第1章微項目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(zhì)的轉化利用課件高二上學期化學選擇性必修1

第1章化學反應與能量轉化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(zhì)的轉化利用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)境下化學反應中的能量轉化與物質(zhì)轉化問題，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構，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用價值。1.嘗試設計載人航天器用化學電池(1)小組討論：如圖是“阿波羅”飛船中使用的氫氧燃料電池部分結構的示意圖。請將該電池和你在本章第2節(jié)中設計的氫氧燃料電池進行比較、說明異同，并結合資料嘗試解釋“阿波羅”飛船使用的氫氧燃料電池中各部分材料選擇的理由。二者不同之處在于“阿波羅”飛船使用的氫氧燃料電池為多孔碳載鎳電極，而我們設計的氫氧燃料電池為石墨電極；鎳對燃料電池反應有催化作用。(2)為了保持電池的工作效率、有效地利用電極反應產(chǎn)物，你認為上圖所示電池還需要解決哪些問題？以電解質(zhì)溶液作為離子導體的氫氧燃料電池在使用時生成的水會稀釋電解質(zhì)溶液，堿性電解質(zhì)溶液還會與二氧化碳反應，這些問題都會導致電池內(nèi)阻增大，從而降低電池的工作效率。(3)如果你是電池設計人員，你會提出哪些思路或方案來解決以上問題？要解決以上問題，在設計電池時，可以附設電解質(zhì)溶液循環(huán)系統(tǒng)，這樣既便于濃縮電解質(zhì)溶液或補充電解質(zhì)，又便于更換已污染的電解質(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。(4)下述兩種改進后的氫氧燃料電池是如何解決電解質(zhì)溶液稀釋和變質(zhì)問題的？培根型堿性氫氧燃料電池主要通過外加循環(huán)設備的方式解決電解質(zhì)溶液稀釋和變質(zhì)的問題。由于電池工作溫度較高，生成的水主要以氣態(tài)形式存在，水蒸氣可以由氣態(tài)反應物帶出并在出口冷凝。電解質(zhì)循環(huán)泵使燃料電池的電解質(zhì)溶液不斷濃縮、循環(huán)；如果電解質(zhì)已變質(zhì)，可以很方便地更換新溶液。質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池則通過使用質(zhì)子交換膜作為離子導體，從根本上解決了電解質(zhì)溶液的稀釋和變質(zhì)問題。(5)若在上述兩種電池中加裝水蒸氣冷凝裝置回收生成的水，應該分別加裝在什么位置？培根型堿性氫氧燃料電池中水主要以水蒸氣的形式在負極生成，應在負極一側的氣體出口設置冷凝裝置；質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池生成的水從正極一側的流場板排出，應在正極一側的流場板氣體出口設置冷凝裝置。2.“阿波羅”飛船燃料電池的工作原理(1)“阿波羅”飛船燃料電池(離子導體為KOH溶液)的電極反應為負極：2H2＋4OH－－4e－===4H2O；正極：O2＋2H2O＋4e－===4OH－。(2)“阿波羅”登月飛船一代燃料電池(離子導體為H2SO4溶液)的電極反應為負極：2H2－4e－===4H＋；正極：O2＋4H＋＋4e－===2H2O。3.“神舟”飛船中鎳鎘堿性蓄電池反應原理(1)當飛船進入光照區(qū)時，太陽能電池為用電設備供電，同時為鎳鎘電池充電，鎳鎘電池的電極反應為陰極：Cd(OH)2＋2e－===Cd＋2OH－；陽極：2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiOOH＋2H2O。(2)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－。1.根據(jù)以下信息回答問題：Ⅱ.CH4(g)＋2O2(g)===2H2O(g)＋CO2(g)

ΔH＝－802.3kJ·mol－1②薩巴蒂爾反應為利用薩巴蒂爾反應再生氧氣的大體流程如圖所示：4.嘗試設計載人航天器的氧氣再生方案薩巴蒂爾反應在300～400℃時轉化率較高，顯然控制反應器內(nèi)的溫度非常重要。要設計控制反應器內(nèi)溫度的方案，需要知道該反應的熱效應。在該條件下，副反應比較多，測定薩巴蒂爾反應的熱效應困難較大，我們可以通過理論計算來了解該反應的熱效應。(1)請計算薩巴蒂爾反應的焓變，并考慮如何控制反應器內(nèi)的溫度？

根據(jù)蓋斯定律，將4×Ⅰ－Ⅱ得：CO2(g)＋4H2(g)===CH4(g)＋2H2O(g)

ΔH＝－164.9kJ·mol－1，則薩巴蒂爾反應是放熱反應(ΔH<0)。為保證轉化率、控制反應器內(nèi)溫度，一般會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