新教材2023年高中化学第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导学案鲁科版选择性必修1

化学反应中能量及物质的转化利用

项目活动1　尝试设计载人航天器用化学电池

1．“阿波罗”飞船中使用的氢氧燃料电池部分结构示意图如图所示。

问题：(1)通O2的一极为________极。

(2)当A为KOH时B为Ni，(说明：Ni、Pt对2H2＋O2===2H2O有催化作用)通H2一极的电极反应为______________________________。

(3)当A为H2SO4时B为Pt，通O2一极的电极反应为________________；为什么B不能是Ni呢？

(4)随H2、O2的通入，电解质溶液的浓度理论上是减小，而实际上是增大，为什么？电解质溶液的浓度增大，不能使电流稳定，应怎样处理呢？

答案　(1)正

(2)H2－2e－＋2OH－===2H2O

(3)O2＋4e－＋4H＋===2H2O

因为Ni能与H＋反应生成Ni2＋和H2，故若A为H2SO4时，电极不能用多孔碳载Ni。

(4)电池工作时，温度较高，会使H2O以气态的形式随未反应的H2、O2跑出。因此使电解质溶液的浓度增大，可在电池上加装水蒸气冷凝装置回收生成的水解决电解质溶液稀释问题。

2．我国“神舟”飞船的轨道舱和推进舱使用的电源系统为太阳能电池阵－镍镉蓄电池组系统，当飞船进入阴影区时，由镍镉电池提供电能，当飞船进入光照区时由砷化镓太阳能电池为用电设备供电并给镍镉电池充电。

问题：目前常用的镍(Ni)镉(Cd)电池，其电池总反应可表示为：

2Ni(OH)2＋Cd(OH)2Cd＋2NiOOH＋2H2O

已知Ni(OH)2和Cd(OH)2均难溶于水，但能溶于酸，以下说法不正确的是________(填序号)。

A．电池放电时，Cd做负极 B．反应环境为碱性

C．以上反应是可逆反应 D．该电池是一种二次电池

答案　C

解析　装置放电时为原电池，放电过程中，Cd发生失电子的氧化反应，故Cd作负极，A正确；由Ni(OH)2和Cd(OH)2均难溶于水，但能溶于酸可知，电解质溶液应为碱性溶液，B正确；两个反应的条件不同，不互为可逆反应，C错误；二次电池又称为充电电池或蓄电池，是指在电池放电后可通过充电的方式使活性物质激活而继续使用的电池，镍镉电池是一种二次电池，D正确。

1．(1)现如今太阳能电池已经广泛地应用于生产生活中，现代四大发明之一的共享单车也用上了太阳能电池。某单车前面载物篮的底座就是太阳能电池，电极材料是Li/LiCoO2，太阳能电池的原理如图所示。下列说法不正确的是(　　)

A．阳光照射该电池时，能量转化过程：太阳能→电能→化学能

B．光照时负极的质量减少

C．太阳能电池板材料是Si

D．开锁时，正极发生反应：

xLi＋＋xe－＋Li(1－x)CoO2===LiCoO2

(2)目前常用的镍(Ni)镉(Cd)电池，其电池总反应式可表示为Cd＋2NiOOH＋2H2O2Ni(OH)2＋Cd(OH)2，已知Ni(OH)2和Cd(OH)2均难溶于水，但能溶于酸，下列说法正确的是(　　)

A．该废弃电池在酸性土壤中的污染尤为严重

B．以上反应是可逆反应

C．充电时化学能转变成电能

D．放电时的负极材料是NiOOH

(3)在宇宙飞船和其他航天器上经常使用的氢氧燃料电池是一种新型电源，其构造如图所示，a、b两个电极均由多孔的碳块组成，通入的氢气和氧气由孔隙中逸入，并在电极表面发生反应而放电。

①a电极是电源的________极。

②若该电池为飞行员提供了360 kg的水，则电路中通过了________mol电子。

③已知H2的燃烧热为285.8 kJ·mol－1，则该燃料电池工作产生36 g H2O时，实际上产生了468.8 kJ的电能，则该燃料电池的能量转化率是________。(结果保留两位有效数字，能量转化率是实际上释放的电能和理论上反应放出的热能的比率)

答案　(1)B　(2)A　(3)①负　②40000　③82%

解析　(1)阳光照射该电池时，太阳能电池将太阳能转化为电能，然后以太阳能电池为电源，向蓄电池(二次电池)中充电，将电能再转化为化学能储存起来，故能量转化过程为太阳能→电能→化学能，A正确；蓄电池放电时，负极的电极反应为Li－e－===Li＋，故负极质量减少，但光照时蓄电池充电，是放电过程的逆过程，故负极(阴极)质量增加，B错误；Si是半导体材料，可以作太阳能电池板材料，C正确；开锁时，装置为原电池，正极发生还原反应：xLi＋＋xe－＋Li(1－x)CoO2===LiCoO2，D正确。

