高中化學(xué)化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化微項目設(shè)計載人航天器用化學(xué)電池與氧氣再生方案魯科版選擇性必修1

微項目設(shè)計載人航天器用化學(xué)電池與氧氣

再生方案第1章2021——化學(xué)反應(yīng)中能量及物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用

微項目設(shè)計載人航天器用化學(xué)電池與氧氣第1章2021——化學(xué)內(nèi)容索引0102課前篇素養(yǎng)初探課堂篇素養(yǎng)提升內(nèi)容索引0102課前篇素養(yǎng)初探課堂篇素養(yǎng)提升素養(yǎng)目標(biāo)1.通過探究載人航天器用化學(xué)電池與氧氣再生方案,嘗試?yán)渺首?、蓋斯定律和電池原理等知識,分析評價真實環(huán)境下化學(xué)反應(yīng)中能量與物質(zhì)的轉(zhuǎn)化,形成電源選擇和氧氣再生的基本思路,體驗化學(xué)的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識的學(xué)科核心素養(yǎng)。2.通過載人航天器的電源,了解真實化學(xué)電池的原理和裝置,形成分析化學(xué)電池的一般方法,體驗化學(xué)證據(jù)推理與模型認(rèn)知的學(xué)科核心素養(yǎng)。3.通過本項目的學(xué)習(xí),感受化學(xué)知識在解決實際問題中的應(yīng)用價值,體驗化學(xué)學(xué)科的科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任的學(xué)科核心素養(yǎng)。素養(yǎng)目標(biāo)1.通過探究載人航天器用化學(xué)電池與氧氣再生方案,嘗試課前篇素養(yǎng)初探課前篇素養(yǎng)初探知識鋪墊1.請寫出堿性氫氧燃料電池的電極反應(yīng)和電池反應(yīng)。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。2.實驗室如何將CO2轉(zhuǎn)化為O2?載人航天器中人員呼吸需要的O2從何而來?提示實驗室利用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1.請寫出堿性氫氧燃料電池的電極反應(yīng)和電池反應(yīng)。必備知識1.氫氧燃料電池分為酸性和堿性兩種

種類酸性(質(zhì)子膜)堿性(KOH)負(fù)極反應(yīng)2H2-4e-==4H+2H2+4OH--4e-==4H2O正極反應(yīng)O2+4e-+4H+==2H2OO2+2H2O+4e-==4OH-電池總反應(yīng)2H2+O2==2H2O備注燃料電池的電極不參與反應(yīng),有很強的催化活性,起導(dǎo)電作用必備知識1.氫氧燃料電池分為酸性和堿性兩種種類酸性(質(zhì)子膜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):Cd+2NiOOH+2H2OCd(OH)2+2Ni(OH)2。2.“神舟”飛船中的鎳鎘電池工作原理Cd+2NiOOH+2H正誤判斷判斷下列說法是否正確,正確的打“√”,錯誤的打“×”。(1)理論上說,任何可燃物氣體與氧氣都可設(shè)計成燃料電池。(

)(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,KOH溶液中的陽離子向負(fù)極移動。(

)(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,當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移0.1mol電子時,負(fù)極增重1.7g。(

)答案(1)√

(2)√

(3)√

(4)×

(5)√

(6)√正誤判斷判斷下列說法是否正確,正確的打“√”,錯誤的打“×”課堂篇素養(yǎng)提升課堂篇素養(yǎng)提升探究一嘗試設(shè)計載人航天器用化學(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,因此更適合做短壽命載人航天器的電源。探究一嘗試設(shè)計載人航天器用化學(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-==2H2O深化拓展1.“阿波羅”飛船燃料電池的工作原理2.“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)22.“神舟”飛船中的化學(xué)電池的工作原理素能應(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。下列說法錯誤的是(

)A.放電時,Cd作為負(fù)極B.放電時,NiOOH作為負(fù)極C.電解質(zhì)溶液為堿性溶液D.放電時,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,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項錯誤。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+2變式訓(xùn)練1一種突破傳統(tǒng)電池設(shè)計理念的鎂銻液態(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,工作時中間層熔融鹽的組成及濃度不變。該電池工作一段時間后,可由太陽能電池充電。下列說法不正確的是(

