第1章微項目設(shè)計載人航天器用化學電池與氧氣再生方案（自主學案）-2021-2022學年高二化學學習高效學與練（2019選擇性必修1）原卷版

微項目設(shè)計載人航天器用化學電池與氧氣再生方案——化學反應(yīng)中能量及物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用【項目學習目標】1.通過探究載人航天器用化學電池與氧氣再生方案，嘗試利用原電池原理及焓變、蓋斯定律等知識，分析、評價真實環(huán)境下化學反應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化與物質(zhì)轉(zhuǎn)化問題，并形成電源選擇和氧氣再生的基本思路。2.通過分析載人航天器上的電源，了解真實化學電池的工作原理與裝置結(jié)構(gòu)，并形成分析化學電池的一般思路。3.通過本項目的學習，感受化學知識在解決實際問題中的應(yīng)用價值。項目活動一嘗試設(shè)計載人航天器用化學電池【項目任務(wù)】為載人航天器設(shè)計化學電源?！鞠薅l件】盡量提高化學電源單位質(zhì)量所提供的能量(質(zhì)量盡量小，續(xù)航盡量長)。需要選擇合適的電池反應(yīng)和優(yōu)化電池裝置結(jié)構(gòu)。【思考討論】1．原電池的必要結(jié)構(gòu)有哪些？這些結(jié)構(gòu)具有怎樣的性質(zhì)或作用？2．氫氧燃料電池被稱為最適合載人航天器的化學電源，你認為原因是什么？3．下圖是“阿波羅”飛船中使用的氫氧燃料電池部分結(jié)構(gòu)的示意圖。(1)請將該電池和你在本章第2節(jié)中設(shè)計的氫氧燃料電池進行比較、說明異同，并結(jié)合資料嘗試解釋“阿波羅”飛船使用的氫氧燃料電池中各部分材料及選擇的理由。(2)為了保持電池的工作效率、有效地利用電極反應(yīng)產(chǎn)物，你認為上圖所示電池還需要解決哪些問題？(3)如果你是電池設(shè)計人員，你會提出哪些思路或方案來解決以上問題？4．培根型堿性氫氧燃料電池和質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池。(1)從解決電解質(zhì)溶液和變質(zhì)問題的角度找出二者所做設(shè)計的異同，評價解決問題的思路。(2)若在上述兩種電池中加裝水蒸氣冷凝裝置回收生成的水，應(yīng)該加裝在什么位置？ 歸納總結(jié)】設(shè)計載人航天器中的化學電源思路選擇反應(yīng)→設(shè)計結(jié)構(gòu)→優(yōu)化結(jié)構(gòu)(電極材料、離子導體、電解質(zhì)稀釋和變質(zhì))項目活動二嘗試設(shè)計載人航天器的氧氣再生方案【項目任務(wù)】設(shè)計載人航天器內(nèi)的氧氣再生方法?！鞠薅l件】航天器內(nèi)攜帶物品(物質(zhì)及能源)有限。利用高壓儲氧氣、電解攜帶的水制備氧氣等都難以滿足長時間飛行時航天員對持續(xù)供氧的要求?！締栴}討論】1．人呼出的氣體中含有水和二氧化碳，請你思考氧氣再生的方案？并對這些方案作出評價。2．根據(jù)以下信息回答問題①Ⅰ.H2(g)＋eq\f(1,2)O2(g)=H2O(g)ΔH＝－241.8kJ·mol－1Ⅱ.CH4(g)＋2O2(g)=2H2O(g)＋CO2(g)ΔH＝－802.3kJ·mol－1②薩巴蒂爾反應(yīng)為CO2＋4H2eq\o(=,\s\up7(300～400℃),\s\do5(催化劑))CH4＋2H2O利用薩巴蒂爾反應(yīng)再生氧氣的大體流程如圖所示：薩巴蒂爾反應(yīng)在300～400℃時轉(zhuǎn)化率較高，顯然控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度非常重要。要設(shè)計控制反應(yīng)器內(nèi)溫度的方案，需要知道該反應(yīng)的熱效應(yīng)。在該條件下，副反應(yīng)比較多，測定薩巴蒂爾反應(yīng)的熱效應(yīng)困難較大，我們可以通過理論計算來了解該反應(yīng)的熱效應(yīng)。(1)請計算薩巴蒂爾反應(yīng)的焓變，并考慮如何控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度？(2)請分析薩巴蒂爾反應(yīng)有什么缺點？【基礎(chǔ)檢測】1．(2020·濟南質(zhì)檢)如圖為以Pt為電極的氫氧燃料電池的工作原理示意圖，稀H2SO4為電解質(zhì)溶液。下列有關(guān)說法不正確的是()A．a(chǎn)極為負極，電子由a極經(jīng)外電路流向b極B．a(chǎn)極的電極反應(yīng)式：H2－2e－=2H＋C．電池工作一段時間后，裝置中c(H2SO4)增大D．若將H2改為CH4，消耗等物質(zhì)的量的CH4時，O2的用量增多2．(2019·河北省雞澤縣第一中學高一月考)航天飛船的能量部分來自太陽能電池，另外內(nèi)部還配有高效的MCFC型燃料電池。該燃料電池可同時供應(yīng)電和水蒸氣，其所用燃料為氫氣，電解質(zhì)為熔融的碳酸鉀。已知該燃料電池的總反應(yīng)為2H2＋O2=2H2O，負極反應(yīng)為H2＋COeq\o\al(2－,3)－2e－=CO2＋H2O，則下列推斷正確的是()A．