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
＝ΣΔH0f (產物) － ΣΔH0f (反應物)
＝ΔH0f [for CO(g)] －ΔH0f [for CH4(g)]－ΔH0f [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》
徐弘毅：
1. 目前看起來氫氣當汽車燃料不可行，目前趨勢比較趨向於電動車，就是用電池提供動力，像玩具車一樣，如果能夠再加上太陽能發電，並且提升太陽能發電的效率，減輕汽車的重量，那就會很有前途。
2. 目前太陽能的發電使用的材料是矽晶，提煉矽晶也是蠻耗費能源的，科學家研究的方向應該是以植物葉綠體產生能源的模型，去研究一種能夠產生許多動力的活性藻類為太陽能發電的原料。
3. 如果這種藻類太陽能電板能夠研發成功，當然也可以用在所有的建築上面，或變成建築塗料，以此來發電。
4. 過去台灣的教育不管是教育單位或民間，都一再強調發掘人的優點，這其實是相當盲目的；教育最大的作用是要每個人都發覺出自己的優點與缺點，然後努力地去彌補缺點，在彌補缺點的過程當中，自然而然優點也可以被激發出來，變得更加得成熟。
5. 一個有音樂天分的學生，根本不需要老師努力教，他自己多多練習，老師一個禮拜指點一次也就夠了，他人生最重要的學習重點也許應該擺在體能鍛鍊或是研究物理科學原理。一個人的缺點如果沒有早一點彌補，那會成為他一生自卑的來源，也會讓他在面對實際的生活上面處處顯得困難。
6. 一個人只有透過彌補缺點，發揮優點，他才會身心健全。所以古代的聖賢教育的重點都在「文武雙全」，現代的教育重點則要「五育均衡並重，終身多元學習」，若非如此，他的身心一定不健康。
7. 目前台灣社會最感到厭煩的就是絕大多數的政客沒品、公務員貪腐、外交人員好色……，這些問題的主因都是他們從小到大沒有接受五育均衡並重的教育，身心不健康，導致經常情緒失控，最後生物慾望沒辦法解決。簡單地講，他們從小到大都只著重優點的發展，完全忽視弱點的彌補。
8. 氫氣的缺點，製造成本太高、運送太困難、裝載的體積太大、儲存困難、很容易爆炸，因此不適合做汽車燃料。台灣的公務人員行政效率太差，最主要的原因是他們都沒有職業證照，都不是讀職校畢業，加上考試院對公務人員的考核標準錯誤，沒有檢驗他們五育均衡並重的狀態，只選拔很會死背書的人升官。
9. 如果台灣的軍公教人員，其中有一半是有專業證照的高職畢業生，台灣政府的行政效率一定可以提升一倍，並且減少三分之一的冗員，那樣整體國家的競爭力就會大幅提昇，這麼簡單的道理，為什麼考試院沒有人知道？因為他們不夠專業，知識水準太低，他們都沒有職業證照，也沒有國際學術地位。
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