【科普】可燃冰！！！！用化学基本数据解读其真实的面目！...



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本文来自科学网博客

乱花渐欲迷人眼 － 可燃冰、化石燃料和生物能源乙醇

学期结束后，这些天又忙活着写了一篇不需要同行评议的稿子给以前欠的一个人情交差。按照以往的习惯，集中精力写作后必须得码码字解解毒。况且媒体上不时提供一些素材，不拿来翻炒翻炒似乎也很对不起它们。

前几个星期看到了媒体上大张旗鼓地宣传我国可燃冰开采有了长足的进展，伴随很多一知半解的可笑言论，但那时候并没有时间细究。这一类进展固然可喜，然而被不懂理工的记者大人们穿凿附会地比附变形金刚能量块的种种神奇包括加一次可燃冰可以绕地球跑圈但不久被各路专家频频打脸之后，不得不叹息这好好的技术进展在普罗大众心目中怕是落下了荒腔走板的印象（你听他们吹！）。

尽管后来各路专家的权威解释纷至沓来，对一种能源的最根本属性－能量，却好像没有一个说得清清楚楚。这其中最直观的解释不过是可燃冰融化可以释放出160多倍体积的甲烷，之后甲烷燃烧可以能量密度是天然气的几倍，煤的若干倍（http://blog.sciencenet.cn/blog-528739-1056959.html），然后天然气燃烧产生很少的环保主义者谈之色变的温室气体二氧化碳。所以从保护环境的角度来看这应该是一个了不起的成就。

然而，对一个化学出身的人来讲，这些浅显的类比还只是如同隔靴搔痒，显然不能满足咱的好奇心。所以咱就从最基本的燃烧热的角度来看看这可燃冰到底是何方神圣，功力几何，到底能不能把传统能源，其实是传统化石能源统统打趴下（先声明一下，这可燃冰说到底也是一种化石能源，千万别再让媒体把您带沟里去喽）。

燃烧热的定义是“在25℃，100kPa时，（旧的标准态压力为1atm=101 kPa，即1标准大气压，新的标准态压力改为1 bar=100 kPa。北京大学出版社，《普通化学原理(第四版)》85页注解1）1mol纯物质完全燃烧生成稳定的化合物时所放出的热量，叫做该物质的燃烧热．单位为kJ/mol。”（抄自百度百科，学生朋友请注意查阅原文，网上的百科知识不见的一定可靠，就像咱这边的学生写东西要是引用喂鸡百科的话会被打回去重写一样）。

燃烧热这个词听起来很高大上，非专业人士怕是看到这个定义也会如坠五里雾中。其实说起来很简单，就像当年瓦特先生发明蒸汽机一样，他观察到水开了顶开了茶壶盖产生灵感所以把这顶开茶壶盖的能量转移到机械上去。这个这开水的能量其实最终来源于茶壶底下炉子里烧的煤。煤在炉子里烧着了产生热量（就是燃烧热），这个热量被水吸收并最终把液态的水转化成气态（就是水烧开了），由于体积膨胀，这气态的水（冷却会变成蒸汽）就可以推动机器运转，从而实现由煤炭的化学能向机械能或者动能的转换。当然这个转化的过程会伴随或多或少的能量损失，最简单的损失就是这个燃烧反应释放的热量有很大一部分其实都跑到了环境里，就像咱们加了油开车，车动起来有了动能（汽油在内燃机里燃烧），然而发动机工作也会发烫（那是没转化为机械能和动能的热能），得用水箱和散热器结合起来给它降温，同时发动机也会产生噪音（那也是能量的一种）。其实要用能量分析的眼光看武侠小说，那林林总总玄玄妙妙的武功全都是无稽之谈，所以大学学完了这类小说也就看到头了，不过这是题外话。

所以对一种能源来说，如果谁能找到一种高密度能源，那么燃烧很小的体积或者质量能产生大量的能量，那么很显然谁就站在了技术之巅，可以藐视天下群雄。

下面咱就看看这可燃冰到底有多牛。根据前面那篇博文的数据，也是广为传颂的数据“在标准状态下，1 m3的天然气水合物可释放出约164m3的天然气和0.8m3的水”（注，可燃冰的学名是天然气水合物）

