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炎（ラテン語のflamma [ 1 ]に由来）は、火の目に見える気体部分である。それは、薄い領域で起こる非常に発熱性の高い化学反応によって発生する。 [ 2 ]炎が十分に高温になり、十分な密度のイオン化された気体成分を持つようになると、プラズマとみなされる。[ 3 ]
炎の色と温度は、燃焼に関与する燃料の種類によって決まります。たとえば、ライターをろうそくに近づけると、加えられた熱によってろうそくのワックス中の燃料分子が気化します。[注1 ]この状態では、燃料分子は空気中の酸素と容易に反応し、その後の発熱反応で十分な熱を放出し、さらに多くの燃料を気化させて、安定した炎を維持します。炎の高温により、気化した燃料分子は分解し、さまざまな不完全燃焼生成物とフリーラジカルを生成します。これらの生成物は、互いに、また次の炎（火）の反応に関与する酸化剤と反応します。
冷たい金属スプーンを使ってろうそくの炎のさまざまな部分を観察することができます。[ 5 ]炎の上部では燃焼の結果、水蒸気が析出し、中央の黄色い部分ではすすが、ろうそくの芯付近では燃え残った蝋が析出します。金細工師は金属製の吹き竿を使って炎の上部で金や銀を溶かします。炎に十分なエネルギーがあると、メチリジンラジカル（CH）や二原子炭素（C 2）などの過渡的な反応中間体の電子が励起され、これらの物質が余剰エネルギーを放出すると可視光が放出されます（どの特定のラジカル種がどの特定の色を生成するかについては、下のスペクトルを参照してください）。炎の燃焼温度が上昇すると（炎に未燃焼の炭素やその他の物質の微粒子が含まれている場合）、炎から放出される電磁放射の平均エネルギーも上昇します（黒体を参照）。
酸素以外の酸化剤も炎を発生させるために使用できます。塩素中で水素が燃焼すると炎が発生し、その過程で燃焼生成物として気体の塩化水素（HCl）が放出されます。[ 6 ]多くの可能な化学組み合わせのもう1つは、ヒドラジンと四酸化二窒素で、これは自己着火性があり、ロケットエンジンで一般的に使用されています。フッ素ポリマーは、マグネシウム/テフロン/バイトン組成物のように、金属燃料の酸化剤としてフッ素を供給するために使用できます。
炎の中で起こる化学反応速度は非常に複雑で、通常、多数の化学反応と中間種（そのほとんどはラジカル）が関与します。例えば、よく知られている化学反応速度スキームであるGRI-Mech [ 7 ]は、バイオガスの燃焼を記述するために53種と325の素反応を使用します。
燃焼に必要な成分を炎に分配する方法はいくつかあります。拡散炎では、酸素と燃料が互いに拡散し合い、両者が接触する場所で炎が発生します。予混合炎では、酸素と燃料があらかじめ混合されているため、異なる種類の炎が発生します。ろうそくの炎（拡散炎）は、燃料の蒸発によって発生する高温ガスの層流が上昇し、周囲の酸素と混合して燃焼することで発生します。
炎の色はいくつかの要因によって決まりますが、一般的に最も重要なのは黒体放射とスペクトル帯放射であり、スペクトル線放射とスペクトル線吸収はそれほど大きな役割を果たしません。最も一般的なタイプの炎である炭化水素炎では、色を決定する最も重要な要因は酸素供給量と燃料と酸素の予混合の程度であり、これによって燃焼速度、ひいては温度と反応経路が決まり、結果としてさまざまな色合いが生じます。
通常の重力条件下、空気入口が閉じた実験室では、ブンゼンバーナーは最高温度約2,000 K (3,100 °F)の黄色い炎 (安全炎とも呼ばれる) で燃焼します。この黄色は、炎の中で生成される非常に細かいすす粒子の白熱によるものです。また、一酸化炭素も生成され、炎は接触面から酸素を取り込む傾向があります。空気入口を開くと、すすと一酸化炭素の生成量が減ります。十分な空気が供給されると、すすも一酸化炭素も生成されなくなり、炎は青色になります。(この青色の大部分は、それまで明るい黄色の発光によって隠されていました。)右側の予混合 (完全燃焼)ブタン炎のスペクトルは、青色が特に炎の中で励起された分子ラジカルの発光によって生じることを示しています。これらの分子ラジカルは、可視スペクトルの青色と緑色の領域で、約565ナノメートルよりはるかに低い波長で光を放出します。
