ろうそくは、芯が燃えているの？
― 燃えているのは、気体になった「ろう」のほうです
ろうそくの芯は、燃料ではありません。固いろうは、そのままでは燃えません。芯は、溶けたろうを吸い上げて気体に変える「ポンプ」の役です。しかも芯そのものは、炎の中でいちばん燃えにくい場所に立っています。
停電の夜や誕生日のケーキで、ろうそくに火をともします。細い芯の先で、炎が静かにゆれています。
糸のような芯が燃えていて、まわりのろうは芯を支える台だ。そう思っている人は少なくありません。でも、それなら芯は数秒で燃え尽きるはずです。実際には、1本のろうそくは何時間も燃え続けます。
減っていくのは芯ではなく、ろうのほうです。では、炎の中で何が起きているのでしょうか。
芯が燃え尽きない理由は2つだけ
固いろうは火を近づけても燃えません。熱で溶けて液体になり、芯を伝ってのぼり、気体になって初めて燃えます。燃料はずっと、ろうです。
炎の真ん中は、気体のろうで満ちていて、酸素がほとんど届きません。芯はその中に立っていて、しかも蒸発するろうに冷やされ続けます。
つまり炎は、芯のまわりに浮かぶ「気体のろうの雲」の、外側の皮だけで燃えています。順に見ていきましょう。
固いろうは、なぜそのままでは燃えないの？
ものが燃えるとは、燃料が空気中の酸素と結びついて、熱と光を出すことです。そのためには、燃料と酸素が分子どうしで出会う必要があります。
固いろうの中では、分子がぎっしり並んでいます。酸素は表面にしか触れられません。そこで炎の熱が、まず芯のまわりのろうを溶かします。ろうそくのてっぺんにできる、小さな液だまりがそれです。
溶けたろうは、芯の繊維のすき間を伝ってのぼります。タオルの端を水につけると、水が上までしみ上がるのと同じしくみです。芯の上のほうで熱を受けたろうは、気体になって芯から離れていきます。
図1を見てください。芯のすぐまわりには、暗く見える部分があります。ここは気体のろうが集まった場所で、まだ燃えていません。炎の外側で、外から入ってきた酸素と出会ったところだけが燃えています。
芯は、なぜ炎の中にいるのに燃え尽きないの？
理由は2つあります。1つめは、酸素がないことです。芯のまわりは気体のろうで満ちていて、外の空気は炎の外側の皮で使い切られます。燃える相手がいなければ、芯は燃えられません。
2つめは、冷やされていることです。ろうが液体から気体に変わるとき、まわりから熱をうばいます。汗が乾くと肌が冷えるのと同じです。芯は常に「蒸発で冷える場所」に立っています。
炎の温度も、場所によって大きく違います。外側の皮は1400℃ほどになるとされますが、芯のまわりの暗い部分は、それよりずっと低いと考えられています。「炎は真ん中がいちばん熱い」というのも、よくある思い違いです。
ただし、芯がまったく減らないわけではありません。今のろうそくの芯は、糸を編んで作ってあります。燃えながら先が少し曲がり、炎の外側に突き出た先端だけが、少しずつ燃えて短くなります。こうして芯の長さが、自然にちょうどよく保たれます。
芯を編むくふうが広まる前、ろうそくの芯はまっすぐなより糸でした。先が炎の中で燃え残って長くなり、炎が暗くすすけてきます。そこで専用のはさみで、ときどき芯の先を切っていました。芯が燃えるなら、この道具は要らなかったはずです。
気体のろうは、酸素に出会う前に熱で分解されて、細かい炭の粒（すす）になります。炎の明るい黄色は、この粒が熱で光っている色です。ガスコンロの炎が青いのは、燃料と空気が先に混ざっていて、すすがほとんどできないからです。
まとめ
ろうそくの燃料はろうです。固いろうは溶けて芯をのぼり、気体になってから、外の酸素と出会う炎の外側の皮で燃えます。芯は、酸素が届かず蒸発で冷やされる炎の中心に立っているので、ほとんど燃えません。芯の本当の仕事は、ろうを吸い上げて気体に変え続けることです。
