可燃冰的发现可燃冰是什么 _小知识

能源与环保间的平衡在全球一直都是十分火热的议题。火力发电、核分裂发电等高效率的发电方式，或许会对环境及生物造成永久危害；风力发电、大阳能电池等绿能，受限于天候而无法广泛应用；干净又有效率的核融合发电仍在开发阶段，还不到可以商用的程度。那么，通往干净能源的这条路，是否就这样被插上此路不通的标示牌呢？当然不！因为可燃冰为我们另开了一条蹊径。

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图一：正在燃烧的可燃冰。
那么，可燃冰究竟是什么呢？是否如同字面上，是一种可以燃烧的冰？如果是，是何种机制会使冰能被点燃；如果不是，那么它是怎么形成冰晶状态的呢？若你好奇的话，请读下去吧！本篇会从可燃冰本身、其应用与开采问题，全面地介绍这种新能源。
可燃冰的性质可燃冰又称为「天然气水合物」，其中，甲烷气体若佔总天然气的 99%，则称为「甲烷水合物」。直接观察它被点燃的样子，就像是一块能燃起火焰的冰块，这也是「可燃冰」一称的由来。然而，确切来说，这颗「冰块」其实是水和甲烷气体在低温高压下混合形成的类冰物质。也就是说，可燃冰其实不是冰，而是由水分子组成的一个个「水笼」。如图二，笼中包含大量的甲烷气体，因此便不难理解它被称为「甲烷水合物」的原因。或许你十分好奇水笼的模样，不过在那之前，我们必须先谈谈组成水笼的栅栏——氢键。

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图二：可燃冰是由水分子组成的一个个「水笼」。

氢键氢键为组成可燃冰结构举足轻重之角色，而为介绍水笼及避免混淆重点，氢键概念皆举水（简式 H2O）为例。顾名思义，氢键是一种以「已结合 1 个氧原子的氢原子」为中心，与另一个氧原子所形成的「作用力」。没错，氢键并没有产生实际的键结，本质上反而是一种电磁力。这个概念或许有点抽象，不过我们可以用小朋友吃蛋糕的例子来理解。
现在，老师分蛋糕给一群小朋友，高年级的小朋友可以分到比较多块且口味不同的蛋糕，而低年级的小朋友则只有一块蛋糕。分完蛋糕后，低年级的小朋友会跑去坐在大哥哥旁边吃蛋糕，因为当他拿出一半的蛋糕分享时，大哥哥也会分享一半的蛋糕给他，如此一来，他们都能吃到 2 种口味的蛋糕。若低年级的小朋友还想再和别人分享一次，他就必须拥有第二块蛋糕。然而，我们都知道他已经没有多的蛋糕了，所以他会跑到另一个拥有蛋糕的大哥哥旁边看着他，希望这个大哥哥能和他分享蛋糕。
看完这个故事，我们可以把蛋糕替换成电子、低年级生替换成氢（价电子数为 1），而拥有很多蛋糕的大哥哥即为拥有许多电子的氧（价电子数为 6）。因此，如图三（A）所示，当氢和氧各提供 1 个电子时，便会形成共价键。同时，已将电子用光的氢，会与另一颗带有 2 个多馀电子——或称作「孤电子对」（lone pair）——的氧形成氢键。

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图三（A）：氢键结构。
其形成原因则如图三（B），当氢用掉唯一的电子后，部分氢原子相对带正电，会与另一个拥有孤电子对的原子互相吸引，故部分原子带负电的氧原子互相吸引。这个吸引力就是氢键，并且由于其成因，我们可以说氢键就是一种电磁力。

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图三（B）：氢键形成原理。
水笼当许多个水分子以氢键结合时，水笼便形成了。

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图四：水分子间的氢键。
事实上，水笼分为许多种类，有结构 Ⅰ 型水合物、结构 Ⅱ 型水合物以及结构 H 型水合物。如下方图五，在以单位晶格的尺度下观察，结构 Ⅰ 型为的水合物是以 2 个五角十二面体的小笼，和 6 个十四面体的大笼所组成。
这时，你可能会好奇：为什么是这个组合呢？让我们来想想拼图。当我们拿起一块拼图，会发现它会有凸出、凹陷，或是平平的不凸出也不凹陷等 3 种样式的「边」，或许是 4 个凸出、3 个凸出 1 个凹陷、2 个凸出 2 个凹陷，或是 1 个平平的边加上 3 个凹陷…… 。这时，如果我们拿起一块有「4 个凸出」的拼图，那么我们能把另外一块也是 4 个凸出的拼图拼在原本的那块上吗？

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