《微項(xiàng)目 設(shè)計(jì)載人航天器用化學(xué)電池與氧氣再生方案》參考課件

※微項(xiàng)目※

設(shè)計(jì)載人航天器用化學(xué)電池與氧氣再生方案

——化學(xué)反應(yīng)中能量及物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用知識鋪墊必備知識正誤判斷1.請寫出堿性氫氧燃料電池的電極反應(yīng)和電池反應(yīng)。

2.實(shí)驗(yàn)室如何將CO2轉(zhuǎn)化為O2?載人航天器中人員呼吸需要的O2從何而來?提示:負(fù)極反應(yīng)為:2H2+4OH--4e-===4H2O,正極反應(yīng)為:O2+2H2O+4e-===4OH-,電池反應(yīng)為2H2+O2===2H2O。提示:實(shí)驗(yàn)室利用Na2O2與CO2反應(yīng)可生成O2;通過化學(xué)反應(yīng)將航天器內(nèi)人體產(chǎn)生的CO2轉(zhuǎn)化為O2,從而為航天人員提供O2。知識鋪墊必備知識正誤判斷1.氫氧燃料電池分為酸性和堿性兩種

2H2-4e-===4H+2H2+4OH--4e-===4H2OO2+4e-+4H+===2H2O

O2+2H2O+4e-===4OH-2.“神舟”飛船中的鎳鎘電池工作原理鎘鎳電池中Cd作為負(fù)極,NiOOH作為正極,通過放電反應(yīng)釋放能量,總反應(yīng):

。

知識鋪墊必備知識正誤判斷判斷下列說法是否正確,正確的打“√”,錯(cuò)誤的打“×”。(1)理論上說,任何可燃物氣體與氧氣都可設(shè)計(jì)成燃料電池。(

)(2)在燃料電池中,發(fā)生氧化反應(yīng)的一極一定是可燃?xì)怏w。(

)(3)用Pt作為電極,用KOH溶液作為電解質(zhì)溶液構(gòu)成燃料電池,通入氧氣的一極一定是正極。(

)(4)飛船中電池工作時(shí),KOH溶液中的陽離子向負(fù)極移動(dòng)。(

)(5)氫氧燃料電池能量比氫氣直接燃燒產(chǎn)生的能量效率高。(

)(6)鎳鎘電池工作時(shí),當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移0.1mol電子時(shí),負(fù)極增重1.7g。(

)√√√×√√探究一探究二隨堂檢測嘗試設(shè)計(jì)載人航天器用化學(xué)電池問題探究航天器中經(jīng)常使用的化學(xué)電池有哪些?哪種更適合做短壽命載人航天器的電源?

提示:航天器中經(jīng)常使用的化學(xué)電池有鎳鎘電池、鎳氫電池、氫氧燃料電池等。與其他化學(xué)電池相比,氫氧燃料電池具有單位質(zhì)量輸出電能較高、反應(yīng)生成的水可作為航天員的飲用水、氧氣可以作為備用氧源供給航天員呼吸等優(yōu)點(diǎn),因此更適合做短壽命載人航天器的電源。探究一探究二隨堂檢測深化拓展1.“阿波羅”飛船燃料電池的工作原理(1)“阿波羅”飛船燃料電池(離子導(dǎo)體為KOH溶液)負(fù)極反應(yīng)為:2H2+4OH--4e-===4H2O,正極反應(yīng)為:O2+2H2O+4e-===4OH-(2)“阿波羅”登月飛船一代燃料電池(離子導(dǎo)體為H2SO4溶液)負(fù)極反應(yīng)為:2H2-4e-===4H+,正極反應(yīng)為:O2+4H++4e-===2H2O2.“神舟”飛船中的化學(xué)電池的工作原理鎳鎘堿性蓄電池電極反應(yīng)為:負(fù)極Cd+2OH--2e-===Cd(OH)2正極2NiOOH+2H2O+2e-===2Ni(OH)2+2OH-總反應(yīng)式Cd+2NiOOH+2H2O2Ni(OH)2+Cd(OH)2探究一探究二隨堂檢測素能應(yīng)用典例1鎘鎳可充電電池的充、放電反應(yīng)原理如下:Cd+2NiOOH+2H2OCd(OH)2+2Ni(OH)2。下列說法錯(cuò)誤的是(

