第1章 微项目 设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案（配套课件）-2021-2022学年高二化学【步步高】学习笔记（鲁科版2019选择性第一册）粤闽皖

微项目 设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案 ——化学反应中能量及物质的转化利用 核心素养发展目标 1.通过探究载人航天器用化学电池与氧气再生方案，尝试利用原 电池原理及焓变、盖斯定律等知识，分析、评价真实环境下化 学反应中的能量转化与物质转化问题，并形成电源选择和氧气 再生的基本思路。 2.通过分析载人航天器上的电源，了解真实化学电池的工作原理 与装置结构，并形成分析化学电池的一般思路。 3.通过本项目的学习，感受化学知识在解决实际问题中的应用价值。 一、尝试设计载人航天器用化学电池 1.小组讨论：下图是“阿波罗”飞船中使用的氢氧燃料电池部分结构的示意图。请将该电池和你在本章第2节中设计的氢氧燃料电池进行比较、说明异同，并结合资料尝试解释“阿波罗”飞船使用的氢氧燃料电池中各部分材料选择的理由。 提示　二者不同之处在于“阿波罗”飞船使用的氢氧燃料电池为多孔碳载镍电极，而我们设计的氢氧燃料电池为石墨电极；铂、镍对燃料电池反应有催化作用。 2.为了保持电池的工作效率、有效地利用电极反应产物，你认为上图所示电池还需要解决哪些问题？ 提示　以电解质溶液作为离子导体的氢氧燃料电池在使用时生成的水会稀释电解质溶液，碱性电解质溶液还会与二氧化碳反应，这些问题都会导致电池内阻增大，从而降低电池的工作效率。 3.如果你是电池设计人员，你会提出哪些思路或方案来解决以上问题？ 提示　要解决以上问题，在设计电池时，可以附设电解质溶液循环系统，这样既便于浓缩电解质溶液或补充电解质，又便于更换已污染的电解质溶液；也可以更换离子导体，如使用酸性电解质溶液作为离子导体，避免电解质与二氧化碳反应，或采用固体材料离子导体，避免电解质被生成的水稀释，同时将生成的水冷凝回收再利用。 4.若在下述两种电池中加装水蒸气冷凝装置回收生成的水，应该加装在什么位置？ 提示　培根型碱性氢氧燃料电池主要通过外加循环设备的方式解决电解质溶液稀释和变质的问题。由于电池工作温度较高，生成的水主要以气态形式存在，水蒸气可以由气态反应物带出并在出口冷凝。电解质循环系统使燃料电池的电解质溶液不断浓缩、循环；如果电解质已变质，可以很方便地更换新溶液。质子交换膜氢氧燃料电池则通过使用质子交换膜作为离子导体，从根本上解决了电解质溶液的稀释和变质问题。 二、尝试设计载人航天器的氧气再生方案 根据以下信息回答问题： ①Ⅰ.H2(g)＋ O2(g)===H2O(g) 　ΔH＝－241.8 kJ·mol－1 Ⅱ.CH4(g)＋2O2(g)===2H2O(g)＋CO2(g) 　ΔH＝－802.3 kJ·mol－1 ②萨巴蒂尔反应为 CO2＋4H2 CH4＋2H2O 利用萨巴蒂尔反应再生氧气的大体流程如图所示： 萨巴蒂尔反应在300～400 ℃时转化率较高，显然控制反应器内的温度非常重要。要设计控制反应器内温度的方案，需要知道该反应的热效应。在该条件下，副反应比较多，测定萨巴蒂尔反应的热效应困难较大，我们可以通过理论计算来了解该反应的热效应。 (1)请计算萨巴蒂尔反应的焓变，并考虑如何控制反应器内的温度？ 提示　通过理论计算可知，根据盖斯定律，将4×Ⅰ－Ⅱ得，CO2(g)＋4H2(g)===CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－164.9 kJ·mol－1，则萨巴蒂尔反应是放热反应(ΔH<0)。为保证转化率、控制反应器内温度，一般会将进入反应器的气体提前加热至反应温度。同时，反应器配有冷却装置，以便及时将过多的反应热传走。冷却装置传走的热量，以及从反应器出来的气体带走的热量还可以继续利用。 (2)请分析萨巴蒂尔反应有什么缺点？ 提示　萨巴蒂尔反应有一个明显的缺陷，即有50%的氢元素存在于甲烷中而没有得到利用。 1.(2020·龙泉市第一中学高二期末)航天飞船的能量部分来自太阳能电池，另外内部还配有高效的MCFC型燃料电池。该燃料电池可同时供应电和水蒸气，其所用燃料为氢气，电解质为熔融的碳酸钾。已知该燃料电池的总反应为2H2＋O2===2H2O，负极反应为H2＋ －2e－===CO2＋H2O，则下列推断正确的是 A.电池工作时，碳酸根离子向负极移动 B.电池放电时，电子经外电路由通氧气的正极流向通氢气的负极 C.正极的电极反应式为4OH－－2e－===O2↑＋2H2O D.通氧气的电极为正极，发生氧化反应 √ 1 2 3 4 5 跟踪训练 解析　原电池放电时，电子由负极经外电路流向正极，B错误； 正极反应为O2＋4e－＋2CO2===2 ，C错误； 通氧气一极为正极，发生还原反应，D错误。 1 2 3 4 5 2.(2020·湖北宜都第二中学高二期末)一种新型燃料电池，它以多孔镍板为电极插入KOH溶液中