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为什么氢变水容易,水变氢却这么难?

发布时间:2019-10-06 来源:化学科讯 阅读:54

"喝饱水就跑"的汽车在河南南阳下线被传为笑谈,其最大的bug 在于无视水变氢的化学反应需要大量能量。行业专家纷纷表示,在没有额外能量注入的情况下,水不会自己分解为氧气和氢气,否则就是违背了能量守恒定律。

有这么聪明的发明,却想不到先装船上?(图片来源于网络)

我们都知道,氧气和氢气只需一点火星就会发生剧烈的化学反应引发爆炸,反应过程中生成水,同时释放出能量。下面这个图展示了1亿倍显微镜下氢原子和氧原子反应生成水的过程。


1亿倍显微镜下氢原子和氧原子反应生成水的过程


根据能量守恒定律,把水裂解成氢气和氧气需要从外部注入大量能量,因此非常之难。你有没有想过,产生这种区别的原因是什么?一个化学反应是吸收能量还是释放能量,是由什么决定的呢?

化学反应的实质是旧化学键的断裂和新化学键的生成,从而生成新的物质(化学键是指离子或原子相结合的作用力)。我们以氢分子的形成为例,从能量的角度来分析一下。

我们都知道,原子由原子核(质子和中子)以及绕核运动的电子组成。两个氢原子相互靠近、形成氢分子的过程较为复杂。在忽略量子效应的简化模型中,质子、电子之间的电磁力让两个原子互相吸引,但它们靠近到一定程度时,另一种力又会让原子相互排斥。因此,氢原子在某个"不近也不远"的特定距离时,整体势能最低,也最稳定。

两个氢原子在某个特定距离时势能最低,也最稳定,会形成氢分子。(图片来源:vision-learning.com)


我们可以把上图想象成体现重力势能的斜坡——下图中的小球一开始会左右滚动并损失能量,但最终会稳定在势能最低处。

小球最终会稳定在图中的最低点,也就是势能最低处。(图片来源:wired.com)


如果要让处于"势能谷底"的小球重新动起来,也就是让两个氢原子之间的化学键断裂,显然需要来自外界的额外能量推动。

总结一下:

打破旧的化学键好比让小球提升,需要额外的能量。在氢变水的反应中,只是一个小火星就足够;在水变氢的过程中,则需要多得多的能量。

新化学键形成好比小球滚下,会释放能量,例如氢气和氧气结合发生爆炸。

化学反应中能量守恒的实质是如果生成新化学键所释放的能量大于旧化学键断裂吸收的能量,则反应中会放热,反之则吸热。

如果E1<E2,则反应需要吸收能量,如水分解成氢气和氧气;换句话说,氢气与氧气形成水时,释放的能量,正是来源于"氢-氢""氧-氧"键和水分子中"氢-氧"键之间的能量落差。反之,水分解成氢气与氧气时也需要从外界补充相当的能量落差。

图片来源:wired.com


这说明,水比氢气稳定得多。也正因生成水分子容易,裂解水分子难,地球表面的71%被水这种稳定的物质覆盖着。

其实,裂解水分子的已知方法有多种,植物的光合作用是其中之一。这个过程没有生成氢气,大部分阳光的能量被储存在碳水化合物中。

电裂解水是另一种常被提到的方案。早在1833年,法拉第就提出了第一/第二电解定律。如今,就连普通人也能在家里进行简单的电裂解水实验。但在目前的技术条件下,这种方法的能量转化效率非常低,消耗4度电电解产生的氢能,功效和1度电差不多。所以,制氢的成本非常高昂。这也是氢能源汽车面临的最大难题。

比如这样(图片来源于网络)


如今在工业上,大量的氢气是由天然气经过"蒸汽重整"生成的。该过程也需要耗能,但因为大量的化学能来自天然气,因此成本比单纯裂解水的反应低。

图片来源于网络


根据这两天引起热议的青年汽车公司所描述,该公司的"水氢发动机"工作原理为"车顶安置一个蓄水箱,车内的特殊的转换设置可以将水转换成为氢气,再输入氢燃料反应堆,产生电能,然后驱动车载电机和引擎,使得汽车行驶。"

图片来源:华尔街见闻

然而,无论采用哪种已知(或未知)的"特殊转换技术"来实现"水-氢气"的转化,都不能绕开前面所说的能量落差问题——水不会自己"逆流成河",也不会自发变为氢气。

5月24日下午,金华青年汽车公司向澎湃新闻书面回应称:"车载水解制氢氢能源汽车不是光加水的,是反应物在我们研究的催化剂作用下,和水反应实时制氢,氢气经过氢燃料发动机产生电,经过电机驱动车辆,使车辆行使。"

至于是什么"反应物",该公司并没有透露。

大概是某种Very Good的材料(来源于网络)


有网友猜测,这种"反应物"应该是金属铝。

铝箔一般不与水反应,因为其表面有氧化保护层。但强碱(如氢氧化钠)可溶解其表层,于是铝得以与水不断反应生成氢气(图片来源于网络)

这个反应利用的是铝单质的强还原性,将氢单质置换出来。

该反应确实需要"加水"才能进行,但其能量来源于金属铝,而不是水分子。另外,水与铝的反应还会释放大量的热,造成能量的损失。

总而言之,如果真想以水为燃料,就需要找到比水分子更稳定、能量更低的氢、氧化合物——可惜这种物质是不存在的。

历史上,声称能从水中榨出能量(化学能),"以水为油"的例子并不少,但无一例外地,它们都以伪科学或商业欺诈的形象收场。


关键词:氢 水

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