2024-2025學(xué)年新教材高中化學(xué)第1章化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化微項(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)化利用學(xué)案魯科版選擇性必修1

PAGEPAGE7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)化利用通過(guò)探究載人航天器用化學(xué)電池與氧氣再生方案，嘗試?yán)迷姵卦砑办首儭⑸w斯定律等學(xué)問(wèn)，分析、評(píng)價(jià)真實(shí)環(huán)境下化學(xué)反應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化與物質(zhì)轉(zhuǎn)化問(wèn)題，并形成電源選擇和氧氣再生的基本思路。通過(guò)分析載人航天器上的電源，了解真實(shí)化學(xué)電池的工作原理與裝置結(jié)構(gòu)，并形成分析化學(xué)電池的一般思路。通過(guò)本項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，感受化學(xué)學(xué)問(wèn)在解決實(shí)際問(wèn)題中的應(yīng)用價(jià)值。[必備學(xué)問(wèn)]1．載人航天器中的化學(xué)電池的特點(diǎn)：平安、牢靠，并且須要單位質(zhì)量輸出的電能較高。2．載人航天器中常用化學(xué)電池的種類：鎳鎘電池、鎳氫電池、氫氧燃料電池等。3．氫氧燃料電池的優(yōu)勢(shì)(1)具有單位質(zhì)量輸出電能較高；(2)運(yùn)輸成本低；(3)反應(yīng)生成的水可作飲用水；(4)氧氣可作備用氧源供應(yīng)呼吸等。項(xiàng)目活動(dòng)1嘗試設(shè)計(jì)載人航天器用化學(xué)電池[探究任務(wù)1]載人飛船氫氧燃料電池運(yùn)用存在的問(wèn)題及解決思路?！鞍⒉_”飛船的主電源是以KOH溶液為離子導(dǎo)體的堿性氫氧燃料電池。[思索]1．依據(jù)所學(xué)電化學(xué)學(xué)問(wèn)畫出該電池的工作原理示意圖。提示：2．氫氧燃料電池的反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)該電池的工作效率有什么影響？提示：依據(jù)電池反應(yīng)：2H2＋O2=2H2O，可知電解質(zhì)溶液濃度降低，會(huì)使該電池的工作效率也降低。3．該電池運(yùn)用的氧氣常用空氣制備，由于制備工藝問(wèn)題會(huì)使氧氣中混有微量CO2，CO2的存在對(duì)電池有什么影響？提示：CO2能與KOH溶液反應(yīng)，使電解質(zhì)變質(zhì)，從而影響電池的工作效率。4．假如你是電池設(shè)計(jì)員，針對(duì)(2)、(3)問(wèn)出現(xiàn)的問(wèn)題，你會(huì)提出哪些思路或方案來(lái)解決？提示：要解決以上問(wèn)題，在設(shè)計(jì)電池時(shí)，可以附設(shè)電解質(zhì)溶液循環(huán)系統(tǒng)，既為濃縮電解質(zhì)溶液或補(bǔ)充電解質(zhì)，也為便利更換被污染的電解質(zhì)溶液；也可以更換離子導(dǎo)體，如運(yùn)用酸性電解質(zhì)溶液作為離子導(dǎo)體，避開電解質(zhì)與二氧化碳反應(yīng)；或采納固體材料離子導(dǎo)體，避開電解質(zhì)被生成的水稀釋，同時(shí)將生成的水冷凝回收再利用；等等。[探究任務(wù)2]對(duì)培根型堿性氫氧燃料電池和質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池解決電池運(yùn)用中存在的問(wèn)題的認(rèn)知。一種培根型堿性氫氧燃料電池部分結(jié)構(gòu)示意圖(電池工作溫度為200℃)質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池部分結(jié)構(gòu)示意圖[思索]1．培根型堿性燃料電池中“循環(huán)泵”的作用是什么？