تفاعل الاكسجين مع الهيدروجين

مخلوط الهيدروجين والإكسجين أو أوكسيهيدروجين (بالإنجليزية: Oxyhydrogen) هو مخلوط انفجاري من الهيدروجين والأكسجين بنسبة مئوية 2 :1 ، وهي نفس النسبة التي يتكون منها الماء..[1] يستخدم هذا المخلوط في القوس الهيدروجيني لإنتاج شعلات اللحام وتحضير المواد الشديدة المقاومة للحرارة ، وكان أول مخلوط يستخدم للحام. عمليا ، تستخدم نسبة من الهيدروجين والأكسجين 1:4 أو 1:5 لتفادي حدوث شعلة مؤكسدة. [2]
خواصه
ينفجر مخلوط الهيدروجين والأكسجين بالنسبة 1:2 عندما تصل درجة حرارته 570 درجة مئوية من ذاته عند الضغط الجوي العادي.[3] وأقل طاقة تلزم لاشعال المخلوط ولتكن شرارة صغيرة تبلغ 20 ميكروجول.[3] ويمكن حرق المخلوط إذا كانت نسبة الهيدروجين بين 4% و 95 % من حجم المخلوط عند درجة حرارة الغرفة. [3]

يتحول المخلوط إلى بخار الماء بالاشتعال وتنتج عن التفاعل حرارة (تفاعل ناشر للحرارة) ، تعمل على استمرار الاشتعال. وينتج عن تفاعل 1 مول من الهيدروجين 8و241 كيلو جول من الطاقة. ولا يعتمد مقدار الطاقة الناتجة على طريقة الاشتعال ولكن درجة حرارة الشعلة قد تختلف. [1]
تنتج أعلى درجة حرارة من التفاعل (نحو 2800 درجة مئوية) عند اشتعال مخلوط نقي بنسبة اتحاد العناصر ، وهي نحو 700 درجة مئوية أعلى من احتراق الهيدروجين في الهواء (بسبب وجود النتروجين في الهواء). .[4][5][6]

وعندما يخلط المخلوط بنسبة غير النسبة 1:2 أو عندما يخلط غاز خامل مثل النيتروجين فإن درجة حرارة المخلوط تكون أقل بسبب انتشار الحرارة الناتجة في كمية أكبر من المواد. .[1]
تحضيره

جهاز تحليل الماء.
ينتج مخلوط الهيدروجين والأكسجين بالتحليل الكهربائي للماء ، وفيه ينفصل غاز الأكسجين عن غاز الهيدروجين. كما يمكن تفكك الماء بالحرارة إلا أن ذلك يحتاج غلأى درجة حرارةعالية تصل إلى 2500 درجة مئوية.[7]
وينشأ انفصال الهيدروجين عن الأكسجين في الماء بواسطة تيار كهربائي. يغمس القطبان الكهربيان في الماء ويضاف إليه قليل من حمض يساعد على التوصيل ويفضل حمض الكبريتيك أو محلول قلوي. كما يمكن استخدام ملح الطعام ك كهرل ولكن بحسب شدة التيار ونوع القطبان يمكن أن ينفصل الكلور بدلا من الأكسجين.
التفاعل الانفجاري
يشتعل مخلوط الهيدروجين والأكسجين بالنسبة 1:2 في انفجار شديد لأنه تفاعل ناشر للحرارة exothermic ، وتصل سرعة الانفجار 2820 متر/ثانية. وهو عملية احتراق.
معادلة التفاعل:
\mathrm{2 \ H_2 + O_2 \longrightarrow 2 \ H_2O}

مجرد احداث شرارة في هذا المخلوط ينتج عنها تفاعلات تسلسلية تنتشر سريعا في كل حجم المخلوط المتاح ، تتفاعل فيه الهيدروجين والأكسجين وجزيئات هيدروكسيل OH-.

\mathrm{H_2 \ \xrightarrow {Energy} \ H{\cdot} + {\cdot}H \quad (Chain -beginn)}

\mathrm{H{\cdot} + O_2 \longrightarrow {\cdot}OH + O{\cdot}}

\mathrm{O{\cdot} + H_2 \longrightarrow {\cdot}OH + H{\cdot}}

\mathrm{{\cdot}OH + H_2 \longrightarrow H_2O + H{\cdot}}

وينتج عن تفاعل الهيدروجين والأكسجين الماء.
يكون إنتاج 1 مول من الماء مصحوبا بحرارة صادرة قدرها 571,6 كيلوجول/مول (ΔrH0 = −571,6 kJ/mol).[8]
ويتغير الإنثالبي H لواحد مول من الماء الناتج بمقدار −286 كيلوجول/مول.
كما يؤدي التفاعل إلى تفاعل جانبي ينتج فوق أكسيد الهيدروجين:
\mathrm{H_2 + O_2 \longrightarrow H_2O_2}

\mathrm{O_2 + 4 \ e^- + 4 \ H^+ \longrightarrow 2 \ H_2O}

ويحدث تفاعل الهيدروجين والأكسجين أيضا في خلية الوقود. وطبقا لتصميم تلك الخلايا تُستغل الطاقة الحرة من التفاعل (وهي فرق الإنثالبي للمواد الداخلة في التفاعل والماء الناتج) ، وهي هنا بصفة أدق طاقة جيبس الحرة ΔG لإنتاج التيار الكهربي ويضيع جزء منها كحرارة. ويسري التفاعل في الخلية الوقود بطيئا ومُتحكم فيه.


اعداد الطالبة: اميرة هزازي