)A.放電時,Mg(液)層的質(zhì)量減小B.放電時正極反應(yīng)為:Mg2++2e-==MgC.該電池充電時,Mg-Sb(液)層發(fā)生還原反應(yīng)D.該電池充電時,Cl-向中層和下層分界面處移動變式訓(xùn)練1一種突破傳統(tǒng)電池設(shè)計理念的鎂銻液態(tài)金屬儲能電池工作答案C解析放電時,負(fù)極Mg失電子生成鎂離子,則Mg(液)層的質(zhì)量減小,A項正確;正極鎂離子得電子得到Mg,則放電時正極反應(yīng)為:Mg2++2e-==Mg,B項正確;該電池充電時,Mg-Sb(液)層為陽極,陽極發(fā)生失電子的氧化反應(yīng),C項錯誤;該電池充電時,陰離子向陽極移動,即Cl-向中層和下層分界面處移動,D項正確。答案C探究二嘗試設(shè)計載人航天器的氧氣再生方案問題探究在設(shè)計航天器中氧氣的獲取方案時,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)計氧氣的獲取方案時,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)。探究二嘗試設(shè)計載人航天器的氧氣再生方案問題探究在設(shè)計航天器中深化拓展1.計算薩巴蒂爾反應(yīng)的焓變

④C(s,石墨)+O2(g)==CO2(g)

ΔH=-393.5kJ·mol-1。

深化拓展1.計算薩巴蒂爾反應(yīng)的焓變④C(s,石墨)+O2(高中化學(xué)第1章化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化微項目設(shè)計載人航天器用化學(xué)電池與氧氣再生方案魯科版選擇性必修12.利用薩巴蒂爾反應(yīng)再生氧氣的大體流程

2.利用薩巴蒂爾反應(yīng)再生氧氣的大體流程3.項目成果展示(1)探究載人航天器的化學(xué)電源和氧氣再生辦法。3.項目成果展示(2)書寫新型電池電極反應(yīng)的一般步驟。

(2)書寫新型電池電極反應(yīng)的一般步驟。素能應(yīng)用典例2為了實現(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(

)素能應(yīng)用典例2為了實現(xiàn)空間站的零排放,循環(huán)利用人體呼出的COA.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.該裝置實現(xiàn)了“太陽能→化學(xué)能→電能”的轉(zhuǎn)化A.圖中N型半導(dǎo)體為正極,P型半導(dǎo)體為負(fù)極答案B解析根據(jù)裝置圖中電荷移動的方向可知,N型半導(dǎo)體為負(fù)極,P型半導(dǎo)體為正極,A項錯誤;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項錯誤;該裝置實現(xiàn)了“太陽能→電能→化學(xué)能”的轉(zhuǎn)化,D項錯誤。答案B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)計了一種裝置(如圖所示),實現(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)答案D解析題給裝置實現(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1

mol

O2,陽極有4

mol

OH-放電,根據(jù)溶液電中性原理,X電極區(qū)陰離子減少,則會有4

mol

OH-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項錯誤。答案D隨堂檢測1.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,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,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+從左池移向右池隨堂檢測1.太陽能光電池具有可靠穩(wěn)定、壽命長、安裝維護(hù)簡便等答案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,即H+從左池移向右池,D正確。答案D2.一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(

)A.反應(yīng)CH4+H2O3H2+CO,每消耗1molCH4轉(zhuǎn)移12mol電子B.電極B上發(fā)生的電極反應(yīng):O2+2CO2+4e-==2CC.電池工作時,C向電極B移動D.電極A上H2參與的電極反應(yīng):H2+2OH--2e-==2H2O2.一種熔融碳酸鹽燃料電池原理示意如圖。有關(guān)該電池的說法正確答案B答案B3.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1molH23.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2H2O

2H2↑+O2↑,得到電子一極產(chǎn)生氫氣,B項正確;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項錯誤;在b極附近,氧氣、二氧化硫,以及水生成硫酸,1

mol

SO2生成H2SO4時轉(zhuǎn)移2

mol電子,根據(jù)得失電子守恒,同時會產(chǎn)生1

mol氫氣,D項正確。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4.一種“全氫電池”的工作原理如圖所示。下列說法不正確的是(

)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-==2H2O4.一種“全氫電池”的工作原理如圖所示。下列說法不正確的是(答案C解析根據(jù)圖示分析,電子流動方向是從M通過導(dǎo)線到N,故A項正確;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,故B項正確;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項錯誤;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項正確。答案C5.一種釕(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,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++5.一種釕(Ru)基配合物光敏染料敏化太陽能電池的工作原理及答案D答案D6.科學(xué)家們發(fā)明了一種能夠給電子設(shè)備提供動力的生物燃料電池。該電池包括兩個涂覆著酶的電極,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-==2O2-6.科學(xué)家們發(fā)明了一種能夠給電子設(shè)備提供動力的生物燃料電池。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H2的一極為原電池的負(fù)極,發(fā)生反應(yīng):H2-2e-==2H+;O2→H2O是O2被還原的過程,通入O2的一極為原電池的正極,發(fā)生反應(yīng):O2+4H++4e-==2H2O,故A、D錯誤,C正確;該電池包括兩個涂覆著酶的電極,高溫下會使酶變性,不能在高溫下使用,B錯誤。答案C7.氨氧燃料電池具有很大的發(fā)展?jié)摿Α０毖跞剂想姵毓ぷ髟砣缦聢D所示。

