מה קורה כשמשלבים מימן וחמצן?

מימן הוא דלק מאוד תגובתי. מולקולות מימן מגיבות באלימות עם חמצן כאשר הקשרים המולקולריים הקיימים נשברים ונוצרים קשרים חדשים בין אטומי החמצן למימן. מכיוון שתוצרי התגובה נמצאים ברמת אנרגיה נמוכה יותר מאשר המגיבים, התוצאה היא שחרור נפץ של אנרגיה וייצור מים. אך מימן אינו מגיב עם חמצן בטמפרטורת החדר, יש צורך במקור אנרגיה כדי להצית את התערובת.

TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)

מימן וחמצן ישתלבו וייצרו מים - ויתנו הרבה חום בתהליך.

גזי מימן וחמצן מתערבבים בטמפרטורת החדר ללא תגובה כימית. הסיבה לכך היא שמהירות המולקולות אינה מספקת מספיק אנרגיה קינטית להפעלת התגובה במהלך התנגשויות בין המגיבים. נוצרת תערובת של גזים, עם פוטנציאל להגיב באלימות אם הוכנסה אנרגיה מספקת לתערובת.

הכנסת ניצוץ לתערובת גורמת לטמפרטורות מוגברות בקרב חלק ממולקולות המימן והחמצן. מולקולות בטמפרטורות גבוהות יותר נעות מהר יותר ומתנגשות באנרגיה רבה יותר. אם אנרגיות התנגשות מגיעות לאנרגיית הפעלה מינימלית המספיקה בכדי "לשבור" את הקשרים בין המגיבים, אז באה תגובה בין מימן לחמצן. מכיוון שלמימן יש אנרגיית הפעלה נמוכה יש צורך רק בניצוץ קטן כדי לעורר תגובה עם חמצן.

כמו כל הדלקים, המגיבים, במקרה זה מימן וחמצן, נמצאים ברמת אנרגיה גבוהה יותר מתוצרי התגובה. התוצאה היא שחרור נטו של אנרגיה מהתגובה, וזה ידוע כתגובה אקסותרמית. לאחר שקבוצה אחת של מולקולות מימן וחמצן הגיבה, האנרגיה המשתחררת גורמת למולקולות בתערובת הסובבת להגיב, ומשחררת יותר אנרגיה. התוצאה היא תגובה נפיצה ומהירה המשחררת אנרגיה במהירות בצורה של חום, אור וצליל.

ברמה התת-מולקולרית, הסיבה להבדל ברמות האנרגיה בין המגיבים והמוצרים נעוצה בתצורות אלקטרוניות. לאטומי מימן יש אלקטרון אחד כל אחד. הם מתאחדים למולקולות של שתיים כדי שיוכלו לחלוק שני אלקטרונים (אחד כל אחד). הסיבה לכך היא כי מעטפת האלקטרונים הפנימית ביותר נמצאת במצב אנרגיה נמוך יותר (ולכן יציב יותר) כאשר היא תפוסה על ידי שני אלקטרונים. באטומי חמצן שמונה אלקטרונים כל אחד. הם משתלבים יחד במולקולות של שתיים על ידי חלוקת ארבעה אלקטרונים כך שקליפות האלקטרונים החיצוניות ביותר תפוסות במלואן על ידי שמונה אלקטרונים כל אחד. עם זאת, יישור אלקטרונים יציב הרבה יותר נוצר כאשר שני אטומי מימן חולקים אלקטרון עם אטום חמצן אחד. נדרשת רק כמות קטנה של אנרגיה כדי "להקפיץ" את האלקטרונים של המגיבים "אל מחוץ למסלולם, כך שהם יוכלו ליישר מחדש את היישור היציב יותר אנרגטית וליצור מולקולה חדשה, H2O.

בעקבות יישור מחדש אלקטרוני בין מימן לחמצן ליצירת מולקולה חדשה, תוצר התגובה הוא מים וחום. ניתן לרתום את החום לצורך ביצוע עבודות, כגון הנעת טורבינות באמצעות חימום מים. המוצרים מיוצרים במהירות בשל האופי האקסותרמי ותגובת השרשרת של תגובה כימית זו. כמו כל התגובות הכימיות, התגובה אינה הפיכה בקלות.