高中化学鲁科版 (2019)选择性必修1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导学案

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

通过探究载人航天器用化学电池与氧气再生方案，尝试利用原电池原理及焓变、盖斯定律等知识，分析、评价真实环境下化学反应中的能量转化与物质转化问题，并形成电源选择和氧气再生的基本思路。

通过分析载人航天器上的电源，了解真实化学电池的工作原理与装置结构，并形成分析化学电池的一般思路。

通过本项目的学习，感受化学知识在解决实际问题中的应用价值。

[必备知识]

1．载人航天器中的化学电池的特点：安全、可靠，并且需要单位质量输出的电能较高。

2．载人航天器中常用化学电池的种类：镍镉电池、镍氢电池、氢氧燃料电池等。

3．氢氧燃料电池的优势

(1)具有单位质量输出电能较高；

(2)运输成本低；

(3)反应生成的水可作饮用水；

(4)氧气可作备用氧源供给呼吸等。

项目活动1　尝试设计载人航天器用化学电池

[探究任务1]　载人飞船氢氧燃料电池使用存在的问题及解决思路。

“阿波罗”飞船的主电源是以KOH溶液为离子导体的碱性氢氧燃料电池。

[思考]　

1．根据所学电化学知识画出该电池的工作原理示意图。

提示：

2．氢氧燃料电池的反应产物对该电池的工作效率有什么影响？

提示：根据电池反应：2H2＋O2===2H2O，可知电解质溶液浓度降低，会使该电池的工作效率也降低。

3．该电池使用的氧气常用空气制备，由于制备工艺问题会使氧气中混有微量CO2，CO2的存在对电池有什么影响？

提示：CO2能与KOH溶液反应，使电解质变质，从而影响电池的工作效率。

4．如果你是电池设计员，针对(2)、(3)问出现的问题，你会提出哪些思路或方案来解决？

提示：要解决以上问题，在设计电池时，可以附设电解质溶液循环系统，既为浓缩电解质溶液或补充电解质，也为方便更换被污染的电解质溶液；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；等等。

[探究任务2]　对培根型碱性氢氧燃料电池和质子交换膜氢氧燃料电池解决电池使用中存在的问题的认知。

一种培根型碱性氢氧燃料电池部分结构示意图

(电池工作温度为200 ℃)

质子交换膜氢氧燃料电池部分结构示意图

[思考]　

1．培根型碱性燃料电池中“循环泵”的作用是什么？

提示：①分离反应产生的H2O，浓缩KOH溶液。

②电解质溶液变质时更换电解质溶液。

2．若在上述两电池中加冷凝水接收装置，应该加在什么位置？

提示：培根型电池应加在负极(H2)一侧的气体出口处；质子交换膜电池应加在正极(O2)一侧的流场板气体出口处。

3．试分析评价两种电池解决电解质溶液稀释和变质问题的方案。

提示：通过分析可知，培根型碱性氢氧燃料电池主要通过外加循环设备解决电解质溶液稀释和变质问题，质子交换膜氢氧燃料电池则通过改变离子导体使问题从根本上得以解决。

[探究任务3]　“神舟”飞船中的太阳能电池阵－镍镉蓄电池组系统的工作原理。

当飞船进入光照区时，太阳能电池为用电设备供电，同时为镍镉电池充电，电极反应为：

负极　Cd(OH)2＋2e－===Cd＋2OH－

正极　2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiOOH＋2H2O

NiOOH常称氢氧化氧镍或碱式氧化镍，其中Ni为＋3价。

当飞船进入阴影区时，由镍镉电池提供电能，电极反应为：

负极　Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2

正极　2NiOOH＋2H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－

项目活动2　尝试设计载人航天器的氧气再生方案

[思考]

1．研究载人航天器氧气再生方法的原因是什么？

提示：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来获得氧气都难以满足长时间飞行对持续供氧的要求。

2．如何从人体代谢的废物(如CO2、H2O)中获取O2?

提示：2H2O＋2Na2O2===4NaOH＋O2↑

2CO2＋2Na2O2===2Na2CO3＋O2

2H2O2H2↑＋O2↑

3．萨巴蒂尔反应是放热反应还是吸热反应？应如何控制反应器内的温度？

已知：①H2(g)＋O2(g)===H2O(g)　ΔH1＝－241.8 kJ·mol－1；②CH4(g)＋2O2(g)===2H2O(g)＋CO2(g)　ΔH2＝－802.3 kJ·mol－1；③萨巴蒂尔反应为：

利用萨巴蒂尔反应的氧气再生方法

提示：根据盖斯定律，①×4－②得：

CO2(g)＋4H2(g)===CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－164.9 kJ·mol－1，故萨巴蒂尔反应为放热反应。为控制反应温度，一般将进入反应器的气体提前加热至反应温度。同时，反应器配有冷却装置，以便及时将过多的反应热传走。冷却装置传走的热量，以及从反应器出来的气体带走的热量还可以继续利用。

