エチレンの完全燃焼の化学反応式は？エンタルピーも解説！

化学における燃焼反応は、最も基本的かつ重要な反応の一つでしょう。エチレン（C₂H₄）は可燃性の気体であり、酸素と反応して完全燃焼すると、二酸化炭素と水を生成します。この完全燃焼反応は大量の熱エネルギーを放出するため、エネルギー源としても利用価値があるのです。

エチレンの燃焼反応を理解することは、単に反応式を覚えるだけでなく、化学量論、熱化学、エネルギー変換といった化学の基礎概念を学ぶ上で極めて有効です。また、工業的には安全管理の観点からも、エチレンの燃焼特性を正確に把握することが求められます。

本記事では、エチレンの完全燃焼の化学反応式から始まり、反応の化学量論的関係、燃焼エンタルピーの詳細な計算、さらには不完全燃焼との比較や実用的な応用まで、包括的に解説していきます。熱化学の基礎から実践的な知識まで、しっかりと理解していきましょう。

 

エチレンの完全燃焼反応式と化学量論

それではまず、エチレンの完全燃焼における化学反応式について解説していきます。

 

完全燃焼の化学反応式の導出

エチレン（C₂H₄）が酸素（O₂）と反応して完全燃焼すると、炭素は二酸化炭素（CO₂）に、水素は水（H₂O）に変換されます。これを化学反応式で表すと以下のようになるのです。

この反応式を導出する際は、原子の種類ごとに左辺と右辺で数を一致させます。エチレン分子中には炭素原子が2個、水素原子が4個含まれています。完全燃焼では、これらがすべてCO₂とH₂Oに変換されるため、CO₂が2分子、H₂Oが2分子生成されるのです。

次に酸素原子の数を確認します。右辺にはCO₂由来の酸素が4個、H₂O由来の酸素が2個で合計6個あります。したがって、左辺には酸素分子が3分子必要となり、最終的な反応式が得られるでしょう。

 

反応物と生成物のモル比と質量関係

化学反応式から、反応物と生成物のモル比が読み取れます。エチレン1モルが完全燃焼すると、酸素3モルを消費し、二酸化炭素2モルと水2モルが生成されるのです。

これを質量関係に換算してみましょう。各物質の分子量は、C₂H₄=28.05、O₂=32.00、CO₂=44.01、H₂O=18.02です。

物質	モル数	分子量	質量（g）
C₂H₄	1	28.05	28.05
O₂	3	32.00	96.00
CO₂	2	44.01	88.02
H₂O	2	18.02	36.04

質量保存の法則により、反応物の総質量（28.05 + 96.00 = 124.05 g）と生成物の総質量（88.02 + 36.04 = 124.06 g）はほぼ等しくなります。わずかな誤差は分子量の丸め誤差によるものでしょう。

 

完全燃焼と不完全燃焼の違い

完全燃焼とは、炭化水素が十分な酸素の存在下で燃焼し、炭素がすべてCO₂に、水素がすべてH₂Oに変換される反応を指します。一方、酸素が不足すると不完全燃焼が起こり、一酸化炭素（CO）や炭素（C、すす）が生成されるのです。

不完全燃焼は、完全燃焼よりも発熱量が少なくなります。また、一酸化炭素は有毒であり、すすは環境汚染の原因となるため、実用的な燃焼では完全燃焼が望ましいのです。工業的な燃焼装置では、過剰な空気（理論空気量の1.1～1.3倍程度）を供給することで、完全燃焼を確実に達成します。

 

燃焼エンタルピーの詳細解説

続いては、エチレンの燃焼によって放出されるエネルギーについて確認していきます。

 

標準燃焼エンタルピーとは何か

標準燃焼エンタルピー（標準燃焼熱）とは、ある物質1モルが標準状態（25℃、1気圧）で完全燃焼した際に放出される熱エネルギーを指します。記号ΔH°c（Δは変化、Hはエンタルピー、°は標準状態、cはcombustion）で表されるのです。

エチレンの標準燃焼エンタルピーは、文献値で約-1411 kJ/molです。負の符号は、反応が発熱反応であることを示しています。つまり、エチレン1モルが完全燃焼すると、1411 kJの熱エネルギーが放出されるのです。

