Wat gebeurt er als waterstof en zuurstof worden gecombineerd?

Waterstof is een zeer reactieve brandstof. Waterstofmoleculen reageren heftig met zuurstof wanneer de bestaande moleculaire bindingen breken en nieuwe bindingen worden gevormd tussen zuurstof- en waterstofatomen. Omdat de producten van de reactie een lager energieniveau hebben dan de reactanten, is het resultaat een explosieve afgifte van energie en de productie van water. Maar waterstof reageert bij kamertemperatuur niet met zuurstof, er is een energiebron nodig om het mengsel te laten ontbranden.

TL; DR (te lang; niet gelezen)

Waterstof en zuurstof zullen worden gecombineerd om water te maken - en daarbij veel warmte af te geven.

Waterstof- en zuurstofgassen vermengen zich bij kamertemperatuur zonder chemische reactie. Dit komt omdat de snelheid van de moleculen niet voldoende kinetische energie levert om de reactie te activeren tijdens botsingen tussen de reactanten. Er wordt een mengsel van gassen gevormd dat heftig kan reageren als er voldoende energie in het mengsel wordt gebracht.

Introductie van een vonk in het mengsel resulteert in verhoogde temperaturen tussen sommige waterstof- en zuurstofmoleculen. Moleculen bij hogere temperaturen reizen sneller en botsen met meer energie. Als de botsingsenergieën een minimale activeringsenergie bereiken die voldoende is om de bindingen tussen de reactanten te "verbreken", volgt een reactie tussen waterstof en zuurstof. Omdat waterstof een lage activeringsenergie heeft, is er maar een kleine vonk nodig om een ​​reactie met zuurstof op gang te brengen.

Zoals alle brandstoffen hebben de reactanten, in dit geval waterstof en zuurstof, een hoger energieniveau dan de producten van de reactie. Dit resulteert in het netto vrijkomen van energie uit de reactie, en dit staat bekend als een exotherme reactie. Nadat een set waterstof- en zuurstofmoleculen heeft gereageerd, triggert de vrijgekomen energie moleculen in het omringende mengsel om te reageren, waardoor meer energie vrijkomt. Het resultaat is een explosieve, snelle reactie waarbij snel energie vrijkomt in de vorm van warmte, licht en geluid.

Op submoleculair niveau ligt de reden voor het verschil in energieniveaus tussen de reactanten en producten bij elektronische configuraties. Waterstofatomen hebben elk één elektron. Ze combineren tot moleculen van twee, zodat ze twee elektronen kunnen delen (elk één). Dit komt omdat de binnenste elektronenschil zich in een lagere energietoestand bevindt (en daarom stabieler) wanneer deze wordt ingenomen door twee elektronen. Zuurstofatomen hebben elk acht elektronen. Ze combineren samen in moleculen van twee door vier elektronen te delen, zodat hun buitenste elektronenschillen volledig worden ingenomen door elk acht elektronen. Een veel stabielere uitlijning van elektronen ontstaat echter wanneer twee waterstofatomen een elektron delen met één zuurstofatoom. Er is slechts een kleine hoeveelheid energie nodig om de elektronen van de reactanten uit hun banen te "stoten", zodat ze zich opnieuw kunnen uitlijnen in de meer energetisch stabiele uitlijning, waardoor een nieuw molecuul, H2O, wordt gevormd.

Na de elektronische herschikking tussen waterstof en zuurstof om een ​​nieuw molecuul te creëren, is het product van de reactie water en warmte. De warmte kan worden aangewend om werk te doen, zoals het aandrijven van turbines door water te verwarmen. De producten worden snel geproduceerd vanwege het exotherme, kettingreactiekarakter van deze chemische reactie. Zoals alle chemische reacties is de reactie niet gemakkelijk omkeerbaar.