提示：①分別反應(yīng)產(chǎn)生的H2O，濃縮KOH溶液。②電解質(zhì)溶液變質(zhì)時(shí)更換電解質(zhì)溶液。2．若在上述兩電池中加冷凝水接收裝置，應(yīng)當(dāng)加在什么位置？提示：培根型電池應(yīng)加在負(fù)極(H2)一側(cè)的氣體出口處；質(zhì)子交換膜電池應(yīng)加在正極(O2)一側(cè)的流場(chǎng)板氣體出口處。3．試分析評(píng)價(jià)兩種電池解決電解質(zhì)溶液稀釋和變質(zhì)問(wèn)題的方案。提示：通過(guò)分析可知，培根型堿性氫氧燃料電池主要通過(guò)外加循環(huán)設(shè)備解決電解質(zhì)溶液稀釋和變質(zhì)問(wèn)題，質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池則通過(guò)變更離子導(dǎo)體使問(wèn)題從根本上得以解決。[探究任務(wù)3]“神舟”飛船中的太陽(yáng)能電池陣－鎳鎘蓄電池組系統(tǒng)的工作原理。當(dāng)飛船進(jìn)入光照區(qū)時(shí)，太陽(yáng)能電池為用電設(shè)備供電，同時(shí)為鎳鎘電池充電，電極反應(yīng)為：負(fù)極Cd(OH)2＋2e－=Cd＋2OH－正極2Ni(OH)2＋2OH－－2e－=2NiOOH＋2H2ONiOOH常稱氫氧化氧鎳或堿式氧化鎳，其中Ni為＋3價(jià)。當(dāng)飛船進(jìn)入陰影區(qū)時(shí)，由鎳鎘電池供應(yīng)電能，電極反應(yīng)為：負(fù)極Cd＋2OH－－2e－=Cd(OH)2正極2NiOOH＋2H2O＋2e－=2Ni(OH)2＋2OH－項(xiàng)目活動(dòng)2嘗試設(shè)計(jì)載人航天器的氧氣再生方案[思索]1．探討載人航天器氧氣再生方法的緣由是什么？提示：因載人航天器攜帶的物品有限，利用高壓存儲(chǔ)氧氣、電解攜帶的水制備氧氣等常規(guī)方法來(lái)獲得氧氣都難以滿意長(zhǎng)時(shí)間飛行對(duì)持續(xù)供氧的要求。2．如何從人體代謝的廢物(如CO2、H2O)中獲得O2?提示：2H2O＋2Na2O2=4NaOH＋O2↑2CO2＋2Na2O2=2Na2CO3＋O22H2Oeq\o(=,\s\up8(通電))2H2↑＋O2↑3．薩巴蒂爾反應(yīng)是放熱反應(yīng)還是吸熱反應(yīng)？應(yīng)如何限制反應(yīng)器內(nèi)的溫度？已知：①H2(g)＋eq\f(1,2)O2(g)=H2O(g)ΔH1＝－241.8kJ·mol－1；②CH4(g)＋2O2(g)=2H2O(g)＋CO2(g)ΔH2＝－802.3kJ·mol－1；③薩巴蒂爾反應(yīng)為：利用薩巴蒂爾反應(yīng)的氧氣再生方法提示：依據(jù)蓋斯定律，①×4－②得：CO2(g)＋4H2(g)=CH4(g)＋2H2O(g)ΔH＝－164.9kJ·mol－1，故薩巴蒂爾反應(yīng)為放熱反應(yīng)。為限制反應(yīng)溫度，一般將進(jìn)入反應(yīng)器的氣體提前加熱至反應(yīng)溫度。同時(shí)，反應(yīng)器配有冷卻裝置，以便剛好將過(guò)多的反應(yīng)熱傳走。冷卻裝置傳走的熱量，以及從反應(yīng)器出來(lái)的氣體帶走的熱量還可以接著利用。1．探究載人航天器電源配置與氧氣再生的一般思路eq\x(\a\al(能量轉(zhuǎn)化利用,物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用))——eq\x(\a\al(限定,條件))——eq\x(\a\al(思索,角度))——eq\x(\a\al(相關(guān),學(xué)問(wèn)))2．載人航天器中能量轉(zhuǎn)化形式3．依據(jù)載人航天器的限定條件，物質(zhì)轉(zhuǎn)化最志向的方式應(yīng)符合的條件：應(yīng)符合綠色化學(xué)原理，原子利用率達(dá)到100%。1．已知：①2C(s)＋O2(g)=2CO(g)ΔH＝－220kJ·mol－1②氫氣燃燒的能量變更示意圖：下列說(shuō)法正確的是()A．1molC(s)完全燃燒放出110kJ的熱量B．