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从水中到底能不能制造氢气?氢气到底能不能让汽车跑起来?水氢发动机到底是什么原理?这种方法靠谱吗?接下来,咱们一起来看一下。

氢气的燃烧

两个氢原子会构成一个氢气分子,两个氧原子会构成一个氧气分子,氢气在有氧气的环境下可以点燃,与氧气发生化学反应,生成水。它的化学反应方程是

具体来讲,氢气分子中的化学键和氧气分子中的化学键打开,两个氢原子再和一个氧原子结合,就变成了水分子。

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在这个过程中会放出热量。1克的氢气在氧气中完全燃烧,会放出140千焦的热量。相比于其他主要能源物质,氢气燃烧生热要高出不少,比如1克汽油完全燃烧可以放出47千焦的热量,1克煤完全燃烧只能放出15~30千焦热量,氢气的热值要高出3~10倍。

氢燃料电池的反应过程与燃烧不同,但是最终生热是相同的。而且,氢气和氧气的反应只生成水,不生成二氧化碳,对于环境不造成污染,是一种高效、清洁的能源。

如何获得氢气呢?既然水中就含有氢元素,我们能不能把水中的氢元素提取出来作为能源材料呢?这当然是可以的,而且方法不止一种。

水的电解

1800年,伏打发明了伏打电池,几个星期后,科学家们就通过伏打电池把水电解成了氢气和氧气。实验的装置是这样的

在试管中装满水,倒扣在水槽中。每个试管中有一个电极,导线把电极同电池的正负极相接。在通电的情况下,两个试管中就会生成氢气和氧气。

具体来讲,电解过程分为以下几个步骤:

首先,水会自发电离成带正电的氢离子和带负电的氢氧根离子

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氢离子带正电,受到电源负极异号电荷的吸引,向着负极运动。当氢离子到达负极时,会吸收负极上的电子,变成氢原子。两个氢原子又会结合成氢气,从水中飞出。

氢氧根离子带负电,受到电源正极异号电荷的吸引,向着正极运动。当氢氧根离子到达正极时,会释放自己的电子,生成水和氧气。

三个反应加起来,就是水在通电的情况下变成了氢气和氧气。

你看,我们把从水中获得了氢气。

不过,要实现这个过程,首先需要通电。如果有了电,我们为什么不用电直接驱动汽车,而非要用电电解水,再利用电解出的氢气驱动汽车呢?

而且,从成本角度,电解水制氢气驱动汽车也是不划算的。电解1kg氢气需要大约100度电,价格约60元。1kg氢气的放热与3kg汽油相当,而3kg汽油只需要不到30元。

铝水反应制氢气

根据最新消息,研发这款发动机的实验室发表声明:水氢发动机不止需要水,还需要一种特殊的铝合金材料。这样一说就比较合理了,许多活泼金属都可以和水反应,生成氢气。例如金属铝就可以和水反应,生成氢氧化铝和氢气。

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通常情况下,铝的表面有一层氧化膜,阻止反应的发生。我们需要加入氢氧化钠进行催化,也可以在铝的表面包括一层其他金属,通过加热的方法让其他金属脱落,引发铝和水的反应。无论如何,用这种方法的确可以在不添加其他能源的前提下获得氢气。

我们再来计算一下成本。按照反应方程式,制备1千克氢气需要9千克铝,按照铝的价格15元每千克计算,成本大约135元。如果这些氢气完全燃烧变为热量,所提供的热大约相当于3千克汽油,而3千克汽油只需要28元。使用铝来制备氢气是不划算的。

不仅如此,使用铝制造氢气还有一个麻烦之处:铝会不停的消耗,生成的氢氧化铝沉淀和氢氧化钠混合在一起,形成浆糊,如果不能实现长续航里程,频繁的进行更换会给这种汽车带来很大不便。

水煤气制氢气

用氢气作能源提供汽车动力也并非不可以,只要我们能用比较低的成本制备氢气就好了。

比如,除了电解水、铝水反应以外,还有一种方法可以从水中制备氢气,这就是水煤气。人们把焦炭和水混合,高温的条件下,焦炭和水就会变成一氧化碳、二氧化碳和氢气。

这种制备氢气的方法成本低,不到10元就可以制造出1kg氢气。氢气被制造出来之后,用钢瓶把氢气装在罐子里,让汽车携带氢罐就可以上路了,这种汽车称之为氢气动力汽车。在不久的未来,也许氢气动力汽车会因为它环保高效的特点,逐步代替传统燃油汽车。

铝空气电池

其实,用铝做材料驱动汽车有一种更经济的方式,叫做铝空气电池,这是一种国内外都研究了好多年的技术。

铝空气电池的基本原理是:在一个电解质槽中插入两个电极,其中阴极是铝制的。铝电极会释放电子,形成溶液中的铝离子

铝释放的电子会通过电路,驱动电机工作。电子到达阳极后,又会和水以及空气中的氧气发生反应,生成氢氧根离子。

两个反应加起来,就是铝和空气中的氧气以及水发生了反应,生成了氢氧化铝,同时放出了能量驱动电机。

这个反应虽然与铝制氢气的过程反应物和生成物相同,都是从铝变成了氢氧化铝,但是它没有浪费铝和水反应时生热的能量,因此效率较高。