Зміст
Водень - високореактивне паливо. Його молекули бурхливо реагують з киснем, коли існуючі молекулярні зв’язки розриваються і утворюються нові зв’язки між атомами кисню та водню. Оскільки продукти реакції мають нижчий енергетичний рівень, ніж реагенти, результатом є вибухоне виділення енергії та утворення води. Але водень не реагує з киснем при кімнатній температурі, для запалення суміші потрібно джерело енергії.
Суміш водню та кисню
Газ водню та кисню змішуються при кімнатній температурі без хімічної реакції. Це пов’язано з тим, що швидкість молекул не забезпечує достатньої кінетичної енергії для активації реакції під час зіткнень між реагентами. Утворюється газова суміш, яка може бурхливо реагувати, якщо в суміш вводиться достатня кількість енергії.
Енергія активації
Введення іскри в суміш призводить до високих температур між деякими молекулами водню та кисню. Молекули при більш високих температурах рухаються швидше і стикаються з більшою кількістю енергії. Якщо енергії зіткнення досягають мінімальної енергії активації, достатньої для «розриву» зв’язків між реагентами, тоді відбувається реакція. Оскільки водень має низьку енергію активації, для ініціювання реакції з киснем потрібна лише мала іскра.
Екзотермічна реакція
Як і всі види палива, реагенти, в даному випадку водень та кисень, знаходяться на вищому енергетичному рівні, ніж продукти реакції. Це призводить до спільного виділення енергії з реакції, і це відоме як екзотермічна реакція. Після того, як певна кількість молекул водню та кисню відреагувала, виділена енергія змушує також реагувати навколишні молекули, виділяючи більше енергії. Результат - швидка і вибухова реакція, яка швидко виділяє енергію у вигляді тепла, світла та звуку.
Електронна поведінка
На субмолекулярному рівні причина різниці в рівнях енергії між реагентами та продуктами криється в електронній конфігурації. Атоми Гідрогену мають по одному електрону. Вони об’єднуються в молекули з двох атомів, так що вони можуть розділити два електрони (по одному від кожного). Це пов’язано з тим, що внутрішній електронний рівень знаходиться в нижчому (і, отже, більш стабільному) енергетичному стані, коли він зайнятий двома електронами. Атоми кисню мають по вісім електронів кожен. Вони поєднуються в двоатомні молекули, що розділяють чотири електрони, так що їхні самі зовнішні електронні шари повністю зайняті по вісім електронів кожен. Однак набагато стабільніше вирівнювання електронів відбувається, коли два атоми водню ділять електрон з атомом кисню. Лише невелика кількість енергії потрібна для виведення електронів з їх орбіти, щоб вони могли перегрупуватися в найбільш енергетично стабільну формацію, утворюючи нову молекулу, H2O.
Продукти
Після електронного перекладання між воднем і киснем для створення нової молекули продуктом реакції є вода і тепло. Тепло можна використовувати для виробництва таких робіт, як керування водогрійними турбінами. Продукти швидко утворюються завдяки екзотермічній природі ланцюгової реакції. Як і у всіх хімічних реакціях, цей процес непросто повернути.