水素と酸素から水を作るのは、水素ガスと酸素ガスを混合し、火花または熱を加えるのと同じくらい簡単です。化学反応の平衡方程式は次のとおりです。
2 H2 + O2 → 2 H2 O
元素から水を作る合成反応です。これも燃焼反応です。水素を燃やして水を作ると、鮮やかな赤い炎と大きな音がします。
水素と酸素が水を作る仕組み
水素と酸素を混ぜただけでは水にはなりません。水素と酸素はどちらも二原子ガスとして存在します。それらの間の反応は、原子間の結合を壊して新しい生成物を形成できるようにするためのエネルギーを必要とします.結合が切れると、各水素原子は +1 の正電荷を持ち、各酸素原子は -2 の負電荷を持ちます。 1 つの酸素原子に 2 つの水素原子が結合すると、電気的に中性の水が生成されます。電気スパークは、熱と同様に反応を開始するために機能します。しかし、反応が始まると非常に発熱し、完了します。
水を作る簡単なデモンストレーション
水素と酸素から水を作るデモは簡単です。重要なのは、反応の規模を小さく保つことです。そうしないと、熱が過剰に生成されます。
1つの方法は、石鹸水に水素を泡立てて、水素シャボン玉を形成することです.これらの泡は空気よりも軽いため浮きます。ハンドルの長いライターまたはメータースティックに取り付けられたバーニングスプリントを使用して、泡に火をつけます。圧縮ガス容器から、または化学反応によって水素を取得します。
別の方法は、小さな風船に水素を充填し、メータースティックに取り付けられた燃える添え木で風船に触れることです。風船の中の水素は空気中の酸素と反応します。気球に水素と酸素の両方を充填して点火することができますが、安全シールドの後ろで聴覚保護具を使用する必要があります。
飲料水と燃料電池
2006 年の国連水開発報告書によると、約 5 人に 1 人が清潔な飲料水を利用できません。水がとても簡単に作れるのなら、それを真水の供給源として使用してみませんか?理由は 2 つあります。まず、大量の水素と酸素を結合させるのは危険です。ヒンデンブルグの事故はその結果の一例です。もう 1 つの理由は、経済的に実用的でなく、環境的にも健全ではないことです。水を作るために水素を生成するには、他のソースから水を得るよりも多くのエネルギーが必要です。
しかし、水素と酸素の間の反応は、燃料電池で実用化されています。燃料電池では、水素 (または別の燃料) が酸素 (または別の酸化剤) と反応し、電気と熱を生成します。燃料電池は、触媒を使用して反応の活性化エネルギーを下げるため、反応が開始しやすくなります。ニッケルは一般的な触媒ですが、水は最も一般的な「廃棄物」生成物です。水素燃料電池は、バックアップ発電、宇宙船や遠隔施設への電力供給、水素自動車で使用されます。
過酸化水素の代わりに水素と酸素が水を作る理由
水素と酸素から作られる一般的な化学物質は水だけではありません。なぜ水素と酸素が水を作るのか不思議に思うかもしれません (H2 過酸化水素 (H2) の代わりに O) O2 ）。最も単純な説明は、混合物に別の酸素を追加するよりも、2 つの水素原子が 1 つの酸素原子と反応する方がはるかに好ましいということです。酸素ガスはO2なのに 、原子間の結合は、酸素が水素との結合を形成して水を作るために壊れなければなりません.酸素の通常の酸化状態は -2 ですが、実際には他の状態を示すことに注意してください。水素と酸素が過酸化水素を形成することもありますが、分子は本質的に不安定であり、最終的に水と酸素に分解します.
ラヴォアジエが水を作る
科学者たちは、化学反応の分子基盤を理解するずっと前から、酸素と水素が水を作ることを知っていました。フランスの化学者アントワーヌ・ラヴォアジエは、この反応の元素を水素と名付けました。水素の名前は、「水を形成する」を意味するギリシャ語に由来します。 Lavoisier は、燃焼において酸素が果たす役割を発見し、最終的に水素と酸素の反応を利用して、燃焼反応の質量保存を実証し、フロギストン理論を反証しました。
参考文献
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- Khurmi, R. S. (2014). 材料科学 . S. チャンド &カンパニー
- Schmidt-Rohr, K. (2015). 「燃焼が常に発熱性であり、O2 1 モルあたり約 418 kJ を生み出す理由 」。 J.化学。教育 . 92:2094–2099. doi:10.1021/acs.jchemed.5b00333