この値は、生成物の水が液体状態である場合の値です。水が気体（水蒸気）の場合は、水の蒸発熱の分だけエネルギー放出が少なくなり、ΔH°cは約-1323 kJ/mol程度になるでしょう。実際の燃焼では、高温のため水は水蒸気として生成されることが多いのです。

 

ヘスの法則による燃焼エンタルピーの計算

燃焼エンタルピーは、ヘスの法則を用いて生成エンタルピーから計算することもできます。ヘスの法則とは、「化学反応のエンタルピー変化は、反応経路によらず、初期状態と最終状態のみで決まる」という法則です。

各物質の標準生成エンタルピー（ΔH°f）を用いると、反応エンタルピーは以下の式で計算できます。

エチレンの燃焼反応に適用してみましょう。各物質の標準生成エンタルピーは以下の通りです。

物質	標準生成エンタルピー ΔH°f（kJ/mol）
C₂H₄(気)	+52.5
O₂(気)	0（単体のため）
CO₂(気)	-393.5
H₂O(液)	-285.8

これらの値を用いて計算すると、

この計算結果は、実測値とよく一致します。ヘスの法則により、直接測定が困難な反応でもエンタルピー変化を求めることができるのです。

 

質量あたりと体積あたりの発熱量

工業的には、モルあたりの発熱量だけでなく、質量あたりや体積あたりの発熱量も重要です。これらは燃料としての評価や、貯蔵・輸送の効率性を判断する際に用いられます。

エチレンの分子量は28.05 g/molですから、質量あたりの燃焼エンタルピーは、

また、標準状態（0℃、1気圧）でのエチレンの気体モル体積は22.4 L/molですから、体積あたりの燃焼エンタルピーは、

他の燃料と比較すると、エチレンの質量あたり発熱量（50.3 MJ/kg）は、メタンの約55 MJ/kg、プロパンの約50 MJ/kgと同程度です。炭化水素燃料は概ね40～55 MJ/kgの範囲にあり、エチレンは優れた燃料と言えるでしょう。

 

燃焼反応の熱力学的考察

続いては、エチレンの燃焼を熱力学的な観点から確認していきます。

 

ギブズエネルギー変化と反応の自発性

反応が自発的に進行するかどうかは、ギブズエネルギー変化（ΔG）によって判断されます。ΔG < 0ならば反応は自発的に進行し、ΔG > 0ならば非自発的です。

ギブズエネルギーは、エンタルピー（H）、温度（T）、エントロピー（S）を用いて以下の関係式で表されます。

エチレンの燃焼反応では、ΔH°c = -1411 kJ/molと大きな負の値を示します。一方、エントロピー変化を考えると、反応前は気体分子が4モル（C₂H₄ 1モル + O₂ 3モル）、反応後は気体分子が2モル（CO₂ 2モル、H₂Oは液体として）となり、気体分子数が減少します。

気体分子数の減少はエントロピーの減少を意味し、ΔS°は負の値となります。標準状態での計算値は約-267 J/(mol·K)です。298 K（25℃）におけるTΔS項は、

したがって、ギブズエネルギー変化は、

大きな負の値であり、エチレンの燃焼は強く自発的な反応であることがわかります。エンタルピー項が支配的であるため、エントロピーが不利であってもギブズエネルギーは負を保つのです。

 

温度依存性と平衡定数

ギブズエネルギー変化は温度によって変化します。上述の式ΔG = ΔH – TΔSから、温度Tが上昇すると、TΔS項の影響が大きくなることがわかるでしょう。

エチレンの燃焼ではΔS < 0であるため、温度が上昇するとΔGの絶対値はわずかに小さくなります（ΔGは負のまま、0に近づく）。しかし、エンタルピー項が非常に大きいため、実用的な温度範囲（-100℃～1000℃）では、常にΔGは大きな負の値を保ち、燃焼反応は自発的なままです。

ギブズエネルギー変化と平衡定数（K）には、以下の関係があります。

298 KでのΔG° = -1331 kJ/molを用いて平衡定数を計算すると、

この巨大な平衡定数は、燃焼反応がほぼ完全に生成物側に偏ることを示しています。つまり、一度燃焼が開始すれば、エチレンはほぼ100%CO₂とH₂Oに変換されるのです。

 

