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我们生活中所见到的绝大部分燃料与电池,这类能量载体,涉及到的具体化学过程千变万化,但总能归纳到一个氧化还原反应。
什么是氧化还原?看下图。
氧化还原反应的实质是电子从还原剂到氧化剂的转移。大家有没觉得跟电池很像?电池的负极为还原剂,正极为氧化剂(不是特别准确)。电子从负极经过外部电路流至正极,然后顺便做点功:点亮灯泡,驱动车辆,支撑手机与电脑。
既然电子是能量的来源,那么我们就可以通过电子的密度来估计能量密度了。这里我们先假设电子能做的功都是一致的(这个显然不对,实际上取决于氧化剂与还原剂的种类。但如果仔细考察,对于常见的电池与燃料,这点不是主要因素)。
能量载体的电子密度,在按体积计算情况下,主要取决于两个因素。
1、能量载体的物质密度。固体>液体>>>>>气体。这点很好理解。
2. 能量载体的电子转移比例。如果化学忘光了,这点很不好理解;如果还有些印象,这点也很好理解。原子的内层电子基本不参与化学反应,自然也不会转移,只有外层那几个才会转移做功。电子转移比例是指参与反应的电子数与分子总电子数的比例。通常而言,还原剂的外层电子数不会太多,但内层电子数可是随着原子数增大而增大的。更要紧的是,原子数增加后质子与中子都在增加,而这两者都是质量的主要来源。
举几个例子:
1)H2-2e=2H+ 氢原子只有一个电子,全参与反应了,电子转移比是100%
2)Li-e=Li+ 锂原子有三个电子,只有一个参与反应,电子转移比是1/3=33%
3)Zn-2e=Zn(2+) 锌原子有三十个电子,只有两个参与反应,电子转移比是2/30=6.7%
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