水制氢发动机引热议，因为它无视水变氢的化学反应需要大量能量。为什么氢气爆炸生成水只需要一点火星，而水裂解成氢气却如此困难？
文/记者 丁林 新媒体编辑/陈炫之
'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。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？
△'兴登堡'氢气球灾难
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，反应会释放能量，如氢气和氧气生成水。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。
（原图来自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。
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