Kas notiek, ja ūdeņradis un skābeklis apvienojas?

Ūdeņradis ir ļoti reaģējoša degviela. Ūdeņraža molekulas vardarbīgi reaģē ar skābekli, kad esošās molekulārās saites pārtrūkst un starp skābekļa un ūdeņraža atomiem veidojas jaunas saites. Tā kā reakcijas produkti ir zemākā enerģijas līmenī nekā reaģenti, rezultāts ir eksplozīva enerģijas izdalīšanās un ūdens ražošana. Bet ūdeņradis istabas temperatūrā nereaģē ar skābekli, maisījuma aizdedzināšanai ir nepieciešams enerģijas avots.

TL; DR (pārāk ilgi; Nelasīju)

Ūdeņradis un skābeklis apvienosies, lai iegūtu ūdeni - un šajā procesā izdala daudz siltuma.

Ūdeņraža un skābekļa gāzes sajaucas istabas temperatūrā bez ķīmiskas reakcijas. Tas notiek tāpēc, ka molekulu ātrums nenodrošina pietiekami daudz kinētiskās enerģijas, lai aktivizētu reakciju reaģentu sadursmju laikā. Veidojas gāzu maisījums, kas var strauji reaģēt, ja maisījumam tiek ievadīta pietiekama enerģija.

Dzirksteles ievadīšana maisījumā dažās ūdeņraža un skābekļa molekulās paaugstina temperatūru. Molekulas augstākā temperatūrā pārvietojas ātrāk un saduras ar lielāku enerģiju. Ja sadursmes enerģijas sasniedz minimālo aktivācijas enerģiju, kas ir pietiekama, lai "nojauktu" saites starp reaģentiem, tad seko reakcija starp ūdeņradi un skābekli. Tā kā ūdeņradim ir zema aktivācijas enerģija, ir nepieciešama tikai neliela dzirkstele, lai izraisītu reakciju ar skābekli.

Tāpat kā visas degvielas, arī reaģenti, šajā gadījumā ūdeņradis un skābeklis, atrodas augstākā enerģijas līmenī nekā reakcijas produkti. Tā rezultātā notiek reakcijas enerģijas neto izdalīšanās, un tā ir pazīstama kā eksotermiska reakcija. Pēc viena ūdeņraža un skābekļa molekulu komplekta reakcijas izdalītā enerģija liek apkārtējā maisījumā esošajām molekulām reaģēt, atbrīvojot vairāk enerģijas. Rezultāts ir eksplozīva, ātra reakcija, kas ātri atbrīvo enerģiju siltuma, gaismas un skaņas veidā.

Submolekulārā līmenī enerģijas līmeņu atšķirības starp reaģentiem un produktiem izraisa elektroniskās konfigurācijas. Ūdeņraža atomiem ir viens elektrons. Viņi apvienojas divu molekulu formātā, lai varētu dalīties divos elektronos (pa vienam). Tas ir tāpēc, ka iekšējais elektronu apvalks atrodas zemākā enerģijas stāvoklī (un līdz ar to arī stabilāks), kad to aizņem divi elektroni. Skābekļa atomiem ir astoņi elektroni katrā. Viņi apvienojas divu molekulu molekulās, daloties četros elektronos tā, ka to visilgākos elektronu apvalkus pilnībā aizņem astoņi elektroni. Tomēr daudz stabilāka elektronu izlīdzināšanās rodas, ja diviem ūdeņraža atomiem ir kopīgs elektrons ar vienu skābekļa atomu. Lai reaktantu elektronus "izsistu" no orbītām, lai tie varētu atkārtoti izkārtoties enerģētiski stabilākā līnijā, veidojot jaunu molekulu H2O, vajadzīgs tikai neliels enerģijas daudzums.

Pēc elektroniskās sakārtošanas starp ūdeņradi un skābekli, lai izveidotu jaunu molekulu, reakcijas produkts ir ūdens un siltums. Siltumu var izmantot, lai veiktu darbu, piemēram, darbinot turbīnas, sildot ūdeni. Produkti tiek ātri ražoti, pateicoties šīs ķīmiskās reakcijas eksotermiskajam, ķēdes reakcijas raksturam. Tāpat kā visas ķīmiskās reakcijas, reakcija nav viegli atgriezeniska.