Hiđrô là nhiên liệu hay ôxy là nhiên liệu trong phản ứng kết hợp giữa ôxy và hiđrô?
Từ khi nhân loại nhận biết được vai trò của ôxy trong các phản ứng toả nhiệt thì các chất tác dụng với ôxy để sinh nhiệt đều được coi là nhiên liệu, trong đó hyđrô được coi là nhiên liệu sạch, ôxy không phải là nhiên liệu mà nó được coi là tác nhân để nhiên liệu sinh nhiệt . Nếu quan niệm rằng chất sinh nhiệt là nhiên liệu thì trong phản ứng giữa hiđrô với ôxy thì ôxy mới là nhiên liệu. Dưới đây là lý giải cho điều đó.
Chúng ta biết rằng trong phản ứng kết hợp giữa ôxy và hyđrô, hai phân tử hyđrô tác dụng với một phân tử ôxy tạo nên hai phân tử nước. Hyđrô và ôxy đều là chất khí trong nhiệt độ thường. Tỷ trọng của ôxy xấp xỷ bằng tỷ trọng của không khí còn của hyđrô là thấp hơn. Lấy lượng hyđrô và ôxy sao cho chúng có thể kết hợp hết với nhau để bơm vào hai quả bóng cao su. Buộc hai quả bóng này lại với nhau và thả vào không khí. Do tỷ trọng thấp nên quả bóng hyđrô sẽ kéo quả bóng ôxy bay lên. Chúng ta cho hai lượng chất này tác dụng với nhau và kết quả thu được là nhiệt lượng và nước. Hyđrô và ôxy bị mất đi một khối lượng vật chất của chúng dưới dạng nhiệt năng toả ra. Nếu chỉ đơn thuần là suy giảm khối lượng thì tỷ trọng bình quân của chúng cũng giảm theo và do đó hợp chất do chúng tạo ra nhẹ hơn so với không khí. Điều này có nghĩa là hợp chất mới này sẽ nổi lên trên chứ không phải chìm xuống dưới lớp khí quyển như thực tế. Nước ở thể lỏng có tỷ trọng lớn hơn không khí nên nẳm ở đáy tầng không khí. Như vậy hai chất khí có tỷ trọng trung bình thấp hơn không khí khi kết hợp với nhau toả ra nhiệt và tạo ra chất mới có tỷ trọng lớn hơn. Để tăng tỷ trọng thì khối lượng không đổi còn thể tích phải giảm xuống. Trong phản ứng chúng ta đang xét trên đây thể tích của lượng nước thu được sau phản ứng nhỏ hơn tổng thể tích của hai lượng ôxy và hyđrô. Sự giảm tổng thể tích của hiđrô và ôxy trong phản ứng chỉ có thể giải thích là do sự giảm thể tích của các hiđrô và ôxy. Vậy nguyên nhân nào tạo nên sự giảm thể tích đó và nguyên tử nào trong hai thực hiện sự giảm thể tích?
Phân tử hi đrô chuyển hai electron của nó cho nguyên tử ôxy để trở thành hai ion+. Do chỉ còn nên chúng liên kết với ion- do nguyên tử ôxy nhận thêm electron tạo nên. Sự liên kết này được thực hiện trên bề mặt của ion-. Quá trình này có tạo nên sự giảm thể tích không? Câu trả lời là không bởi sự sáp nhập của nguyên tử hyđrô với nguyên tử làm tăng thể tích của nguyên tử mới. Phân tử hyđrô không thể tạo nên sự suy giảm bởi nó đã chuyển yếu tố tạo nên thể tích của nó cho nguyên tử ôxy. Như vậy yếu tố đóng vai trò giảm thể tích là ion- của ôxy. Để làm giảm thể tích và phát sinh nhiệt phải có một tác động nào đó từ bên ngoài hay có một sự biến đổi bên trong nào đó. Chúng ta biết rằng không khí bị nén sẽ toả nhiệt. Có nghĩa là khi có lực ép từ bên ngoài lên một khối không khí sẽ làm cho khối không khí đó giảm thể tích và phát sinh nhiệt năng. Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng nén khí. Nhưng hiệu ứng này có thể hiện và thể hiện như thế nào trong phản ứng kết hợp giữa hiđrô với ôxy khi không có lực ép từ bên ngoài? Nguyên tử ôxy có sáu electron ở lớp ngoài cùng. Nó còn thiếu hai electron để tạo nên lớp vỏ bền vững. Nhưng chỉ nhận thêm hai electron là đẫ đủ điều kiện để lớp vỏ đó bền vững hay chưa? Câu trả lời là chưa bởi trong thực tế có nhiều hợp chất hoá học được kết hợp từ các đơn chất để đảm bảo điều kiện có đủ tám electron ở lớp vỏ ngoài nhưng độ bền hoá không cao như một số ôxít kim loại. Điều kiện thứ hai ở đây là các electron phải liên kết liên hoàn với nhau. Điều kiện để thực hiện liên kết liên hoàn đó là mỗi electron phải liên kết với ít nhất ba electron khác. Đây là sự liên kết không mang tính hoá trị (liên kết đôi). Liên kết liên hoàn được thoả mãn khi các electron nằm ở tám đỉnh