(2)该电池充电和放电是不同条件下的反应，不是可逆反应，故B错误；充电时电能转变为化学能，故C错误；放电时负极材料发生化合价升高的氧化反应，据电池总反应式知放电时负极材料是Cd，故D错误。

(3)①a电极通入氢气，氢气在a极区发生失电子的氧化反应，故a电极是电源的负极。

②电池放电时发生反应的化学方程式为2H2＋O2===2H2O，根据化学方程式可知，生成360000 g水转移电子的物质的量为×2＝40000 mol。

③已知H2的燃烧热ΔH＝－285.8 kJ·mol－1，则该燃料电池工作产生36 g(即2 mol)H2O时，理论上放出571.6 kJ热量，而实际上产生了468.8 kJ的电能，则该燃料电池的能量转化率是×100%≈82%。

说明：航天器所携带的H2和O2是有限的，氢氧燃料电池若应用于长寿命航天器，需要将其与太阳能电池电解水装置配合使用，实现充、放电和物质的循环，该技术目前正在研究之中。

项目活动2　尝试设计载人航天器的氧气再生方案　萨巴蒂尔反应再生O2的大体流程如下：

该过程可同时解决CO2的消除和实现O2的再生问题，同时还生成燃料CH4。

问题：如图是CO2电催化还原为CH4的工作原理示意图。下列说法中不正确的是(　　)

A．该过程是电能转化为化学能的过程

B．铜电极的电极反应式为CO2＋8H＋＋8e－===CH4＋2H2O

C．一段时间后，左池中n(KHCO3)不变

D．一段时间后，右池中溶液的pH一定减小

答案　C

解析　该装置是一个电解池，电解池是将电能转化为化学能的装置，故A正确；由装置图和反应原理可知，铜电极是电解池的阴极，电极反应式为CO2＋8H＋＋8e－===CH4＋2H2O，故B正确；在电解池的阴极上发生二氧化碳得电子的还原反应，即CO2＋8H＋＋8e－===CH4＋2H2O，一段时间后，H＋浓度减小，OH－浓度增大，OH－会和左池中的CO2、KHCO3反应，所以n(KHCO3)会发生变化，故C错误；在电解池的阳极上发生OH－失电子的氧化反应，所以右池溶液酸性增强，pH一定减小，故D正确。

2．(1)乙烯催化氧化成乙醛的反应可设计成如图所示的燃料电池，在制备乙醛的同时能获得电能，其总反应为2CH2===CH2＋O2―→2CH3CHO。下列有关说法不正确的是(　　)

A．该电池可将化学能转化为电能

B．每有0.1 mol O2反应，则迁移0.4 mol H＋

C．正极反应式为CH2===CH2－2e－＋2OH－===CH3CHO＋H2O

D．负极区溶液的pH减小

(2)图甲是CO2电催化还原为碳氢化合物(CxHy)的工作原理示意图，用某钾盐水溶液作电解液；图乙是用H2还原CO2制备甲醇的工作原理示意图，用硫酸作电解质溶液。下列说法中不正确的是(　　)

A．甲中铜片作阴极，K＋向铜片电极移动

B．甲中若CxHy为C2H4，则生成1 mol C2H4的同时生成3 mol O2

C．乙中H2SO4的作用是增强溶液的导电性

D．乙中正极发生的电极反应为CO2＋5e－＋6H＋===CH3OH＋H2O

答案　(1)C　(2)D

解析　(1)原电池工作时，将化学能转化为电能，A正确；由电池总反应可得正极的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，每有0.1 mol O2反应，则迁移0.4 mol H＋，B正确；电解质溶液呈酸性，正极区发生得电子的还原反应，电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，负极区发生失电子的氧化反应，电极反应式为CH2===CH2－2e－＋H2O===CH3CHO＋2H＋，C错误；由负极区的电极反应式可知，H＋不断增多，溶液的pH减小，D正确。

(2)根据题图甲中电子移动的方向可知，铜片为阴极，铂片为阳极，电解过程中，阳离子向阴极移动，故A正确；题图甲的电解池中，阳极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，阴极反应式为2CO2＋12H＋＋12e－===C2H4＋4H2O，由得失电子守恒可知，生成1 mol C2H4的同时生成3 mol O2，故B正确；题图乙中硫酸的作用是增强溶液的导电能力，故C正确；题图乙中通CO2的一极为正极，CO2在正极区发生得电子的还原反应，电极反应式为CO2＋6H＋＋6e－===CH3OH＋H2O，故D错误。