Περιεχόμενο
- Μείγμα υδρογόνου και οξυγόνου
- Ενέργεια ενεργοποίησης
- Εξωθερμική αντίδραση
- Ηλεκτρονική συμπεριφορά
- Προϊόντα
Το υδρογόνο είναι ένα πολύ αντιδραστικό καύσιμο. Τα μόρια του αντιδρούν βίαια με οξυγόνο όταν οι υπάρχοντες μοριακοί δεσμοί σπάσουν και σχηματίζονται νέοι δεσμοί μεταξύ των ατόμων οξυγόνου και υδρογόνου. Καθώς τα προϊόντα αντίδρασης έχουν χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας από τα αντιδραστήρια, το αποτέλεσμα είναι μια εκρηκτική απελευθέρωση ενέργειας και η παραγωγή νερού. Όμως το υδρογόνο δεν αντιδρά με οξυγόνο σε θερμοκρασία δωματίου, απαιτείται πηγή ενέργειας για την ανάφλεξη του μίγματος.
Μείγμα υδρογόνου και οξυγόνου
Τα αέρια υδρογόνου και οξυγόνου αναμιγνύονται σε θερμοκρασία δωματίου χωρίς χημική αντίδραση. Αυτό συμβαίνει επειδή η ταχύτητα των μορίων δεν παρέχει αρκετή κινητική ενέργεια για να ενεργοποιήσει την αντίδραση κατά τη διάρκεια συγκρούσεων μεταξύ των αντιδρώντων. Σχηματίζεται ένα μείγμα αερίων, με δυνατότητα αντίδρασης βίαια εάν εισάγεται αρκετή ενέργεια στο μείγμα.
Ενέργεια ενεργοποίησης
Η εισαγωγή ενός σπινθήρα στο μείγμα οδηγεί σε υψηλές θερμοκρασίες μεταξύ μερικών από τα μόρια υδρογόνου και οξυγόνου. Τα μόρια σε υψηλότερες θερμοκρασίες ταξιδεύουν γρηγορότερα και συγκρούονται με περισσότερη ενέργεια. Εάν οι ενέργειες σύγκρουσης φτάσουν σε μια ελάχιστη ενέργεια ενεργοποίησης επαρκή για να «σπάσει» τους δεσμούς μεταξύ των αντιδρώντων, τότε η αντίδραση λαμβάνει χώρα. Δεδομένου ότι το υδρογόνο έχει χαμηλή ενέργεια ενεργοποίησης, απαιτείται μόνο ένας μικρός σπινθήρας για την έναρξη της αντίδρασης με οξυγόνο.
Εξωθερμική αντίδραση
Όπως όλα τα καύσιμα, τα αντιδραστήρια, στην περίπτωση αυτή το υδρογόνο και το οξυγόνο, βρίσκονται σε υψηλότερο επίπεδο ενέργειας από τα προϊόντα της αντίδρασης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την κοινή απελευθέρωση ενέργειας από την αντίδραση, και αυτό είναι γνωστό ως εξώθερμη αντίδραση. Μετά την αντίδραση ορισμένης ποσότητας μορίων υδρογόνου και οξυγόνου, η απελευθερούμενη ενέργεια προκαλεί επίσης την αντίδραση των γύρω μορίων, απελευθερώνοντας περισσότερη ενέργεια. Το αποτέλεσμα είναι μια γρήγορη και εκρηκτική αντίδραση, η οποία απελευθερώνει ενέργεια γρήγορα με τη μορφή θερμότητας, φωτός και ήχου.
Ηλεκτρονική συμπεριφορά
Σε υπομοριακό επίπεδο, ο λόγος για τη διαφορά στα επίπεδα ενέργειας μεταξύ αντιδραστηρίων και προϊόντων έγκειται στην ηλεκτρονική διαμόρφωση. Τα άτομα υδρογόνου έχουν ένα ηλεκτρόνιο το καθένα. Συνδυάζονται σε μόρια δύο ατόμων έτσι ώστε να μπορούν να διαιρέσουν δύο ηλεκτρόνια (ένα από το καθένα). Αυτό συμβαίνει επειδή το εσωτερικό της ηλεκτρονικής στάθμης βρίσκεται σε χαμηλότερη (και συνεπώς πιο σταθερή) ενεργειακή κατάσταση όταν καταλαμβάνεται από δύο ηλεκτρόνια. Τα άτομα οξυγόνου έχουν οκτώ ηλεκτρόνια το καθένα. Συνδυάζονται σε μόρια δύο ατόμων που μοιράζονται τέσσερα ηλεκτρόνια, έτσι ώστε οι εξόχως απόκεντρες ηλεκτρονικές τους στρώσεις να καταλαμβάνουν πλήρως οκτώ ηλεκτρόνια το καθένα. Ωστόσο, μια πολύ πιο σταθερή ευθυγράμμιση ηλεκτρονίων συμβαίνει όταν δύο άτομα υδρογόνου μοιράζονται ένα ηλεκτρόνιο με ένα άτομο οξυγόνου. Απαιτείται μόνο μια μικρή ποσότητα ενέργειας για να απομακρυνθούν τα ηλεκτρόνια από την τροχιά τους, ώστε να μπορούν να ξαναευθυγραμμιστούν στον πιο ενεργητικά σταθερό σχηματισμό, σχηματίζοντας το νέο μόριο, το H2O.
Προϊόντα
Μετά την ηλεκτρονική επανευθυγράμμιση μεταξύ υδρογόνου και οξυγόνου για τη δημιουργία ενός νέου μορίου, το προϊόν της αντίδρασης είναι το νερό και η θερμότητα. Η θερμότητα μπορεί να αξιοποιηθεί για την παραγωγή εργασιών, όπως η οδήγηση στροβίλων θέρμανσης νερού. Τα προϊόντα παράγονται γρήγορα λόγω της εξώθερμης φύσης της αλυσιδωτής αντίδρασης. Όπως με όλες τις χημικές αντιδράσεις, αυτή η διαδικασία δεν είναι εύκολα αναστρέψιμη.