新教材2023-2024學(xué)年高中化學(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課件魯科版選擇性必修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——化學(xué)反應(yīng)中能量及物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用素養(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)渺首儭⑸w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)。基礎(chǔ)落實?必備知識全過關(guān)重難探究?能力素養(yǎng)全提升目錄索引

基礎(chǔ)落實?必備知識全過關(guān)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2.“神舟”飛船中的鎳鎘電池工作原理鎘鎳電池中Cd作為負極,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。自我檢測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)的一極一定是可燃氣體。(

)(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,負極增重1.7g。(

)√√√×√√重難探究?能力素養(yǎng)全提升探究一嘗試設(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。歸納拓展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的電極反應(yīng):負極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應(yīng)用體驗1.(2022全國甲卷)一種水性電解液Zn

MnO2離子選擇雙隔膜電池如圖所示[KOH溶液中,Zn2+以

存在]。電池放電時,下列敘述錯誤的是(

)A2.一種突破傳統(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.放電時正極電極反應(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C解析

放電時,負極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,則放電時正極電極反應(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。3.一種以NaBH4和H2O2為原料的新型電池的工作原理如圖所示。下列說法錯誤的是(

)A.電池正極的電極反應(yīng)為H2O2+2e-═2OH-B.電池放電時Na+從a極區(qū)移向b極區(qū)C.電子從電極b經(jīng)外電路流向電極aD.b極室的輸出液經(jīng)處理后可輸入a極室循環(huán)利用C4.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1molH2C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2H2O2H2↑+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。5.一種“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.負極的電極反應(yīng):H2-2e-+2OH-═2H2OC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;原電池的負極發(fā)生氧化反應(yīng),由于負極為堿性溶液,所以負極的電極反應(yīng)是H2-2e-+2OH-═2H2O,故D項正確。6.一種釕(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D7.(2023湖北武漢第十二中學(xué)期末)某鋰離子電池的總反應(yīng)為2Li+FeS═Fe+Li2S。某小組以該電池為電源電解處理含Ba(OH)2廢水和含Ni2+、Cl-的酸性廢水,并分別獲得BaCl2溶液和單質(zhì)鎳。電解處理的工作原理如圖所示[LiPF6·SO(CH3)2為鋰離子電池的電解質(zhì)]。設(shè)NA為阿伏加德羅常數(shù)的值。下列說法不正確的是(

)A.Y與鋰離子電池的Li電極相連B.X極相連的鋰離子電池電極反應(yīng)為FeS+2Li++2e-═Fe+Li2SC.當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移1mole-時,b池離子數(shù)增加2NAD.離子膜M為陽離子交換膜,離子膜N為陰離子交換膜C解析

由鋰離子電池總反應(yīng)可知,Li電極為負極;廢水經(jīng)過處理后得到單質(zhì)鎳,因此電解池c池中的電極反應(yīng)為Ni2++2e-═Ni,即鎳棒上發(fā)生了還原反應(yīng),因此鎳棒為陰極,與鋰離子電池的Li電極相連,A正確;與X電極相連的為鋰離子電池的正極,Fe元素發(fā)生還原反應(yīng),即FeS+2Li++2e-═Fe+Li2S,B正確;當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移1

mol

e-時,b池會進入1

mol

Cl-、0.5

mol

Ba2+,因此共增加1.5

mol離子,即b池離子數(shù)增加1.5NA,C錯誤;碳棒為陽極,電極反應(yīng)為4OH--4e-═O2↑+2H2O;因為最后還得到了BaCl2溶液,因此a池中Ba2+經(jīng)過離子膜M進入b池,c池中的Cl-經(jīng)過離子膜N進入b池,最終得到BaCl2溶液,因此離子膜M為陽離子交換膜,離子膜N為陰離子交換膜,D正確。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)。歸納拓展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。

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。(2)書寫新型電池電極反應(yīng)的一般步驟。

應(yīng)用體驗1.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(

)A.圖中N型半導(dǎo)體為正極,P型半導(dǎo)體為負極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。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)題圖中電子的流向“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。3.(2023湖北武漢第十二中學(xué)期末)如圖所示裝置,通電后石墨電極Ⅱ上有O2生成,Fe2O3逐漸溶解,下列判斷不正確的是(

)A.a是電源的負極B.當(dāng)通過質(zhì)子交換膜的H+為0.2mol時,左側(cè)電極

Ⅰ

所在區(qū)域溶液質(zhì)量減輕了27gC.C