(1)a電極的電極反應(yīng)為

;

(2)為了使堿溶液濃度不變,一段時間后,需向裝置中補充KOH,請依據(jù)反應(yīng)原理解釋原因:

。

7.氨氧燃料電池具有很大的發(fā)展?jié)摿?。氨氧燃料電池工作原理如下答?1)2NH3+6OH--6e-==N2+6H2O(2)發(fā)生反應(yīng)4NH3+3O2==2N2+6H2O,有水生成,使得溶液逐漸變稀,所以要補充KOH解析(1)a電極是通入NH3的電極,NH3失去電子發(fā)生氧化反應(yīng),所以該電極為負(fù)極,電極反應(yīng)是2NH3+6OH--6e-==N2+6H2O。(2)一段時間后,需向裝置中補充KOH,原因是發(fā)生反應(yīng)4NH3+3O2==2N2+6H2O,有水生成,使得溶液逐漸變稀,為了維持堿溶液的濃度不變,所以要補充KOH。答案(1)2NH3+6OH--6e-==N2+6H2O解析(微項目設(shè)計載人航天器用化學(xué)電池與氧氣

再生方案第1章2021——化學(xué)反應(yīng)中能量及物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用

微項目設(shè)計載人航天器用化學(xué)電池與氧氣第1章2021——化學(xué)內(nèi)容索引0102課前篇素養(yǎng)初探課堂篇素養(yǎng)提升內(nèi)容索引0102課前篇素養(yǎng)初探課堂篇素養(yǎng)提升素養(yǎng)目標(biāo)1.通過探究載人航天器用化學(xué)電池與氧氣再生方案,嘗試?yán)渺首?、蓋斯定律和電池原理等知識,分析評價真實環(huán)境下化學(xué)反應(yīng)中能量與物質(zhì)的轉(zhuǎn)化,形成電源選擇和氧氣再生的基本思路,體驗化學(xué)的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識的學(xué)科核心素養(yǎng)。2.通過載人航天器的電源,了解真實化學(xué)電池的原理和裝置,形成分析化學(xué)電池的一般方法,體驗化學(xué)證據(jù)推理與模型認(rèn)知的學(xué)科核心素養(yǎng)。3.通過本項目的學(xué)習(xí),感受化學(xué)知識在解決實際問題中的應(yīng)用價值,體驗化學(xué)學(xué)科的科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任的學(xué)科核心素養(yǎng)。素養(yǎng)目標(biāo)1.通過探究載人航天器用化學(xué)電池與氧氣再生方案,嘗試課前篇素養(yǎng)初探課前篇素養(yǎng)初探知識鋪墊1.請寫出堿性氫氧燃料電池的電極反應(yīng)和電池反應(yīng)。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。2.實驗室如何將CO2轉(zhuǎn)化為O2?載人航天器中人員呼吸需要的O2從何而來?提示實驗室利用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1.請寫出堿性氫氧燃料電池的電極反應(yīng)和電池反應(yīng)。必備知識1.氫氧燃料電池分為酸性和堿性兩種

種類酸性(質(zhì)子膜)堿性(KOH)負(fù)極反應(yīng)2H2-4e-==4H+2H2+4OH--4e-==4H2O正極反應(yīng)O2+4e-+4H+==2H2OO2+2H2O+4e-==4OH-電池總反應(yīng)2H2+O2==2H2O備注燃料電池的電極不參與反應(yīng),有很強的催化活性,起導(dǎo)電作用必備知識1.氫氧燃料電池分為酸性和堿性兩種種類酸性(質(zhì)子膜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):Cd+2NiOOH+2H2OCd(OH)2+2Ni(OH)2。2.“神舟”飛船中的鎳鎘電池工作原理Cd+2NiOOH+2H正誤判斷判斷下列說法是否正確,正確的打“√”,錯誤的打“×”。(1)理論上說,任何可燃物氣體與氧氣都可設(shè)計成燃料電池。(

)(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,KOH溶液中的陽離子向負(fù)極移動。(

)(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,當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移0.1mol電子時,負(fù)極增重1.7g。(

)答案(1)√

(2)√

(3)√

(4)×

(5)√

(6)√正誤判斷判斷下列說法是否正確,正確的打“√”,錯誤的打“×”課堂篇素養(yǎng)提升課堂篇素養(yǎng)提升探究一嘗試設(shè)計載人航天器用化學(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,因此更適合做短壽命載人航天器的電源。探究一嘗試設(shè)計載人航天器用化學(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-==2H2O深化拓展1.“阿波羅”飛船燃料電池的工作原理2.“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)22.“神舟”飛船中的化學(xué)電池的工作原理素能應(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。下列說法錯誤的是(

