水制氫發(fā)動機(jī)引熱議，因?yàn)樗鼰o視水變氫的化學(xué)反應(yīng)需要大量能量。為什么氫氣爆炸生成水只需要一點(diǎn)火星，而水裂解成氫氣卻如此困難？
文/記者 丁林 新媒體編輯/陳炫之
'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 在于無視水變氫的化學(xué)反應(yīng)需要大量能量。行業(yè)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恒定律。
△有這么聰明的發(fā)明，卻想不到先裝船上？（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
我們都知道，氧氣和氫氣只需一點(diǎn)火星就會發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)引發(fā)爆炸，反應(yīng)過程中生成水，同時釋放出能量。根據(jù)能量守恒定律，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(chǎn)生這種區(qū)別的原因是什么？一個化學(xué)反應(yīng)是吸收能量還是釋放能量，是由什么決定的呢？
△'興登堡'氫氣球?yàn)?zāi)難
化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是舊化學(xué)鍵的斷裂和新化學(xué)鍵的生成，從而生成新的物質(zhì)（化學(xué)鍵是指離子或原子相結(jié)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(zhì)子和中子）以及繞核運(yùn)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復(fù)雜。在忽略量子效應(yīng)的簡化模型中，質(zhì)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(yuǎn)'的特定距離時，整體勢能最低，也最穩(wěn)定。
△兩個氫原子在某個特定距離時勢能最低，也最穩(wěn)定，會形成氫分子。（圖片來源：vision-learning.com）
我們可以把上圖想象成體現(xiàn)重力勢能的斜坡——下圖中的小球一開始會左右滾動并損失能量，但最終會穩(wěn)定在勢能最低處。
△小球最終會穩(wěn)定在圖中的最低點(diǎn)，也就是勢能最低處。（圖片來源：wired.com）
如果要讓處于'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(xué)鍵斷裂，顯然需要來自外界的額外能量推動。
總結(jié)一下：
打破舊的化學(xué)鍵好比讓小球提升，需要額外的能量。在氫變水的反應(yīng)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(xué)鍵形成好比小球滾下，會釋放能量，例如氫氣和氧氣結(jié)合發(fā)生爆炸。
化學(xué)反應(yīng)中能量守恒的實(shí)質(zhì)是如果生成新化學(xué)鍵所釋放的能量大于舊化學(xué)鍵斷裂吸收的能量，則反應(yīng)中會放熱，反之則吸熱。
如果E1＜E2，反應(yīng)會釋放能量，如氫氣和氧氣生成水。如果E1＞E2，則反應(yīng)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，正是來源于'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(bǔ)充相當(dāng)?shù)哪芰柯洳睢?/p>
（原圖來自wired.com）
這說明，水比氫氣穩(wěn)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(wěn)定的物質(zhì)覆蓋著。
其實(shí)，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里進(jìn)行簡單的電裂解水實(shí)驗(yàn)。但在目前的技術(shù)條件下，這種方法的能量轉(zhuǎn)化效率非常低，消耗4度電電解產(chǎn)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（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
如今在工業(yè)上，大量的氫氣是由天然氣經(jīng)過'蒸汽重整'生成的。該過程也需要耗能，但因?yàn)榇罅康幕瘜W(xué)能來自天然氣，因此成本比單純裂解水的反應(yīng)低。
