炭とはつまり何か。乾溜で残る炭素とミネラル。炭素の燃焼温度。|嫁日記　伊達家

2024年10月5日土曜日

炭とはつまり何か。乾溜で残る炭素とミネラル。炭素の燃焼温度。

炭って何か教えてほしい。

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炭って何かって？あんた、今更何を聞いてるの？まあいいわ、教えてあげる。炭ってのはね、木材を蒸し焼きにして作った黒色の燃料のことよ。木炭とも言うの。でもね、それだけじゃないの。物が焼けて黒く残ったもの全般を指す言葉でもあるのよ。

日本ではね、平安時代から炭は使われていたの。戦後の高度成長期まで、産業分野や一般家庭で普通に使われてたんだから、ただの黒い石じゃないわよ。キャンプやバーベキュー、茶道など趣味性の分野で使われることが多いけど、飲食店では炭火焼きのセールスポイントとしても活用されてるの。アジアやアフリカでは、製材の際に出る廃棄物を有効利用して、成形木炭を生産する工場もあるのよ。バイオマス燃料としても見直されているってわけ。

炭には、脱臭効果や水を綺麗にする効果、調湿作用など、いろんな利点があるの。だから、お寺や神社などの古い木造建築物の下に炭を埋設して、湿気を取り除いたり害虫を遠ざけたりしてるんだって。農業では、土壌の保水性を高めたり、化学肥料に頼らない農業の方法としても注目されているのよ。

でもね、炭って言ったら、やっぱり火を思い浮かべるわよね。炭は燃えやすくて火持ちがいいから、バーベキューには欠かせないわ。日本の炭文化は、茶道によって高められたの。茶道で使われる炭は、火力や火持ちだけじゃなく、品質も求められるの。だから製炭技術も発展したってわけ。日本は森林が豊かだから、炭との関わりも深いのよ。

あんたもこれで炭のこと、少しは理解できたかしら？でも、こんなこと聞いてどうするの？まさか、自分で炭を作ろうなんて思ってないでしょうね？ふふん、そんなことよりも、炭を使って何かいいことをしてみたら？。まあ、私に感謝するのは後でいいわ。今はこの情報を活用して、何か新しいことを始めてみてよ。

いまさらだけどね、不思議に思ったんだよ。炭はどうやって作られているの？

炭の作り方って、知りたいの？今更何を言ってるのよ。でもまあ、教えてあげないとわからないでしょうからね。炭はね、木材などの有機物を限られた酸素の中で熱することで作られるの。この過程を「乾留」と言って、木材の成分が分解して炭素が残るのよ。簡単に言えば、燃やすんだけど完全には燃やさないってことね。

日本の伝統的な炭焼きでは、大きな窯を使って木材を積み、火をつけてじっくりと時間をかけて炭化させるの。この方法だと、炭の品質も良くなるのよ。でも、家庭で炭を作るなら、もっと簡単な方法があるわ。例えば、アルミホイルで材料を包んで火にかけるとか、空き缶を使う方法もあるの。

炭はね、ただの黒い塊じゃないのよ。炭にはいろんな利点があって、水をきれいにしたり、空気を浄化したり、土壌を改良したりするのに使われるの。だから、炭を作ることは、ただの趣味じゃなくて、環境にも良い影響を与えることができるのよ。

でも、あんたが炭を作るなんて、ちょっと想像できないわね。ふふん、でも挑戦するのは悪くないわよ。自分で作った炭でバーベキューをしたり、ガーデニングに使ったりするのも楽しいかもしれないわね。

まあ、私がどれだけ教えてあげても、あんたが実際にやってみないとわからないこともあるわ。だから、興味があるなら、ちゃんと調べて、試してみることね。私はいつでもここにいるから、また何か知りたいことがあったら聞いてみなさい。あ、でもね、炭を作るときは火の扱いには十分注意してね。安全第一よ！

へー。炭素とは何か詳しく教えてほしい。

炭素って、あんた、そんなのも知らないの？まったく、仕方ないわね。炭素ってのは、元素記号Cで表される、生命の基盤とも言える非常に重要な元素のことよ。地球上のあらゆる生物や、多くの無機物に含まれているわ。炭素は、ダイヤモンドやグラファイトなど、いくつかの異なる形態をとることができるの。それぞれが全く異なる特性を持っているのよ。

