ものの燃え方と空気シミュレーター（集気びん・酸素と二酸化炭素）

このシミュレーションでわかること

ろうそくや木（植物体）が燃えると、空気中の酸素の一部が使われて、二酸化炭素ができます。ふたをした集気びんの中では、酸素は約21%から約17%に減り、二酸化炭素は約0.04%から約3〜4%に増えたところで火が消えます。酸素がなくなったから消えるのではありません。窒素は燃えることに関係しないので、約78%のまま変わりません。びんの下にすき間があり、上の口も開いていると、空気が下から入って上から出ていくので、物は燃え続けます。

授業での使い方

導入：ふたをすると、なぜ火が消える？

「ふたをする・すき間なし」の集気びんでろうそくを燃やし、しばらくすると火が消えることを見せます（はじめの画面の設定です）。「びんの中の空気は、燃える前と後で何が変わったのか」を問いにして、予想を書かせます。

展開1：空気の通り道を線香のけむりで調べる

「ふた」と「下のすき間」を変えた4つの集気びんで、燃え続けるかどうかを比べます（教科書の実験と同じ組み合わせです）。「💨 線香のけむり」を押し、線香を指で動かしてすき間やびんの口に近づけると、けむりの動きから空気の流れが分かります。下にすき間がある「ふたなし」のびんでは、けむりがすき間から吸いこまれて上の口から出ていきます。ふたをしたびんでは、けむりはほとんど入っていきません。

展開2：気体検知管と石灰水で、燃やす前と後の空気を比べる

ふたをしたびんで火が消えたら、右上の気体検知管の値を、燃やす前の値と比べます。「🧪 石灰水を入れてふる」で、燃やす前の空気ではにごらないこと、燃やした後の空気では白くにごることを確かめます。

まとめ：粒の図で説明する

右の「空気の粒（100こ）」の図で、燃やす前と後の空気を表します。窒素の粒の数は変わらず、酸素の粒が4こほど減り、二酸化炭素の粒が3〜4こ増えたことを、自分の言葉で説明させます。

児童への問いの例

1. ろうそくの火が消えたあと、集気びんの中の酸素は全部なくなっているでしょうか。気体検知管の値から考えましょう。
2. ふたをしないびんで、下にすき間があるときとないときでは、燃え方がどうちがうでしょう。線香のけむりの動きから理由を説明しましょう。
3. 火が消えたびんの中に、もう一度火のついたろうそくを入れると、どうなるでしょう。（答え：すぐに消える。酸素は約17%残っているが、燃え続けるには足りない）

しくみ・解説

用語の意味

• 物が燃えるとは、物が空気中の酸素と結びついて、熱や光を出しながら別の物（二酸化炭素や水など）に変わることです。
• 酸素は、物を燃やす働きがある気体で、空気の体積の約21%をしめています。
• 二酸化炭素は、物を燃やす働きがなく、石灰水を白くにごらせる性質がある気体で、空気中には約0.04%ふくまれています。
• 窒素は、空気の体積の約78%をしめる気体で、物を燃やす働きはなく、燃える前と後で量が変わりません。
• 気体検知管は、気体を吸いこむと色が変わる薬が入った管で、色の変わった部分の境目の目盛りを読むと、酸素や二酸化炭素の割合［%］が分かります。

燃やす前と後の空気（早見表）

このシミュレーションでは、ふたをした集気びんでろうそくを燃やすと、約12.6秒で火が消え、そのときの酸素は約17.1%、二酸化炭素は約2.6%です。木（わりばし）では、二酸化炭素は約4.0%になります。

集気びんの条件と燃え方

炎であたためられた空気は軽くなって上へ動くので、上の口から出ていきます。そのとき、まわりの新しい空気が下のすき間（すき間がなければ上の口のふち）から入ってきます。このように空気が入れかわるところでは燃え続け、入れかわらないところでは燃えなくなります。

