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催化大师

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[交流] Nature Chemistry: 水在极端条件下可当爆炸催化剂

据美国科学日报报道，科学家最新研究显示，水作为地球上最常见的物质在某些极端情况下，会表现出一些与众不同的化学属性，它们甚至可以充当爆炸催化剂。在数千摄氏度和10万大气压环境下，由水分解产生的氧分子和氢分子可促进形成烈性爆炸，这一环境非常类似于一些大型行星的内部条件。

美国劳伦斯－利弗摩尔国家实验室的科学家指出，水处在高密度环境下，在催化复杂爆炸反应中具有意想不到的作用。水可以加速爆炸的化学反应，而且不在该反应中自消耗。通常铂和酶是常用的爆炸催化剂，但人们都很难相信水会成为一种爆炸催化剂。

虽然纯净水在高压和高温条件下的性质研究已进行了许多年，但是将水在以上极端爆炸反应环境下作为催化剂却从未进行过。科学家使用原子论的第一原理模拟烈性炸药季戊四醇四硝酸酯（PentaErythritol TetraNitrate，简称PETN）的爆炸过程，研究小组发现水在该环境下分解后，氢离子可作为还原剂，氢氧化物（OH）可作为氧化剂，水分解形成的这些离子具有很强的“活性”，可以在爆炸反应中心之间传输氧分子。

负责这项研究的克里斯廷－吴（Christine Wu）说：“这对于我们来说是一则重大新闻，这意味着水可以在其他类型的爆炸和行星内部起到催化作用。”这项最新研究还推翻了人们长期以来的观点——水仅仅是熄灭爆炸物品的物质。

克里斯廷说：“在极端的状况下，由于水常见的分解性，它将起到特殊的化学性质。在行星的内部环境下，水分解时氢分子的移动速度会更快。”她和同事们在实验室里使用IBM“深蓝基因L”超级计算机对水分子分解进行了动态模拟，他们发现在季戊四醇四硝酸酯爆炸状态下（温度在2700-3900摄氏度），水分子的氢离子和氢氧化物（OH）离子将向从氮存储物传输氧至碳燃料，最终这种“极端水分子”将扮演着至关重要的化学催化剂。

据悉，像季戊四醇四硝酸酯这样由碳、氮、氧和氢原子构成的烈性炸药，爆炸后将主要形成3种气体产物：水、二氧化碳和氮气。该研究小组发现氮分子失去氧分子后主要形成氢，而不是碳，甚至在水分子浓缩达到均衡也是如此。他们还发现碳原子主要从氢氧化物中捕捉氧分子，而不是直接从一氧化氮（NO）或二氧化氮（NO2）。在反应中水并不是自消耗性，其间水频繁地分离成氢和氢氧化物，然后再组合成为水分子。

克里斯廷说：“这项研究中显现出水的部分能量释放功能，水分子的这种催化机制完全不同于之前在季戊四醇四硝酸酯或类似的爆炸物实验中的分解状况，在之前的实验中水仅是作为爆炸后的产物存在。这项最新的发现暗示着科学家应当对天王星和海王星内部结构中的水分子进行重新认识。”这项研究报告发表在2009年4月刊的《自然—化学》（Nature Chemistry）。

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