高中鲁科版 (2019)第1章 化学反应与能量转化微项目 设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案——化学反应中能量及物质的转化利用学案

这是一份高中鲁科版 (2019)第1章 化学反应与能量转化微项目 设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案——化学反应中能量及物质的转化利用学案，共7页。

(一)尝试设计载人航天器用化学电池
航天器中经常使用的化学电池有镍镉电池、镍氢电池和氢氧燃料电池等。
[问题探讨]
1．氢氧燃料电池和镍镉电池、镍氢电池相比较有哪些优点？
提示：氢氧燃料电池具有单位质量输出电能较高、反应生成的水可作为航天员的饮用水、氧气可以作为备用氧源供给航天员呼吸等优点。
2．“阿波罗”飞船中使用的氢氧燃料电池部分结构的示意图如下：
(1)请写出该电池的电极反应式和电池反应。
提示：负极反应式：2H2＋4OH－－4e－===4H2O；正极反应式：O2＋2H2O＋4e－===4OH－；电池总反应式：2H2＋O2===2H2O。
(2)降低电池内阻可以提高电池的工作效率，从而增大电池单位质量输出的电能。电池内阻和离子导体的导电性等因素有关。例如在298 K时，无限稀释溶液中几种离子的无限稀释摩尔电导率(如下表所示)：
(摩尔电导率是指把含有1 ml电解质的溶液置于相距单位距离的电导池的两个平行电极之间时所具有的电导。摩尔电导率越大，溶液的导电性越好。)
根据以上材料分析，氢氧燃料电池选择哪些物质作为电解质(离子导体)较理想？
提示：H2SO4溶液或KOH溶液。
(3)已知铂、镍对燃料电池的反应具有催化作用。该氢氧燃料电池中如何选择电极材料？
提示：考虑到催化活性、稳定性、成本等因素，对于碱性环境一般选用碳载镍作为电极材料，而酸性环境则一般选用碳载铂作为电极材料。电极材料上留有孔洞，以使氢气、氧气和溶液接触进行反应。
(4)为了保持电池的工作效率，有效地利用电极反应产物，上图所示的电池还要解决哪些问题？
提示：以电解质溶液作为离子导体的氢氧燃料电池在使用时生成的水会稀释电解质溶液，碱性电解质溶液还会与二氧化碳反应，这些问题都会导致电池内阻增大，从而降低电池的工作效率。
(5)如果你是电池设计人员，你会提出哪些思路或方案来解决该电池存在的问题？
提示：在设计电池时，可以附设电解质溶液循环系统，这样既便于浓缩电解质溶液或补充电解质，又便于更换已污染的电解质溶液；也可以更换离子导体，如使用酸性电解质溶液作为离子导体，避免电解质与二氧化碳反应，或采用固体材料离子导体，避免电解质被生成的水稀释，同时将生成的水冷凝回收再利用。
3．如图所示的是一种培根型碱性氢氧燃料电池(图1，电池工作温度为200 ℃)和质子交换膜氢氧燃料电池(图2)部分结构示意图。质子交换膜是一种固体高分子材料，厚度仅有几十至几百微米，内部含有酸性基团，在水等极性溶剂存在时能电离出H＋，该膜允许H＋通过但不允许OH－通过。
(1)上述两种电池分别是如何解决电解质溶液稀释和变质这一问题的？
提示：根据图示可知，培根型碱性氢氧燃料电池主要通过外加循环设备的方式解决电解质溶液稀释和变质的问题。由于电池工作温度较高，生成的水主要以气态形式存在，水蒸气可以由气态反应物带出并在出口冷凝。电解质循环泵使燃料电池的电解质溶液不断浓缩、循环；如果电解质已变质，可以很方便地更换新溶液。质子交换膜氢氧燃料电池则通过使用质子交换膜作为离子导体，从根本上解决了电解质溶液的稀释和变质问题。
(2)若在上述两个电池中加装水蒸气冷凝装置回收生成的水，应该加装在什么位置？
提示：碱性环境中水在负极生成(2H2＋4OH－－4e－===4H2O)，而酸性环境中水在正极生成(O2＋4H＋＋4e－===2H2O)，因此培根型碱性氢氧燃料电池应在负极一侧的气体出口设置冷凝装置，而质子交换膜氢氧燃料电池生成的水则从正极一侧的流场板排出。
(二)尝试设计载人航天器的氧气再生方案
航天员每人每天大约需要消耗0.84 kg氧气。因载人航天器携带的物品有限，利用高压存储氧气、电解携带的水制备氧气等常规方法都难以满足长时间飞行时航天员对持续供氧的要求。
[问题探讨]
1．如何在载人航天器长时间飞行时为航天员持续提供氧气？
提示：载人航天器中的物质和能量资源都十分宝贵。在设计氧气的获取方案时，要尽可能地将人体代谢废物中的氧元素转化为氧气，从而保证氧元素的持续循环。例如可以设计氢气和氧气与水的循环利用。
2．请你根据已有知识思考：如何实现从人体代谢的废物(如水、二氧化碳)中获取氧气？并对你所设计的方案进行评价。
提示：可以利用反应2Na2O2＋2CO2===2Na2CO3＋O2和2Na2O2＋2H2O===4NaOH＋O2↑消耗代谢废物水和二氧化碳，同时提供氧气。但是Na2O2(s)性质活泼，储存困难且储存量受限制。
3．萨巴蒂尔(Sabatier)反应CO2＋4H2 eq \(=====,\s\up7(300～400 ℃),\s\d5(催化剂)) CH4＋2H2O可以将二氧化碳转化为甲烷和水，配合水的电解可以实现氧气的再生。该方法实现氧气再生的大体流程如图所示：
(1)该方法有何优点？
提示：该方法实现了载人航天器中氧气的再生，同时解决了人体代谢产生的二氧化碳的清除问题。
(2)已知反应：①H2(g)＋ eq \f(1,2) O2(g)===H2O(g)
ΔH＝－241.8 kJ·ml－1
②CH4(g)＋2O2(g)===2H2O(g)＋CO2(g)
ΔH＝－802.3 kJ·ml－1
③Na(s)＋ eq \f(1,2) O2(g)=== eq \f(1,2) Na2O2(s)
ΔH＝－510.9 kJ·ml－1
④C(s，石墨)＋O2(g)===CO2(g)
ΔH＝－393.5 kJ·ml－l
⑤2Na(s)＋C(s，石墨)＋ eq \f(3,2) O2(g)===Na2CO3(s)
ΔH＝－1 130.7 kJ·ml－1
试计算萨巴蒂尔反应的焓变。
提示：根据盖斯定律，由①×4－②可以得到CO2(g)＋4H2(g)===CH4(g)＋2H2O(g) ΔH＝4×(－241.8 kJ·ml－1)－(－802.3 kJ·ml－1)＝－164.9 kJ·ml－1。
(3)萨巴蒂尔反应在300～400 ℃时转化率较高，因此控制反应器内的温度非常重要。如何控制反应器内的温度？萨巴蒂尔反应有什么缺点？
提示：萨巴蒂尔反应是放热反应(ΔH