燃焼科学｜バーチャルラボラトリ

燃焼と光＜炎色反応＞

光の色の違い

　私たちの目には、ろうそくの炎は赤く（又は黄色く）、ガスバーナーの炎は青く見えます。この違いは何故起こるのでしょうか。光は電磁波の一種であり、光を発生させるためにはエネルギーが必要であることがわかっています。

　火炎の青い部分は燃料ガスと酸素が反応している反応帯です。赤い部分は、酸素と反応する前の熱せられた燃料ガスから遊離した炭素の集合です。

　一般に炭素を多く含む物質ほど赤い光を発します。実はこの赤い部分は、遊離した炭素が輝いているために赤く見えます。本当はその外側に青い炎の部分があるのですが、赤い光が明るいために私たちの目にはほとんど見えません。この赤い部分は熱いうちに酸素の供給が十分あれば酸素と反応しますが、そうでない場合には燃え残ってすすとなります。

　ガスバーナーの青い炎では、炭素とつりあいのとれた量の酸素が予め混合されているために、燃料ガスは速やかに酸素と反応します。そのため、赤く輝く遊離した炭素ができず、青い炎に見えます。ガスバーナーの空気の混合量が理想的な値より少なくなれば、ガスバーナーの炎も青い色を保てない部分が出てきます。この部分は、炎の外側にある空気から酸素を取り入れる拡散燃焼を行っています。

　ところで、この上述の二つとは別に、燃焼時に黄色や緑、紅色などさまざまな色を発する物質があります。この色の違いはどのようなことから生れてくるのでしょうか。

　では、特徴のある炎色を示す物質を見てみましょう。

　下図は左から水道水、炭酸水素ナトリウム、硝酸カリウム、りん酸アンモニウム、銅、塩化カルシウム、塩化バリウム、塩化リチウム、塩化ストロンチウムです。

炎色反応

　炎色反応の色は金属原子が励起されて発する光のうち、ある特定波長の光が最も強いために生じるものです。化学反応中、原子のもつ電子のエネルギーが高いエネルギー準位から低いエネルギー準位に移るときにその差が光となって放出されます。放出されるエネルギーが大きければ短波長の光を、小さければ長波長の光を発することになります。

　逆に炎の色-スペクトル-の違いによって、どのような物質が燃焼したかを知る手がかりにもなります。例えば、夏の夜空に打ち上げられた花火がどのような物質の炎色を利用しているのかを推測することができます。また、爆発事故の写真のスペクトル分析を行うことでどのような物質が爆発したのかを知る手がかりになります。もっと大きなものに目を向けると、遥か彼方の恒星の光からどのような物質が燃料であるのかを推測することができます。

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