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可不可能存在一種高效催化劑在常溫下把水分解成氫氣和氧氣?

作者:訪客發布時間:2021-07-08分類:催化劑及助劑瀏覽:112


導讀:首先我必須說,這種催化劑的確存在,但需要增加一個題主沒有說的重要條件,在輸入能量的情況下。為啥需要增加輸入能量這個條件,因為化學反應和催化劑都必須服從能量守恒定律。圖示:常見...

首先我必須說,這種催化劑的確存在,但需要增加一個題主沒有說的重要條件,在輸入能量的情況下。為啥需要增加輸入能量這個條件,因為化學反應和催化劑都必須服從能量守恒定律。

可不可能存在一種高效催化劑在常溫下把水分解成氫氣和氧氣?

圖示:常見能量形式,及相互轉化。

可不可能存在一種高效催化劑在常溫下把水分解成氫氣和氧氣?

讓我們復習一下能量守恒定律(conservation of energy)。能量既不可能消失,也不可能憑空產生,它只會從一種能量轉變為另一種能量。

可不可能存在一種高效催化劑在常溫下把水分解成氫氣和氧氣?

我們知道,氫氣+氧氣 ——>水,是個劇烈的釋放能量的反應。

可不可能存在一種高效催化劑在常溫下把水分解成氫氣和氧氣?

由此可以反推水——>氫氣+氧氣,必然是一個需要大量消耗能量的反應。

題主的問題,顯然暗藏著某種希望,希望借助催化劑這種很神奇的物質,在不消耗能量的情況下,將水轉變為氫氣和氧氣,但這樣做就違背了能量守恒原則,要知道科學體系內部如果出現這種自相矛盾的情況,就意味著需要修改了。

而隨著對催化劑了解的加深,人們最終知道催化劑是無法撼動能量守恒定律的,相反它必須遵守能量守恒定律的規定。

讓我們了解一下神奇的催化劑。

比如,葡萄糖水+空氣 在常溫常壓下轉變為 二氧化碳和水,需要上千年的時間(這可以通過物理化學中的化學反應速度公式進行計算),但我們一天要吃三頓飯,沒聽說吃一頓飯可以管一千年的,在我們的身體中,每時每刻你都在消耗葡萄糖,把它轉變成二氧化碳和水,然后通過呼吸排出體外。

為什么催化劑擁有如此強大的加速化學反應的能力呢?

催化劑。催化劑是指反應前和反應后,質和量都保持不變,但能加速化學反應進行的物質。

強調反應前和反應后,是因為反應中,催化劑可以和反應物發生結合,產生中間產物,然后中間產物轉變回反應物或者生成最終產物。當然不是所有的催化劑都需要生成中間產物,比如表面催化劑啥的,它只是提供了一個表面,讓分子有更大概率彼此接觸。

但催化劑與反應物結合,這在生物催化劑蛋白質催化化學反應中表現得最為突出。

圖示:蔗糖分裂為葡萄糖和果糖的反應是由蔗糖酶所催化的。蔗糖酶與蔗糖結合,形成酶-底物中間復合物,然后蔗糖這個二糖的化學鍵(糖苷鍵)在蔗糖酶的幫助下迅速斷裂,于是蔗糖飛快的變成葡萄糖和果糖。

但無論如何,反應完之后,催化劑本身的質和量不變,就是說其能量狀態保持不變,它既不會從反應中吸能,也不會對反應放能。

而對于化學反應來說,只有那些沒有巨大能量逆差的反應,可以自發進行,否則就必須輸入能量,克服能差。這就像水只能自發地自動地往重力勢能低的地方流動,無法往重力勢能高的地方自發流動,除非從外界給它輸入能量,克服能差。

而催化劑只能加速那些能自發進行的反應,或者輸入能量后,從不能自發進行變成能自發進行的反應。

葉綠素利用太陽光的能量,高效催化水的分解,這被稱為光合作用。

光合作用的整體反應相當復雜,并且在這個過程中并沒有氫氣的產生,它產生的是氧氣和氫原子,氫原子被利用來將二氧化碳轉變成葡萄糖,當然這個過程同樣復雜。但如果拋開繁瑣的中間細節,只抓住宏觀變化,那么光合作用可以寫成,如下這個化學反應。

二氧化碳+水+太陽光 ——>氧氣+葡萄糖

這個反應由葉綠素催化,是今天地球生態圈最重要的一個反應,是人類最熟悉并賴以為生的生態圈的基石,在我們這樣的生命體中,這個化學反應倒轉。

氧氣+葡萄糖 ——>二氧化碳+水+能量(維持生命活動的能量)

所以,從這一點上看,我們都依賴太陽的能量而生存。

標簽:氫氣常溫催化劑


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