用体积来算的话，每一立方米的可燃冰可以释放出164立方米的天然气。因为甲烷（CH4）是这天然气的主要成分，下面假设这天然气都是甲烷。根据简单的化学知识，标准状态下（0˚，一个大气压），每摩尔（就是6.022x1023个气体分子）的甲烷体积大约是22.4升（即0.0224立方米），那么这一立方可燃冰放出来7321摩尔甲烷。

一个很直观的对比是越来越多的城市现在用液化天然气作为公共交通工具的能源，例如北京在2012年建成了首座液化天然气加气站。有兴趣的朋友可以搜索液化天然气和压缩天然气车辆的不同。那么问题就来了，根据液化天然气（也假设是甲烷）的密度为389-448千克／立方米，那么一立方米液化天然气应该有24247－27926摩尔甲烷（每摩尔甲烷是16.0426克，同时标准状态下22.4升）。

算到这里，好像哪里不对啊？！一立方米可燃冰融化释放的甲烷是仅仅是一立方米液化天然气甲烷量的26.2％到30.2％。这样连燃烧热都用不着算了，用脚后跟想想这可燃冰也不会比同等体积的液化天然气烧出来热量高。那么，说好的能量块呢？？？媒体们，您赔不，最起码得算算精神损失吧？

所以很不幸，这段时间以来以能量密度作为噱头的宣传很显然是走到科学的前面，成了100%的科幻。

下面咱再拿液化天然气和汽油来比比所谓的能量密度（可燃冰同学请先坐板凳上歇会儿）。加过油的朋友都知道汽油的标号指的是辛烷值，而辛烷的引入是为了抑制发动机压缩产生爆震的东西（有兴趣的朋友可以自己查）。没有辛烷前大家都用四乙基铅，当然大范围工业和非工业国家持续使用这东西造成了很严重的环境问题，以至于都入侵到海洋里的珊瑚骨骼里。因为一般组成汽油的烃类化合物含有4-12个碳原子，所以咱取个平均，正好是辛烷（C8H18）。

根据查到的资料，辛烷的燃烧热是5430千焦耳／摩尔，就是每烧一摩尔辛烷释放出5430千焦耳的热。顺便插一句，当年第一次见到焦耳这个名字的时候第一反应是那兄弟把熨斗当电话听筒了。辛烷的密度为703千克／立方米，燃烧反应方程为：

2C8H18 (l) +25O2 (g) à16CO2 + 18H2O

而从甲烷来看，它的燃烧热为890千焦耳／摩尔，前面说了液化甲烷的密度为389-448千克／立方米，其燃烧反应方程为：

CH4 (g) + 2O2(g) àCO2 + 2H2O

所以如果咱有一立方米辛烷（汽油）和一立方米液化甲烷，各自就有703千克辛烷和389-448千克甲烷，对于后者取个平均值即419千克甲烷（389+448除以二）。考虑辛烷分子量为114克／摩尔，而甲烷为16克／摩尔，这样一立方米辛烷为6167摩尔，而一立方米液化甲烷为26188摩尔（见下表）。

由于一摩尔辛烷燃烧产生5430焦耳的热量，所以一立方米辛烷（或者6167摩尔）燃烧会产生3.35x107千焦耳的热量，而一立方米液化甲烷（或者2619摩尔）燃烧会产生2.33x107千焦耳的热量。很明显，同样体积的液态辛烷比同样体积的液化甲烷产生的热量要多大约43.7%。所以从能量密度（即单位体积的热量产生）的角度来看，辛烷（或者汽油）比液化甲烷（天然气）高了了可不是一点点，而是43.7%！

不过从单位热量产生二氧化碳的角度来看，因为每个辛烷分子（C8H18）含有八个碳原子，完全燃烧就会产生八分子二氧化碳，而每个甲烷分子（CH4）燃烧产生一分子二氧化碳，所以尽管甲烷的能量密度比较低，但是单位热量产出生成的二氧化碳倒是少得多，例如辛烷单位能量二氧化碳产出是0.00147摩尔二氧化碳／千焦耳，而液化甲烷则是0.00112摩尔二氧化碳／千焦耳。所以从这个角度来看，单位热量产出的造成的二氧化碳生成辛烷比液化甲烷多31%。不过上面说了同样体积的辛烷比液化甲烷多产生43.7%的热量，所以这多出的31%的单位热量生成的二氧化碳就显得没这么过分了。