H2(g)＋eq\f(1,2)O2(g)=H2O(g) ΔH＝－480kJ·mol－1C．C(s)＋H2O(g)=CO(g)＋H2(g) ΔH＝＋130kJ·mol－1D．欲分解2molH2O(l)，至少須要供應(yīng)4×462kJ的熱量C[1molC(s)燃燒生成CO氣體時(shí)放出110kJ熱量，此時(shí)不是完全燃燒，A項(xiàng)錯(cuò)誤；依據(jù)氫氣燃燒的能量變更示意圖，可得熱化學(xué)方程式②2H2(g)＋O2(g)=2H2O(g)ΔH＝2×436kJ·mol－1＋496kJ·mol－1－4×462kJ·mol－1＝－480kJ·mol－1，故H2(g)＋eq\f(1,2)O2(g)=H2O(g)ΔH＝－240kJ·mol－1，B項(xiàng)錯(cuò)誤；依據(jù)蓋斯定律由eq\f(1,2)×(①—②)可得目標(biāo)熱化學(xué)方程式：C(s)＋H2O(g)=CO(g)＋H2(g)ΔH＝＋130kJ·mol－1，C項(xiàng)正確；由圖中信息可知，分解2molH2O(g)至少須要供應(yīng)4×462kJ的熱量，而分解2molH2O(l)須要供應(yīng)的熱量更多，D項(xiàng)錯(cuò)誤。]2．將二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料是目前的探討熱點(diǎn)，《科學(xué)》雜志曾報(bào)道的一種將CO2轉(zhuǎn)化為烴和醇的裝置如圖所示。下列說(shuō)法正確的是()A．圖中能量轉(zhuǎn)化的方式只有1種B．裝置工作時(shí)，H＋向X極移動(dòng)，Y極四周溶液的pH增大C．X極上得到CH3OH的電極反應(yīng)式為2CO2＋4H2O＋12e－=2CH3OH＋3O2D．若X極生成1molC2H4和1molCH3OH，電路中通過(guò)18mol電子D[由圖可知，存在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的轉(zhuǎn)化方式，故A錯(cuò)誤；如圖所示，X為陰極、Y為陽(yáng)極，氫離子通過(guò)質(zhì)子交換膜向陰極(X極)區(qū)移動(dòng)，陽(yáng)極(Y極)發(fā)生氧化反應(yīng)：6H2O－12e－=12H＋＋3O2↑，所以Y極四周溶液的pH減小，故B錯(cuò)誤；X極(陰極)上發(fā)生還原反應(yīng)生成CH3OH的電極反應(yīng)式為CO2＋6H＋＋6e－=CH3OH＋H2O，故C錯(cuò)誤；2molCO2生成1molC2H4,1molCO2生成1molCH3OH，C元素化合價(jià)都是由＋4價(jià)降低為－2價(jià)，所以若X極生成1molC2H4和1molCH3OH，電路中通過(guò)的電子為3×[4－(－2)]mol＝18mol，故D正確。]3．用吸附了氫氣的碳納米管等材料制作的二次電池的原理如圖所示。下列說(shuō)法中正確的是()A．充電時(shí)，陰極的電極反應(yīng)式：Ni(OH)2＋OH－－e－=NiOOH＋H2OB．放電時(shí)，負(fù)極的電極反應(yīng)式：H2－2e－＋2OH－=2H2OC．放電時(shí)，OH－移向鎳電極D．充電時(shí)，將電池的碳電極與外電源的正極相連B[接用電器時(shí)為原電池，電池放電，依據(jù)電子流向可知，碳電極為負(fù)極，鎳電極為正極。充電時(shí)，陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，鎳電極為陽(yáng)極，電極反應(yīng)式為Ni(OH)2＋OH－－e－=NiOOH＋H2O，A項(xiàng)錯(cuò)誤；放電時(shí)，負(fù)極上氫氣失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為H2－2e－＋2OH－=2H2O，B項(xiàng)正確；放電時(shí)，該電池為原電池，電解質(zhì)溶液中陰離子向負(fù)極移動(dòng)，所以O(shè)H－移向碳電極，C項(xiàng)錯(cuò)誤；該電池充電時(shí)，碳電極旁邊物質(zhì)要復(fù)原原狀，則應(yīng)當(dāng)?shù)秒娮影l(fā)生還原反應(yīng)