芯は燃料ではなく、ろうを気体に変えるポンプ。
炎が燃えているのは、気体のろうの雲の外側の皮だけです。
燃料が気体になってから燃えるしくみは、消えかけた火に燃料を継ぎ足すと火柱が上がる理由とも深くつながっています。炎の色と燃え方の関係は、一酸化炭素の記事でも取り上げています。
- 燃えやすい物のない安定した台の上で、ろうそくに火をつけ、1分ほど燃やして液だまりを作ります。水を入れたコップをそばに置いておきます。
- ふっと吹き消すと、芯から白い煙が細く立ちのぼります。この白い煙は、冷えて細かい粒になった「気体だったろう」です。
- すぐに、火のついたマッチなどを芯の2〜3cm上の煙に近づけます。火は煙を伝って下へ走り、芯に触れていないのに、ろうそくがふたたびともります。
燃えたのは芯ではなく、煙になっていた「ろう」だという証拠です。吹き消して時間がたつと煙が薄れ、うまくいきません。火を使うので、必ず大人がそばにいるときに行ってください。
もっと知りたい人へ ― 用語・数式・教科書とのつながり中学理科から大学の専門科目まで、どのレベルの話かを明示しています
- 中学中学校の理科で習う範囲
- 高校高校の「化学基礎」「化学」で習う範囲
- 高校＋高校の発展、または教科書のコラム扱いの内容
- 大学高校では習わない、大学の専門科目（燃焼工学・反応工学）の内容
- 研究大学でも「定説」として教わらない、いま研究者が調べている最中の話
中学用語：この現象には名前があります
- 燃焼：物質が酸素と結びつき、熱と光を出す化学変化。ろうが燃えると、二酸化炭素と水ができます。
- 毛細管現象：細いすき間を、液体がひとりでにのぼっていく現象。芯がろうを吸い上げるしくみです。
- 気化熱（蒸発熱）：液体が気体になるときに、まわりからうばう熱。芯が冷やされる理由です。
- 外炎・内炎・炎心：炎の外側・中ほど・芯のまわりの部分の呼び名。いちばん温度が高いのは外炎です。
中学高校式で確かめる：ろうそく1本は、どれくらいの熱を出しているの？
燃料が芯ではなくろうだと分かれば、炎が出す熱は「1秒あたりに燃えるろうの量」から計算できます。
| 記号で書くと | P ＝ ṁ × Q |
| 言葉で書くと | 炎が出す熱の速さ ＝ 1秒あたりに燃えるろうの重さ × ろう1gが燃えたときに出る熱 |
| どこから来る式か | エネルギーの保存。燃えたろうが持っていた化学エネルギーが、そのまま熱と光になって出ていきます |
| P | 炎が出す熱の速さ。単位はワット（W、1秒あたりのジュール） |
| ṁ | 1秒あたりに燃えるろうの重さ。単位はグラム毎秒 |
| Q | 燃焼熱。ろう1gが燃えきったときに出る熱。単位はジュール毎グラム |
| パラフィンろうの燃焼熱 | 1gあたり約46000ジュールとされています |
| 家庭用ろうそくが1時間に燃やすろう | およそ6gとされています（太さで変わります） |
| 1時間の秒数 | 3600秒 |
| ろうそく1本のろうの重さ（小さめのもの） | 20g |
| 1時間に出る熱 | 46000 × 6 ＝ 276000 ジュール |
| 1秒あたりに直す（＝P） | 276000 ÷ 3600 ≒ 76.7 ワット |
| 20gのろうそくが燃え続ける時間 | 20 ÷ 6 ≒ 3.3 時間 |
小さな炎1つが、およそ77ワットの熱を出しています。昔の60ワットの白熱電球より大きく、じっとしている大人1人が出す熱（約100ワット）に近い量です。これが3時間以上続くのは、燃料のろうが20gもあるからです。細い芯の重さはその数百分の1しかなく、もし芯が燃料なら、炎は数秒で消えてしまいます。
高校高校＋ろうの燃える反応と、炎が光るしくみ