)A.放電時(shí),Cd作為負(fù)極B.放電時(shí),NiOOH作為負(fù)極C.電解質(zhì)溶液為堿性溶液D.放電時(shí),負(fù)極反應(yīng)為Cd+2OH--2e-===Cd(OH)2答案:B

解析:鎘鎳電池放電時(shí),Cd作為負(fù)極,電極反應(yīng)為Cd+2OH--2e-===Cd(OH)2;NiOOH作為正極,電解質(zhì)溶液為堿性溶液,B項(xiàng)錯(cuò)誤。探究一探究二隨堂檢測變式訓(xùn)練1一種突破傳統(tǒng)電池設(shè)計(jì)理念的鎂銻液態(tài)金屬儲能電池工作原理如圖所示,該電池所用液體密度不同,在重力作用下分為三層,工作時(shí)中間層熔融鹽的組成及濃度不變。該電池工作一段時(shí)間后,可由太陽能電池充電。下列說法不正確的是(

)A.放電時(shí),Mg(液)層的質(zhì)量減小B.放電時(shí)正極反應(yīng)為:Mg2++2e-===MgC.該電池充電時(shí),Mg-Sb(液)層發(fā)生還原反應(yīng)D.該電池充電時(shí),Cl-向中層和下層分界面處移動(dòng)探究一探究二隨堂檢測答案:C

解析:放電時(shí),負(fù)極Mg失電子生成鎂離子,則Mg(液)層的質(zhì)量減小,A項(xiàng)正確;正極鎂離子得電子得到Mg,則放電時(shí)正極反應(yīng)為:Mg2++2e-===Mg,B項(xiàng)正確;該電池充電時(shí),Mg-Sb(液)層為陽極,陽極發(fā)生失電子的氧化反應(yīng),C項(xiàng)錯(cuò)誤;該電池充電時(shí),陰離子向陽極移動(dòng),即Cl-向中層和下層分界面處移動(dòng),D項(xiàng)正確。探究一探究二隨堂檢測嘗試設(shè)計(jì)載人航天器的氧氣再生方案問題探究在設(shè)計(jì)航天器中氧氣的獲取方案時(shí),應(yīng)注意什么?

提示:載人航天器中的物質(zhì)和能量資源都十分寶貴。在設(shè)計(jì)氧氣的獲取方案時(shí),要盡可能地將人體代謝物中的氧元素轉(zhuǎn)化為氧氣,從而保證氧元素的持續(xù)循環(huán)。探究一探究二隨堂檢測深化拓展1.計(jì)算薩巴蒂爾反應(yīng)的焓變探究一探究二隨堂檢測2.利用薩巴蒂爾反應(yīng)再生氧氣的大體流程

3.項(xiàng)目成果展示(1)探究載人航天器的化學(xué)電源和氧氣再生辦法。探究一探究二隨堂檢測(2)書寫新型電池電極反應(yīng)的一般步驟。

探究一探究二隨堂檢測素能應(yīng)用典例2為了實(shí)現(xiàn)空間站的零排放,循環(huán)利用人體呼出的CO2來提供O2,我國科學(xué)家設(shè)計(jì)了如圖裝置。反應(yīng)后,電解質(zhì)溶液的pH保持不變。下列說法正確的是(

)A.圖中N型半導(dǎo)體為正極,P型半導(dǎo)體為負(fù)極B.Y電極的反應(yīng):4OH--4e-===2H2O+O2↑C.圖中離子交換膜為陽離子交換膜D.該裝置實(shí)現(xiàn)了“太陽能→化學(xué)能→電能”的轉(zhuǎn)化探究一探究二隨堂檢測答案:B

