Inhoud
Waterstof is een zeer reactieve brandstof. De moleculen reageren heftig met zuurstof wanneer de bestaande moleculaire bindingen worden verbroken en nieuwe bindingen worden gevormd tussen de zuurstof- en waterstofatomen. Omdat de reactieproducten een lager energieniveau hebben dan de reactanten, is het resultaat een explosieve afgifte van energie en de productie van water. Maar waterstof reageert niet met zuurstof bij kamertemperatuur, er is een energiebron nodig om het mengsel te ontsteken.
Mengsel van waterstof en zuurstof
De waterstof- en zuurstofgassen mengen zich bij kamertemperatuur zonder chemische reactie. Dit komt omdat de snelheid van de moleculen niet genoeg kinetische energie levert om de reactie te activeren tijdens botsingen tussen de reactanten. Er wordt een gasmengsel gevormd dat heftig kan reageren als er voldoende energie in het mengsel wordt gebracht.
Activeringsenergie
De introductie van een vonk in het mengsel resulteert in hoge temperaturen tussen sommige waterstof- en zuurstofmoleculen. Moleculen bij hogere temperaturen reizen sneller en komen in botsing met meer energie. Als de botsingsenergie een minimale activeringsenergie bereikt die voldoende is om de bindingen tussen de reactanten te "verbreken", vindt de reactie plaats. Omdat waterstof een lage activeringsenergie heeft, is er slechts een kleine vonk nodig om de reactie met zuurstof op gang te brengen.
Exotherme reactie
Zoals alle brandstoffen hebben de reactanten, in dit geval waterstof en zuurstof, een hoger energieniveau dan de producten van de reactie. Dit resulteert in de gezamenlijke afgifte van energie uit de reactie, en dit staat bekend als een exotherme reactie. Nadat een bepaalde hoeveelheid waterstof- en zuurstofmoleculen hebben gereageerd, zorgt de vrijgekomen energie ervoor dat de omringende moleculen ook reageren, waardoor er meer energie vrijkomt. Het resultaat is een snelle en explosieve reactie, waarbij snel energie vrijkomt in de vorm van warmte, licht en geluid.
Elektronisch gedrag
Op submoleculair niveau ligt de reden voor het verschil in energieniveaus tussen reagentia en producten in de elektronische configuratie. Waterstofatomen hebben elk één elektron. Ze combineren tot moleculen van twee atomen, zodat ze twee elektronen kunnen delen (één van elk). Dit komt doordat het binnenste elektronische niveau zich in een lagere (en dus stabielere) energietoestand bevindt wanneer het wordt ingenomen door twee elektronen. De zuurstofatomen hebben elk acht elektronen. Ze combineren zich tot twee-atoommoleculen die vier elektronen delen, zodat hun buitenste elektronische lagen elk volledig worden ingenomen door acht elektronen. Er vindt echter een veel stabielere elektronenuitlijning plaats wanneer twee waterstofatomen een elektron delen met een zuurstofatoom. Er is slechts een kleine hoeveelheid energie nodig om elektronen uit hun baan te halen, zodat ze zichzelf opnieuw kunnen richten in de meest energetisch stabiele formatie, waarbij ze het nieuwe molecuul H2O vormen.
Producten
Na de elektronische herschikking tussen waterstof en zuurstof om een nieuw molecuul te creëren, is het product van de reactie water en warmte. De warmte kan worden aangewend om werk te produceren, zoals het aandrijven van waterverwarmingsturbines. Producten worden snel gegenereerd door de exotherme aard van de kettingreactie. Zoals bij alle chemische reacties, is dit proces niet gemakkelijk omkeerbaar.