2020-2021高中化學(xué)魯科版選擇性1學(xué)案：第1章 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)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精2020-2021學(xué)年高中化學(xué)新教材魯科版選擇性必修1學(xué)案：第1章微項(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?、蓋斯定律等知識(shí)，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)知識(shí)在解決實(shí)際問(wèn)題中的應(yīng)用價(jià)值.［必備知識(shí)］1．載人航天器中的化學(xué)電池的特點(diǎn)：安全、可靠，并且需要單位質(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給呼吸等.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使用存在的問(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。[思考］1．根據(jù)所學(xué)電化學(xué)知識(shí)畫(huà)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：根據(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．該電池使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．如果你是電池設(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)，也為方便更換被污染的電解質(zhì)溶液;也可以更換離子導(dǎo)體，如使用酸性電解質(zhì)溶液作為離子導(dǎo)體，避免電解質(zhì)與二氧化碳反應(yīng)；或采用固體材料離子導(dǎo)體，避免電解質(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使用中存在的問(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[思考]1．培根型堿性燃料電池中“循環(huán)泵”的作用是什么？提示：①分離反應(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)該加在什么位置？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)改變離子導(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),由鎳鎘電池提供電能，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[思考］1．研究載人航天器氧氣再生方法的原因是什么？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)獲得氧氣都難以滿足長(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）中獲取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)如何控制反應(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：根據(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).為控制反應(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，以便及時(shí)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繼續(xù)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(思考,角度））--eq\x(\a\al（相關(guān),知識(shí)））2．載人航天器中能量轉(zhuǎn)化形式3．根據(jù)載人航天器的限定條件，物質(zhì)轉(zhuǎn)化最理想的方式應(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氫氣燃燒的能量變化示意圖: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)，至少需要提供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；根據(jù)氫氣燃燒的能量變化示意圖，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；根據(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)至少需要提供4×462kJ的熱量，而分解2molH2O（l)需要提供的熱量更多,D項(xiàng)錯(cuò)誤.]2．將二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料是目前的研究熱點(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極周圍溶液的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極周圍溶液的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，根據(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)，碳電極附近物質(zhì)要恢復(fù)原狀，則應(yīng)該得電子發(fā)生還原反應(yīng)，所以碳電極作陰極，與電源的負(fù)極相連，D項(xiàng)錯(cuò)誤.］一、化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)［答案］①＞②＜③＜④＞⑤kJ·mol－1或J·mol－1⑥ΔH1＋ΔH