設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的轉化利用課件魯科高中化學選擇性必修1

設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的轉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,嘗試利用焓變、蓋斯定律和電池原理等知識,分析評價真實環(huán)境下化學反應中能量與物質的轉化,形成電源選擇和氧氣再生的基本思路,體驗科學探究與創(chuàng)新意識的學科核心素養(yǎng)。2.通過載人航天器的電源,了解真實化學電池的原理和裝置,形成分析化學電池的一般方法,體驗證據(jù)推理與模型認知的學科核心素養(yǎng)。

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用價值,體驗科學態(tài)度與社會責任的學科核心素養(yǎng)。項目探究過程項目活動一：嘗試設計載人航天器用化學電池項目活動二：嘗試設計載人航天器的氧氣再生方案選擇反應設計結構優(yōu)化結構物質轉化利用能量轉化利用物質的循環(huán)利用項目活動一：嘗試設計載人航天器用化學電池1.單位質量輸出電能較高；2.反應生成的水可作為飲用水；3.氧氣可作為備用氧源。1.你知道航天器中經(jīng)常使用的化學電池有哪些？2.現(xiàn)階段的載人航天器中使用的是哪種電池？【問題組】項目活動一：嘗試設計載人航天器用化學電池探究任務1：請仔細觀察并分析比較氫氧燃料電池有何異同？【環(huán)節(jié)一】確定電池反應并展示初步設計請畫出燃料電池裝置圖并寫出電極反應式電極材料離子導體項目活動一：嘗試設計載人航天器用化學電池1.優(yōu)化電極材料【環(huán)節(jié)二】優(yōu)化裝置，提升性能探究任務2：請根據(jù)資料卡片設計酸性和堿性環(huán)境的氫氧燃料電池的電極材料。燃料電池中電極材料的選擇：酸性環(huán)境

多孔碳載鉑堿性環(huán)境

多孔碳載鎳資料卡片1

鉑、鎳對燃料電池反應有催化作用。

項目活動一：嘗試設計載人航天器用化學電池2.優(yōu)化離子導體【環(huán)節(jié)二】優(yōu)化裝置，提升性能探究任務3：請根據(jù)資料卡片選擇離子導體及工作環(huán)境并說明理由。資料卡片2

1.摩爾電導率越大，溶液導電性越好；2.電池性能與電池內阻有關；3.溫度升高，電解質溶液電導率升高。1.硫酸是最早用于燃料電池研究的離子導體，但硫酸溶液腐蝕性強，電池無法長時間工作。2.最早投入使用的航天器用燃料電池是以KOH溶液為離子導體的燃料電池，碳載鎳為電極材料。項目活動一：嘗試設計載人航天器用化學電池2.優(yōu)化離子導體【環(huán)節(jié)二】優(yōu)化裝置，提升性能資料卡片2

探究任務4：我們設計的氫氧化鉀為離子導體的燃料電池，電極反應產(chǎn)物對電池的效率有什么影響？如何解決該問題？項目活動一：嘗試設計載人航天器用化學電池2.優(yōu)化離子導體【環(huán)節(jié)二】優(yōu)化裝置，提升性能資料卡片2

一種培根型堿性氫氧燃料電池部分結構示意圖(電池工作溫度為200℃)濃縮電解質溶液或者補充電解質或更換已污染的電解質溶液水在負極生成，利用氫氣流將水蒸氣吹出或者利用毛細作用將水在負極蒸發(fā)。項目活動一：嘗試設計載人航天器用化學電池2.優(yōu)化離子導體【環(huán)節(jié)二】優(yōu)化裝置，提升性能資料卡片2

探究任務5：我們設計的氫氧化鉀為離子導體的燃料電池，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？如何解決該問題？項目活動一：嘗試設計載人航天器用化學電池【環(huán)節(jié)三】利用質子交換膜設計化學電池資料卡片3

質子交換膜是一種高分子材料，厚度僅有幾百微米，含有酸性基團，被水潤濕后可電離出氫離子，質子交換膜內為酸性環(huán)境，只允許氫離子通過，以質子交換膜作為離子導體的氫氧燃料電池工作壽命可高達57000小時。電導率優(yōu)于或等于電解質溶液型離子導體。探究任務6：結合本節(jié)課所學知識，利用質子交換膜設計一個能長時間工作的氫氧燃料電池。項目活動一：嘗試設計載人航天器用化學電池【環(huán)節(jié)三】利用質子交換膜設計化學電池資料卡片3

項目活動一：嘗試設計載人航天器用化學電池【環(huán)節(jié)三】利用質子交換膜設計化學電池資料卡片3

拓展視野：“神州”飛船中的電池資料卡片2

用于軌道艙和推進艙用于返回艙項目活動二：嘗試設計載人航天器的氧氣再生方案資料卡片2

探究任務7：因載人航天器攜帶的物品有限，利用高壓存儲氧氣等常規(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。能否從人體代謝的廢物(如CO2、H2O)中獲取O2?項目活動二：嘗試設計載人航天器的氧氣再生方案資料卡片2

資料卡片4

探究任務8：如何根據(jù)以上資料設計將水和二氧化碳轉化為氧氣的方法？項目活動二：嘗試設計載人航天器的氧氣再生方案資料卡片2

資料卡片5

Sabatier反應：4H?+CO2

CH4+2H2