解析:根據(jù)裝置圖中電荷移動(dòng)的方向可知,N型半導(dǎo)體為負(fù)極,P型半導(dǎo)體為正極,A項(xiàng)錯(cuò)誤;Y電極連接電源的正極,作為陽極,根據(jù)電解原理,電極反應(yīng)為4OH--4e-===2H2O+O2↑,B項(xiàng)正確;反應(yīng)后,電解質(zhì)溶液的pH保持不變,離子交換膜應(yīng)為陰離子交換膜,C項(xiàng)錯(cuò)誤;該裝置實(shí)現(xiàn)了“太陽能→電能→化學(xué)能”的轉(zhuǎn)化,D項(xiàng)錯(cuò)誤。探究一探究二隨堂檢測變式訓(xùn)練2為循環(huán)利用人體呼出的CO2并提供氧氣,我國科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種裝置(如圖所示),實(shí)現(xiàn)“太陽能→電能→化學(xué)能”的轉(zhuǎn)化,總反應(yīng)為2CO2===2CO+O2,下列有關(guān)說法不正確的是(

)A.該裝置屬于電解池B.X極發(fā)生氧化反應(yīng),Y極發(fā)生還原反應(yīng)C.人體呼出的水蒸氣參與Y極反應(yīng):CO2+H2O+2e-===CO+2OH-D.X極每產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)狀況下22.4L氣體,有2mol的OH-從Y極移向X極探究一探究二隨堂檢測答案:D

解析:題給裝置實(shí)現(xiàn)“太陽能—電能—化學(xué)能”的轉(zhuǎn)化,將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置為電解池,A項(xiàng)正確;根據(jù)圖中電子的流向“X→Y”可知,X極為陽極,失電子發(fā)生氧化反應(yīng),Y為陰極,得電子發(fā)生還原反應(yīng),B項(xiàng)正確;Y為陰極,根據(jù)總反應(yīng)可知,陰極為CO2得電子生成CO,電極反應(yīng)為CO2+H2O+2e-===CO+2OH-,C項(xiàng)正確;X極為陽極,OH-放電生成氧氣,電極反應(yīng)為4OH--4e-===2H2O+O2↑,生成1molO2,陽極有4molOH-放電,根據(jù)溶液電中性原理,X電極區(qū)陰離子減少,則會(huì)有4molOH-從Y極透過陰離子交換膜移向X極,使得溶液保持電中性,D項(xiàng)錯(cuò)誤。探究一探究二隨堂檢測1.(2019安徽宿州高二質(zhì)檢)太陽能光電池具有可靠穩(wěn)定、壽命長、安裝維護(hù)簡便等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)已得到廣泛應(yīng)用。氮化鎵(GaN)光電池的結(jié)構(gòu)如圖所示。下列說法中正確的是(

)A.該裝置系統(tǒng)中只存在光能與電能之間的轉(zhuǎn)化B.Cu電極上的電極反應(yīng)為CO2+8H+-8e-===CH4+2H2OC.工作時(shí),產(chǎn)生的O2、CH4體積比為1∶1(同溫同壓)D.離子交換膜為質(zhì)子交換膜,H+從左池移向右池探究一探究二隨堂檢測答案:D

解析:由題圖可知,該裝置系統(tǒng)中存在太陽能與化學(xué)能、化學(xué)能與電能等的轉(zhuǎn)化,A錯(cuò)誤;CO2在Cu電極上發(fā)生還原反應(yīng)生成CH4,則電極反應(yīng)為CO2+8H++8e-===CH4+2H2O,B錯(cuò)誤;H2O在GaN電極上發(fā)生氧化反應(yīng)生成O2,電極反應(yīng)為2H2O-4e-===4H++O2↑,根據(jù)得失電子守恒可知,產(chǎn)生O2和CH4的物質(zhì)的量之比為2∶1,即在同溫同壓下的體積比為2∶1,C錯(cuò)誤;由上述分析可知左池產(chǎn)生H+,右池消耗H+,則離子交換膜為質(zhì)子交換膜,H+向正極移動(dòng),即H+從左池移向右池,D正確。探究一探究二隨堂檢測2.(2019黑龍江哈爾濱高三月考)一種熔融碳酸鹽燃料電池原理示意如圖。有關(guān)該電池的說法正確的是(