của một khối lập phương và lực liên kết giữa các electron là lực điện từ. Lực điện từ trong các eletron bao gồm hai thành phần: lực điện và lực từ. Lực điện có hướng song song với nhau có gốc xuất phát từ các electron trên cùng một mặt phẳng và ngọn ở các eletrron nằm trên mặt đối diện của các khối lập phương. Còn lực từ tạo nên một vòng khép kín chứa các eletron trong cùng mặt phẳng vuông góc với lực điện. Các lực này liên kết các electron thành một lớp vỏ kín. Đây là một yếu tố quan trọng làm cho lớp vỏ của nguyên tử ôxy co lại khi nhận thêm hai eletron và hình thành nên liên kết liên hoàn. Dưới tác dụng của lực điện từ, các electron của lớp vỏ bị hút lại gần nhau làm lớp vỏ electron ngoài cùng co lại. Sự co lại của lớp vỏ đã tạo nên lực ép lên các electron lớp trong, buộc các electron này phải di chuyển vào sâu hơn gần hạt nhân nguyên tử. Để cân bằng năng lượng tại vị trí mới, các electron phải giải phóng bớt năng lượng và do đó nhiệt năng toả ra theo hiệu ứng nén khí. Các electron này là thành phần của nguyên tử ôxy. Như vậy các nguyên tử ôxy là nguồn phát sinh nhiệt trong phản ứng kết hợp với hyđrô. Nói cách khác, chính ôxy là nhiên liệu trong phản ứng với hyđrô. Quan niệm hyđrô là nhiên liệu còn đúng không thưa quý vị độc giả?
Đến đây, một câu hỏi thú vị sẽ được đặt ra là trên đây đã chứng minh ôxy là nhiên liệu trong phản ứng với hyđrô, vậy trong trường hợp ôxy kết hợp với Các bon thì ôxy có là nhiên liệu hay không khi đó cũng là phản ứng kết hợp có toả nhiệt, nguyên tử ôxy cũng nhận thêm hai electron cho lớp vỏ ngoài của nó?
Chúng ta lưu ý rằng trong điều kiện thường, ôxy là chất khí, còn Các bon là chất rắn. Sự kết hợp giữa một chất rắn với một chất khí tạo nên một chất khí mới có tỷ trọng cao hơn tỷ trọng của không khí nhưng nhỏ hơn tỷ trọng bình quân của hai lượng chất ban đầu. Sự thay đổi tỷ trọng này có nguyên nhân từ sự tăng thể tích của các nguyên tử Các bon trong phản ứng. Có thể có sự thay đổi thể tích của các nguyên tử ôxy nhưng không có ảnh hưởng nhiều đến thể tích của chất mới bởi chất mới được tạo ra cũng là chất khí. Do không xuất hiện hiệu ứng nén khí ở nguyên tử ôxy cho nên ôxy không toả nhiệt. Nhiệt lượng toả ra trong phản ứng là của Các bon. Như vậy Các bon là nhiên liệu. Chúng ta có công thức trong trường hợp này là rắn + khí = khí khác với trường hợp trên là khí + khí = lỏng
Có một sự giải thích cho việc trong trường hợp nhận thêm hai electron của hiđrô thì nguyên tử ôxy có hiệu ứng nén khí còn với hai electron của Các bon là không. Nguyên nhân là mức năng lượng của hai cặp electron đó là khác nhau, do đó mối liên kết liên hoàn thực hiện được hoàn hảo với cặp electron của hiđrô, còn không hoặc khó thực hiện với cặp electron của Các bon (và các electron của các chất khác). Các electron của nguyên tử hiđrô có năng lượng tương đương với các electron lớp ngoài cùng của nguyên tử ôxy cho nên đã dễ dàng tạo nên mối liên kết liên hoàn, còn của Các bon không tạo được mối liên kết liên hoàn (chí có liên kết hoá trị). Vì vậy nguyên tử ôxy mất năng lượng trong phản ứng với hiđrô còn là không trong phản ứng với Các bon. Mô hình các electron lớp ngoài cùng tạo thành khối lập phương là mô hình không gian của các nguyên tử khí trơ. Mô hình này không phủ định mô hình phẳng của nguyên tử vẫn được dùng hiện nay mà chỉ là sự phát triển thêm. Mô hình không gian thể hiện thêm được mối liên kết liên hoàn mà trong mô hình phẳng không thể hiện được và nó có thể giúp giải thích sự hình thành các hình dạng của nguyên tử hay phân tử. Mô hình này đã được tác giả bài viết trình bày trong lý thuyết về mối quan hệ đặc biệt giữa vật chất và năng lượng trong báo cá có tựa đề “Điều gì sau những giấc mơ” mà tác giả đã gửi Bộ Khoa học và Công nghệ Việt nam năm 2005.
Xem thêm bài “Ý nghĩa triết học của mối quan hệ đặc biệt giữa vật chất và năng lượng”.
