新教材2023版高中化學(xué)第1章化學(xué)反應(yīng)與能量變化微項(xiàng)目1設(shè)計(jì)載人航天器用化學(xué)電池與氧氣再生方案學(xué)生用書魯科版選擇性必修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——化學(xué)反應(yīng)中能量及物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用學(xué)業(yè)要求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)迷姵卦砑办首?、蓋斯定律等知識，分析、評價真實(shí)環(huán)境下化學(xué)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(shí)化學(xué)電池的工作原理與裝置結(jié)構(gòu)，并形成分析化學(xué)電池的一般思路。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)用價值。學(xué)業(yè)基礎(chǔ)——自學(xué)·思記·嘗試一、化學(xué)反應(yīng)中的能量變化1．化學(xué)能與熱能的相互轉(zhuǎn)化(1)化學(xué)反應(yīng)從反應(yīng)熱角度分為吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)。(2)化學(xué)反應(yīng)中的反應(yīng)熱通常用熱化學(xué)方程式表示。(3)蓋斯定律：計(jì)算反應(yīng)焓變的一種方法或途徑。2．化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化(1)化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置是原電池，利用了自發(fā)的氧化還原反應(yīng)將物質(zhì)中的化學(xué)能以電能的形式釋放出來。(2)電解池是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存在物質(zhì)之中。二、常見的化學(xué)電池核心素養(yǎng)——合作·探究·分享項(xiàng)目活動一嘗試設(shè)計(jì)載人航天器用化學(xué)電池?fù)?jù)觀察者網(wǎng)2020年1月20日的報道稱，我國目前最大的航天器——空間站核心艙初樣產(chǎn)品和新一代載人飛船試驗(yàn)船，已經(jīng)先后安全運(yùn)抵海南文昌航天發(fā)射場。在航天器中，電源是極其重要的組成部分，那么載人航天器上使用的化學(xué)電源是什么？其原理是什么？【活動探究】一、第一代堿性燃料電池——培根堿性氫氧燃料電池1．嘗試畫出“阿波羅”11號登月飛船中所使用氫氧燃料電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，指出各部分的作用并分析其工作原理。2．為了保持電池的工作效率、有效利用電極反應(yīng)產(chǎn)物，該電池還需要解決哪些問題？3．如果你是電池的設(shè)計(jì)人員，你會提出哪些思路或方案解決以上問題？二、第二代質(zhì)子交換膜燃料電池4．此電池是怎樣解決電解質(zhì)稀釋和變質(zhì)問題的？5．若在第一代和第二代的燃料電池裝置上分別加裝冷凝水接收裝置，你認(rèn)為應(yīng)該加裝在什么位置？[提升1](雙選)如圖是一種酸性燃料電池酒精檢測儀，具有自動吹氣流量監(jiān)測與控制的功能，下列有關(guān)說法正確的是()A．電子由呼氣所在的鉑電極流出B．H＋透過質(zhì)子交換膜流向氧氣所在的鉑電極C．電路中流過2mol電子時，消耗11.2LO2D．該電池的負(fù)極反應(yīng)為CH3CH2OH＋3H2O－12e－=2CO2↑＋12H＋狀元隨筆氫氧燃料電池的分類種類酸性(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－=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)電作用關(guān)鍵能力項(xiàng)目活動二嘗試設(shè)計(jì)載人航天器的氧氣再生方案航天員每人每天大約消耗0.84kg氧氣，因載人航天器攜帶的物品有限，因此一些常規(guī)方法都難以滿足長時間飛行時航天員對持續(xù)供氧的要求。那么航天員在艙內(nèi)消耗的氧氣是怎樣再生的呢？【活動探究】6．如何在載人航天器長時間飛行時為航天員持續(xù)提供氧氣？7．在航天器中是通過薩巴蒂爾反應(yīng)將CO2中的氧元素經(jīng)過一系列的轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)氧氣的再生的。薩巴蒂爾反應(yīng)為CO2＋4H2CH4＋2H2O(1)在反應(yīng)條件下，薩巴蒂爾反應(yīng)的副反應(yīng)較多，其反應(yīng)熱難以測定，可通過如下反應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。