2020-2021高中化學魯科版選擇性1學案：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-化學反應中能量及物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用

學必求其心得，業(yè)必貴于專精學必求其心得，業(yè)必貴于專精學必求其心得，業(yè)必貴于專精2020-2021學年高中化學新教材魯科版選擇性必修1學案：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——化學反應中能量及物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用微項目設(shè)計載人航天器用化學電池與氧氣再生方案-—化學反應中能量及物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用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。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.通過本項目的學習，感受化學知識在解決實際問題中的應用價值.［必備知識］1．載人航天器中的化學電池的特點：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(1)具有單位質(zhì)量輸出電能較高；（2)運輸成本低；（3)反應生成的水可作飲用水；（4）氧氣可作備用氧源供給呼吸等.項目活動1嘗試設(shè)計載人航天器用化學電池［探究任務(wù)1]載人飛船氫氧燃料電池使用存在的問題及解決思路。“阿波羅”飛船的主電源是以KOH溶液為離子導體的堿性氫氧燃料電池。[思考］1．根據(jù)所學電化學知識畫出該電池的工作原理示意圖.提示:2．氫氧燃料電池的反應產(chǎn)物對該電池的工作效率有什么影響？提示：根據(jù)電池反應:2H2＋O2=2H2O,可知電解質(zhì)溶液濃度降低，會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,由于制備工藝問題會使氧氣中混有微量CO2，CO2的存在對電池有什么影響？提示：CO2能與KOH溶液反應，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)計員,針對（2）、(3)問出現(xiàn)的問題，你會提出哪些思路或方案來解決？提示:要解決以上問題，在設(shè)計電池時，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;也可以更換離子導體，如使用酸性電解質(zhì)溶液作為離子導體，避免電解質(zhì)與二氧化碳反應；或采用固體材料離子導體，避免電解質(zhì)被生成的水稀釋，同時將生成的水冷凝回收再利用；等等。[探究任務(wù)2］對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題的認知。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分離反應產(chǎn)生的H2O,濃縮KOH溶液。②電解質(zhì)溶液變質(zhì)時更換電解質(zhì)溶液.2．若在上述兩電池中加冷凝水接收裝置，應該加在什么位置？提示：培根型電池應加在負極(H2）一側(cè)的氣體出口處;質(zhì)子交換膜電池應加在正極(O2)一側(cè)的流場板氣體出口處。3．試分析評價兩種電池解決電解質(zhì)溶液稀釋和變質(zhì)問題的方案。提示：通過分析可知,培根型堿性氫氧燃料電池主要通過外加循環(huán)設(shè)備解決電解質(zhì)溶液稀釋和變質(zhì)問題，質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池則通過改變離子導體使問題從根本上得以解決.[探究任務(wù)3]“神舟"飛船中的太陽能電池陣－鎳鎘蓄電池組系統(tǒng)的工作原理。當飛船進入光照區(qū)時，太陽能電池為用電設(shè)備供電，同時為鎳鎘電池充電，電極反應為:負極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。當飛船進入陰影區(qū)時,由鎳鎘電池提供電能，電極反應為:負極Cd＋2OH－－2e－=Cd(OH）2正極2NiOOH＋2H2O＋2e－=2Ni(OH）2＋2OH－項目活動2嘗試設(shè)計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，利用高壓存儲氧氣、電解攜帶的水制備氧氣等常規(guī)方法來獲得氧氣都難以滿足長時間飛行對持續(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．薩巴蒂爾反應是放熱反應還是吸熱反應？應如何控制反應器內(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薩巴蒂爾反應為：利用薩巴蒂爾反應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，故薩巴蒂爾反應為放熱反應.為控制反應溫度，一般將進入反應器的氣體提前加熱至反應溫度。同時，反應器配有冷卻裝置，以便及時將過多的反應熱傳走。冷卻裝置傳走的熱量,以及從反應器出來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））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)化最理想的方式應符合的條件:應符合綠色化學原理，原子利用率達到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氣體時放出110kJ熱量，此時不是完全燃燒,A項錯誤；根據(jù)氫氣燃燒的能量變化示意圖，可得熱化學方程式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項錯誤；根據(jù)蓋斯定律由eq\f（1,2）×(①-②)可得目標熱化學方程式：C(s）＋H2O(g)=CO（g）＋H2(g）ΔH＝＋130kJ·mol－1,C項正確；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項錯誤.]2．將二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料是目前的研究熱點,《科學》雜志曾報道的一種將CO2轉(zhuǎn)化為烴和醇的裝置如圖所示.下列說法正確的是(）A．圖中能量轉(zhuǎn)化的方式只有1種B．裝置工作時，H＋向X極移動，Y極周圍溶液的pH增大C．X極上得到CH3OH的電極反應式為2CO2＋4H2O＋12e－=2CH3OH＋3O2D．若X極生成1molC2H4和1molCH3OH，電路中通過18mol電子D［由圖可知，存在太陽能轉(zhuǎn)化為電能,電能轉(zhuǎn)化為化學能的轉(zhuǎn)化方式，故A錯誤；如圖所示,X為陰極、Y為陽極，氫離子通過質(zhì)子交換膜向陰極(X極)區(qū)移動,陽極(Y極)發(fā)生氧化反應：6H2O－12e－=12H＋＋3O2↑,所以Y極周圍溶液的pH減小，故B錯誤;X極（陰極)上發(fā)生還原反應生成CH3OH的電極反應式為CO2＋6H＋＋6e－=CH3OH＋H2O，故C錯誤；2molCO2生成1molC2H4,1molCO2生成1molCH3OH,C元素化合價都是由＋4價降低為－2價，所以若X極生成1molC2H4和1molCH3OH，電路中通過的電子為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。下列說法中正確的是()A．充電時，陰極的電極反應式：Ni（OH）2＋OH－－e－=NiOOH＋H2OB．放電時，負極的電極反應式：H2－2e－＋2OH－=2H2OC．放電時，OH－移向鎳電極D．充電時，將電池的碳電極與外電源的正極相連B[接用電器時為原電池，電池放電，根據(jù)電子流向可知，碳電極為負極，鎳電極為正極.充電時，陽極發(fā)生氧化反應,鎳電極為陽極,電極反應式為Ni（OH）2＋OH－－e－=NiOOH＋H2O,A項錯誤;放電時，負極上氫氣失電子發(fā)生氧化反應,電極反應式為H2－2e－＋2OH－=2H2O，B項正確；放電時，該電池為原電池，電解質(zhì)溶液中陰離子向負極移動，所以O(shè)H－移向碳電極，C項錯誤；該電池充電時，碳電極附近物質(zhì)要恢復原狀，則應該得電子發(fā)生還原反應，所以碳電極作陰極，與電源的負極相連，D項錯誤.］一、化學反應的熱效應［答案］①＞②＜③＜④＞⑤kJ·mol－1或J·mol－1⑥ΔH1＋ΔH