可不可能存在一种高效催化剂在常温下把水分解成氢气和氧气?

蓝蓝蓝蓝龙葵


现在主要通过电解水分解水产生氢气和氧气,实在常温下,但是非常的耗能,产量也不高,科学家已经研制出催化剂可以加速电解水。

催化剂是改变化学反应速度的物质,并不是直接就和水反应只产生氢气和氧气,问题是否对催化剂理解不够准确?


二次元肥宅猫


首先我必须说,这种催化剂的确存在,但需要增加一个题主没有说的重要条件,在输入能量的情况下。

为啥需要增加输入能量这个条件,因为化学反应和催化剂都必须服从能量守恒定律。

图示:常见能量形式,及相互转化。


让我们复习一下能量守恒定律(conservation of energy)。

能量既不可能消失,也不可能凭空产生,它只会从一种能量转变为另一种能量。

我们知道,氢气+氧气 ——>水,是个剧烈的释放能量的反应。

由此可以反推水——>氢气+氧气,必然是一个需要大量消耗能量的反应。


题主的问题,显然暗藏着某种希望,希望借助催化剂这种很神奇的物质,在不消耗能量的情况下,将水转变为氢气和氧气,但这样做就违背了能量守恒原则,要知道科学体系内部如果出现这种自相矛盾的情况,就意味着需要修改了。


而随着对催化剂了解的加深,人们最终知道催化剂是无法撼动能量守恒定律的,相反它必须遵守能量守恒定律的规定。


让我们了解一下神奇的催化剂。

比如,葡萄糖水+空气 在常温常压下转变为 二氧化碳和水,需要上千年的时间(这可以通过物理化学中的化学反应速度公式进行计算),但我们一天要吃三顿饭,没听说吃一顿饭可以管一千年的,在我们的身体中,每时每刻你都在消耗葡萄糖,把它转变成二氧化碳和水,然后通过呼吸排出体外。

为什么催化剂拥有如此强大的加速化学反应的能力呢?


催化剂。

催化剂是指反应前和反应后,质和量都保持不变,但能加速化学反应进行的物质。

强调反应前和反应后,是因为反应中,催化剂可以和反应物发生结合,产生中间产物,然后中间产物转变回反应物或者生成最终产物。当然不是所有的催化剂都需要生成中间产物,比如表面催化剂啥的,它只是提供了一个表面,让分子有更大概率彼此接触。


但催化剂与反应物结合,这在生物催化剂蛋白质催化化学反应中表现得最为突出。

图示:蔗糖分裂为葡萄糖和果糖的反应是由蔗糖酶所催化的。蔗糖酶与蔗糖结合,形成酶-底物中间复合物,然后蔗糖这个二糖的化学键(糖苷键)在蔗糖酶的帮助下迅速断裂,于是蔗糖飞快的变成葡萄糖和果糖。


但无论如何,反应完之后,催化剂本身的质和量不变,就是说其能量状态保持不变,它既不会从反应中吸能,也不会对反应放能。


而对于化学反应来说,只有那些没有巨大能量逆差的反应,可以自发进行,否则就必须输入能量,克服能差。这就像水只能自发地自动地往重力势能低的地方流动,无法往重力势能高的地方自发流动,除非从外界给它输入能量,克服能差。


而催化剂只能加速那些能自发进行的反应,或者输入能量后,从不能自发进行变成能自发进行的反应。


叶绿素利用太阳光的能量,高效催化水的分解,这被称为光合作用。

光合作用的整体反应相当复杂,并且在这个过程中并没有氢气的产生,它产生的是氧气和氢原子,氢原子被利用来将二氧化碳转变成葡萄糖,当然这个过程同样复杂。但如果抛开繁琐的中间细节,只抓住宏观变化,那么光合作用可以写成,如下这个化学反应。


二氧化碳+水+太阳光 ——>氧气+葡萄糖

这个反应由叶绿素催化,是今天地球生态圈最重要的一个反应,是人类最熟悉并赖以为生的生态圈的基石,在我们这样的生命体中,这个化学反应倒转。

氧气+葡萄糖 ——>二氧化碳+水+能量(维持生命活动的能量)

所以,从这一点上看,我们都依赖太阳的能量而生存。


三思逍遥


这个反应需要吸收大量的能量,就算有催化剂也必须要给这个反应提供能量,个人认为太阳光是首选,催化剂加光照条件。如果真发现这么一种催化剂,对世界格局和人类史都是最具代表性的里程碑之一!就像地球有了初代造血干细胞,能不断的给地球造血。



小小少年181003221


催化剂是改变化学反应速度的媒体,自身不参加反应。水的结构是H2o,由于存在氢键,结合能很高,所以要分解水是非常耗能的。至于有没有催化剂改变这个反应,面前为止没有,以后也许会有。


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