选择性必修1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

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

项目活动·学科探究

项目活动1 尝试设计载人航天器用化学电池

微知识

1.载人航天器中的化学电池的特点：安全、可靠,并且需要电池①      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：②      镍镉电池     、③      镍氢电池     、④      氢氧燃料电池     等。

3.氢氧燃料电池的优势

（1）单位质量输出电能较高;

（2）反应生成的水可作为航天员的⑤      饮用水     ;

（3）⑥     氧气     可作备用氧源供给航天员呼吸等。

微探究

1.“阿波罗”飞船的主电源是以 溶液为离子导体的碱性氢氧燃料电池。该电池的工作原理如图所示：

（1）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？

（2）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 的存在对电池有什么影响？

答案：（1）根据电池反应： ,可知电解质溶液浓度降低,会使该电池的工作效率也降低。

（2） 会与 溶液反应,使电解质变质,从而影响电池的工作效率。

2.培根型碱性氢氧燃料电池和质子交换膜氢氧燃料电池的示意图如下。

（1）培根型碱性燃料电池中“循环泵”的作用是什么？

（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？

（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。

答案：（1）①分离反应产生的 ,浓缩 溶液;②电解质溶液变质时方便更换电解质溶液。

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

（3）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。

微点拨

1.“阿波罗”飞船燃料电池的工作原理

（1）“阿波罗”飞船燃料电池（离子导体为 溶液）的电极反应为：

负极:

正极: 。

（2）“阿波罗”登月飞船一代燃料电池(离子导体为 溶液)的电极反应为：

负极:

正极: 。

2.“神舟”飞船中镍镉碱性蓄电池反应原理

（1）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,镍镉电池的电极反应为：

负极：

正极： 。

（2）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：

正极： 。

微训练

1.(2021山东日照一中月考)镉镍可充电电池的充、放电反应原理如下： 。下列说法错误的是(     )

A.放电时, 作为负极

B.放电时, 作为负极

C.电解质溶液为碱性溶液

D.放电时,负极反应为

答案：

解析：镉镍电池放电时, 作为负极,电极反应为 , 作为正极,电解质溶液为碱性溶液,B项错误。

2.一种突破传统电池设计理念的镁—锑液态金属储能电池工作原理如图所示,该电池所用液体密度不同,在重力作用下分为三层,工作时中间层熔融盐的组成及浓度不变。该电池工作一段时间后,可由太阳能电池充电。下列说法不正确的是(     )

A.放电时, 层的质量减小

B.放电时,正极反应为

C.该电池充电时, 层发生还原反应

D.该电池充电时, 向中层和下层分界面处移动

答案： 

解析：放电时,负极 失电子生成 ,则 层的质量减小,A项正确;正极 得电子生成 ,则放电时正极反应为 项正确;该电池充电时, 层为阳极,阳极发生失电子的氧化反应,C项错误;该电池充电时,阴离子向阳极移动,即 向中层和下层分界面处移动,D项正确。

项目活动2  尝试设计载人航天器的氧气再生方案

微知识

1.计算萨巴蒂尔反应的焓变

已知：

则萨巴蒂尔反应 的焓变  ①    。

2.利用萨巴蒂尔反应再生氧气的大体流程

3.萨巴蒂尔反应的缺陷是有 的氢元素存在于⑤      甲烷     中而没有得到利用。

微探究

1.研究载人航天器氧气再生方法的原因是什么？

答案：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 中获取

答案： 提示

3.萨巴蒂尔反应如何控制反应器内的温度？

答案：提示为控制反应温度,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。

微点拨

1.探究载人航天器电源配置与氧气再生的一般思路

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：符合绿色化学原理,原子利用率达到 。

微训练

1.(2021山东日照高二月考)为了实现空间站的零排放,循环利用人体呼出的 来提供 ,我国科学家设计了如图装置。反应后,电解质溶液的 保持不变。下列说法正确的是(      )

A.图中 型半导体为正极, 型半导体为负极

B. 电极的反应:

C.图中离子交换膜为阳离子交换膜

D.该装置实现了“太阳能→化学能→电能”的转化

答案：

解析：根据题图中电荷移动的方向可知, 型半导体为负极, 型半导体为正极,A项错误; 电极连接电源的正极,作为阳极,根据电解原理,电极反应为 项正确;反应后,电解质溶液的 保持不变,离子交换膜应为阴离子交换膜,C项错误;题给装置实现了“太阳能→电能→化学能”的转化,D项错误。

2.一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意如图。下列有关该电池的说法正确的是(     )

A.反应 ,每消耗 转移 电子

B.电极 上发生的电极反应:

C.电池工作时, 向电极 移动

D.电极 上 参与的电极反应:

答案：

解析：发生反应 时,碳元素化合价由-4价升高到+2价,氢元素化合价由+1价降低到0价,每消耗 转移 电子,A项错误;电极B为正极,氧气得电子生成 电极反应为 项正确;电池工作时, 向负极移动,即向电极A移动,C项错误;负极反应为 项错误。

评价检测·素养提升

1.已知：

①

②氢气燃烧的能量变化示意图：

下列说法正确的是(     )

A. 完全燃烧放出 的热量

B.