燃料

辛烷

液化甲烷

乙醇

一立方米质量 （千克）

703

419

789

分子量 （克／摩尔）

114

16

46

一立方米物质的量 （摩尔）

6166.7

26187.5

17152.2

燃烧热 （千焦耳／摩尔）

5430

890

1371

一立方米产生热量 （千焦耳）

33485000

23306875

23515630

一立方米产生CO2（摩尔）

49333

26188

34304

能量密度 （千焦耳／升）

33485

23307

23516

单位能量CO2产出 （摩尔／千焦耳）

0.00147

0.00112

0.00146

近年来，以米国为首一些国家的力推生物能源，主要就是用农业生产中过剩的玉米发酵去生产乙醇（或者酒精）。去年咱乱写的另一篇文章有提及，此处不表。那时候还没兴趣去详细（吃饱了撑地）计算乙醇的热值，只是凭直觉判断不会比汽油高。那么用上面同样的方法，已知乙醇密度789千克／立方米，分子量46克／摩尔，燃烧热是1371千焦耳／摩尔。这样一算，每立方米乙醇燃烧产生的热量就是2.35x107千焦耳，比同体积的辛烷燃烧产生热量少29.8%（或者辛烷燃烧产生的热量比乙醇多42.4％），比同体积的液化甲烷少近1%。而从二氧化碳排放的角度来讲，乙醇单位热量产生的二氧化碳只比辛烷少不到1%。所以，花大功夫在田地里施肥产玉米再吭哧吭哧造乙醇然后强制消费者加到汽车里，如果油箱里乙醇含量10%，那就会比同样体积的不含乙醇的普通汽油少产生约3%的热量。而巴西早在2013年就要求汽油里混和25%的乙醇了，想想都觉得不值。所以在生物能源方兴未艾的不太遥远的将来，随着酒精往油箱里越加越多，咱能期待的结果只能是花同样钱（假设加油站不涨价）买的“汽油”只能能让车跑的路程越来越短。由于辛烷和酒精在单位能量二氧化碳产出上相差不大，假设热量等价换算到里程（就是油料燃烧的热量都转化到动能去克服轮子的摩擦力），那么开车人的屁股底下原来每公里排放多少二氧化碳，就是全换成酒精也还是多少。这用粮食生产酒精还有其他各式各样的环境问题（包括促进近海的死亡区的形成和扩大），普通消费者是不会去关心的。所以想真正了解生物能源的利弊，全方位的life cycle分析显然是必要的。不过在利益集团提线的政府的行政命令的指导下，反对的声音怕是不会被大多数人听到的。

放下酒精不说，前面还只是比较纯的液化天然气和汽油而天然气已经在能量密度尚处于下风了（尽管单位能量二氧化碳产量要低不少），那么板凳上的可燃冰同学再起来说话，您只有单位体积纯液化天然气30%以内的产气量，有什么能力能和普通汽油竞争？所以媒体上的那些让人啼笑皆非的夸大其辞真是让人哭笑不得。

说了这么多，咱花了这半下午一晚上的功夫是来扁可燃冰的？非也非也！众所周知，中国的能源结构是多煤少油缺气。但煤再多也不能像咱东边的邻居那样改装卡车拿煤（或者柴火）驱动吧，所以技术上的突破如果改变能源结构绝对是件大事，从污染（烧煤污染最多）、运输以及储存等各个角度流体（油和气）都比固体（煤）强很多，不然西北一些地方不断有煤变油、西气东送之类的工程？所以从这个角度来看如果能安全高效在不对环境造成损害的情况下从海里采气，无论是从可燃冰里还是海地的气田里，都是可喜可贺的事情。问题就在于，有了成绩还需要实事求是，不然打鸡血造成的兴奋劲过去以后反而是不该有的失望，尽管这完全是不该让人失望的成就。

另外，诚恳建议写科学新闻的媒体记者回炉去学学普通化学、大学物理之类的课，这样将来就不至于再出这一类的洋相，落下笑柄。

注：这篇乱弹的能量计算均为不慎严格的估算，没考虑燃料形态变化的能量需要和能量转化的效率（例如不同类型使用不同燃料的内燃机）。如有疏漏，咱负全部责任。

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