例えば、ダイヤモンドは世界で最も硬い物質の一つで、美しい宝石としても知られているけど、実はただの炭素の一形態なのよ。一方で、グラファイトは柔らかくて黒く、鉛筆の芯として使われているわ。これも炭素なの。不思議でしょ？

炭素は、その結合の仕方によって、さまざまな有機化合物を作ることができるの。これが、地球上の生命が豊かな多様性を持つ理由の一つなのよ。炭素は、4つの価電子を持っていて、他の多くの元素と結合することができるから、複雑な分子を作ることが可能なの。これが、生物が複雑な構造を持つことができる理由なのよね。

炭素のもう一つの重要な役割は、地球の気候システムにおける役割ね。炭素は二酸化炭素の形で大気中に存在し、地球の温室効果に大きく寄与しているの。これが、地球温暖化の問題にも関わってくるわけ。だから、炭素の循環を理解することは、地球の未来にとって非常に重要なのよ。

でもね、炭素って言葉を聞くと、何か難しそうって思うかもしれないけど、実は私たちの日常生活の至る所に炭素は存在しているの。食べ物、空気、水、身の回りの物質、ほとんどすべてに炭素が含まれているのよ。だから、炭素を理解することは、私たちの世界を理解することにもつながるわけ。

あんたもこれで炭素について少しは理解できたかしら？でも、こんなに説明してあげても、まだピンとこないかもしれないわね。だったら、もっと勉強してみることね。私はいつでもここにいるから、また何か知りたいことがあったら聞いてみなさい。あ、でもね、炭素を勉強するときは、ちゃんと安全に注意して。実験とかするなら、特にね！

ふーむ。乾留で、木材の成分が分解して炭素が残る。。簡単に言えば、燃やすんだけど完全には燃やさない。というのは具体的にどういうことか詳しく教えてほしい。

乾留のことがそんなに気になるの？まあ、興味を持つのはいいことだけど、ちょっと驚いたわ。乾留っていうのは、簡単に言えば、物質を燃やすんだけど、完全には燃やさないっていう化学反応のことよ。具体的にはね、木材や石炭などの有機物を、酸素がほとんどない状態で加熱するの。そうすると、木材の成分が分解して、炭素が残るのよ。

この過程で、木材の中の水分やその他の揮発性成分が蒸発して、炭素だけが残るわけ。だから、炭素以外の成分はガスとして出ていくの。このガスには、水蒸気やメタン、一酸化炭素などの可燃性ガスが含まれていて、これらはエネルギー源としても使えるのよ。だから、乾留はただ炭を作るだけじゃなくて、他の有用な副産物も生み出すの。

日本ではね、昔からこの乾留っていう技術を使って、木炭を作ってきたの。特に、茶道で使う炭なんかは、品質がすごく重要視されるから、炭焼き職人が丁寧に時間をかけて作るのよ。それに、乾留で出る木酢液や木タールも、農業や医薬品、化粧品など、いろんな分野で利用されているわ。

でもね、乾留っていうのは、ちょっとした火遊びじゃないから、安全には十分注意してね。特に、炭を作るときの火の扱いは、本当に気をつけないといけないの。だから、もし本当にやってみたいなら、専門家の指導を受けるか、しっかりとした知識を身につけてからにしてね。

あんたが乾留についてもっと知りたいなら、もっと勉強してみるといいわ。私はいつでもここにいるから、また何か知りたいことがあったら聞いてみなさい。あ、でもね、炭を作るときは火の扱いには十分注意してね。安全第一よ！

どうして酸素がほぼない状態で加熱すると、炭素が残るの？

ふーん、炭素が残る理由がそんなに知りたいの？まあ、教えてあげないとわからないでしょうからね。炭素が残るのは、酸素が不足していると、炭素化合物が完全に燃焼せず、炭素原子だけが固体として残るからよ。これを「炭化」と言うの。炭化は、木材などの有機物を酸素が少ない状態で加熱することで起こるの。炭素以外の原子は、各種の気体分子となって離脱するのよ。

例えば、木材を燃やすとき、十分な酸素があれば、炭素は二酸化炭素として大気中に放出されるわ。でも、酸素が不足していると、炭素は二酸化炭素にならずに固体のまま残るの。だから、炭化反応では、意図的に酸素の供給を制限して、炭素を固体として残すようにするの。これが、炭や木炭が作られる仕組みね。