拡散（不完全燃焼）炎の低温部分は赤色で、黒体放射スペクトルの変化からわかるように、温度の上昇に伴ってオレンジ色、黄色、白色へと変化します。炎の特定の領域において、このスケールで白色に近いほど、その部分の炎の温度が高くなります。これらの変化は、燃料に最も近い部分が白色で、その上にオレンジ色の部分があり、最も高い部分に赤みがかった炎がある火災でよく見られます。[ 8 ]青色の炎は、すすの量が減少し、励起された分子ラジカルからの青色の発光が支配的になったときにのみ現れますが、空気中のすすの濃度が低いろうそくの根元付近では青色がよく見られます。[ 9 ]
明るい発光スペクトル線を持つ励起性物質を導入することで、炎に特定の色を与えることができる。分析化学では、この効果は炎色反応（または炎発光分光法）に利用され、特定の金属イオンの存在を判定する。花火においては、花火用着色剤を用いて鮮やかな色の花火が作られる。
炎の温度を調べる際には、多くの要因が変化したり影響したりします。重要な点の一つは、炎の色は必ずしも温度比較の基準にはならないということです。なぜなら、黒体放射だけが目に見える色を生成または決定するものではないからです。したがって、色は温度の推定値にすぎません。炎の温度を決定するその他の要因は次のとおりです。
これは、様々な一般的な物質の燃焼温度の目安です（20 ℃（68 °F） 、 1気圧の空気中）。
ジシアノアセチレンは、炭素と窒素の化合物で化学式はC 4 N 2で、酸素中では5,260 K (4,990 °C; 9,010 °F)の温度で明るい青白色の炎を上げて燃焼し、オゾン中では最大6,000 K (5,730 °C; 10,340 °F) の温度で燃焼します。[ 11 ]この高い炎の温度は、燃料に水素が含まれていないこと (ジシアノアセチレンは炭化水素ではない) が一因であり、そのため燃焼生成物に水は含まれていません。
シアン化物（化学式：（CN）2）は、酸素中で燃焼すると4,525 ℃（8,177 °F）を超える温度で、既知の自然炎の中で2番目に高温になります。 [ 12 ] [ 13 ]
120 °C (248 °F)という低温でも、燃料と空気の混合物は化学反応を起こし、低温炎と呼ばれる非常に弱い炎を発生させることがあります。この現象は、 1817 年にハンフリー・デービーによって発見されました。このプロセスは、反応混合物の温度と濃度の微妙なバランスに依存しており、条件が整えば、外部の着火源がなくても開始することができます。化学バランス、特に反応の中間生成物のバランスの周期的な変化により、炎に振動が生じ、典型的な温度変化は約100 °C (212 °F)で、「低温」から完全な着火までになります。この変化が爆発につながることもあります。[ 10 ] [ 14 ]
2000 年、NASA の実験により、重力が炎の形成と組成に間接的な役割を果たしていることが確認されました。[ 15 ]通常の重力条件下での炎の一般的な分布は対流に依存しており、すすは炎の上部に上昇する傾向があるため (通常の重力条件下でのろうそくなど)、黄色になります。軌道上などの微小重力または無重力環境では、自然対流はもはや発生せず、炎は球形になり、より青くなり、より効率的になる傾向があります。この違いにはいくつかの説明が考えられますが、最も可能性が高いのは、温度が十分に均一に分布しているためすすが形成されず、完全燃焼が起こるという仮説です。[ 16 ] NASAの実験により、微小重力での拡散炎は、通常の重力条件と比較して微小重力で異なる一連のメカニズムが機能するため、地球上の拡散炎よりも生成後に多くのすすを完全に酸化できることが明らかになりました。[ 17 ]これらの発見は、特に燃料効率に関して、応用科学や民間産業において応用される可能性がある。
エッジフレームまたはトリプルフレームとは、部分的に予混合された反応混合物中の静止または移動する火炎エッジを指します。標準的なエッジフレームは、燃料リッチと燃料リーンの2つの予混合火炎と後続拡散火炎からなる三元構造を持っています。トリプルフレームの理論的発展は、John W. Dold [ 18 ]、Joel Daou、およびAmable Liñán [ 19 ]によって行われました。
炎は化学エネルギーの放出だけで駆動される必要はありません。恒星では、軽い原子核（炭素やヘリウムなど）から重い原子核（鉄族まで）の燃焼によって駆動される亜音速の燃焼前線が炎として伝播します。これは、Ia型超新星のいくつかのモデルにおいて重要です。熱核炎では、熱伝導が種の拡散よりも優勢であるため、炎の速度と厚さは熱核エネルギーの放出と熱伝導率（多くの場合、縮退電子の形）によって決定されます。[ 20 ]