電池工作時，碳酸根離子向負極移動B．電池放電時，電子經(jīng)外電路由通氧氣的正極流向通氫氣的負極C．正極的電極反應(yīng)為4OH－－2e－=O2↑＋2H2OD．通氧氣的電極為正極，發(fā)生氧化反應(yīng)3．(2019·新泰市第二中學高二期中)一種新型燃料電池，它以多孔鎳板為電極插入KOH溶液中，然后分別向兩極上通入乙烷和氧氣，其電極反應(yīng)式為：C2H6＋18OH－－14e－=2COeq\o\al(2－,3)＋12H2O，7H2O＋eq\f(7,2)O2＋14e－=14OH－，有關(guān)此電池的推斷正確的是()A．通氧氣的電極為負極B．參加反應(yīng)的氧氣與C2H6的物質(zhì)的量之比為7∶2C．放電一段時間后，KOH的物質(zhì)的量濃度不變D．電解質(zhì)溶液中COeq\o\al(2－,3)向正極移動4．(2019·拉薩月考)有一種新型燃料電池，工作時在一極通入空氣，另一極通入丁烷氣體；電解質(zhì)是摻雜氧化釔(Y2O3)的氧化鋯(ZrO2)晶體，在熔融狀態(tài)下能傳導O2－?，F(xiàn)用該燃料電池和惰性電極電解Na2SO4溶液一段時間，假設(shè)電解時溫度不變，下列說法不正確的是()A．在熔融電解質(zhì)中，O2－由正極移向負極B．通入空氣的一極是正極，電極反應(yīng)式為O2＋4e－=2O2－C．電解池的陽極反應(yīng)式為4OH－－4e－=2H2O＋O2↑D．電解一共生成0.9mol氣體時，理論上消耗0.1mol丁烷5．利用如圖所示裝置可以將溫室氣體CO2轉(zhuǎn)化為燃料氣體CO，下列說法正確的是()A．該過程是將太陽能轉(zhuǎn)化為化學能的過程B．電極a上發(fā)生還原反應(yīng)C．該裝置工作時，H＋從b極區(qū)向a極區(qū)移動D．該裝置中每生成1molCO，同時生成1molO26．(2021·三明模擬)氫能源是最具應(yīng)用前景的能源之一，高純氫的制備是目前的研究熱點?？衫锰柲芄夥姵仉娊馑聘呒儦?，工作示意圖如圖所示。通過控制開關(guān)連接K1和K2，可交替得到H2和O2。下列有關(guān)說法錯誤的是()A．制H2時，開關(guān)應(yīng)連接K1，產(chǎn)生H2的電極反應(yīng)式是2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－B．當開關(guān)連接K2時，電極3的反應(yīng)式為Ni(OH)2－e－＋OH－=NiO(OH)＋H2OC．當開關(guān)連接K2時，電極2作陽極，得到O2D．電極3的作用是分別作陽極材料和陰極材料，利用NiO(OH)和Ni(OH)2的相互轉(zhuǎn)化提供電子轉(zhuǎn)移7．(2020·天津高三一模)高鐵酸鹽在能源環(huán)保領(lǐng)域有廣泛用途。用鎳(Ni)、鐵作電極電解濃NaOH溶液制備高鐵酸鹽Na2FeO4的裝置如圖所示。下列推斷合理的是()A．鎳是陽極，電極反應(yīng)式為4OH－－4e－=O2↑＋2H2OB．電解時電流的方向為負極→Ni電極→溶液→Fe電極→正極C．若隔膜為陰離子交換膜，則OH－自右向左移動D．電解時陽極區(qū)pH降低、陰極區(qū)pH升高，撤去隔膜混合后，與原溶液比較pH降低(假設(shè)電解前后體積變化忽略不計)8．[2019·四川遂寧診斷]我國科研團隊在“可充室溫鈉－二氧化碳電池”的研究中取得突破進展，該電池放電時工作情況如圖所示。下列說法錯誤的是()A．金屬鈉為電池的負極B．放電時，電解液中Na＋向碳電極移動C．充電時，碳電極發(fā)生的反應(yīng)為4Na＋＋3CO2＋4e－=2Na2CO3＋CD．放電時，每轉(zhuǎn)移2mol電子，消耗標準狀況下的CO233.6L9．“神舟”飛船由返回艙、軌道艙、推進艙和附加段構(gòu)成。軌道艙使用的電源為鎳鎘蓄電池，已知某鎳鎘電池的電解質(zhì)溶液為KOH溶液，其充放電按下式進行：Cd＋2NiOOH＋2H2Oeq\o(,\s\up7(放電),\s\do5(充電))Cd(OH)2＋2Ni(OH)2。有關(guān)該電池的說法正確的是()A．充電時陽極反應(yīng)：Ni(OH)2－e－＋OH－=NiOOH＋H2OB．充電過程是化學能轉(zhuǎn)化為電能的過程C．放電時負極附近溶液的pH減小D．放電時電解質(zhì)溶液中的OH－向正極移動【素養(yǎng)提升】10．[2019·安徽宿州質(zhì)檢]太陽能光電池具有可靠穩(wěn)定、壽命長、安裝維護簡便等優(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)式為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11．(2019·龍泉市第一中學高二月考)“神舟七號”成功登天標志著我國的航天事業(yè)進入了新的篇章。(1)某空間站局部能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)如下圖所示，其中氫氧燃料電池采用KOH溶液為電解液，燃料電池放電時的負極反應(yīng)式為_______________________