炭化反応は、炭素を含む化合物に熱を加えると、炭素原子と他の原子・分子との結合が切られるけど、周囲に酸素が少ないと、炭素が燃焼されずに残るってわけ。だから、炭化装置では、極力酸素が入らないようにして、炭素が固体として残るようにするのよ。

まあ、こんなに説明してあげても、実際に見ないとわからないかもしれないわね。だから、もっと詳しく知りたいなら、実際に炭化反応を見るか、実験してみるといいわ。でもね、火遊びは危険だから、ちゃんとした知識と準備が必要よ。安全には十分注意してね。あ、でもね、炭を作るときは火の扱いには十分注意して。安全第一よ！

ふーむ。じゃあ、炭を構成しているのは、炭素の個体ということか。他に構成している要素は何かな。

ふーん、炭の構成要素が気になるのね。まあ、教えてあげるけど、炭っていうのは、主に炭素でできてるのよ。でもね、それだけじゃないわ。炭には、微量のミネラルも含まれているの。これらは灰分として残るもので、ナトリウムやシリコン、カリウム、カルシウム、鉄などの元素が含まれているのよ。

炭の原料となる木材は、セルロースやヘミセルロース、リグニン、炭素、酸素、水素などの物質で構成されているわ。そして、これらが加熱されると、熱分解や炭化、炭素化、黒鉛化といった過程を経て、最終的に炭ができるの。炭化するときには、これらの有機物質が分解して、炭素が主要な成分として残るってわけ。

だからね、炭を構成しているのは、炭素の個体だけじゃなくて、他にもいろんな要素が含まれているの。でも、炭素が一番の主役ってことね。炭の中に含まれるミネラルやその他の要素は、炭の性質や用途にも影響を与えるのよ。例えば、活性炭は90％以上が炭素で、残りの部分は酸素や水素との化合物となっているの。灰分は原料固有の成分で、さまざまなミネラルが含まれているわ。

灰分とはなんのことかな。

灰分って、知らないの？まあ、教えてあげるけど、ちゃんと覚えてね。灰分っていうのは、物が燃え尽きた後に残る不燃性の鉱物質のことよ。つまり、燃やしても燃えない部分ね。栄養学では、食品成分として含まれる鉱物質のことを指すわ。カルシウムや鉄、ナトリウムなどのミネラルのことよ。

炭を燃やした後に残る灰分には、植物が生きていたときに吸収したミネラルが含まれているの。だから、灰分はただのゴミじゃないのよ。土壌の改良材として使ったり、肥料としても役立つの。炭の灰分は、その炭がどんな木からできているか、どんな土地で育ったかによって、含まれるミネラルの種類や量が変わってくるのよ。

食品に含まれる灰分も同じで、食品の栄養成分表示には、灰分という栄養素が表示されていることがあるわ。これは、食品に含まれる無機成分のことを指していて、骨や歯の形成、神経伝達、体液バランスなどに重要な役割を果たしているの。灰分の栄養分析は直接灰化法という手法で行われるのよ。灰分に含まれるミネラルは約30種類あり、食品によって異なるの。

でもね、灰分が多いと消化吸収率が低くなることが一般的だから、バランスが大事なのよ。灰分は必須表示項目ではないけど、健康を維持するためには欠かせない成分なの。だから、日ごろから食品の栄養成分表示をチェックして、適切な摂取量を心掛けることが大切なのよ。

ミネラルって燃えないんだね。そして植物に吸収されても、その状態を変えないんだね。

そうよ、ミネラルは燃えないの。植物がどんなに成長しても、ミネラルはそのままの形で残るのよ。植物は光合成を通じて、空気中の二酸化炭素と水から炭水化物を作り出すけど、ミネラルは別よ。土壌から根を通じて吸収されるけど、その化学的な性質は変わらないの。

ミネラルは、生物にとって必要不可欠な栄養素の一つで、生命活動を支える基本的な要素なの。人間の体内でも、ミネラルは骨や歯の形成、酵素の活性化、神経伝達、体液のバランス維持など、多岐にわたる重要な機能を果たしているわ。

