2025年高一上學(xué)期化學(xué)“空間科學(xué)與化學(xué)”科普測試一、從諾貝爾化學(xué)獎看空間材料的“分子建筑”2025年諾貝爾化學(xué)獎授予了三位科學(xué)家，他們共同發(fā)明的金屬有機(jī)框架材料（MOFs）被稱為“分子宮殿”。這種材料由金屬離子作為“建筑角點(diǎn)”，通過有機(jī)分子鏈條連接成三維立體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部布滿蜂窩狀的微小孔洞。想象一下，一個足球大小的MOFs材料展開后，其內(nèi)部表面積能鋪滿一個足球場——這種驚人的結(jié)構(gòu)特性，讓它成為空間探索的“化學(xué)多面手”。在國際空間站的空氣循環(huán)系統(tǒng)中，MOFs材料像微型海綿一樣吸附二氧化碳分子。每個金屬離子“角點(diǎn)”都帶有正電荷，能精準(zhǔn)捕捉帶有負(fù)電荷的二氧化碳，當(dāng)吸附達(dá)到飽和時，只需略微加熱就能釋放氣體并恢復(fù)吸附能力。這種循環(huán)利用的特性，解決了長期太空飛行中氣體凈化的難題。更神奇的是，某些MOFs材料能在零下270℃的極寒環(huán)境中保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，這為未來月球基地從月壤中提取氧氣提供了可能。中國科學(xué)家近期研發(fā)的柔性MOFs材料，在吸附甲烷時會像呼吸的肺葉一樣膨脹收縮。這種材料有望成為深空探測器的“燃料銀行”——當(dāng)探測器飛越木星時，其巨大的引力場會壓縮MOFs結(jié)構(gòu)，自動釋放甲烷燃料。這種不需要額外能源的“智能儲運(yùn)”方式，展現(xiàn)了化學(xué)設(shè)計(jì)的精妙之處。二、空間環(huán)境中的化學(xué)反應(yīng)奧秘太空中的極端環(huán)境，正在改寫我們對化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)知。在國際空間站的無容器材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜里，鎢合金被加熱到3100℃——這個溫度超過了太陽表面。在地面上，任何容器都會被如此高溫熔化，但在太空微重力環(huán)境下，電磁懸浮技術(shù)讓熔融金屬懸浮在真空中，形成完美的球形液滴。這種“無容器加工”技術(shù)，幫助科學(xué)家制造出純度達(dá)99.999%的半導(dǎo)體材料，其晶體結(jié)構(gòu)比地面產(chǎn)品整齊百倍。月球表面的化學(xué)現(xiàn)象則呈現(xiàn)出另一種極端。嫦娥六號帶回的月壤樣品顯示，月球夜間溫度驟降至-180℃時，二氧化硅會與金屬鐵發(fā)生“冷焊接”現(xiàn)象。這種在低溫下不需要任何粘合劑就能讓固體表面直接粘合的反應(yīng)，在地球上需要高溫高壓才能實(shí)現(xiàn)。科學(xué)家推測，這是因?yàn)樵虑蛘婵窄h(huán)境消除了分子間的空氣阻隔，使得原子能夠直接接觸并形成化學(xué)鍵。這一發(fā)現(xiàn)為開發(fā)新型焊接技術(shù)提供了靈感。更令人驚訝的是太陽風(fēng)與月球土壤的化學(xué)反應(yīng)。太陽噴射的高能粒子流撞擊月壤時，會將二氧化硅中的氧原子“撞”出來。我國科學(xué)家設(shè)計(jì)的“月球氧氣工廠”模擬裝置，通過聚焦太陽風(fēng)粒子束，已能從100克月壤中提取6克氧氣。這個過程就像用微觀的“錘子”敲碎二氧化硅分子，其效率相當(dāng)于地球上最好的制氧設(shè)備的3倍。三、深空探測中的化學(xué)保障系統(tǒng)載人登月任務(wù)中，宇航員的生存依賴于精密的化學(xué)平衡系統(tǒng)。中國載人航天工程研發(fā)的“水-氧循環(huán)裝置”，通過電解水產(chǎn)生氧氣，同時氫氣與呼出的二氧化碳在催化劑作用下生成水和甲烷。這個過程中使用的釕基催化劑，每克表面積相當(dāng)于50個籃球場，能高效加速化學(xué)反應(yīng)。在地面模擬實(shí)驗(yàn)中，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了90%的水循環(huán)利用率，僅需攜帶1噸水就能滿足3名宇航員在月球駐留180天的需求。火星探測則面臨更復(fù)雜的化學(xué)挑戰(zhàn)。天問三號火星車搭載的“火星資源利用系統(tǒng)”，需要應(yīng)對火星大氣96%的二氧化碳濃度。其核心裝置是一臺微型化學(xué)工廠：先將二氧化碳壓縮液化，然后在釕催化劑和太陽能加熱條件下分解為碳和氧氣。