近年来,一款“水制氢发动机”引发了广泛的关注。该技术宣称通过将水转化为氢气来为汽车提供动力,但这一主张却遭到不少质疑。许多人对其原理产生了疑问,因为水分解为氢气所需的能量远大于从氢气生成水时释放的能量。到底为什么从氢气到水的反应只需要一点火星,而水裂解成氢气却需要如此巨大的能量呢?
在河南南阳,一款被称为“喝饱水就跑”的汽车在投入生产时引起了不少的讨论。这种汽车的核心技术就是利用水分解生成氢气来驱动发动机。业内专家指出,水的裂解需要大量的能量支持,因此无法实现“无源水解”。换句话说,在没有外部能量的输入下,水无法自发地分解为氢气和氧气,否则就违反了能量守恒定律。
大家对氢气和氧气的反应过程并不陌生,只需要一点火星,二者就能迅速反应生成水,同时释放出大量能量。这种反应是放热反应,能量释放的产生的水分子非常稳定。按照能量守恒定律,反过来将水分解成氢气和氧气,势必需要从外界注入大量能量,才能打破水分子中的化学键,这正是水分解反应难度大的原因。
这背后隐藏的原理其实很简单:化学反应的实质是原有化学键的断裂和新化学键的形成。以氢分子为例,当两个氢原子靠近时,它们通过电磁力相互吸引,但随着距离的缩小,原子间会产生排斥力,最终在某个平衡位置,氢分子处于能量最低、最稳定的状态。如果想让氢原子间的化学键断裂,就必须提供外部能量。
想象一下,如果我们把这两个氢原子看作处于某个“势能谷底”的小球,那么要让它们“跳出”这个谷底,重新分开,我们就需要通过外力提升小球到更高的位置。这种提升过程需要额外的能量,正如水分子分解成氢气时必须克服能量障碍一样。
水和氢的化学反应中,打破水分子中的化学键,就像是把小球提升到一个更高的能量状态一样,需要能量输入。而一旦化学键形成,像氢气和氧气结合生成水时,则会释放能量,就像小球从高处滚下,释放能量一样。
这就是为什么水分子比氢气更加稳定的原因。因为水分子的形成是能量释放的过程,而水的裂解则是一个需要输入大量能量的过程。地球上71%的表面被水覆盖,正是因为水在自然界中如此稳定。
虽然水裂解成氢气的困难有其根源,但人类在这方面并非没有突破。例如,植物的光合作用就涉及到水的分解,虽然这一过程主要是将光能转化为化学能,储存在有机物中,而非直接生成氢气。电解水分解氢气也是一个常见的方案,早在1833年,著名科学家法拉第就提出了电解水的定律。如今,许多家庭甚至可以进行简单的电解实验,但即便如此,现有技术下的电解水效率依然很低,产生1千瓦时氢气的能量消耗约为4度电。相对于氢气的高成本,制氢的技术仍面临着巨大的挑战。
当前,工业上大多数氢气仍来自于天然气,通过“蒸汽重整”过程生产氢气。这个过程同样需要消耗能量,但由于化学能大部分来自天然气,成本比电解水制氢要低得多。
对于近期引议的青年汽车公司,他们宣称可以通过“水氢发动机”实现水转氢的技术。根据公司介绍,该技术原理是在汽车车顶安装一个水箱,车内通过某种特殊的转化装置,将水转化为氢气,并将氢气输入到氢燃料电池中产生电能,驱动车辆前行。尽管有各种所谓的“特殊技术”,这依然无法避免一个基本问题:水无法自发分解成氢气,这需要额外的能量支持。
5月24日,金华青年汽车公司在回应媒体时表示:“车载水解制氢的氢能源汽车并非是简单地加水,而是在催化剂的作用下,水与某些反应物发生反应,实时制氢。”对于这些反应物的具体成分,公司并未详细披露。有猜测认为,这些“反应物”可能是金属铝,通过铝的强还原性,置换出氢气。
不管采用什么样的技术,想要利用水作为能源,理论上就必须找到一种比水更稳定、能量更低的物质,这样才能通过转化释放出足够的能量。遗憾的是,目前并不存在这样的物质。
历史上,许多声称能够从水中榨取能量的例子最终都被证明是或商业。对于那些曾经的“喝水就能跑”的汽车,最终的结局无一例外地以失败告终。
水分解为氢气的过程并非轻而易举,这一现象背后的科学原理是高中化学的基本知识。如果有兴趣深入了解相关的化学原理,可以参考更多的专业资料。