木など通常の植物を構成する主な組織は、セルロースという淡水化物です。中学くらいの化学の授業で習うと思いますが、炭水化物とは、主に「炭素(C)」「水素(H)」「酸素(O)」で構成された複雑な化合物です。これに火をつけた場合、空気中から酸素を取り込んで、「二酸化炭素(CO2)」と「水(H2O)」に変化します。ここまでは誰でも知っている話ですよね。
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ここで視点を変えると、炭水化物が炭素＋水素だけでなく酸素も含んでいるということは、言ってみれば「半分燃えた」状態であると言えます（完全燃焼するには酸素が足りない）。よって、なんらかの手段で炭水化物から酸素を追い出すことが出来れば、残った物質はより純粋な熱源になりえるわけです。
そこで、外部からの空気を遮断した状態（蒸し焼き）で熱を加えます。炭水化物はせいぜい500度かそこらの温度で分解しますが、外部からの酸素流入がないため、主に内部の物質のみで再結合を行います。水素は炭素より遥かに反応性が高いため、主に酸素と水素のみで反応が進行し、結果としてどんどん炭素が余っていきます。結果として出来るのが、ほぼ炭素のみで構成された物質である炭なわけです。
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実は、この反応は普通に焚き火を行っても見られます。キャンプファイヤーなどで木材を燃やした経験のある人なら、炎が尽きたあとでも黒くなった木材が静かに赤く燃え続けるのを見たことがあると思いますが、これも同じ反応が起こった結果です。勢いよく火が燃えているために外部からの酸素流入が追いつかず、余った炭素が後からゆっくり燃えているのです。ちなみに純粋炭素は燃えても炎を出さず、赤く光りながら表面だけで静かに燃え続けます。そもそも炎というのは実は水素が燃えているのです。
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昔において炭作りが行われてきたのは、全体のエネルギー効率でなく運搬効率のためです。山間部で得られた燃料用の木材をそのまま都市部に運ぶと大変ですが、炭の形にすればずっと軽くなり、重量あたりのエネルギーは遥かに高くなります。よって、木材を得られる場所で炭作りも行えば非常に効率が良かったわけです。本来ならゴミになるような枝葉の部分も炭作りの燃料として有効利用できますし。
化学的には、炭作りの過程においてセルロースという複雑な化合物から酸素・水素が欠落する反応をするため、炭の構造は分子レベルの非常に複雑な多孔質物質となります。この多孔質の組成が触媒反応となり、脱臭や水質改善等の様々な効果が得られます。また、炭作りの過程で木材に元々あった水素と酸素は、水という形で排出されますが、この水に木材の内部成分が溶け出してきます。この木酢液もいろいろな効果があるとされています。
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