水素は反応性の高い燃料です。水素分子は、既存の分子結合が壊れ、酸素原子と水素原子の間に新しい結合が形成されると、酸素と激しく反応します。反応の生成物は反応物よりも低いエネルギーレベルにあるため、結果としてエネルギーが爆発的に放出され、水が生成されます。しかし、水素は室温では酸素と反応せず、混合物に点火するにはエネルギー源が必要です.
TL;DR (長すぎる; 読んでいない)
水素と酸素が結合して水が生成され、その過程で大量の熱が放出されます。
水素と酸素の混合
水素ガスと酸素ガスは室温で化学反応なしで混合します。これは、分子の速度が、反応物間の衝突中に反応を活性化するのに十分な運動エネルギーを提供しないためです。ガスの混合物が形成され、混合物に十分なエネルギーが導入されると激しく反応する可能性があります。
活性化エネルギー
混合物にスパークを導入すると、水素分子と酸素分子の一部の温度が上昇します。高温の分子はより速く移動し、より多くのエネルギーで衝突します。衝突エネルギーが、反応物間の結合を「破壊」するのに十分な最小活性化エネルギーに達すると、水素と酸素の間の反応が続きます。水素は活性化エネルギーが低いため、酸素との反応を引き起こすのに必要なのは小さな火花だけです。
発熱反応
すべての燃料と同様に、反応物 (この場合は水素と酸素) は、反応生成物よりも高いエネルギー レベルにあります。これは、反応からのエネルギーの正味の放出をもたらし、これは発熱反応として知られています。水素分子と酸素分子の 1 つのセットが反応した後、放出されたエネルギーが周囲の混合物内の分子の反応を引き起こし、より多くのエネルギーを放出します。その結果、熱、光、音の形でエネルギーを素早く放出する、爆発的で急速な反応が起こります。
電子の挙動
サブ分子レベルでは、反応物と生成物のエネルギー レベルの違いの理由は、電子配置にあります。水素原子はそれぞれ 1 つの電子を持っています。それらは結合して 2 つの分子になり、2 つの電子 (それぞれ 1 つ) を共有できます。これは、最も内側の電子殻が 2 つの電子で占められている場合、より低いエネルギー状態にある (したがってより安定している) ためです。酸素原子はそれぞれ8個の電子を持っています。最も外側の電子殻がそれぞれ 8 つの電子で完全に占有されるように、それらは 4 つの電子を共有することによって 2 つの分子で結合します。ただし、2 つの水素原子が 1 つの酸素原子と電子を共有すると、はるかに安定した電子の配列が生じます。反応物の電子をその軌道から「押し出す」のに必要なエネルギーはわずかであり、よりエネルギー的に安定した配列に再配列して、新しい分子 H2O を形成することができます。
製品
新しい分子を作成するために水素と酸素の間の電子的再配列に続いて、反応の生成物は水と熱です。熱は、水を加熱してタービンを駆動するなどの作業に利用できます。製品は、この化学反応の発熱、連鎖反応の性質により、迅速に生成されます。すべての化学反応と同様に、この反応は簡単には元に戻せません。
