、微量の金属イオンです。ほとんどすべての種類の木材は、ほぼ同じ元素組成を持っています。
木材が燃えるとどうなりますか?
木に火をつけると、間接的に燃えます。つまり、燃焼ではなく、燃焼反応を起こします。意味がありませんよね？では、燃焼と燃焼の違いは何ですか?
燃焼が起こるためには、木材などの燃料を酸化してエネルギーを熱の形で放出する必要がありますが、炎は発生しません。一方、燃焼 (燃焼の一種) では、放出されるエネルギーは光 (炎) の形になります。ほとんどのエネルギーは光に変換されるため、生成される熱量は燃焼で生成される量よりも比較的少なくなります。
簡単に言えば、木材が火に触れると、熱分解または熱分解が起こります。
木材の熱分解
熱分解は、木材の燃焼において重要な役割を果たします。これは、不活性雰囲気下または酸素の不在下での有機物の熱分解のプロセスです。木材の熱分解は、揮発性ガスの放出とチャーの形成につながり、最終的にそれぞれ燃焼反応と白熱反応を起こし、熱エネルギーを放出します。複雑な化学反応であるため、木材の熱分解は 3 つの主要な段階で発生します。
ステージ 1
木材の燃焼を開始するには、空気の存在下で熱源を木材に接触させます。これにより、木材のある部分の温度が上昇します。木材の温度が100℃に達すると、木材の中の水分が沸騰して蒸発し始めます。ご存じのとおり、水分の多い木材は燃えにくいです。したがって、燃焼を開始するには、木材の脱水が不可欠です。約 160°C で、脱水が完了します。
木材を燃焼させると、水蒸気とともに二酸化炭素などのガスが放出されます (写真提供:Nasky/Shutterstock)
木材中のヘミセルロースは、200°C から 280°C の温度範囲で分解し始めます。分解により、二酸化炭素、一酸化炭素、酢酸、ギ酸などのガスが生成されます。
最初の段階で放出されたガスは、水分が完全に蒸発し、温度が十分に高くなるまで発火しません。
ステージ 2
木材燃焼の第 2 段階は、熱を発生させる段階です。木材の温度が280°Cを超えると始まります。この段階では、メタンやメタノールなどの未燃焼の可燃性ガス、水蒸気、二酸化炭素とともに、大量のエネルギーが放出されます。これらのガスは二次ガスと呼ばれ、木材の潜在的な熱の約 60% を構成します。これらのガスの燃焼は、木材を効率的に燃焼させるために重要です。
この段階でセルロースの分解が始まり、320℃付近でピークに達します。セルロースの分解は、チャー、タール、および揮発性生成物の形成につながります。
ステージ 3
320°C を超える温度では、リグニンの分解速度が激しくなります。木材燃焼のこの時点で、すべてのガス状生成物が蒸発します。ガスは空気と混合して冷却されて煙を形成するか、発火して炎上します。木材の熱分解の唯一の固体生成物は、木炭として残されたセルロースとリグニン分子の炭素鎖です。木材の重量の約 20 ～ 30% が木炭に変わります。
輝く木炭の山 (写真提供:Buncha Lim/Shutterstock)
炭床は長時間燃焼し続けますが、熱出力は低くなります。光っている木炭はエネルギーを放射し、酸素がなくなると冷却します。しかし、私たちが知っているように、光っている炭に空気を吹き付けると、より明るく燃え、火が広がります。したがって、炭床に新しい酸素を供給し、木材を追加することで、火を再燃させることができます。
可燃物がすべて取り除かれた後、灰として知られる燃えなかった木材のわずかな割合が残ります。木灰には炭酸カリウムが含まれており、良い土壌肥料として機能します。
結論
これまで、木材を燃やすことは、火が邪魔をするすべての分子を燃やすという単純なプロセスであることに気付いたかもしれませんが、物事が見た目ほど単純ではないことは明らかだと思います!
木材が火に触れると、一連の複雑な化学反応が起こります。木材を燃焼させると、二酸化炭素、水蒸気、さまざまなガス状の生成物が放出されるだけでなく、木炭や灰などの黒い固体の残留物が形成されます。
