2022-2023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課件魯科版選擇性必修1

1、微項(xiàng)目設(shè)計(jì)載人航天器用化學(xué)電池與氧氣 再生方案第1章化學(xué)反應(yīng)中能量及物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用 內(nèi)容索引0102基礎(chǔ)落實(shí)必備知識全過關(guān)重難探究能力素養(yǎng)全提升03學(xué)以致用隨堂檢測全達(dá)標(biāo)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(jià)真實(shí)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(yàn)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(shí)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(yàn)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(xiàng)目的學(xué)習(xí),感受化學(xué)知識在解決實(shí)際問題中的應(yīng)用價(jià)值,體驗(yàn)化學(xué)學(xué)科的科學(xué)態(tài)度

2、與社會責(zé)任的學(xué)科核心素養(yǎng)?；A(chǔ)落實(shí)必備知識全過關(guān)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)極電極反應(yīng):2H2+4OH-4e-=4H2O,正極電極反應(yīng):O2+2H2O+4e-=4OH-,電池反應(yīng)為2H2+O2=2H2O。2.實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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。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+

3、=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(qiáng)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(fù)極,NiOOH作為正極,通過放電反應(yīng)釋放能量,總反應(yīng):Cd+2NiOOH+2H2O Cd(OH)2+2Ni(OH)2。自我檢測判斷下列說法是否正確,正確的打“”,錯(cuò)誤的打“”。(1)理論上說,任何可燃物氣體與氧氣都可設(shè)計(jì)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(shí),K

4、OH溶液中的陽離子向負(fù)極移動(dòng)。()(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(shí),當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移0.1 mol電子時(shí),負(fù)極增重1.7 g。() 重難探究能力素養(yǎng)全提升探究一嘗試設(shè)計(jì)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(diǎn),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

5、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-=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(fù)極Cd+2OH-2e-=Cd(OH)2正極2NiOOH+2H2O+2e-=2Ni(OH)2+2OH-總反應(yīng)式Cd+2NiOOH+2H2O 2Ni(OH)2+Cd(OH)2應(yīng)用體驗(yàn)【典例1】鎘鎳可充電電池的充、放電反應(yīng)原理如下:Cd+2NiOOH+2H2O Cd(OH)2

6、+2Ni(OH)2。下列說法錯(cuò)誤的是()A.放電時(shí),Cd作為負(fù)極B.放電時(shí),NiOOH作為負(fù)極C.電解質(zhì)溶液為堿性溶液D.放電時(shí),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(shí),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(xiàng)錯(cuò)誤。變式訓(xùn)練1一種突破傳統(tǒng)電池設(shè)計(jì)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(shí)中間層熔融鹽的組成及濃度不變。該電池工作一段時(shí)間后,可由太陽能電池充電。下列說法不正確的是()A.放電時(shí),Mg(液)層的質(zhì)量減小B.放電時(shí)正極電極反應(yīng)為:Mg

7、2+2e-=MgC.該電池充電時(shí),Mg-Sb(液)層發(fā)生還原反應(yīng)D.該電池充電時(shí),Cl-向中層和下層分界面處移動(dòng)答案C解析放電時(shí),負(fù)極Mg失電子生成鎂離子,則Mg(液)層的質(zhì)量減小,A項(xiàng)正確;正極鎂離子得電子得到Mg,則放電時(shí)正極電極反應(yīng)為:Mg2+2e-=Mg,B項(xiàng)正確;該電池充電時(shí),Mg-Sb(液)層為陽極,陽極發(fā)生失電子的氧化反應(yīng),C項(xiàng)錯(cuò)誤;該電池充電時(shí),陰離子向陽極移動(dòng),即Cl-向中層和下層分界面處移動(dòng),D項(xiàng)正確。探究二嘗試設(shè)計(jì)載人航天器的氧氣再生方案問題探究在設(shè)計(jì)航天器中氧氣的獲取方案時(shí),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(jì)氧氣的獲取方案時(shí),要盡可能地將人體

8、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(jì)算薩巴蒂爾反應(yīng)的焓變 C(s,石墨)+O2(g) =CO2(g)H=-393.5 kJmol-1。 2.利用薩巴蒂爾反應(yīng)再生氧氣的大體流程 3.項(xiàng)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(yàn)【典例2】為了實(shí)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(jì)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(fù)極B.Y電極的反應(yīng):4OH-4e-=2H2O+O2C.圖中離子交換膜為陽離子交換膜D.該裝置

9、實(shí)現(xiàn)了“太陽能化學(xué)能電能”的轉(zhuǎn)化答案B解析根據(jù)裝置圖中電荷移動(dòng)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(xiàng)錯(cuò)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(xiàng)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(xiàng)錯(cuò)誤;該裝置實(shí)現(xiàn)了“太陽能電能化學(xué)能”的轉(zhuǎn)化,D項(xiàng)錯(cuò)誤。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(jì)了一種裝置(如圖所示),實(shí)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

10、極反應(yīng):CO2+H2O+2e-=CO+2OH-D.X極每產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)狀況下22.4 L氣體,有2 mol的OH-從Y極移向X極答案D解析題給裝置實(shí)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(xiàng)正確;根據(jù)圖中電子的流向“XY”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(xiàng)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(xiàng)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,

11、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(xiàng)錯(cuò)誤。學(xué)以致用隨堂檢測全達(dá)標(biāo)隨堂檢測1.一種以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(cuò)誤的是() A.電池正極的電極反應(yīng)為H2O2+2e-=2OH-B.電池放電時(shí)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)利用答案 C 解析 根據(jù)電池工作原理示意圖可知,電極a上發(fā)生氧化反應(yīng):B -8e-+8OH-=B +6H2O,為電池的負(fù)極,電極b上發(fā)生還原反應(yīng):H2O2+2e-=2OH-,為電池的正極,A項(xiàng)正確;電池放電時(shí),陽離子由負(fù)極區(qū)移向正極

12、區(qū),B項(xiàng)正確;電子由負(fù)極經(jīng)外電路流向正極,C項(xiàng)錯(cuò)誤;b極室的輸出液中含有大量OH-,經(jīng)處理可輸入a極室中循環(huán)利用,D項(xiàng)正確。2.一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+H2O 3H2+CO,每消耗1 mol CH4轉(zhuǎn)移12 mol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(shí),C 向電極B移動(dòng)D.電極A上H2參與的電極反應(yīng):H2+2OH-2e-=2H2O答案B 3.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

13、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1 mol SO2,理論上能產(chǎn)生1 mol H2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(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)錯(cuò)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(shí)轉(zhuǎn)移2 mol電子,根據(jù)得失電子守恒,同時(shí)會產(chǎn)生1 mol氫氣,D項(xiàng)正確。4.

14、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(dòng)C.離子交換膜可用質(zhì)子交換膜D.負(fù)極的電極反應(yīng):H2-2e-+2OH-=2H2O答案C解析根據(jù)圖示分析,電子流動(dòng)方向是從M通過導(dǎo)線到N,故A項(xiàng)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(dòng),故B項(xiàng)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(xiàng)錯(cuò)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(xiàng)正確。5.一種釕(Ru)基配合物

15、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(shí),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+答案D 6.科學(xué)家們發(fā)明了一種能夠給電子設(shè)備提供動(dòng)力的生物燃料電池。該電池包括兩個(gè)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-答案C解析由電池示意圖可知,H2H+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+;O2H2O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(cuò)誤,C正確;該電池包括兩個(gè)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(cuò)誤。7.KIO3也可采用“電解法”制備,裝置如圖所示。 (1)寫出電解時(shí)陰極的電