)A.放電時,Cd作為負(fù)極B.放電時,NiOOH作為負(fù)極C.電解質(zhì)溶液為堿性溶液D.放電時,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,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項錯誤。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+2變式訓(xùn)練1一種突破傳統(tǒng)電池設(shè)計理念的鎂銻液態(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,工作時中間層熔融鹽的組成及濃度不變。該電池工作一段時間后,可由太陽能電池充電。下列說法不正確的是(

)A.放電時,Mg(液)層的質(zhì)量減小B.放電時正極反應(yīng)為:Mg2++2e-==MgC.該電池充電時,Mg-Sb(液)層發(fā)生還原反應(yīng)D.該電池充電時,Cl-向中層和下層分界面處移動變式訓(xùn)練1一種突破傳統(tǒng)電池設(shè)計理念的鎂銻液態(tài)金屬儲能電池工作答案C解析放電時,負(fù)極Mg失電子生成鎂離子,則Mg(液)層的質(zhì)量減小,A項正確;正極鎂離子得電子得到Mg,則放電時正極反應(yīng)為:Mg2++2e-==Mg,B項正確;該電池充電時,Mg-Sb(液)層為陽極,陽極發(fā)生失電子的氧化反應(yīng),C項錯誤;該電池充電時,陰離子向陽極移動,即Cl-向中層和下層分界面處移動,D項正確。答案C探究二嘗試設(shè)計載人航天器的氧氣再生方案問題探究在設(shè)計航天器中氧氣的獲取方案時,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)計氧氣的獲取方案時,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)。探究二嘗試設(shè)計載人航天器的氧氣再生方案問題探究在設(shè)計航天器中深化拓展1.計算薩巴蒂爾反應(yīng)的焓變

④C(s,石墨)+O2(g)==CO2(g)

ΔH=-393.5kJ·mol-1。

深化拓展1.計算薩巴蒂爾反應(yīng)的焓變④C(s,石墨)+O2(高中化學(xué)第1章化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化微項目設(shè)計載人航天器用化學(xué)電池與氧氣再生方案魯科版選擇性必修12.利用薩巴蒂爾反應(yīng)再生氧氣的大體流程

2.利用薩巴蒂爾反應(yīng)再生氧氣的大體流程3.項目成果展示(1)探究載人航天器的化學(xué)電源和氧氣再生辦法。3.項目成果展示(2)書寫新型電池電極反應(yīng)的一般步驟。

(2)書寫新型電池電極反應(yīng)的一般步驟。素能應(yīng)用典例2為了實現(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(

)素能應(yīng)用典例2為了實現(xiàn)空間站的零排放,循環(huán)利用人體呼出的COA.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.該裝置實現(xiàn)了“太陽能→化學(xué)能→電能”的轉(zhuǎn)化A.圖中N型半導(dǎo)體為正極,P型半導(dǎo)體為負(fù)極答案B解析根據(jù)裝置圖中電荷移動的方向可知,N型半導(dǎo)體為負(fù)極,P型半導(dǎo)體為正極,A項錯誤;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項錯誤;該裝置實現(xiàn)了“太陽能→電能→化學(xué)能”的轉(zhuǎn)化,D項錯誤。答案B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)計了一種裝置(如圖所示),實現(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)答案D解析題給裝置實現(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1

mol

O2,陽極有4

mol

OH-放電,根據(jù)溶液電中性原理,X電極區(qū)陰離子減少,則會有4

mol

OH-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項錯誤。答案D隨堂檢測1.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,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,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+從左池移向右池隨堂檢測1.太陽能光電池具有可靠穩(wěn)定、壽命長、安裝維護(hù)簡便等答案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,即H+從左池移向右池,D正確。答案D2.一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(

)A.反應(yīng)CH4+H2O3H2+CO,每消耗1molCH4轉(zhuǎn)移12mol電子B.電極B上發(fā)生的電極反應(yīng):O2+2CO2+4e-==2CC.電池工作時,C向電極B移動D.電極A上H2參與的電極反應(yīng):H2+2OH--2e-==2H2O2.一種熔融碳酸鹽燃料電池原理示意如圖。有關(guān)該電池的說法正確答案B答案B3.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1molH23.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2H2O

2H2↑+O2↑,得到電子一極產(chǎn)生氫氣,B項正確;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項錯誤;在b極附近,氧氣、二氧化硫,以及水生成硫酸,1

mol

SO2生成H2SO4時轉(zhuǎn)移2

mol電子,根據(jù)得失電子守恒,同時會產(chǎn)生1

mol氫氣,D項正確。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4.一種“全氫電池”的工作原理如圖所示。下列說法不正確的是(

)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