Inhalt
- Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff
- Aktivierungsenergie
- Exotherme Reaktion
- Elektronisches Verhalten
- Produkte
Wasserstoff ist ein hochreaktiver Kraftstoff. Seine Moleküle reagieren heftig mit Sauerstoff, wenn die vorhandenen molekularen Bindungen aufgebrochen werden und neue Bindungen zwischen den Sauerstoff- und Wasserstoffatomen entstehen. Da die Reaktionsprodukte ein niedrigeres Energieniveau als die Reaktanten haben, ist das Ergebnis eine explosive Energiefreisetzung und die Erzeugung von Wasser. Wasserstoff reagiert jedoch bei Raumtemperatur nicht mit Sauerstoff, sondern benötigt eine Energiequelle, um das Gemisch zu entzünden.
Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff
Die Wasserstoff- und Sauerstoffgase vermischen sich bei Raumtemperatur ohne chemische Reaktion. Dies liegt daran, dass die Geschwindigkeit der Moleküle nicht genügend kinetische Energie liefert, um die Reaktion bei Kollisionen zwischen den Reaktanten zu aktivieren. Es entsteht ein Gasgemisch, das heftig reagieren kann, wenn ausreichend Energie in das Gemisch eingeleitet wird.
Aktivierungsenergie
Die Einführung eines Funkens in das Gemisch führt zu hohen Temperaturen zwischen einigen Wasserstoff- und Sauerstoffmolekülen. Moleküle mit höheren Temperaturen bewegen sich schneller und kollidieren mit mehr Energie. Wenn die Kollisionsenergien eine minimale Aktivierungsenergie erreichen, die ausreicht, um die Bindungen zwischen den Reaktanten zu "brechen", findet die Reaktion statt. Da Wasserstoff eine geringe Aktivierungsenergie hat, wird nur ein kleiner Funke benötigt, um die Reaktion mit Sauerstoff zu initiieren.
Exotherme Reaktion
Wie alle Brennstoffe haben die Reaktanten, in diesem Fall Wasserstoff und Sauerstoff, ein höheres Energieniveau als die Reaktionsprodukte. Dies führt zur gemeinsamen Freisetzung von Energie aus der Reaktion, und dies ist als exotherme Reaktion bekannt. Nachdem eine bestimmte Menge an Wasserstoff- und Sauerstoffmolekülen reagiert hat, bewirkt die freigesetzte Energie, dass auch die umgebenden Moleküle reagieren und mehr Energie freisetzen. Das Ergebnis ist eine schnelle und explosive Reaktion, die schnell Energie in Form von Wärme, Licht und Schall freisetzt.
Elektronisches Verhalten
Auf submolekularer Ebene liegt der Grund für den Unterschied in den Energieniveaus zwischen Reagenzien und Produkten in der elektronischen Konfiguration. Wasserstoffatome haben jeweils ein Elektron. Sie verbinden sich zu Molekülen mit zwei Atomen, so dass sie zwei Elektronen (jeweils eines) teilen können. Dies liegt daran, dass sich das innerste elektronische Niveau in einem niedrigeren (und daher stabileren) Energiezustand befindet, wenn es von zwei Elektronen besetzt ist. Die Sauerstoffatome haben jeweils acht Elektronen. Sie verbinden sich zu Zwei-Atom-Molekülen, die sich vier Elektronen teilen, so dass ihre äußersten elektronischen Schichten vollständig von jeweils acht Elektronen besetzt sind. Eine viel stabilere Elektronenausrichtung tritt jedoch auf, wenn zwei Wasserstoffatome ein Elektron mit einem Sauerstoffatom teilen. Es wird nur eine geringe Energiemenge benötigt, um Elektronen aus ihrer Umlaufbahn zu entfernen, damit sie sich in der energetisch stabilsten Formation neu ausrichten und das neue Molekül H2O bilden können.
Produkte
Nach der elektronischen Neuausrichtung zwischen Wasserstoff und Sauerstoff zur Bildung eines neuen Moleküls ist das Produkt der Reaktion Wasser und Wärme. Die Wärme kann genutzt werden, um Arbeit zu erzeugen, beispielsweise um Wasserturbinen anzutreiben. Produkte werden aufgrund der exothermen Natur der Kettenreaktion schnell erzeugt. Wie bei allen chemischen Reaktionen ist dieser Prozess nicht leicht reversibel.