熱點丨為什麼氫變水容易,水變氫卻這麼難?

2020-12-06 北京石景山發布

水制氫發動機引熱議，因為它無視水變氫的化學反應需要大量能量。為什麼氫氣爆炸生成水只需要一點火星，而水裂解成氫氣卻如此困難？

"喝飽水就跑"的汽車在河南南陽下線被傳為笑談，其最大的bug 在於無視水變氫的化學反應需要大量能量。行業專家紛紛表示，在沒有額外能量注入的情況下，水不會自己分解為氧氣和氫氣，否則就是違背了能量守恆定律。

△有這麼聰明的發明，卻想不到先裝船上？（圖片來源於網絡）

我們都知道，氧氣和氫氣只需一點火星就會發生劇烈的化學反應引發爆炸，反應過程中生成水，同時釋放出能量。根據能量守恆定律，把水裂解成氫氣和氧氣需要從外部注入大量能量，因此非常之難。你有沒有想過，產生這種區別的原因是什麼？一個化學反應是吸收能量還是釋放能量，是由什麼決定的呢？

△"興登堡"氫氣球災難

化學反應的實質是舊化學鍵的斷裂和新化學鍵的生成，從而生成新的物質（化學鍵是指離子或原子相結合的作用力）。

我們以氫分子的形成為例，從能量的角度來分析一下。

我們都知道，原子由原子核（質子和中子）以及繞核運動的電子組成。兩個氫原子相互靠近、形成氫分子的過程較為複雜。在忽略量子效應的簡化模型中，質子、電子之間的電磁力讓兩個原子互相吸引，但它們靠近到一定程度時，另一種力又會讓原子相互排斥。因此，氫原子在某個"不近也不遠"的特定距離時，整體勢能最低，也最穩定。

△兩個氫原子在某個特定距離時勢能最低，也最穩定，會形成氫分子。（圖片來源：vision-learning.com）

我們可以把上圖想像成體現重力勢能的斜坡——下圖中的小球一開始會左右滾動並損失能量，但最終會穩定在勢能最低處。

△小球最終會穩定在圖中的最低點，也就是勢能最低處。（圖片來源：wired.com）

如果要讓處於"勢能谷底"的小球重新動起來，也就是讓兩個氫原子之間的化學鍵斷裂，顯然需要來自外界的額外能量推動。

總結一下：

打破舊的化學鍵好比讓小球提升，需要額外的能量。在氫變水的反應中，只是一個小火星就足夠；在水變氫的過程中，則需要多得多的能量。

新化學鍵形成好比小球滾下，會釋放能量，例如氫氣和氧氣結合發生爆炸。

化學反應中能量守恆的實質是如果生成新化學鍵所釋放的能量大於舊化學鍵斷裂吸收的能量，則反應中會放熱，反之則吸熱。

如果E1＜E2，反應會釋放能量，如氫氣和氧氣生成水。如果E1＞E2，則反應需要吸收能量，如水分解成氫氣和氧氣；換句話說，氫氣與氧氣形成水時，釋放的能量，正是來源於"氫-氫""氧-氧"鍵和水分子中"氫-氧"鍵之間的能量落差。反之，水分解成氫氣與氧氣時也需要從外界補充相當的能量落差。

（原圖來自wired.com）

這說明，水比氫氣穩定得多。也正因生成水分子容易，裂解水分子難，地球表面的71%被水這種穩定的物質覆蓋著。

其實，裂解水分子的已知方法有多種，植物的光合作用是其中之一。這個過程沒有生成氫氣，大部分陽光的能量被儲存在碳水化合物中。

電裂解水是另一種常被提到的方案。早在1833年，法拉第就提出了第一/第二電解定律。如今，就連普通人也能在家裡進行簡單的電裂解水實驗。但在目前的技術條件下，這種方法的能量轉化效率非常低，消耗4度電電解產生的氫能，功效和1度電差不多。所以，制氫的成本非常高昂。這也是氫能源汽車面臨的最大難題。

△比如這樣（圖片來源於網絡）

如今在工業上，大量的氫氣是由天然氣經過"蒸汽重整"生成的。該過程也需要耗能，但因為大量的化學能來自天然氣，因此成本比單純裂解水的反應低。

（圖片來源於網絡）

根據這兩天引起熱議的青年汽車公司所描述，該公司的"水氫發動機"工作原理為"車頂安置一個蓄水箱，車內的特殊的轉換設置可以將水轉換成為氫氣，再輸入氫燃料反應堆，產生電能，然後驅動車載電機和引擎，使得汽車行駛。"

（圖片來源：華爾街見聞）

然而，無論採用哪種已知（或未知）的"特殊轉換技術"來實現"水-氫氣"的轉化，都不能繞開前面所說的能量落差問題——水不會自己"逆流成河"，也不會自發變為氫氣。

5月24日下午，金華青年汽車公司向澎湃新聞書面回應稱："車載水解制氫氫能源汽車不是光加水的，是反應物在我們研究的催化劑作用下，和水反應實時制氫，氫氣經過氫燃料發動機產生電，經過電機驅動車輛，使車輛行使。"

至於是什麼"反應物"，該公司並沒有透露。

△大概是某種Very Good的材料（來源於網絡）

有網友猜測，這種"反應物"應該是金屬鋁。

△鋁箔一般不與水反應，因為其表面有氧化保護層。但強鹼（如氫氧化鈉）可溶解其表層，於是鋁得以與水不斷反應生成氫氣（圖片來源於網絡）

這個反應利用的是鋁單質的強還原性，將氫單質置換出來。

該反應確實需要"加水"才能進行，但其能量來源於金屬鋁，而不是水分子。另外，水與鋁的反應還會釋放大量的熱，造成能量的損失。

總而言之，如果真想以水為燃料，就需要找到比水分子更穩定、能量更低的氫、氧化合物——可惜這種物質是不存在的。

歷史上，聲稱能從水中榨出能量（化學能），"以水為油"的例子並不少，但無一例外地，它們都以偽科學或商業欺詐的形象收場。

△維基百科中對於"喝水汽車"的總結

順便說一句，上面這些知識都是高中化學的內容。

參考來源：

https://www.wired.com/2015/12/we-need-to-talk-about-the-energy-in-chemical-bonds/

http://www.sohu.com/a/316177609_260616

文/北京科技報記者 丁林

出品：科普中央廚房

監製：北京科技報 | 科學加客戶端

本期編輯：廖邁倫

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