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(fā)布時間:2021-07-08分類:催化劑及助劑瀏覽:129
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(xué)反應(yīng)和催化劑都必須服從能量守恒定律。
圖示:常見能量形式,及相互轉(zhuǎn)化。
讓我們復(fù)習(xí)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(chǎn)生,它只會從一種能量轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N能量。
我們知道,氫氣+氧氣 ——>水,是個劇烈的釋放能量的反應(yīng)。
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(yīng)。
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(zhì),在不消耗能量的情況下,將水轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃夂脱鯕?,但這樣做就違背了能量守恒原則,要知道科學(xué)體系內(nèi)部如果出現(xiàn)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(guī)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(zhuǎn)變?yōu)?二氧化碳和水,需要上千年的時間(這可以通過物理化學(xué)中的化學(xué)反應(yīng)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(zhuǎn)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(xué)反應(yīng)的能力呢?
催化劑。催化劑是指反應(yīng)前和反應(yīng)后,質(zhì)和量都保持不變,但能加速化學(xué)反應(yīng)進行的物質(zhì)。
強調(diào)反應(yīng)前和反應(yīng)后,是因為反應(yīng)中,催化劑可以和反應(yīng)物發(fā)生結(jié)合,產(chǎn)生中間產(chǎn)物,然后中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)變回反應(yīng)物或者生成最終產(chǎn)物。當然不是所有的催化劑都需要生成中間產(chǎn)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(yīng)物結(jié)合,這在生物催化劑蛋白質(zhì)催化化學(xué)反應(yīng)中表現(xiàn)得最為突出。
圖示:蔗糖分裂為葡萄糖和果糖的反應(yīng)是由蔗糖酶所催化的。蔗糖酶與蔗糖結(jié)合,形成酶-底物中間復(fù)合物,然后蔗糖這個二糖的化學(xué)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(yīng)完之后,催化劑本身的質(zhì)和量不變,就是說其能量狀態(tài)保持不變,它既不會從反應(yīng)中吸能,也不會對反應(yīng)放能。
而對于化學(xué)反應(yīng)來說,只有那些沒有巨大能量逆差的反應(yīng),可以自發(fā)進行,否則就必須輸入能量,克服能差。這就像水只能自發(fā)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(fā)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(fā)進行的反應(yīng),或者輸入能量后,從不能自發(fā)進行變成能自發(fā)進行的反應(yīng)。
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(yīng)相當復(fù)雜,并且在這個過程中并沒有氫氣的產(chǎn)生,它產(chǎn)生的是氧氣和氫原子,氫原子被利用來將二氧化碳轉(zhuǎn)變成葡萄糖,當然這個過程同樣復(fù)雜。但如果拋開繁瑣的中間細節(jié),只抓住宏觀變化,那么光合作用可以寫成,如下這個化學(xué)反應(yīng)。
二氧化碳+水+太陽光 ——>氧氣+葡萄糖
這個反應(yīng)由葉綠素催化,是今天地球生態(tài)圈最重要的一個反應(yīng),是人類最熟悉并賴以為生的生態(tài)圈的基石,在我們這樣的生命體中,這個化學(xué)反應(yīng)倒轉(zhuǎn)。
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。
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