高校パラフィンは、炭素と水素だけでできた長い鎖の分子（アルカン）の集まりです。代表として炭素25個の分子をとると、燃える反応は次のようになります。
C25H52 ＋ 38 O2 → 25 CO2 ＋ 26 H2O
分子1個に酸素分子が38個も必要です。これだけの酸素が炎の外から少しずつ入ってくるので、燃える場所は外側の薄い皮に限られます。
高校＋炎の黄色い光は、化学反応そのものの光ではありません。熱いすすの粒が、温度に応じた色で光る「熱放射」です。炭火や電熱器が赤く光るのと同じしくみです。青い根元の光は、反応の途中でできる分子が決まった色で光るもので、しくみがまったく違います。
大学拡散炎：酸素が「しみこんでくる」速さが燃え方を決める
ろうそくの炎のように、燃料と酸素が別々の方向から来て、境目で出会って燃える炎を拡散炎（拡散燃焼）と呼びます。ガスバーナーのように先に混ぜてから燃やす予混合炎と対になる言葉です。拡散炎では、反応そのものは十分に速く、燃える速さは燃料と酸素が拡散で混ざる速さで決まります。そのため炎は、燃料と酸素がちょうど釣り合う比になる面に薄く張りつきます。この考え方はバーク・シューマンの火炎面モデルとして知られています。芯がのぼらせるろうの量は毛細管現象と、炎から液だまりへ戻る熱のつり合いで決まり、炎の大きさが自動的に保たれます。
📖 式の導出や、さらに先の内容：拡散燃焼（ウィキペディア） ／ 毛細管現象（ウィキペディア）
研究まだはっきりとはわかっていないこと
- すすは、どうやって生まれるのか。 気体の分子から、ナノメートルほどの最初の粒ができる段階は、今も詳しく調べられています。大気汚れや健康への影響とも関わる課題です。
- 重さのない場所の炎。 宇宙ステーションでは、熱い気体が上へのぼらないため、ろうそくの炎は丸く青っぽくなると報告されています。重力が炎の形と明るさをどこまで決めているのか、実験が続いています。
- 並べたろうそくの炎が、そろってゆれる。 束ねたろうそくの炎は1秒に10回ほど脈打ち、近づけた2つの炎がリズムをそろえることが、日本の研究者らによって報告されています。そのしくみの細部は研究中です。
つまりこの記事の内容も、「いまわかっている範囲での説明」です。160年以上前に講義の題材になったろうそくは、今も研究の対象であり続けています。
教科書とのつながり（レベル別）
| レベル | 科目・単元 | この記事のどこ |
|---|---|---|
| 中学 | 理科1年「状態変化」、2年「化学変化（燃焼）」 | ろうが溶けて気体になってから燃える |
| 高校 | 化学基礎「化学反応式」、化学「反応熱」 | 燃焼の反応式、燃焼熱から熱の速さを計算 |
| 高校＋ | 物理「熱放射」の発展 | 黄色い光はすすの熱放射 |
| 大学 | 燃焼工学「拡散炎」、界面化学「毛細管現象」 | 炎が外側の薄い面に張りつく理由 |
| 研究 | すす生成、微小重力燃焼、炎の振動と同期 | まだわかっていないこと |
| ― | 生活とのつながり | ろうそくの扱い、炎の色で燃え方を見分ける |
- マイケル・ファラデー『ロウソクの科学』（1861年、邦訳は岩波文庫・角川文庫ほか）の解説
- 拡散燃焼（ウィキペディア日本語版）
- 燃焼熱（ウィキペディア日本語版）
- 日本機械学会 編『燃焼工学ハンドブック』丸善
- Kitahata, H. et al. "Oscillation and Synchronization in the Combustion of Candles", The Journal of Physical Chemistry A (2009)
※本記事は一般向けの科学解説です。掲載した数値は、しくみを理解するための目安・概算です。ろうそくなど火を扱うときは、燃えやすい物から離し、その場を離れないでください。