水氢发动机（二）加水就能跑的汽车啥原理？

今天我们继续来讨论加水就能跑的水氢发动机。

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？点击视频，听李老师讲给你听。

1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。

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。

2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

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。

3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。

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。

4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。

5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。

2014年，美铝公司Alcoa和以色列Phinergy公司共同制造的铝空气电池概念车，实现了单次续航1600km。它携带了50块铝板，每块铝板质量500g，共25kg。从成本上看，25kg铝价格只有不足400元，合单公里成本不到0.25元，是一种更加经济的出行工具。

由于新闻报道中的公司并未披露更多细节，我们并不清楚这款水氢发动机到底是采用了什么方式，但是很大可能是使用了铝水反应制氢气的方法，这种方法既面临很多技术问题，也没有节约成本。

学好化学多么重要！要是中学学不好化学，就没办法弄懂水氢发动机原理。可是化学这么难怎么学呢？

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李永乐老师：

北京大学物理与经济双学士，清华大学电子工程硕士；北京市中学物理教师/物理竞赛教练。从教十年，培养清华北大学生200余人，国际奥赛、亚洲奥赛、国家奥赛金牌十余名。

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