1．探究载人航天器电源配置与氧气再生的一般思路

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2．载人航天器中能量转化形式

3．根据载人航天器的限定条件，物质转化最理想的方式应符合的条件：应符合绿色化学原理，原子利用率达到100%。

1．已知：

①2C(s)＋O2(g)===2CO(g)　ΔH＝－220 kJ·mol－1

②氢气燃烧的能量变化示意图：

下列说法正确的是(　　)

A．1 mol C(s)完全燃烧放出110 kJ的热量

B．H2(g)＋O2(g)===H2O(g)　 ΔH＝－480 kJ·mol－1　

C．C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)

 ΔH＝＋130 kJ·mol－1

D．欲分解2 mol H2O(l)，至少需要提供4×462 kJ的热量

C　[1 mol C(s)燃烧生成CO气体时放出110 kJ热量，此时不是完全燃烧，A项错误；根据氢气燃烧的能量变化示意图，可得热化学方程式②2H2(g)＋O2(g)===2H2O(g)　ΔH＝2×436 kJ·mol－1＋496 kJ·mol－1－4×462 kJ·mol－1＝－480 kJ·mol－1，故H2(g)＋O2(g)===H2O(g)　ΔH＝－240 kJ·mol－1，B项错误；根据盖斯定律由×(①—②)可得目标热化学方程式：C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)　ΔH＝＋130 kJ·mol－1，C项正确；由图中信息可知，分解2 mol H2O(g)至少需要提供4×462 kJ的热量，而分解2 mol H2O(l)需要提供的热量更多，D项错误。]

2．将二氧化碳转化为燃料是目前的研究热点，《科学》杂志曾报道的一种将CO2转化为烃和醇的装置如图所示。下列说法正确的是 (　　)

A．图中能量转化的方式只有1种

B．装置工作时，H＋向X极移动，Y极周围溶液的pH增大

C．X极上得到CH3OH的电极反应式为2CO2＋4H2O＋12e－===2CH3OH＋3O2

D．若X极生成1 mol C2H4和1 mol  CH3OH，电路中通过18 mol电子

D　[由图可知，存在太阳能转化为电能，电能转化为化学能的转化方式，故A错误；如图所示，X为阴极、Y为阳极，氢离子通过质子交换膜向阴极(X极)区移动，阳极(Y极)发生氧化反应：6H2O－12e－===12H＋＋3O2↑，所以Y极周围溶液的pH减小，故B错误；X极(阴极)上发生还原反应生成CH3OH的电极反应式为CO2＋6H＋＋6e－===CH3OH＋H2O，故C错误；2 mol CO2生成1 mol C2H4,1 mol CO2生成1 mol CH3OH，C元素化合价都是由＋4价降低为－2价，所以若X极生成1 mol C2H4和1 mol CH3OH，电路中通过的电子为3×[4－(－2)]mol＝18 mol，故D正确。]

3．用吸附了氢气的碳纳米管等材料制作的二次电池的原理如图所示。下列说法中正确的是(　　)

A．充电时，阴极的电极反应式：Ni(OH)2＋OH－－e－===NiOOH＋H2O

B．放电时，负极的电极反应式：H2－2e－＋2OH－===2H2O

C．放电时，OH－移向镍电极

D．充电时，将电池的碳电极与外电源的正极相连

B　[接用电器时为原电池，电池放电，根据电子流向可知，碳电极为负极，镍电极为正极。充电时，阳极发生氧化反应，镍电极为阳极，电极反应式为Ni(OH)2＋OH－－e－===NiOOH＋H2O，A项错误；放电时，负极上氢气失电子发生氧化反应，电极反应式为H2－2e－＋2OH－===2H2O，B项正确；放电时，该电池为原电池，电解质溶液中阴离子向负极移动，所以OH－移向碳电极，C项错误；该电池充电时，碳电极附近物质要恢复原状，则应该得电子发生还原反应，所以碳电极作阴极，与电源的负极相连，D项错误。]

一、化学反应的热效应

[答案]　①＞　②＜　③＜　④＞　⑤kJ·mol－1或J·mol－1　⑥ΔH1＋ΔH2＋ΔH3　⑦聚集状态　⑧整数或分数　⑨符号和单位

二、电化学基础

[答案]　①活泼性不同　②电解质溶液　③还原反应　④相连的两个电极　⑤电解质溶液　⑥氧化反应　⑦还原反应　⑧化学　⑨电化学　⑩析氢　⑪吸氧　⑫牺牲阳极　⑬外加电流