Co się dzieje, gdy wodór i tlen łączą się?

Wodór jest paliwem wysoce reaktywnym. Cząsteczki wodoru gwałtownie reagują z tlenem, gdy istniejące wiązania molekularne pękają i powstają nowe wiązania między atomami tlenu i wodoru. Ponieważ produkty reakcji mają niższy poziom energii niż reagenty, wynikiem jest wybuchowe uwolnienie energii i produkcja wody. Ale wodór nie reaguje z tlenem w temperaturze pokojowej, potrzebne jest źródło energii do zapalenia mieszaniny.

TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)

Wodór i tlen połączą się, tworząc wodę i wydzielając w tym procesie dużo ciepła.

Gazy wodoru i tlenu mieszają się w temperaturze pokojowej bez reakcji chemicznej. Dzieje się tak, ponieważ prędkość cząsteczek nie zapewnia wystarczającej energii kinetycznej, aby aktywować reakcję podczas zderzeń między reagentami. Powstaje mieszanina gazów, która może gwałtownie reagować, jeśli do mieszaniny zostanie dostarczona wystarczająca ilość energii.

Wprowadzenie iskry do mieszanki powoduje podwyższenie temperatury niektórych cząsteczek wodoru i tlenu. Cząsteczki w wyższych temperaturach przemieszczają się szybciej i zderzają się z większą energią. Jeśli energie zderzeń osiągną minimalną energię aktywacji wystarczającą do „rozerwania” wiązań między reagentami, następuje reakcja między wodorem i tlenem. Ponieważ wodór ma niską energię aktywacji, wystarczy niewielka iskra, aby wywołać reakcję z tlenem.

Jak wszystkie paliwa, reagenty, w tym przypadku wodór i tlen, mają wyższy poziom energii niż produkty reakcji. Powoduje to uwolnienie netto energii z reakcji i jest to znane jako reakcja egzotermiczna. Po przereagowaniu jednego zestawu cząsteczek wodoru i tlenu, uwolniona energia powoduje reakcję cząsteczek w otaczającej mieszaninie, uwalniając więcej energii. Rezultatem jest wybuchowa, szybka reakcja, która szybko uwalnia energię w postaci ciepła, światła i dźwięku.

Na poziomie submolekularnym przyczyną różnicy poziomów energii między substratami a produktami są konfiguracje elektroniczne. Każdy atom wodoru ma jeden elektron. Łączą się w cząsteczki składające się z dwóch, dzięki czemu mogą dzielić dwa elektrony (po jednym). Dzieje się tak, ponieważ najbardziej wewnętrzna powłoka elektronowa ma niższy stan energetyczny (a zatem bardziej stabilny), gdy jest zajęta przez dwa elektrony. Atomy tlenu mają po osiem elektronów. Łączą się one w molekułach po dwie, dzieląc cztery elektrony, tak że ich najbardziej zewnętrzne powłoki elektronowe są w pełni zajęte przez osiem elektronów każda. Jednak znacznie bardziej stabilne ustawienie elektronów powstaje, gdy dwa atomy wodoru dzielą elektron z jednym atomem tlenu. Tylko niewielka ilość energii jest potrzebna, aby „wybić” elektrony reagentów „na zewnątrz” ich orbit, aby mogły one ponownie ustawić się w bardziej stabilnym energetycznie ustawieniu, tworząc nową cząsteczkę, H2O.

Po wyrównaniu elektronów wodoru i tlenu w celu wytworzenia nowej cząsteczki, produktem reakcji jest woda i ciepło. Ciepło można wykorzystać do wykonywania prac, takich jak napędzanie turbin poprzez podgrzewanie wody. Produkty są wytwarzane szybko ze względu na egzotermiczny charakter reakcji łańcuchowej tej reakcji chemicznej. Jak wszystkie reakcje chemiczne, reakcja ta nie jest łatwo odwracalna.