从电动自行车夏季起火事故频发说起

日前，全国各主要媒体平台都登载了下面的报道：“电动自行车起火爆炸事故频发，夏季增幅达56%，非法改装是事故关键”。报道指出，私自非法改装电池是起火的重要原因。

私自非法改装电池一年四季都有，为什么夏季会事故频发，比其他季节增加这么多呢？

这里其实是有它的科学道理的。同时，我还想起来半年多前关于电动自行车以及电动汽车的大量报道。这些报道称，在寒冬天气里，许多人都说电动车不好使，也就是说，它的电池不耐用了。

这两件事情的道理是一样的，更准确地说，这是一个事物的两个方面。

我们现在电动自行车和电动汽车所使用的电池，准确地说，使用的蓄电池，不管是老式的铅蓄电池还是新式的锂电池，都是化学电池。它们都是利用化学反应来实现充电和放电。而化学反应的速率是与温度密切相关的，温度越高，反应的速率越快。

为什么温度越高，化学反应的速率越快呢？

在弄清楚这个问题之前，需要把上面这句话作一个说明。许多实际存在的化学反应是很复杂的，但是，复杂的反应是由多个简单反应组成的，因此可以分解成各个简单反应之和。而这里的化学反应是指不能再分解的简单反应。对于这样的简单反应，温度越高，反应的速率越快。

一个分子体系是由若干原子构成的。而只有组成分子的各个原子之间的距离以及它们之间形成的角度（以及二面角）处在一定范围之内时，这个分子才是稳定的。比如，水分子由一个氧原子和两个氢原子构成，而只有当氧原子与氢原子之间的距离为0.096纳米附近，氢氧氢之间的夹角为104.5度附近时，水分子才是稳定的。大于或小于这些值，分子都将不稳定。

分子的所谓稳定，就是它的能量处于一个极小值。这就像一个球，放在地上，只有处在一个坑里（即最低洼处，就是势能最低的地方），它才是稳定的。如下图所示

所谓化学反应，一般就是由一个稳定体系A变为了另一个稳定体系B。A和B两个体系中原子的个数是相同的（这是化学反应中的物质量守恒和电荷守恒的根据），只是这些原子之间的位置发生了变化。

例如两个氢原子组成一个氢分子，是一个化学反应。体系A是两个相距很远的氢原子，体系B也是两个氢原子，不过它们之间的距离就变成了0.074纳米。

对于一般的化学反应，体系A是一个稳定体系，它处在一个能量的最低处（在一个坑里），体系B也是一个稳定体系，它处在另一个能量的最低处（在另一个坑里）。化学反应由体系A变成体系B，也就是说要分子的能量从一个坑里跑到另一个坑里。要想从一个坑里跑到另一个坑里，途中必定会路过比两个坑底位置更高的一个高处。

如上图所示，从A点到B点，其间必定要经过比A、B两点都高之处，当然路径可能有许多条，各条路径需要翻越的高度也不相同，假定这许多路径中，高程最低的是经过C。

一个分子怎么能够从A点经过C点到B点？就需要这个分子要有足够大的动能，才能够从A点跑到C点。或者说，只有这个分子的动能要比C点与A点之间的势能差（称为势垒）还要大才行。一般情况下，动能小的分子是不能越过C点跑到B点去的。也就是说，只有具有足够动能的分子才能够从A点跑到B点，完成这个化学反应。

温度是整个反应体系中分子平均动能的表示。温度越高，分子的平均动能越大，具有高动能的分子越多，可以完成化学反应的分子就越多，化学反应的速率就越快。反之，体系的温度低，具有高动能的分子就少，可以完成反应的分子就少，化学反应的速率就慢。

蓄电池，无论是铅蓄电池还是锂电池，都是利用化学反应来储存和获取电能。在充电时，人们把外来的电能转化成体系的化学能储存起来。放电时，再把这种化学能转化成电能而放出。

蓄电池的化学反应，在两个电极，是极快的电极反应，在那里只是得失电子，不涉及原子位置的运动，没有势垒问题，反应速率与温度无关。与温度关系大的是带电的离子在两个电极之间的电解质中的运动。

在低温时，离子在电解质中运动变慢，所以使得整个反应速率变慢，电池显得动力不足。在两个电极之间的电动势差（这是离子在电解质中运动的驱动力的源泉）较小时，就难以运动了，因而电池的运作就难以进行下去。这是人们在冬季寒冷时感到电池电量不足，容易耗尽的原因。

相反，温度高，在电解质中运动的离子就能够较为顺利地运动，从而使得电流较大。实际上，电流增大能够（仅仅是能够）使得电池发出更大的热量从而使得电池的温度更加上升。这种效应我们容易感觉得到，例如我们的手机在充电时或手机长时间运行时，电池的温度总是上升的，我们感到手机发热。

电池的电流是受外电路影响的，如果外电路的电阻、电容等因素都正常，一般情况下，电池温度略高（如在夏季）并不会影响电池的使用，也不会出现大的问题。

但是，一旦外电路出了问题，也就是说，外电路的电阻、电容等与原来设计的情况出现了较大偏差，外阻小了，那就有可能出现电池内的化学反应速率与温度出现“正反馈”，使得电池温度越来越高，以至于发生火灾。总之，发生问题的最主要原因还是私自改装以及充电器的不匹配。

老式的铅蓄电池，由于电解质溶液量大、流动性好，离子运动受温度的影响较小，所以，无论冬夏，这些问题发生的可能性就比较小。

要减少电动车在夏天里出事故，最根本的问题还是不要非法改装以及一定要用合适的充电器。

化学反应的速率随温度的升高而加快的例子，在生活中处处可见。当然，实际生活中的化学反应，即使是最简单的反应，也总会因为各种原因，需要做一些具体的分析。

大家都知道碱可以去油污，但是热碱水的去污能力远强于凉碱水。这是因为碱与油之间发生了皂化反应，生成的肥皂是表面活性剂，作为表面活性剂的肥皂大大加强了除去物件上污物的能力。温度的升高使得皂化反应的速率加快了许多，所以热碱水的去污效率要高得多，在很多情况下甚至需要把物件放在热碱水中煮沸，以提高效率。当然，现在我们又有了许多新型的高效表面活性剂，需要用碱去污的场合越来越少了。

又如，病毒在低温下能够“生存”很长的时间，在高温下就容易分解。这是因为病毒并不是严格意义上的生物，自己没有生殖的能力。这就与一般化合物有相同之处，它的蛋白质的分解反应的速率，就是与温度有关，温度越高，分解的速率越快。但是，当它进入人体细胞后，由于人体细胞把它们大量复制，再加上细胞的不断分裂再生，致使它们的数量急剧增加。因此，人们戴口罩、勤洗手，减少它们进入人体的可能。病毒不能进入人体或其他生物体，在自然环境中，受热或光照后，就容易分解掉。不管什么病毒，都是如此。我们戴口罩、勤洗手应当是一个防止所有传染病的好方法。

人体细胞内发生着许许多多个化学反应，绝大多数都是很复杂的反应。即使是一种酶催化的一个反应，实际上也是很复杂的反应，由许多个简单反应组成，有正反应也有逆反应，有合成也有分解，有这条途径也有那条途径。各种反应的速率虽然都随温度升高而变快，但是变快的具体的数量关系又不相同。这许许多多简单反应的综合结果，是使得大多数酶催化反应的最佳温度在37℃左右。温度太高或太低都不利于这些酶催化反应（这当然是无数年代进化的结果）。这与我们上面所说的温度越高，反应速率越快并不矛盾。温度越高，反应速率越快只是对于简单反应（严格的术语是基元反应）而言的。