Čo sa stane, keď sa kombinuje vodík a kyslík?

Vodík je vysoko reaktívne palivo. Molekuly vodíka prudko reagujú s kyslíkom, keď sa rozpadnú existujúce molekulárne väzby a vytvoria sa nové väzby medzi atómami kyslíka a vodíka. Pretože produkty reakcie sú na nižšej energetickej úrovni ako reaktanty, výsledkom je explozívne uvoľňovanie energie a tvorba vody. Ale vodík pri izbovej teplote nereaguje s kyslíkom, na zapálenie zmesi je potrebný zdroj energie.

TL; DR (príliš dlhý; Nečítali)

Vodík a kyslík sa spoja, aby vytvorili vodu - a pri tom poskytovali dostatok tepla.

Vodík a kyslík sa zmiešajú pri izbovej teplote bez chemickej reakcie. Je to preto, že rýchlosť molekúl neposkytuje dostatok kinetickej energie na aktiváciu reakcie počas kolízií medzi reaktantmi. Vytvorí sa zmes plynov s potenciálom prudko reagovať, ak sa do zmesi privedie dostatočné množstvo energie.

Zavedenie iskry do zmesi vedie k zvýšeniu teplôt medzi niektorými molekulami vodíka a kyslíka. Molekuly pri vyšších teplotách cestujú rýchlejšie a kolidujú s väčšou energiou. Ak kolízne energie dosiahnu minimálnu aktivačnú energiu dostatočnú na „pretrhnutie“ väzieb medzi reaktantmi, nasleduje reakcia medzi vodíkom a kyslíkom. Pretože vodík má nízku aktivačnú energiu, na spustenie reakcie s kyslíkom je potrebná iba malá iskra.

Rovnako ako všetky palivá, aj reaktanty, v tomto prípade vodík a kyslík, sú na vyššej energetickej úrovni ako produkty reakcie. To má za následok čisté uvoľnenie energie z reakcie a toto je známe ako exotermická reakcia. Po reakcii jednej sady molekúl vodíka a kyslíka uvoľnená energia spustí reakcie molekúl v okolitej zmesi a uvoľní viac energie. Výsledkom je výbušná, rýchla reakcia, pri ktorej sa rýchlo uvoľňuje energia vo forme tepla, svetla a zvuku.

Na submolekulárnej úrovni spočíva rozdiel v energetických hladinách medzi reaktantmi a produktmi v elektronických konfiguráciách. Atómy vodíka majú každý jeden elektrón. Zlučujú sa do molekúl po dvoch, takže môžu zdieľať dva elektróny (každý po jednom). Je to tak preto, lebo vnútorná elektrónová škrupina je v nízkoenergetickom stave (a teda stabilnejšia), keď je obsadená dvoma elektrónmi. Atómy kyslíka majú každý osem elektrónov. Kombinujú sa v molekulách dvoch zdieľaním štyroch elektrónov, takže ich najvnútornejšie elektrónové škrupiny sú plne obsadené ôsmimi elektrónmi. Oveľa stabilnejšie usporiadanie elektrónov však vzniká, keď dva atómy vodíka zdieľajú elektrón s jedným atómom kyslíka. Na „vyvrhnutie“ elektrónov reaktantov „z ich obežných dráh“ je potrebné iba malé množstvo energie, aby sa mohli znovu zorientovať v energeticky stabilnejšom zoskupení a vytvoriť tak novú molekulu H2O.

Po elektronickom preskupení medzi vodíkom a kyslíkom a vytvorením novej molekuly je produktom reakcie voda a teplo. Teplo je možné využiť na prácu, napríklad na poháňanie turbín ohrievaním vody. Produkty sa vyrábajú rýchlo vďaka exotermickej povahe tejto chemickej reakcie pri reťazovej reakcii. Rovnako ako všetky chemické reakcie, aj táto nie je ľahko reverzibilná.