Dlaczego woda się nie pali?

Od zarania dziejów woda jest przed­sta­wia­na w kul­tu­rze jako żywioł sta­no­wią­cy prze­ci­wień­stwo ognia. Jak się zasta­no­wić, jest w tym pewna prze­wrot­ność. Mamy do czy­nie­nia ze związ­kiem atomów wodoru i tlenu, a prze­cież pierw­szy z tych pier­wiast­ków pozo­sta­je sza­le­nie łatwo­pal­ny (o czym bole­śnie prze­ko­na­li się pasa­że­ro­wie Hin­den­bur­ga w 1937), zaś drugi podsyca i w ogóle umoż­li­wia proces spalania.

Czy wspólnie nie powinny tworzyć substancji wybuchowej?

Tworzą. Wodór i tlen to napraw­dę groźne połą­cze­nie, w odpo­wied­nich pro­por­cjach two­rzą­ce tzw. mie­sza­ni­nę pio­ru­nu­ją­cą. To bardzo nie­bez­piecz­na i wysoce wybu­cho­wa sub­stan­cja, która niegdyś znaj­do­wa­ła zasto­so­wa­nie choćby w spa­wal­nic­twie. Żeby ją otrzy­mać i dopro­wa­dzić do efek­tow­nej eks­plo­zji potrze­bu­je­my tylko trzech rzeczy: tlenu w formie czą­stecz­ko­wej (O₂ jak ten, którym oddy­cha­my), dwa razy więcej wodoru (również w formie czą­stecz­ko­wej H₂) oraz iskry dla zapłonu. W rezul­ta­cie otrzy­ma­my solidne bum oraz parę wodną.

Mamy nadzie­ję, że rozu­miesz już do czego zmie­rza­my. Jeśli nie, to pod­kreśl­my, że wybuch to po prostu wyjąt­ko­wo gwał­tow­na reakcja spa­la­nia. Z kolei samo spa­la­nie to nic innego aniżeli przy­śpie­szo­ne utle­nia­nie, czyli połą­cze­nie paliwa (tu wodoru) z utle­nia­czem (tzn. z tlenem).

To znaczy, że woda może powstać w ramach spalania?

Dokład­nie tak. I patrząc na problem od tej strony, można pokusić się o stwier­dze­nie, że woda nie chce się utlenić, ponie­waż sama już stanowi produkt utle­nia­nia wodoru. Próba spa­le­nia wody jest więc w pewien sposób podobna do próby ponow­ne­go pod­pa­le­nia popiołu z kominka.

Ale jednak cząsteczka wody nadal ma w sobie wodór i tlen…

Jeżeli nie jest to jeszcze jasne, to pod­kreśl­my, że woda nie jest mie­sza­ni­ną (jak mie­sza­ni­na pio­ru­nu­ją­ca), lecz związ­kiem che­micz­nym. To olbrzy­mia różnica. Atomy wodoru i tlenu są połą­czo­ne w mole­ku­ły, które wyka­zu­ją zupeł­nie nowe wła­ści­wo­ści, zupeł­nie nie­za­leż­nie od budu­ją­cych je pierwiastków.

Samo­dziel­ny wodór rze­czy­wi­ście jest bardzo aktywny, a jego budowa sprzyja utle­nia­niu. Z lekcji chemii możecie pamię­tać, że ujemnie nała­do­wa­ne elek­tro­ny pozo­sta­ją roz­miesz­czo­ne wokół jądra ato­mo­we­go na powło­kach dys­po­nu­ją­cych okre­ślo­ny­mi limi­ta­mi miejsc. Atom “czuje się” naj­le­piej, kiedy każda z powłok wypeł­nio­na jest do ostat­nie­go miejsca – co zwięk­sza jego sta­bil­ność i studzi chęć do wcho­dze­nia w reakcje che­micz­ne. Wodór to naj­prost­szy ist­nie­ją­cy atom złożony tylko z jednego protonu i towa­rzy­szą­ce­go mu poje­dyn­cze­go elek­tro­nu. Nie zapew­nia mu to pełnego stanu rów­no­wa­gi, ponie­waż naj­bliż­sza powłoka posiada jeszcze jedno wolne krzesło, co ułatwia kon­tak­ty z innymi pier­wiast­ka­mi (lub innymi atomami wodoru, dlatego wystę­pu­je on zwykle w formie czą­stecz­ko­wej). Tlen zmaga się z podob­nym utra­pie­niem. Jego atom posiada osiem elek­tro­nów na dwóch powło­kach, mając do dys­po­zy­cji jeszcze dwa wolne miejsca. 

Pier­wiast­ki pozo­sta­ją mocno zde­spe­ro­wa­ne, żeby wypeł­nić swoje ubytki i z ochotą przy­stę­pu­ją na wspólny układ. W efekcie tlen łata dwie dziury w swojej powłoce elek­tro­na­mi dwóch atomów wodoru; nato­miast elek­tro­ny wodoru dostają zajęcie i prze­sta­ją zacze­piać inne atomy. Powsta­je H₂O, o ory­gi­nal­nych moż­li­wo­ściach, zupeł­nie różnych od samo­dziel­ne­go wodoru lub tlenu. Podob­nie sprawy mają się z chlor­kiem sodu. O ile wystę­pu­ją­cy solo chlor jest tok­sycz­ny, a sód łatwo­pal­ny, o tyle w formie związku che­micz­ne­go tworzą… sól kuchen­ną. Smacznego.

A dałoby się odwrócić ten proces i uzyskać z wody z powrotem wodór i tlen?

To jak naj­bar­dziej możliwe, ale kosz­tu­je. Skoro para wodna zostaje wytwo­rzo­na przy okazji reakcji egzo­ter­micz­nej (spa­la­nia czy wybuchu) – a więc z uwol­nie­niem ciepła – to odwró­ce­nie tego procesu będzie wyma­ga­ło wło­że­nia tej energii z powro­tem do układu. Możemy to osią­gnąć np. w pro­ce­sie elek­tro­li­zy, czyli roz­bi­cia czą­ste­czek wody z użyciem elektryczności.

A TAK W OGÓLE TO… Kiedy zauwa­ży­my gdzieś płomień w pierw­szym odruchu chcemy wylać na niego wodę. To słuszna reakcja i zwykle działa, ponie­waż woda w sku­tecz­ny sposób odbiera nadmiar energii. Jeżeli ogień okaże się zbyt słaby, żeby odpa­ro­wać wilgoć z danej powierzch­ni, prze­sta­nie się rozprzestrzeniać.