這個過程就像把二氧化碳“拆開重組”，每消耗100升火星大氣，可產(chǎn)生20升氧氣?？茖W(xué)家還發(fā)現(xiàn)，火星土壤中的高氯酸鹽雖然有毒，但在高溫分解時能釋放大量氧氣，這為未來火星基地提供了額外的“氧源”。在深空輻射防護(hù)方面，化學(xué)手段展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢。我國研發(fā)的硼基復(fù)合材料，其中的硼-10同位素能像“中子海綿”一樣吸收太空輻射中的中子。當(dāng)高能中子撞擊硼原子時，會發(fā)生核反應(yīng)生成氦和鋰，同時釋放的能量被材料內(nèi)部的納米氣泡吸收。這種“以化學(xué)反應(yīng)屏蔽輻射”的方式，比傳統(tǒng)重金屬防護(hù)盾減重60%，為長距離星際航行開辟了新路徑。四、地外資源利用的化學(xué)突破月球氦-3的開發(fā)利用，正在從科幻走向現(xiàn)實(shí)。這種在地球上罕見的同位素，在月球土壤中儲量達(dá)百萬噸級。當(dāng)氘與氦-3發(fā)生核聚變時，不會產(chǎn)生有害輻射，且1噸氦-3釋放的能量相當(dāng)于1000萬噸煤。我國科學(xué)家設(shè)計(jì)的“激光剝離法”，通過1064納米波長的激光照射月壤，能選擇性激發(fā)氦-3原子使其脫離土壤顆粒。這種方法的提取效率是傳統(tǒng)加熱法的8倍，且能耗降低60%。小行星采礦則面臨不同的化學(xué)挑戰(zhàn)。龍宮小行星探測器發(fā)現(xiàn)，某些碳質(zhì)小行星表面覆蓋著“宇宙膠水”——一種由甲醛聚合物形成的粘稠有機(jī)物質(zhì)。這種在太陽紫外線照射下自然合成的聚合物，含有豐富的氮、氧元素。日本科學(xué)家正在實(shí)驗(yàn)將其作為3D打印材料，未來宇航員可能直接利用小行星資源打印工具零件。更令人興奮的是，這些有機(jī)聚合物在水熱反應(yīng)中能生成氨基酸，這為地外生命起源研究提供了關(guān)鍵線索?；鹦巧系幕瘜W(xué)資源開發(fā)已進(jìn)入實(shí)用階段?；鹦谴髿庵械亩趸荚?56℃時會凝華為干冰，美國NASA的“火星制氧實(shí)驗(yàn)裝置”通過微波加熱干冰，再與火星土壤中的氧化鐵反應(yīng)生成氧氣。我國科學(xué)家則另辟蹊徑，利用微生物將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷。在模擬火星環(huán)境的實(shí)驗(yàn)艙中，藍(lán)細(xì)菌在光照條件下，每消耗1升二氧化碳可產(chǎn)生0.3升甲烷，這種“生物化學(xué)工廠”為未來火星基地提供了食物和燃料的雙重解決方案。五、空間化學(xué)研究的地球饋贈空間科學(xué)的化學(xué)發(fā)現(xiàn)，正在深刻改變我們的日常生活。從空間站植物栽培實(shí)驗(yàn)中發(fā)展出的“水培營養(yǎng)液配方”，已在我國干旱地區(qū)推廣應(yīng)用，使沙漠溫室的蔬菜產(chǎn)量提高40%。這種含有硝酸鈣和磷酸二氫鉀的精準(zhǔn)配比溶液，能在節(jié)水70%的情況下滿足植物生長需求。MOFs材料的地面應(yīng)用同樣令人矚目。在2025年杭州亞運(yùn)會場館的空氣凈化系統(tǒng)中，我國自主研發(fā)的MOFs材料每立方米可吸附98%的PM2.5顆粒。更神奇的是，當(dāng)材料吸附飽和后，只需暴露在陽光下就能自我清潔——這是受到空間站材料再生技術(shù)的啟發(fā)。在新疆塔克拉瑪干沙漠，安裝有MOFs材料的集水裝置每天可從空氣中提取200升淡水，其核心部件正是模擬了火星大氣取水技術(shù)。空間焊接技術(shù)的“反向創(chuàng)新”則催生了醫(yī)療領(lǐng)域的突破。借鑒月球土壤“冷焊接”原理開發(fā)的微創(chuàng)手術(shù)器械，能在人體組織內(nèi)實(shí)現(xiàn)金屬支架的無縫拼接。這種不需要高溫的焊接技術(shù)，大大降低了手術(shù)風(fēng)險。而從空間晶體生長技術(shù)衍生出的蛋白質(zhì)結(jié)晶方法，使抗癌藥物的研發(fā)周期縮短了一半，因?yàn)樵谖⒅亓Νh(huán)境下形成的蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)更加完整，便于科學(xué)家分析其分子構(gòu)造?；瘜W(xué)作為連接地球與宇宙的橋梁，正在空間科學(xué)的探索中展現(xiàn)出無限可能。當(dāng)我們在實(shí)驗(yàn)室里分析月球土壤的化學(xué)