Was passiert, wenn sich Wasserstoff und Sauerstoff verbinden?

Wasserstoff ist ein hochreaktiver Kraftstoff. Wasserstoffmoleküle reagieren heftig mit Sauerstoff, wenn die bestehenden Molekülbindungen aufbrechen und neue Bindungen zwischen Sauerstoff- und Wasserstoffatomen gebildet werden. Da die Reaktionsprodukte auf einem niedrigeren Energieniveau liegen als die Reaktionspartner, kommt es zu einer explosionsartigen Energiefreisetzung und zur Wasserproduktion. Aber Wasserstoff reagiert bei Raumtemperatur nicht mit Sauerstoff, es wird eine Energiequelle benötigt, um das Gemisch zu entzünden.

TL; DR (zu lang; nicht gelesen)

Wasserstoff und Sauerstoff verbinden sich zu Wasser – und geben dabei viel Wärme ab.

Wasserstoff- und Sauerstoffgase vermischen sich bei Raumtemperatur ohne chemische Reaktion. Dies liegt daran, dass die Geschwindigkeit der Moleküle nicht genügend kinetische Energie bereitstellt, um die Reaktion bei Kollisionen zwischen den Reaktanten zu aktivieren. Es entsteht ein Gasgemisch, das bei ausreichender Energiezufuhr zu heftigen Reaktionen führen kann.

Die Einführung eines Funkens in das Gemisch führt zu erhöhten Temperaturen zwischen einigen der Wasserstoff- und Sauerstoffmoleküle. Moleküle bei höheren Temperaturen reisen schneller und kollidieren mit mehr Energie. Wenn die Kollisionsenergien eine minimale Aktivierungsenergie erreichen, die ausreicht, um die Bindungen zwischen den Reaktanten zu "brechen", dann folgt eine Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff. Da Wasserstoff eine geringe Aktivierungsenergie hat, ist nur ein kleiner Funke erforderlich, um eine Reaktion mit Sauerstoff auszulösen.

Wie alle Kraftstoffe liegen die Reaktionspartner, in diesem Fall Wasserstoff und Sauerstoff, auf einem höheren Energieniveau als die Reaktionsprodukte. Dies führt zu einer Nettofreisetzung von Energie aus der Reaktion, und dies wird als exotherme Reaktion bezeichnet. Nachdem ein Satz von Wasserstoff- und Sauerstoffmolekülen reagiert hat, löst die freigesetzte Energie Moleküle in der umgebenden Mischung aus, um zu reagieren und mehr Energie freizusetzen. Das Ergebnis ist eine explosive, schnelle Reaktion, die Energie in Form von Wärme, Licht und Geräuschen schnell freisetzt.

Auf submolekularer Ebene liegt der Grund für den Unterschied der Energieniveaus zwischen den Reaktanten und Produkten in der elektronischen Konfiguration. Wasserstoffatome haben jeweils ein Elektron. Sie verbinden sich zu Zweiermolekülen, sodass sie sich zwei Elektronen (jeweils eines) teilen können. Dies liegt daran, dass sich die innerste Elektronenhülle in einem niedrigeren Energiezustand (und daher stabiler) befindet, wenn sie von zwei Elektronen besetzt ist. Sauerstoffatome haben jeweils acht Elektronen. Sie verbinden sich zu Zweiermolekülen, indem sie sich vier Elektronen teilen, sodass ihre äußersten Elektronenschalen jeweils vollständig von acht Elektronen besetzt sind. Eine weitaus stabilere Ausrichtung der Elektronen ergibt sich jedoch, wenn sich zwei Wasserstoffatome ein Elektron mit einem Sauerstoffatom teilen. Es wird nur eine geringe Energiemenge benötigt, um die Elektronen der Reaktanten aus ihren Bahnen „herauszustoßen“, damit sie sich in der energetisch stabileren Ausrichtung neu ausrichten können und ein neues Molekül, H2O, bilden.

Nach der elektronischen Neuausrichtung von Wasserstoff und Sauerstoff zu einem neuen Molekül entsteht als Reaktionsprodukt Wasser und Wärme. Die Wärme kann genutzt werden, um Arbeiten zu verrichten, beispielsweise zum Antrieb von Turbinen durch Erhitzen von Wasser. Die Produkte werden aufgrund der exothermen Kettenreaktionsnatur dieser chemischen Reaktion schnell hergestellt. Wie alle chemischen Reaktionen ist die Reaktion nicht leicht reversibel.