C.

D.欲分解 ,至少需要提供 的热量

答案： 

解析： 燃烧生成 气体时放出 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② ,故 ,B项错误;

根据盖斯定律由 可得目标热化学方程式： ,C项正确;

由题图中信息可知,分解 至少需要提供 的热量,而分解 需要提供的热量更多,D项错误。

2.(2021河北邢台高二月考)将二氧化碳转化为燃料是目前的研究热点,曾报道的一种将 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, 向 极移动, 极周围溶液的 增大

C. 极上得到 的电极反应式为

D.若 极生成 和 ,电路中通过 电子

答案： 

解析：由题图可知,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;由题图可知, 为阴极、 为阳极,氢离子通过质子交换膜向阴极( 极)区移动,阳极( 极)发生氧化反应： ,所以 极周围溶液的 减小,故B错误; 极(阴极)上发生还原反应生成 的电极反应式为 故C错误; 生成 生成 , 元素化合价都是由+4价降低到-2价,所以若 极生成 和 ,电路中通过的电子为 ,故D正确。

3.为循环利用人体呼出的 并提供氧气,我国科学家设计了一种装置(如图所示),实现“太阳能→电能→化学能”的转化,总反应为 ,下列有关说法不正确的是(     )

A.该装置属于电解池

B. 极发生氧化反应, 极发生还原反应

C.人体呼出的水蒸气参与 极反应

D. 极每产生标准状况下 气体,有 的 从 极移向 极

答案：

解析：题给装置实现了“太阳能→电能→化学能”的转化,将电能转化为化学能的装置为电解池,A项正确;根据题图中电子的流向 可知, 极为阳极,失电子发生氧化反应, 为阴极,得电子发生还原反应,B项正确; 为阴极,根据总反应可知,阴极为 得电子生成 ,电极反应为 项正确; 极为阳极, 放电生成氧气,电极反应为 ,生成 ,阳极有 放电,根据溶液呈电中性可知,会有 从 极透过阴离子交换膜移向 极,使溶液保持电中性,D项错误。

4.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：

B.放电时,负极的电极反应式：

C.放电时, 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

答案： 

解析：由题图可知,开关接用电器时为原电池,根据电子流向可知,碳电极为负极,镍电极为正极。充电时,镍电极为阳极,发生氧化反应,电极反应式为 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 项正确;放电时为原电池,电解质溶液中阴离子向负极移动,所以 移向碳电极,C项错误;该电池充电时,碳电极得电子发生还原反应,所以碳电极作阴极,与外电源的负极相连,D项错误。

5.氨氧燃料电池具有很大的发展潜力。氨氧燃料电池工作原理如图所示。

（1） 电极的电极反应式为  。

（2）为了使碱溶液浓度不变,一段时间后,需向装置中补充 ,请依据反应原理解释原因:  。

答案：（1） 

（2）电池总反应为 ,有水生成,使溶液逐渐变稀,所以要补充

解析： （1） 电极是通入 的电极, 失去电子发生氧化反应,所以该电极为负极,电极反应式为 。

6.某飞船的电源系统共有3种,分别是太阳能电池帆板、镉镍蓄电池和应急电池。

（1）飞船在光照区运行时,太阳能电池帆板将  能转化为  能,除供给飞船使用外,多余部分用镉镍蓄电池储存起来。其工作原理为 。充电时,阳极的电极反应式为  ;当飞船运行到阴影区时,镉镍蓄电池开始为飞船供电,此时负极附近溶液的碱性  (填“增强”“减弱”或“不变”)。

（2）紧急状况下,应急电池会自动启动,工作原理为 其负极的电极反应式为  。

（3）若用上述应急电池电解 含有 和 的混合溶液(电极均为惰性电极),当消耗 锌时,阳极产生的气体为  (填化学式)。

答案：（1）太阳 ; 电;     ; 减弱 （2）  （3）

解析：（1）阳极失电子,发生氧化反应, 为阳极;放电时负极反应为 ,故溶液碱性减弱。

（3）消耗 转移电子为 ,根据放电顺序,阳极上 先放电生成 ,失去 电子,然后 失去 电子,生成 。