Que se passe-t-il quand l’hydrogène et l’oxygène se combinent ?

L’hydrogène est un combustible très réactif. Les molécules d’hydrogène réagissent violemment avec l’oxygène lorsque les liaisons moléculaires existantes se rompent et que de nouvelles liaisons se forment entre les atomes d’oxygène et d’hydrogène. Comme les produits de la réaction sont à un niveau d’énergie inférieur à celui des réactifs, il en résulte une libération explosive d’énergie et la production d’eau. Mais l’hydrogène ne réagit pas avec l’oxygène à température ambiante, une source d’énergie est nécessaire pour enflammer le mélange.

Mélange d’hydrogène et d’oxygène

L’hydrogène et l’oxygène gazeux se mélangent à température ambiante sans réaction chimique. En effet, la vitesse des molécules ne fournit pas assez d’énergie cinétique pour activer la réaction lors des collisions entre les réactifs. Un mélange de gaz se forme, avec le potentiel de réagir violemment si une énergie suffisante est introduite dans le mélange.

Energie d’activation

L’introduction d’une étincelle dans le mélange entraîne une augmentation de la température de certaines molécules d’hydrogène et d’oxygène. Les molécules à des températures plus élevées voyagent plus rapidement et entrent en collision avec plus d’énergie. Si les énergies de collision atteignent une énergie d’activation minimale suffisante pour « briser » les liaisons entre les réactifs, une réaction entre l’hydrogène et l’oxygène s’ensuit. Comme l’hydrogène a une faible énergie d’activation, seule une petite étincelle est nécessaire pour déclencher une réaction avec l’oxygène.

Réaction exothermique

Comme tous les combustibles, les réactifs, en l’occurrence l’hydrogène et l’oxygène, sont à un niveau d’énergie plus élevé que les produits de la réaction. Il en résulte une libération nette d’énergie de la réaction, ce que l’on appelle une réaction exothermique. Après la réaction d’un ensemble de molécules d’hydrogène et d’oxygène, l’énergie libérée déclenche la réaction des molécules du mélange environnant, ce qui libère plus d’énergie. Il en résulte une réaction explosive et rapide qui libère rapidement de l’énergie sous forme de chaleur, de lumière et de son.

Comportement des électrons

Au niveau sous-moléculaire, la raison de la différence de niveaux d’énergie entre les réactifs et les produits réside dans les configurations électroniques. Les atomes d’hydrogène ont un électron chacun. Ils se combinent en molécules de deux de sorte qu’ils peuvent partager deux électrons (un chacun). C’est parce que la couche d’électrons la plus interne est à un état d’énergie plus faible (et donc plus stable) lorsqu’elle est occupée par deux électrons. Les atomes d’oxygène ont huit électrons chacun. Ils se combinent en molécules de deux en se partageant quatre électrons, de sorte que leurs couches d’électrons les plus extérieures sont entièrement occupées par huit électrons chacun. Cependant, l’alignement des électrons est beaucoup plus stable lorsque deux atomes d’hydrogène partagent un électron avec un atome d’oxygène. Seule une petite quantité d’énergie est nécessaire pour « faire sortir » les électrons des réactifs de leur orbite afin qu’ils puissent se réaligner dans un alignement plus stable sur le plan énergétique, formant une nouvelle molécule, H2O.

Produits

Après le réalignement électronique entre l’hydrogène et l’oxygène pour créer une nouvelle molécule, le produit de la réaction est l’eau et la chaleur. La chaleur peut être exploitée pour faire du travail, comme entraîner des turbines en chauffant de l’eau. Les produits sont fabriqués rapidement en raison de la nature exothermique et de la réaction en chaîne de cette réaction chimique. Comme toutes les réactions chimiques, la réaction n’est pas facilement réversible.