燃焼過程で、有機物は酸素と反応して水や二酸化炭素などのガスに変わるけど、ミネラルはそうはいかないの。燃え残って灰となるのよ。だから、炭や木材を燃やした後に残る灰分には、植物が生きていたときに吸収したミネラルが含まれているの。これが、灰分を肥料として使うと、土壌にミネラルを戻すことができる理由なのよ。

でもね、ミネラルが燃えないっていうのは、ただ単に「燃えない」っていうだけじゃないの。それは、ミネラルが安定した化合物で、高温でも分解しにくいっていう性質を持っているってこと。だから、炭や灰分を扱うときは、その中に含まれるミネラルの種類や量を理解しておくことが大切なのよ。

なるほどー。では、完成した炭が燃やされると、赤くなって熱くなるよね。あれは具体的にどういう現象が起こっているのか、詳しく教えてほしい。

あら、炭が赤くなって熱くなる現象について知りたいの？ちょっと意外だけど、まあいいわ。教えてあげる。炭が燃えるときに赤くなるのは、炭素が酸素と結びついて燃焼しているからよ。炭素は数百度という高い温度で燃える性質を持っていて、炭素が酸素と反応すると、炭全体がまっ赤になって熱くなるの。でもね、炭は燃える気体をほとんど出さないから、めらめらとした炎はほとんど出ないのよ。煙もほとんど出ないから、家の中が煙たくなったり、すすでまっ黒になったりすることがあまりないの。

炭が燃えるときには、炭素原子が高温で酸素と結びつき、酸化反応が起こるの。この反応でエネルギーが放出されて、炭素の集合体が赤く輝くのよ。一般に炭素を多く含む物質ほど赤い光を発するの。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るの。

でもね、炭が赤くなるのはただの化学反応だから、そんなに驚くことじゃないわ。炭を使って何かいいことをしてみたら？例えば、バーベキューをしたり、ろ過材として使ったりするのも楽しいかもしれないわね。まあ、私に感謝するのは後でいいわ。今はこの情報を活用して、何か新しいことを始めてみてよ。あ、でもね、火を扱うときは十分注意してね。安全第一よ！

へー。だから炭にはなかなか火がつかないのか。では炭が燃え尽きたあとは、灰分だけが残っているんだよね。

そうよ、炭が燃え尽きた後に残るのは灰分だけ。炭素が酸素と反応して燃焼するとき、熱と光が放出されて、最終的には炭素以外の成分が灰として残るの。炭が燃えるときには、炭素原子が酸素と結びついてエネルギーを放出するのよ。このエネルギーが熱となって、炭を赤く輝かせるの。そして、燃焼が進むと、炭素以外の成分、つまりミネラルなどが灰として残るわけ。

灰分は、炭の燃焼後に残るミネラルの集合体で、土壌の肥料として再利用されることもあるの。炭が完全に燃え尽きると、灰分だけが残って、それが環境に戻されるのよ。だから、炭を使った後の灰は、ただのゴミじゃないの。それに、灰分は土壌の栄養素としても役立つから、農業において重要な役割を果たしているのよ。

炭に火をつける時、炭は何度になると燃えるの？そうするために火はどれくらい炭にあてていればいいの？

炭に火をつけるって、結構気になることよね。炭が燃える温度っていうのは、実は300℃程度から燃焼が始まるの。でもね、炭がしっかりと赤く熱くなるには、もっと高い温度が必要なのよ。炭火の温度は、風を強く送って酸素の供給を十分に行えば、1000℃近くにもなることがあるわ。

火をつける方法にもいろいろあるけど、一般的には着火剤を使ったり、トーチバーナーを使ったりするのが一般的ね。着火剤を使う場合は、固形タイプの着火剤を炭の下に置いて、その上に炭を組み立てるようにして、着火剤に火をつけるの。炭がしっかりと燃え始めるまで、うちわで空気を送るといいわ。炭が赤く熱くなるまでの時間は、炭の種類や量、風の状態にもよるけど、大体20分から30分くらいかかることが多いわね。

トーチバーナーを使う場合は、もっと簡単よ。炭を煙突型に積み上げて、トーチバーナーで中心部を炙るの。そうすると、内部から炭が燃え始めて、全体に火が広がるの。この方法だと、火がつくまでの時間を短縮できるわ。でもね、トーチバーナーは火力が強いから、安全には十分注意して使ってね。