Содержание
Водород - топливо с высокой реакционной способностью. Его молекулы бурно реагируют с кислородом, когда существующие молекулярные связи разрываются и образуются новые связи между атомами кислорода и водорода. Поскольку продукты реакции имеют более низкий уровень энергии, чем реагенты, в результате происходит взрывное высвобождение энергии и образование воды. Но водород не реагирует с кислородом при комнатной температуре, для воспламенения смеси нужен источник энергии.
Смесь водорода и кислорода
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 газовая смесь, потенциально способная бурно реагировать, если в смесь вводится достаточно энергии.
Энергия активации
Введение искры в смесь приводит к возникновению высоких температур между некоторыми молекулами 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 реакция имеет место. Поскольку водород имеет низкую энергию активации, требуется лишь небольшая искра, чтобы инициировать реакцию с кислородом.
Экзотермическая реакция
Как и все виды топлива, реагенты, в данном случае водород и кислород, имеют более высокий энергетический уровень, чем продукты реакции. Это приводит к совместному высвобождению энергии из реакции, и это называется экзотермической реакцией. После того, как определенное количество молекул водорода и кислорода прореагировало, высвободившаяся энергия заставляет также реагировать окружающие молекулы, высвобождая больше энергии. Результатом является быстрая и взрывная реакция, которая быстро высвобождает энергию в виде тепла, света и звука.
Электронное поведение
На субмолекулярном уровне причина разницы в уровнях энергии между реагентами и продуктами кроется в электронной конфигурации. Атомы водорода имеют по одному электрону. Они объединяются в молекулы из двух атомов, так что они могут разделить два электрона (по одному от каждого). Это потому, что самый внутренний электронный уровень находится в более низком (и, следовательно, более стабильном) энергетическом состоянии, когда он занят двумя электронами. У атомов кислорода по восемь электронов. Они объединяются в двухатомные молекулы с четырьмя электронами, так что их внешние электронные слои полностью заняты восемью электронами каждый. Однако гораздо более стабильное выравнивание электронов происходит, когда два атома водорода разделяют электрон с атомом кислорода. Требуется лишь небольшое количество энергии, чтобы вывести электроны с их орбиты, чтобы они могли перестроиться в наиболее энергетически стабильное образование, образуя новую молекулу Н2О.
Товары
После электронной перестройки между водородом и кислородом, чтобы создать новую молекулу, продукт реакции - вода и тепло. Тепло можно использовать для выполнения работы, например, для работы турбин водяного отопления. Продукты образуются быстро из-за экзотермического характера цепной реакции. Как и все химические реакции, этот процесс не так легко обратим.