)探究一探究二隨堂檢測答案:B探究一探究二隨堂檢測3.(2019北京朝陽區(qū)高二測試)我國科研人員借助太陽能,將光解水制H2與脫硫結(jié)合起來,既能大幅度提高光解水制H2的效率,又能脫除SO2,工作原理如圖所示。下列說法不正確的是(

)A.該裝置可將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能B.催化劑a表面發(fā)生還原反應(yīng),產(chǎn)生H2C.催化劑b附近的溶液pH增大D.吸收1molSO2,理論上能產(chǎn)生1molH2探究一探究二隨堂檢測答案:C

解析:在光解水的過程中,存在將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程,A項(xiàng)正確;根據(jù)示意圖,a電極為得到電子的一極,發(fā)生還原反應(yīng)。電解水的反應(yīng)為2H2O2H2↑+O2↑,得到電子一極產(chǎn)生氫氣,B項(xiàng)正確;b電極為電子流出的一極,發(fā)生氧化反應(yīng),電極反應(yīng)為2H2O-4e-===O2↑+4H+,則b極附近溶液pH減小,C項(xiàng)錯(cuò)誤;在b極附近,氧氣、二氧化硫,以及水生成硫酸,1molSO2生成H2SO4時(shí)轉(zhuǎn)移2mol電子,根據(jù)得失電子守恒,同時(shí)會(huì)產(chǎn)生1mol氫氣,D項(xiàng)正確。探究一探究二隨堂檢測4.(2019湖南岳陽高二質(zhì)檢)一種“全氫電池”的工作原理如圖所示。下列說法不正確的是(

)探究一探究二隨堂檢測A.電子流向是從吸附層M通過導(dǎo)線到吸附層NB.Na+從左邊穿過離子交換膜向右邊移動(dòng)C.離子交換膜可用質(zhì)子交換膜D.負(fù)極的電極反應(yīng)是:H2-2e-+2OH-===2H2O答案:C

解析:根據(jù)圖示分析,電子流動(dòng)方向是從M通過導(dǎo)線到N,故A項(xiàng)正確;原電池中,陽離子從負(fù)極移向正極,所以Na+從左邊穿過離子交換膜向右邊移動(dòng),故B項(xiàng)正確;離子交換膜可阻止左邊的堿性溶液和右邊的酸性溶液發(fā)生中和,不能用質(zhì)子交換膜,故C項(xiàng)錯(cuò)誤;原電池的負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng),由于負(fù)極為堿性溶液,所以負(fù)極的電極反應(yīng)是H2-2e-+2OH-===2H2O,故D項(xiàng)正確。探究一探究二隨堂檢測5.(2019陜西西安長安區(qū)第五中學(xué)高三期中)一種釕(Ru)基配合物光敏染料敏化太陽能電池的工作原理及電池中發(fā)生的主要反應(yīng)如圖所示。下列說法正確的是(

)A.鍍鉑導(dǎo)電玻璃的作用是傳遞I-B.電池工作時(shí),光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?X為電池的正極C.電池的電解質(zhì)溶液中I-和

的濃度均不斷減小D.電解質(zhì)溶液中發(fā)生反應(yīng)2Ru3++3I-===2Ru2++探究一探究二隨堂檢測答案:D

探究一探究二隨堂檢測6.科學(xué)家們發(fā)明了一種能夠給電子設(shè)備提供動(dòng)力的生物燃料電池。該電池包括兩個(gè)涂覆著酶的電極,它們處于充滿空氣和少量氫氣的玻璃槽中。由于氣體可以混合從而省去了昂貴的燃料隔離膜,其工作原理如圖所示。下列說法正確的是(

)A.左邊為該電池的負(fù)極B.該電池可在高溫環(huán)境下使用C.該電池負(fù)極反應(yīng)為H2-2e-===2H+D.該電池正極反應(yīng)為O2+4e-===2O2-答案:C

解析:由電池示意圖可知,H2→H+是H2被氧化的過程,通入H