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수소는 반응성이 높은 연료입니다. 기존 분자 결합이 끊어지고 산소와 수소 원자 사이에 새로운 결합이 형성 될 때 분자는 산소와 격렬하게 반응합니다. 반응 생성물이 반응물보다 에너지 수준이 낮기 때문에 결과적으로 에너지가 폭발적으로 방출되고 물이 생성됩니다. 그러나 수소는 실온에서 산소와 반응하지 않으므로 혼합물을 점화하려면 에너지 원이 필요합니다.
수소와 산소의 혼합물
수소와 산소 가스는 화학 반응없이 실온에서 혼합됩니다. 이는 분자의 속도가 반응물 간의 충돌 동안 반응을 활성화하기에 충분한 운동 에너지를 제공하지 않기 때문입니다. 충분한 에너지가 혼합물에 도입되면 격렬하게 반응 할 가능성이있는 가스 혼합물이 형성됩니다.
활성화 에너지
혼합물에 스파크를 도입하면 일부 수소와 산소 분자 사이에 고온이 발생합니다. 고온의 분자는 더 빨리 이동하고 더 많은 에너지와 충돌합니다. 충돌 에너지가 반응물 간의 결합을 "단절"하기에 충분한 최소 활성화 에너지에 도달하면 반응이 발생합니다. 수소는 활성화 에너지가 낮기 때문에 산소와 반응을 시작하는 데 작은 스파크 만 있으면됩니다.
발열 반응
모든 연료와 마찬가지로 반응물 (이 경우 수소 및 산소)은 반응 생성물보다 에너지 수준이 높습니다. 이것은 반응에서 에너지의 공동 방출을 초래하며, 이것은 발열 반응으로 알려져 있습니다. 일정량의 수소와 산소 분자가 반응 한 후 방출 된 에너지로 인해 주변 분자도 반응하여 더 많은 에너지를 방출합니다. 그 결과 빠르고 폭발적인 반응이 일어나 열, 빛, 소리의 형태로 에너지를 빠르게 방출합니다.
전자적 행동
분자 수준에서 시약과 제품 간의 에너지 수준이 다른 이유는 전자 구성에 있습니다. 수소 원자는 각각 하나의 전자를 가지고 있습니다. 그들은 두 개의 원자 분자로 결합하여 두 개의 전자 (각각에서 하나씩)를 나눌 수 있습니다. 이것은 가장 안쪽의 전자 레벨이 두 개의 전자가 차지할 때 더 낮은 (따라서 더 안정적인) 에너지 상태에 있기 때문입니다. 산소 원자는 각각 8 개의 전자를 가지고 있습니다. 그들은 4 개의 전자를 공유하는 2 개의 원자 분자로 결합하여 가장 바깥 쪽의 전자 층은 각각 8 개의 전자가 완전히 차지합니다. 그러나 두 개의 수소 원자가 산소 원자와 전자를 공유하면 훨씬 더 안정적인 전자 정렬이 발생합니다. 전자가 가장 에너지 적으로 안정된 형태로 다시 정렬되어 새로운 분자 인 H2O를 형성 할 수 있도록 전자를 궤도에서 빼내려면 소량의 에너지 만 필요합니다.
제품
새로운 분자를 생성하기 위해 수소와 산소 사이의 전자적 재정렬에 따라 반응의 생성물은 물과 열입니다. 열은 물 가열 터빈 구동과 같은 작업을 생산하는 데 활용할 수 있습니다. 연쇄 반응의 발열 특성으로 인해 제품이 빠르게 생성됩니다. 모든 화학 반응과 마찬가지로이 과정은 쉽게 되돌릴 수 없습니다.