活性化エネルギーと着火温度

熱力学的には非常に有利な燃焼反応ですが、常温では反応が起こりません。これは、反応を開始するために必要な活性化エネルギーが存在するためです。

エチレンの着火温度（自然発火温度）は約490～540℃です。この温度に達すると、エチレン分子と酸素分子が衝突した際に、十分なエネルギーを持った分子の割合が増加し、反応が開始されます。一度燃焼が始まると、発生した熱によって周囲の分子の温度が上昇し、連鎖的に反応が進行するのです。

エチレンは非常に広い燃焼範囲を持ち、低い着火エネルギーで発火します。このため、可燃性ガスとして取り扱いには十分な注意が必要です。工業現場では、火気の管理、静電気対策、適切な換気などの安全対策が不可欠でしょう。

 

実用的応用と安全管理

続いては、エチレンの燃焼に関する実用的な側面を確認していきます。

 

エチレンの燃料としての利用可能性

エチレンは高い燃焼エンタルピーを持つため、理論的には優れた燃料となります。質量あたりの発熱量（50.3 MJ/kg）は、ガソリン（約44 MJ/kg）よりも高い値です。

しかし、実際にエチレンが一般的な燃料として広く使用されることはありません。その理由として、以下の点が挙げられるでしょう。第一に、エチレンは化学工業の原料として極めて重要であり、燃料として消費するよりも付加価値の高い化学品に転換する方が経済的です。第二に、気体であるため貯蔵や輸送に圧縮や液化が必要で、取り扱いが複雑です。第三に、可燃性が高く、安全管理にコストがかかります。

ただし、化学プラントでは、製造工程で副生したエチレンや、規格外のエチレンを燃料として利用することがあります。工場内のボイラーや加熱炉の燃料として使用され、エネルギーの有効活用が図られているのです。

 

工業プロセスにおける燃焼制御

化学プラントでは、エチレンの安全な取り扱いと効率的な燃焼制御が重要です。フレアスタック（排ガス燃焼装置）は、緊急時や装置停止時に排出されるエチレンを安全に燃焼処理する設備です。

フレアスタックでは、エチレンを含む可燃性ガスを高温（800℃以上）で完全燃焼させ、CO₂とH₂Oに変換します。不完全燃焼による一酸化炭素やすすの発生を防ぐため、補助燃料や蒸気を併用して燃焼条件を最適化するのです。

また、触媒燃焼技術も開発されています。白金やパラジウムなどの貴金属触媒を用いることで、より低温（300～500℃）でエチレンを完全燃焼させることが可能です。これにより、NOxなどの大気汚染物質の生成を抑制できるでしょう。

 

安全データと爆発危険性の評価

エチレンは可燃性ガスであり、空気と混合すると爆発性混合気を形成します。爆発範囲（燃焼範囲）は2.7～36 vol%と非常に広く、多くの炭化水素よりも危険性が高いのです。

ガス種類	爆発下限（vol%）	爆発上限（vol%）	爆発範囲の幅
エチレン	2.7	36	33.3
メタン	5.0	15	10.0
プロパン	2.1	9.5	7.4
水素	4.0	75	71.0

エチレンの取り扱いにおいては、以下の安全対策が必須です。第一に、密閉系での使用と適切な換気。第二に、火気や着火源の厳格な管理。第三に、静電気対策（接地、導電性材料の使用）。第四に、ガス検知器の設置と定期的な濃度監視。第五に、緊急時の対応手順の確立でしょう。

 

まとめ エチレンの完全燃焼のエンタルピーは？

エチレンの完全燃焼は、化学反応式C₂H₄ + 3O₂ → 2CO₂ + 2H₂Oで表され、1モルあたり約1411 kJという大きな熱エネルギーを放出する発熱反応です。この反応は熱力学的に非常に有利であり、ギブズエネルギー変化は-1331 kJ/mol、平衡定数は10²³³という巨大な値を示します。

質量あたりの発熱量は50.3 MJ/kgと高く、優れた燃料特性を持ちますが、化学原料としての価値が高いため、一般的な燃料としては使用されません。工業的には、副生ガスの燃焼処理や、フレアスタックでの安全な処理に利用されています。

エチレンは広い爆発範囲（2.7～36 vol%）と低い着火エネルギーを持つため、取り扱いには十分な注意が必要です。完全燃焼の化学と熱力学を理解することは、エチレンの安全管理と効率的利用の基礎となるのです。