H2(g)＋12O2(g)=H2O(g)ΔH1＝－241.8kJ·mol－CH4(g)＋2O2(g)=2H2O(g)＋CO2(g)ΔH2＝－802.3kJ·mol－1(2)通過上述計(jì)算的結(jié)果，請分析如何控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度。(3)薩巴蒂爾反應(yīng)有什么缺點(diǎn)？[提升2]Mn2＋催化H2O2分解：2H2O2(l)=2H2O(l)＋O2(g)ΔH1，其反應(yīng)機(jī)理如圖。若反應(yīng)Ⅱ的焓變?yōu)棣2，則反應(yīng)Ⅰ的焓變ΔH為(反應(yīng)Ⅰ、Ⅱ的計(jì)量數(shù)均為最簡整數(shù)比)()A．ΔH1－ΔH2B．ΔH1＋ΔH2C．2ΔH1－ΔH2D．ΔH1－2ΔH2狀元隨筆薩巴蒂爾反應(yīng)的焓變的計(jì)算：①H2(g)＋12O2(g)=H2O(g)ΔH＝－241.8kJ·mol－②CH4(g)＋2O2(g)=CO2(g)＋2H2O(g)ΔH＝－802.3kJ·mol－1薩巴蒂爾反應(yīng)為：CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)根據(jù)蓋斯定律，由①×4－②可得：CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)ΔH＝－164.9kJ·mol－1關(guān)鍵能力1.探究載人航天器用化學(xué)電源與氧氣再生的一般思路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(yīng)符合的條件：應(yīng)符合綠色化學(xué)原理，原子利用率達(dá)到100%。4．蓋斯定律：間接計(jì)算某些反應(yīng)的反應(yīng)熱。解題模型：當(dāng)堂評價——夯實(shí)·測控·演練1．已知：①2C(s)＋O2(g)=2CO(g)ΔH＝-②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)＋12O2(g)=H2ΔH＝-C．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2．(雙選)將二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料是目前的研究熱點(diǎn)，《科學(xué)》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減小C．X極上得到CH3OH的電極反應(yīng)式為2CO2＋4H2O＋12e－=2CH3OH＋3O2D．若X極生成1molC2H4和1molCH3OH，電路中通過18mol電子3．(雙選)斷裂1mol化學(xué)鍵所需的能量如表，火箭燃料肼(H2N—NH2)的有關(guān)化學(xué)反應(yīng)的能量變化如圖所示，則下列說法錯誤的是()化學(xué)鍵N—NO=ON≡NN—H鍵能(kJ)154500942aA.N2(g)比O2(g)穩(wěn)定B．N2H4(g)＋O2(g)=N2(g)＋2H2O(g)ΔH1＝－534kJ·mol－1C.圖中的ΔH3＝－2218kJ·mol－1D．表中的a＝1944．(1)將燃煤產(chǎn)生的二氧化碳回收利用，可達(dá)到低碳排放的目的。如圖是通過人工光合作用，以CO2和H2O為原料制備HCOOH和O2的原理示意圖。電極b作________極，發(fā)生的電極反應(yīng)式為________________________________________________________________________。(2)濃差電池中的電動勢是由于電池中存在濃度差而產(chǎn)生的。某濃差電池的原理如圖所示，該電池從濃縮海水中提取LiCl的同時又獲得了電能。①X為________極，Y電極反應(yīng)式為________________________________________________________________________________________________________________________________________________。②Y極生成1molCl2時，________molLi＋移向________(填“X”或“Y”)極。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——化學(xué)反應(yīng)中能量及物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用核心素養(yǎng)【活動探究】1．提示：“阿波羅”11號登月飛船中所使用氫氧燃料電池是培根型堿性氫氧燃料電池，其裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖：多孔鎳電極作為電池的電極材料，KOH是電解質(zhì)溶液。H2在電極上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，O2在電極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)，H2失去的電子沿導(dǎo)線定向移動，從而形成了電流。