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?

藍藍藍藍龍葵


現在主要通過電解水分解水產生氫氣和氧氣,實在常溫下,但是非常的耗能,產量也不高,科學家已經研製出催化劑可以加速電解水。

催化劑是改變化學反應速度的物質,並不是直接就和水反應只產生氫氣和氧氣,問題是否對催化劑理解不夠準確?


二次元肥宅貓


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恆定律。

圖示:常見能量形式,及相互轉化。


讓我們複習一下能量守恆定律(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。

我們知道,氫氣+氧氣 ——>水,是個劇烈的釋放能量的反應。

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,希望藉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恆原則,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。


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


讓我們瞭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,然後通過呼吸排出體外。

為什麼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後,質和量都保持不變,但能加速化學反應進行的物質。

強調反應前和反應後,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,然後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-底物中間複合物,然後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,於是蔗糖飛快的變成葡萄糖和果糖。


但無論如何,反應完之後,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。


而對於化學反應來說,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,或者輸入能量後,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複雜,並且在這個過程中並沒有氫氣的產生,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,當然這個過程同樣複雜。但如果拋開繁瑣的中間細節,只抓住宏觀變化,那麼光合作用可以寫成,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,是人類最熟悉並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。


三思逍遙


這個反應需要吸收大量的能量,就算有催化劑也必須要給這個反應提供能量,個人認為太陽光是首選,催化劑加光照條件。如果真發現這麼一種催化劑,對世界格局和人類史都是最具代表性的里程碑之一!就像地球有了初代造血幹細胞,能不斷的給地球造血。



小小少年181003221


催化劑是改變化學反應速度的媒體,自身不參加反應。水的結構是H2o,由於存在氫鍵,結合能很高,所以要分解水是非常耗能的。至於有沒有催化劑改變這個反應,面前為止沒有,以後也許會有。


分享到:


相關文章: