Что происходит при объединении водорода и кислорода?

Водород - топливо с высокой реакционной способностью. Молекулы водорода бурно реагируют с кислородом, когда существующие молекулярные связи разрываются и между атомами кислорода и водорода образуются новые. Поскольку продукты реакции имеют более низкий уровень энергии, чем реагенты, в результате происходит взрывное выделение энергии и образование воды. Но водород не реагирует с кислородом при комнатной температуре, нужен источник энергии для воспламенения смеси.

TL; DR (слишком длинный; Не читал)

Водород и кислород объединяются, чтобы образовать воду - и при этом выделять много тепла.

Газообразные водород и кислород смешиваются при комнатной температуре без химической реакции. Это связано с тем, что скорость молекул не обеспечивает достаточной кинетической энергии для активации реакции во время столкновений между реагентами. Образуется смесь газов, способная бурно вступить в реакцию, если в смесь будет введена достаточная энергия.

Введение искры в смесь приводит к повышению температуры некоторых молекул водорода и кислорода. Молекулы при более высоких температурах движутся быстрее и сталкиваются с большей энергией. Если энергии столкновения достигают минимальной энергии активации, достаточной для «разрыва» связей между реагентами, то следует реакция между водородом и кислородом. Поскольку водород имеет низкую энергию активации, требуется лишь небольшая искра, чтобы вызвать реакцию с кислородом.

Как и все виды топлива, реагенты, в данном случае водород и кислород, находятся на более высоком уровне энергии, чем продукты реакции. Это приводит к чистому высвобождению энергии из реакции, и это называется экзотермической реакцией. После того, как один набор молекул водорода и кислорода прореагировал, высвобождаемая энергия заставляет молекулы в окружающей смеси реагировать, высвобождая больше энергии. Результатом является взрывная, быстрая реакция, которая быстро высвобождает энергию в виде тепла, света и звука.

На субмолекулярном уровне причина разницы в уровнях энергии между реагентами и продуктами кроется в электронных конфигурациях. Атомы водорода имеют по одному электрону. Они объединяются в молекулы из двух, так что у них может быть два электрона (по одному на каждый). Это связано с тем, что самая внутренняя электронная оболочка находится в более низком энергетическом состоянии (и, следовательно, более стабильна), когда она занята двумя электронами. Атомы кислорода имеют по восемь электронов каждый. Они объединяются в молекулы по две, разделяя четыре электрона, так что их самые внешние электронные оболочки полностью заняты восемью электронами каждая. Однако гораздо более стабильное выравнивание электронов возникает, когда два атома водорода делят электрон с одним атомом кислорода. Требуется лишь небольшое количество энергии, чтобы «выбить» электроны реагентов «со своих орбит», чтобы они могли перестроиться в более энергетически стабильном выравнивании, образуя новую молекулу H2O.

После перестройки электронов между водородом и кислородом, чтобы создать новую молекулу, продукт реакции - вода и тепло. Тепло можно использовать для работы, например, для работы турбин, нагревая воду. Продукты производятся быстро из-за экзотермической природы этой химической реакции, связанной с цепной реакцией. Как и все химические реакции, эта реакция не является легко обратимой.