Читать книгу Fascynująca chemia - Sylvia Feil - Страница 21

Jeśli połączyć dwa litry gazowego wodoru z litrem gazowego tlenu w temperaturze pokojowej i przy normalnym ciśnieniu, powinniśmy w zasadzie otrzymać wodę. A przynajmniej w tych warunkach równowaga chemiczna między wodorem, tlenem i wodą znajduje się po stronie wody, co oznacza, że w stanie równowagi powinna pojawiać się woda bez pozostałości wodoru czy tlenu.

Lecz mimo tego nie dzieje się nic. Najwyraźniej brak tu równowagi, bo oba gazy nie podejmują żadnych działań, by połączyć się w wodę. Dlaczego tak jest?

Problem tkwi w tym, że cząsteczki wodoru i tlenu należy najpierw rozbić na pojedyncze atomy, zanim będą one mogły się połączyć w cząsteczki wody. A do tego po prostu nie wystarcza energia termiczna cząsteczek gazu w temperaturze pokojowej!

Eksplozja wypełnionego wodorem sterowca Zeppelin LZ 129 Hindenburg dnia 6 maja1937 roku w Lakehurst (New Jersey, USA). Prawdopodobnie w tylnej części niemieckiego sterowca powstała wybuchowa mieszanina wodoru z powietrzem, która zapaliła się od iskry elektrycznej

Dopiero od temperatury ok. 560°C wzwyż zaczyna się to zmieniać. W tej temperaturze, zwanej również temperaturą zapłonu, energia termiczna dostatecznej liczby cząsteczek gazu jest na tyle duża, że rozpadają się one podczas kolizji, co pozwala im wchodzić w reakcję i tworzyć wodę. Wyzwalana jest przy tym wystarczająca ilość energii tak, aby mogła zajść reakcja łańcuchowa. Praktycznie cały wodór łączy się wówczas z tlenem w wodę podczas przypominającej eksplozję reakcji zachodzącej podczas spalania mieszaniny piorunującej i praktycznie natychmiast pojawia się równowaga chemiczna. Nazwa tej reakcji pochodzi od charakterystycznego wybuchu czy też szczeknięcia słyszalnego podczas zapalania mieszaniny tlenowodorowej (inaczej: mieszaniny piorunującej) w otwartej kolbie laboratoryjnej.

Energię potrzebną do rozbicia cząsteczek gazu nazywa się energią aktywacji. Można wyobrazić ją sobie jako pewien próg energetyczny, jaki musi zostać pokonany przez cząsteczki gazu, aby można było wkroczyć do niżej położonej „doliny energetycznej” wody. Takie zjawisko jest typowe dla większości reakcji chemicznych. Istnieje jednak trick, za pomocą którego można zmniejszyć istniejący próg energetyczny – są to katalizatory! Katalizatorem, który bardzo dobrze nadaje się do reakcji między gazami, jest platyna. Mianowicie ów metal szlachetny związuje cząsteczki gazu ze swoją powierzchnią, osłabiając tym samym wiązania między atomami gazu i jednocześnie nie powodując reakcji chemicznych między gazami a metalem szlachetnym. Temperatura pokojowa jest więc wystarczająca, by zainicjować reakcję przemiany z wodoru i tlenu w wodę. Sama platyna się przy tym nie zużywa – służy tylko jako pośrednik przyspieszający reakcję. W trakcie tego procesu nie zmienia się położenie równowagi chemicznej – zachodzi ona jedynie znacznie szybciej.

Katalizatory zmniejszają konieczną energię aktywacji

Reakcja wodoru i tlenu na powierzchni platyny, w wyniku której powstaje woda

Jedną z pierwszych osób, które wykorzystały tę zasadę, był niemiecki chemik Johann Wolfgang Döbereiner. W 1823 roku skonstruował on tzw. „platynową zapalniczkę” (zwaną również „lampą Döbereinera”), w której wnętrzu z kwasu siarkowego i cynku powstawał wodór gazowy. Wodór ten mógł wydostać się na zewnątrz przez wentyl i wówczas był kierowany na bardzo rozdrobnioną platynę. Platyna inicjowała spalanie wodoru z tlenem z powietrza – poprzez działanie katalityczne, bez jakiejkolwiek iskry.

Platynowa zapalniczka Johanna Wolfganga Döbereinera