在電解質(zhì)溶液中陰陽離子定向移向兩電極，構(gòu)成閉合回路。2．提示：在電池的使用過程中會生成水，同時空氣中含有一定量的CO2，因此有兩個重要問題：①電極反應(yīng)生成的水會稀釋電解質(zhì)溶液，最終導(dǎo)致電池?zé)o法正常工作；②堿性電解質(zhì)KOH會與CO2反應(yīng)導(dǎo)致電解質(zhì)變質(zhì)。3．提示：①提高H2、O2的濃度；②及時分離出電極上的產(chǎn)物水；③及時更換或補(bǔ)充電解質(zhì)溶液。4．提示：改變了電解質(zhì)，使用質(zhì)子交換膜作為離子導(dǎo)體，就不存在吸收CO2變質(zhì)問題。使用流場板避免了電解質(zhì)的稀釋問題，流場板上帶有溝槽，用以引導(dǎo)氫氣和氧氣流動，并將生成的水排出。5．提示：培根型堿性氫氧燃料電池的水是在負(fù)極一側(cè)生成，因此冷凝水接收裝置應(yīng)加裝在負(fù)極一側(cè)；而第二代質(zhì)子交換膜燃料電池的水在正極上生成，并通過流場板流出，故應(yīng)在正極一側(cè)加裝。[提升1]解析：根據(jù)圖示，通入氧氣的鉑電極為正極，呼氣所在的鉑電極為負(fù)極。電子由呼氣所在的鉑電極流出，A正確；陽離子移向正極，H＋透過質(zhì)子交換膜流向氧氣所在的鉑電極，B正確；未指明標(biāo)準(zhǔn)狀況下，無法計(jì)算氣體體積，C錯誤；根據(jù)圖示，該電池的負(fù)極生成醋酸，電極反應(yīng)式為CH3CH2OH＋H2O－4e－=CH3COOH＋4H＋，D錯誤。答案：AB【活動探究】6．提示：由于載人航天中的物質(zhì)和能量資源均十分有限和寶貴，因此應(yīng)盡可能將航天員的代謝產(chǎn)物中的氧元素轉(zhuǎn)化為氧氣，這樣可以保證氧元素的持續(xù)循環(huán)。7．提示：(1)將上述反應(yīng)依次編號為①②，利用蓋斯定律反應(yīng)①×4—反應(yīng)②可以得到薩巴蒂爾反應(yīng)，因此薩巴蒂爾反應(yīng)的焓變ΔH＝ΔH1×4－ΔH2＝－241.8kJ·mol－1×4－(－802.3kJ·mol－1)＝－164.9kJ·mol－1。(2)由于此反應(yīng)放熱，因此為了保證轉(zhuǎn)化率、控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度，需要將過多的反應(yīng)熱傳走，以便廢熱的再利用。(3)根據(jù)薩巴蒂爾反應(yīng)的方程式可以看出，此反應(yīng)中50%的氫元素進(jìn)入甲烷氣體中，沒有進(jìn)行再利用。[提升2]解析：由圖可知反應(yīng)過程為H2O2＋Mn2＋=2H＋＋MnO2(Ⅰ)、MnO2＋H2O2＋2H＋=Mn2＋＋2H2O＋O2↑(Ⅱ)，題給反應(yīng)可由兩個反應(yīng)相加獲得，有ΔH1＝ΔH＋ΔH2，ΔH＝ΔH1－ΔH2。答案：A當(dāng)堂評價1．解析：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(xiàng)錯誤；根據(jù)氫氣燃燒的能量變化示意圖，可得熱化學(xué)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)＋12O2(g)=H2O(g)ΔH＝－240kJ·mol－1，B項(xiàng)錯誤；根據(jù)蓋斯定律由12×(①－②)可得目標(biāo)熱化學(xué)方程式：C(s)＋H2O(g)=CO(g)＋H2(g)ΔH＝＋130kJ·mol－1，C項(xiàng)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，答案：C2．解析：由圖可知，存在太陽能轉(zhuǎn)化為電能，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的能量轉(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(yīng)：6H2O－12e－=12H＋＋3O2↑，所以Y極周圍溶液的pH減小，故B正確；X極(陰極)上發(fā)生還原反應(yīng)生成CH3OH的電極反應(yīng)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降低為－2，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。答案：BD3．解析：由表中數(shù)據(jù)可知，N≡N鍵的鍵能大于O=O鍵的鍵能，則N2(g)比O2(g)穩(wěn)定，A項(xiàng)正確；由能量變化圖示可知，反應(yīng)N2H4(g)＋O2(g)=N2(g)＋2H2O(g)的ΔH1＝－534kJ·mol－1，B項(xiàng)正確；根據(jù)蓋斯定律，反應(yīng)N2H4(g)＋O2(g)=N2(g)＋2H2O(g)的ΔH1＝ΔH2＋ΔH3＝(-2752kJ·mol-1)＋ΔH3＝－534kJ·mol－1，則有ΔH3＝＋2218kJ·mol－1，C項(xiàng)錯誤；N2H4(g)＋O2(g)=2N(g)＋4H(g)＋2O(g)的ΔH3＝(4akJ·mol－1