氫氣有潛力成為燃料。我們已經計算過，每公克H2(g)的燃燒熱是天然氣的2.5倍。此外，氫氣還有一個優點遠勝於石油，氫氣燃燒後唯一的產物是水，而石油會產生二氧化碳。

化學原理啟迪228

1.     氫氣有潛力成為燃料。氫與氧的燃燒反應如下：

H2(g)+1/2O2(g)→H2O(l)   ΔH⁰＝－286kJ

2.     我們已經計算過，每公克H2(g)的燃燒熱是天然氣的2.5倍。此外，氫氣還有一個優點遠勝於石油，氫氣燃燒後唯一的產物是水，而石油會產生二氧化碳。

3.     看起來未來最合理的新能源選擇是氫氣，但是要真的把氫氣當成能源，其實面臨三個使用上的問題：製造氫氣的成本、氫氣的儲存和氫氣的運輸。

4.     首先來研究製造氫氣的問題。雖然地球上有豐富的氫，但是它們都不是自由獨立的氫氣氣體。近年來氫氣的主要來源是天然氣加水蒸氣製造而成：

CH4(g)+H2O(g)→3H2(g)+CO(g)

5.     我們可利用方程式計算反應前後熱含量的變化：

ΔH⁰

＝ΣΔH⁰_f (產物) － ΣΔH⁰_f (反應物)

＝ΔH⁰_f [for CO(g)] －ΔH⁰_f [for CH4(g)]－ΔH⁰_f [for H2O(g)]

＝－111kJ－(－75kJ) －(－242kJ)＝206kJ

注：特別留意這個反應是大量吸熱endothermic；光是把甲烷跟水蒸氣混在一起無法有效地製造出燃料用的氫氣。必須直接燃燒甲烷才會更省時省力。

6.     永不耗竭的氫氣來源就是海洋的水。可是，水解離出氫氣的反應：

H2O(l)→H2(g)+1/2O2(g)

每mole水的分解需要286kJ的能量，目前的情況看起來，從水製造大量的氫氣不太經濟、成本太高。

7.     不過，許多種製造氫氣的方法正在研究：電解水electrolysis of water、熱解水 thermal decomposition of water和生物分解水 biological decomposition of water。

8.     電解水就是讓水通電流。目前的電價讓電解水製造氫的成本太貴，無法成為有市場競爭力的能源。不過如果未來我們發展出更有效的電源，這種作法就可行。

9.     熱解水是另一種用水製造氫氣的方法。這種方法會把水加熱到數千度的高溫，在這種高溫下水會自動解離成氫或氧。缺點是，要把溫度加熱到這麼高溫非常地昂貴。

10.  在熱解水反應，「熱」用來切開水的分子。這個系統牽涉到以下的反應：

2HI→I2+H2  (425℃)

2H2O+SO2+I2→H2SO4+2HI  (90℃)

H2SO4→SO2+H2O+1/2O2 (825℃)

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淨反應： H2O→H2+1/2O2

11.  特別留意在這個反應HI沒有消耗掉，此外，這個反應需要的最高溫度是825℃，如果我們使用核子反應爐提供熱能就可以達到這個溫度。最近的研究目標是希望找到一個反應系統，需要的溫度比較低，可以直接用太陽光的能量。

12.  有沒有辦法完全不藉助電或高溫，直接用生物的方式分解水？光合作用的過程，綠色植物吸收二氧化碳和水，然後用從太陽獲得的能量把二氧化碳跟水製造出生長需要的物質。

13.  科學家已經研究光合作用許多年了，希望知道如何解決人類糧食與能源短缺的問題。目前這些研究都試圖修改光合作用製造程序，讓植物從原本利用氫原子來製造複合物的方式，改為分解水釋放氫氣。

14.  小型的實驗顯示，在特定條件下植物確實會製造氫氣，但是產量非常稀少，還沒有達到經濟價值的水準。目前還不知道製造氫氣的便宜辦法。

15.  氫氣的儲存和運送存在二個問題。首先，氫氣碰到金屬表面就會分解成原子。因為這些氫原子非常小，它們能夠鑽進金屬裡面，造成裝氫氣的金屬容器變脆。這造成我們無法利用幫浦高壓推送氫氣到金屬管線裡。

16.  第二個問題是「每單位體積」的氫氣提供的能量太少。雖然每公克氫氣能提供的能量明顯比每公克的甲烷高，但是每單位體積的氫氣能提供的能量只有同樣體積的甲烷的1/3。

17.  氫氣到底有沒有潛力成為汽車的燃料？這是個有趣的問題。汽車的內燃引擎適合燃燒氫氣。但是最大的困難是，不知道要如何在汽車中儲存夠多的氫氣。

18.  【例題】假設氫的燃燒可以提供三倍於汽油的能量（每公克氫氣燃燒的能量，是天然氣的三倍）。請計算，多少體積的液態氫（密度＝0.710g/ml）燃燒的能量會等於，80.0L的汽油（密度＝0.740g/ml）燃燒所提供的能量。並計算這份液態氫，在1.00atm和25℃環境中變成氣體的話，體積是多少。 

19.  【解題】80.0L的汽油質量是

80.0L×1000mL/1L×0.740g/mL＝59,200g

20.  因為氫每公克燃燒的能量，是每公克汽油燃燒的3倍，所以只要有1/3的汽油重量的液態氫，就可以產生一樣的能量：

Mass of H2(l) needed＝59,200g/3＝19,700g

21.  因為密度＝質量/體積，體積＝質量/密度，所以我們需要的液態氫H2(l)體積是：

V＝19,700g÷0.0710g/mL＝2.77×10⁵ mL＝277L

因此我們得到結論，277L的液態氫燃燒的能量等於80.0L的汽油。

22.  為了計算277L的液態氫，在1.00atm和25℃環境中變成氣體，體積會是多少，我們使用理想氣體定律：

PV ＝nRT

注：壓力P＝1.00atm，絕對溫度T＝273+25℃＝298K，並且理想氣體常數R＝0.08206L atm K^－1mol^－1，並且

n＝19,700g H2×（1 mol H2/2.02g H2）＝9.75×10³mol H2

23.  因此

V＝nRT/P

＝(9.75×10³ mol)(0.08206L atm K^－1mol^－1)(298K)÷1.00atm

＝2.38×10⁵L＝238,000L

24.  在1.00atm和25℃環境中，我們需要體積238,000L（23萬8千升）的氫氣來取代80.0L的汽油。

25.  從以上的例題計算你可以發現，汽車光是走一般的里程就需要超大的油箱才裝得下夠多的氫氣。顯然氫氣必須用其他方式儲存，也許變成液態會比較好。

26.  用液態氫當燃料可行嗎？因為它的沸點很低（20K,或－147℃），需要儲存在能夠承受高壓的超強隔離容器裡。這種儲存方式又貴又危險，因為它很可能爆炸。所以汽車使用液態氫看起來是不可行的。

27.  看起來更好的方法是先利用金屬吸收氫氣，形成固體的金屬氫化物：

H2(g)+M(s)→MH2(s)

28.  這種儲存方法，氫氣會被打進含有固體金屬的油箱裡，然後氫氣被金屬吸引變成氫化物。等到引擎內部需要氫氣燃燒的時候，氫化物就釋出氫H2(g)：

MH2(s) →H2(g)+M(s)

有許多種固體物質可以吸引氫氣結合成氫化物，供氫動力車使用。

n      翻譯編寫Steven S. Zumdahl 的《化學原理Chemical Principles》