چگونه آب بسازیم: واکنش های شیمیایی و آزمایش های جذاب

آب نام عمومی دی هیدروژن مونوکسید یا H2O است. برای تولید آب، مولکول آن از واکنش های شیمیایی متعددی به وجود می آید، از جمله واکنش سنتز آن از عناصر خود، یعنی هیدروژن و اکسیژن. معادله شیمیایی متوازن برای این واکنش به صورت زیر است:

2 H2 + O2 → 2 H2O

چگونه آب بسازیم

در تئوری، ساخت آب از گاز هیدروژن و گاز اکسیژن کار آسانی است. کافی است دو گاز را با هم مخلوط کنید و با یک جرقه یا حرارتی که انرژی فعال سازی لازم برای آغاز واکنش را تامین کند، آب تولید شود. با این حال، فقط مخلوط کردن دو گاز در دمای اتاق، هیچ نتیجه ای نخواهد داشت؛ زیرا مولکول های هیدروژن و اکسیژن در هوا به طور خودبخود آب تشکیل نمی دهند.

برای شکستن پیوندهای کووالانسی که مولکول های H2 و O2 را به هم متصل می کند، باید انرژی تامین شود. کاتیون های هیدروژن و آنیون های اکسیژن سپس آزاد می شوند و با یکدیگر واکنش می دهند که به دلیل تفاوت های الکترونگاتیوی آن ها این کار ممکن می شود. هنگامی که پیوندهای شیمیایی دوباره برای ساخت آب تشکیل می شوند، انرژی اضافی آزاد می شود که واکنش را گسترش می دهد. این واکنش به شدت گرمازا است، به این معنا که با آزاد شدن حرارت همراه است.

چگونه آب بسازیم: دو نمایش

یکی از نمایش های رایج شیمی این است که یک بادکنک کوچک را با هیدروژن و اکسیژن پر کنید و از فاصله و پشت یک محافظ ایمنی، بادکنک را با یک چوب کبریت در حال سوختن لمس کنید. نوعی امن تر از این آزمایش این است که بادکنکی را با گاز هیدروژن پر کرده و آن را در هوا روشن کنید. اکسیژن محدود در هوا واکنش می دهد تا آب تولید کند، اما در یک واکنش کنترل شده تر.

یک نمایش ساده دیگر این است که هیدروژن را به آب صابونی حباب کنید تا حباب های گاز هیدروژن تشکیل شود. حباب ها به خاطر اینکه سبک تر از هوا هستند، معلق می شوند. می توانید از یک فندک با دسته بلند یا چوب کبریت در انتهای یک میله یک متری برای اشتعال آن ها استفاده کرده و آب تولید کنید. می توانید از هیدروژن موجود در یک مخزن گاز فشرده یا از هر یک از چندین واکنش شیمیایی (مثلاً واکنش اسید با فلز) استفاده کنید.

اما هر طور که واکنش را انجام می دهید، بهتر است از محافظ گوش استفاده کرده و فاصله ایمنی از واکنش را حفظ کنید. اگر تازه دارید می آموزید که چگونه آب بسازید، بهتر است از مقادیر کم شروع کنید تا بدانید چه انتظاری باید داشته باشید.

درک واکنش

شیمیدان فرانسوی آنتوان لوران لاوازیه هیدروژن را که به معنی «آب ساز» است، بر اساس واکنش آن با اکسیژن نامگذاری کرد، که عنصر دیگری است که لاوازیه آن را «اسیدساز» نامیده است. لاوازیه به واکنش های احتراق علاقه مند بود و دستگاهی برای تولید آب از هیدروژن و اکسیژن طراحی کرد تا واکنش را مشاهده کند. اساساً، تنظیمات او شامل دو قوطی زنگی بود - یکی برای هیدروژن و دیگری برای اکسیژن - که به یک ظرف جداگانه متصل می شدند. یک مکانیزم جرقه ای واکنش را آغاز کرده و آب تولید می کرد.

می توانید دستگاهی به همین شکل بسازید به شرط اینکه مراقب باشید که نرخ جریان اکسیژن و هیدروژن را کنترل کنید و سعی نکنید آب زیادی را به یکباره تولید کنید. همچنین باید از یک ظرف مقاوم به گرما و ضربه استفاده کنید.

نقش اکسیژن

در حالی که سایر دانشمندان در آن زمان با فرآیند تشکیل آب از هیدروژن و اکسیژن آشنا بودند، لاوازیه نقش اکسیژن در احتراق را کشف کرد. مطالعات او در نهایت نظریه فلوژیستون را که پیشنهاد می کرد یک عنصر شبیه به آتش به نام فلوژیستون از ماده در طول احتراق آزاد می شود، باطل اعلام کرد.

لاوازیه نشان داد که گازها باید دارای جرم باشند تا احتراق صورت گیرد و این جرم پس از واکنش حفظ می شود. واکنش هیدروژن و اکسیژن برای تولید آب یک واکنش اکسیداسیون عالی برای مطالعه بود زیرا تقریباً تمام جرم آب از اکسیژن ناشی می شود.

چرا نمی توانیم فقط آب بسازیم؟

گزارشی در سال 2006 توسط سازمان ملل نشان داد که 20 درصد از مردم سیاره به آب آشامیدنی سالم دسترسی ندارند. اگر پاکسازی آب یا شیرین سازی آب دریا این قدر دشوار است، شما ممکن است بپرسید چرا فقط آب را از عناصرش نمی سازیم. دلیل این است که در یک کلمه—انفجار!

واکنش هیدروژن و اکسیژن اساساً به معنای سوزاندن گاز هیدروژن است؛ به جای اینکه از مقدار محدود اکسیژن موجود در هوا استفاده کنیم، شما اکسیژن را به آتش می زنید. در خلال احتراق، اکسیژن به مولکولی اضافه می شود که آب را در این واکنش تولید می کند. احتراق همچنین مقدار زیادی انرژی آزاد می کند. حرارت و نور به سرعت تولید می شوند به طوری که یک موج شوک به سمت بیرون گسترش می یابد.

اساساً، شما یک انفجار دارید. هر قدر آب بیشتری را به طور همزمان تولید کنید، انفجار بزرگ تری خواهد بود. این روش برای پرتاب موشک ها کار می کند، اما شما ویدیوهایی را دیده اید که در آن ها نتایج به شدت بدی به وجود آمده است. انفجار هین دنبورگ مثال دیگری از چیزی است که زمانی اتفاق می افتد که مقدار زیادی هیدروژن و اکسیژن با هم ترکیب شوند.

بنابراین، می توانیم آب را از هیدروژن و اکسیژن بسازیم و شیمیدان ها و معلمان اغلب این کار را انجام می دهند—در مقادیر کم. استفاده از این روش در مقیاس بزرگ عملی نیست به خاطر خطرات و این که پاکسازی هیدروژن و اکسیژن برای تغذیه واکنش بسیار گران تر از روش های دیگر برای تولید آب، پاکسازی آب آلوده یا تراکم بخار آب از هوا است.