化学と歴史のネタ帳

身近にひそむ化学と歴史を,高校までの知識をベースに解説する化学史系ブログです.

炎(5): ロウソクの炎の色

前回はガスバーナーの青い炎についてみてきました.


一方で,ロウソクの炎はオレンジ色です.

今回は,ロウソクの炎のしくみをみていきます.



炎(1):アルカリ金属
炎(2):アルカリ土類金属,銅
炎(3):炎の温度の計算?
炎(4):ガスバーナーの炎の色
炎(5):ロウソクの炎の色
炎(6):Mgの白色光?
炎(7):ロウソクのはじまり
炎(8):近代的なロウソク
炎(9):天然ガスの発見
炎(10):石炭ガス
炎(11):ガス灯の普及
炎(12):石炭から天然ガスへ
炎(13):ブンゼンバーナー
炎(14):アセチレンの登場
炎(15):アセチレン炎の利用

1.ロウソクの炎

ロウソクは一般にパラフィンCnH2n+2からできています*1.ロウソクの炎をよくみると,いくつかの部分にわかれています.

中心から,色のうすい炎心,明るくオレンジ色の輝く内炎,そして一番外側の青みがかった外炎です.


ロウソクの一番外側は酸素がたくさんあるため,燃焼によって熱や光が生じています.
この部分を外炎とよび,温度は1400-1500℃程度です.

ここにはCO2H2Oのほか,ガスバーナーの炎でもでてきたCHC2OHもあります.前回確認したように,CHやC2青色の光を発しますので,ロウソクの炎の下側や外側はやや青みがかって見えます.
【参考】炎(4):ガスバーナーの炎の色

ちなみに1857年にSwanはこのロウソクの外炎部分の光をしらべ,Swan帯を再発見しました.


一方で芯に近い炎心にはほとんど酸素が来ません.その代わりに外炎からの熱が伝わり,600-1000℃程度になります.この炎心と呼ばれる領域では,CnH2n+2熱分解が主に起こっています.

ここではあまり光は放出されず,暗くなっています.


分解してできた分子は暖められて上昇気流にのって上昇し熱分解を繰り返します.こうして生じた素粒子は,十分に熱くなると目に見える光を発するようになります.この部分を内炎とよび,温度は1000-1200℃程度,オレンジ色に輝いて見えます.

熱せられた炭素粒子から光が出る現象は,黒体放射と呼ばれています.

2.黒体放射

一般に,熱い物体からは電磁放射線が出ていることが知られています.これを黒体放射と呼びます.黒体放射の理論背景については,1900年にドイツの物理学者Max Planckによって説明されました.


エネルギー分布を状態密度ρと呼ばれるパラメータであらわすと,以下のようになります.

 \displaystyle{\rho = \frac{8 \pi h c}{\lambda ^5 (e^{hc / \lambda k T} -1)} }

各パラメータの説明や理論背景については説明を省きます.


重要なポイントは,黒体放射で放出される光の色は材質によらず温度に依存しているということです.結果,各温度での黒体放射のスペクトルは以下のようになります.

1200℃前後(約1500 K)だと,オレンジ色になりますね.ロウソクの炎はおおよそこの領域に該当します.


厳密には,励起された分子からの光(ケミルミネッセンス)や散乱などの影響もあると考えられます.


ちなみに,より温度が高くなるとオレンジ色,白,さらには青白くなることがわかります.

3.無重力では?

ロウソクの炎は通常オレンジ色ですが,無重力では実は青色になります

By Maria del Mar Genovard - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=90025189

なぜでしょうか?


先ほども説明したように,ロウソクの炎は,熱分解によって生じた分子が上昇気流にのって上昇する過程で熱くなった炭素粒子になり,黒体放射でオレンジ色に光っています.


無重力ではこうした上昇気流がないため,外炎で酸素と反応して生じていたCHやC2青色光のみが見えることになります.炎が丸いことからも,上昇気流がないことがわかりますね.


また,上昇気流に吸い寄せられていた酸素の供給速度がおちるため燃焼温度はそこまで上がりません.ロウソクの短くなるスピードも遅くなります.

4.まとめ

ロウソクの炎の色は,熱くなった炭素粒子による黒体放射によって説明できることがわかりました.線香花火や明治時代以前の伝統的な花火(和火),マッチの炎も同じように説明できます.
【参考】花火のしくみ(3):線香花火
【参考】黒色火薬の歴史(1):火薬と花火
【参考】マッチ(1):マッチのしくみ


ロウソクそのものがどのような歴史をたどったのか?という話についてはこちらの記事をご覧ください.
【参考】炎(7):ロウソクのはじまり


ガスバーナーにおいても空気不足の時はオレンジ色の炎になりますが,これも同じように説明できるでしょう.


次回はMgの白色光についてみてみましょう.

問題

Q. ロウソクの炎について,温度が高いのは内側と外側のどちらか?



A. 外側.
外側は酸素が多く,化合による熱や光の発生が最もおきている.
ここで発生した熱が内側へとつたわり,熱くなった芯でパラフィンが気化する.

参考文献

"Flame Spectroscopy" Mavrodineanu, R. and Boiteux, H. (1965).
"The Spectroscopy of Flames" Gaydon, A.G. (1974).
"Flames: Their Structure Radiation and Temperature" Gaydon, A.G., Wolfhard, H.G. (1979).
"Alle Jahre wieder: die Chemie der Weihnachtskerze" K. Roth, Chem. Unserer Zeit, 37, 424-429 (2003).



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*1:西洋ロウソクは炭化水素がメインですが,和ろうそくはグリセリンエステルが主成分と考えられています