よくある誤解：火が消えたとき、酸素はなくなっている？

なくなっていません。ふたをした集気びんでろうそくの火が消えたときも、酸素はまだ約17%残っています（空気中の約21%のうち、使われたのは5分の1ほどです）。ろうそくの炎は、まわりの酸素の割合がある程度より小さくなると、燃え続けることができなくなるためです。そのため、火が消えたびんの中に火のついたろうそくを入れ直しても、すぐに消えてしまいます。グラフの赤い線（酸素）が0%まで下がらず、約17%で止まっていることを確かめてください。

「二酸化炭素が増えたから消えた」と考える児童もいますが、二酸化炭素は約3〜4%しかなく、窒素も約78%のまま変わりません。消えた主なわけは、燃え続けるのに必要な割合より酸素が少なくなったことです。二酸化炭素や窒素には物を燃やす働きがないので、「びんの中の気体」を窒素や二酸化炭素にすると、火はすぐに消えます。酸素にすると、空気中より激しく燃えます。

燃やした後の空気（酸素 約17%、二酸化炭素 約3〜4%）は、人がはいた息（酸素 約17%、二酸化炭素 約4%）とよく似ています。体の中でも、酸素が使われて二酸化炭素ができているからです（第6学年「人の体のつくりと働き」）。

二酸化炭素の増え方が、酸素の減り方より少し小さいわけ（発展）

ろうそくのろうは、主に炭素と水素からできています。燃えると、炭素は酸素と結びついて二酸化炭素に、水素は酸素と結びついて水（水蒸気）になります。使われた酸素の一部が水になる分、二酸化炭素の増え方は酸素の減り方より小さくなります（このシミュレーションでは約3分の2）。燃えた後の集気びんの内側が白くくもるのは、できた水蒸気が冷えて水滴になるためです。木の主な成分（セルロース）では、使われる酸素とできる二酸化炭素がほぼ同じ量になります。

参考

• 文部科学省「小学校学習指導要領（平成29年告示）解説 理科編」第6学年 A（1）燃焼の仕組み（小学校学習指導要領解説）
• 小学校理科の教科書（東京書籍「新しい理科」、啓林館「わくわく理科」、大日本図書「たのしい理科」など）6年の「ものの燃え方と空気」の単元
• 国立天文台 編『理科年表』（丸善出版）「大気の組成」（窒素 78.08%、酸素 20.95%、アルゴン 0.93%、二酸化炭素 約0.04%）

引用・転載について

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よくある質問

ろうそくの火が消えたとき、集気びんの中の酸素はなくなっていますか？

なくなっていません。火が消えたときも、酸素は約17%残っています（燃やす前は約21%）。ろうそくの炎は、酸素の割合がある程度より少なくなると燃え続けられないため、酸素が残っていても火が消えます。

ふたをしない集気びんで、下にすき間があるとよく燃えるのはなぜですか？

炎であたためられた空気が上の口から出ていき、そのかわりに新しい空気（酸素をふくむ空気）が下のすき間から入ってくるからです。線香のけむりを近づけると、けむりがすき間から吸いこまれ、上の口から出ていく様子で確かめられます。

石灰水が白くにごるのはなぜですか？

石灰水に二酸化炭素がふれると、水に溶けにくい白い物（炭酸カルシウム）ができるからです。燃やす前の空気は二酸化炭素が約0.04%と少ないのでにごりませんが、ろうそくを燃やした後の空気（約3〜4%）では白くにごります。

物が燃えたあと、窒素はどうなりますか？

変わりません。窒素には物を燃やす働きがなく、燃えることに関係しないので、燃やす前も後も約78%のままです。びんの中を窒素だけにすると、火はすぐに消えます。

燃やす前と後の空気の割合は、どのくらい変わりますか？

気体検知管で調べると、酸素は約21%から約17%に減り、二酸化炭素は約0.04%から約3〜4%に増えます。窒素は約78%のままです。数値は集気びんの大きさや燃やす物によって少し変わります。

酸素の中でろうそくを燃やすとどうなりますか？

空気中よりも炎が大きく明るくなり、激しく燃えます。酸素には物を燃やす働きがあるからです。反対に、窒素や二酸化炭素の中では、火はすぐに消えます。