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-2021-2022学年高二化学【创新设计】同步学考笔记（鲁科版2019选择性必修1）粤皖闽单选word

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 【课程标准要求】　 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 “神舟”飞船中的电池 “神舟”飞船镍铬电池通过放电和充电过程，满足飞船在光照区和阴影区交替飞行时对能量供给和能量储存的需求。 当飞船进入光照区时，太阳能电池为用电设备供电，同时为镍铬电池充电。 镍铬电池的电极反应为 负极：Cd(OH)2＋2e－===Cd＋2OH－ 正极：2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiOOH＋2H2O NiOOH常称为氢氧化镍或碱式氧化镍，其中镍元素为＋3价。 当飞船进入阴影区时，由镍铬电池提供电能，电极反应为 负极：Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2 正极：2NiOOH＋2H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－ “神舟十一号”飞船所使用的砷化镓太阳能电池是我国自主研发、自主生产的产品，拥有全部自主知识产权。 【微自测】 1．下列描述中，正确的画“√”，错误的画“×” (1)宇宙飞船中能量转化形式有光能→电能→化学能(√) (2)飞船中使用的电源一般是一次电源(×) (3)氢氧燃料电池可以给飞船提供电能，也可再生氧气(√) (4)航天器中经常使用的电池时镍铬电池、镍氢电池和氢氧燃料电池(√) 二、载人航天器的氧气再生方案 1.萨巴蒂尔反应：利用萨巴蒂尔反应可以将二氧化碳转化为甲烷和水，配合水的电解可以实行氧气的再生。该方法可同时解决二氧化碳的清除问题，因此成为一种非常重要的载人航天器中氧气再生的方法。 萨巴蒂尔反应为：CO2＋4H2CH4＋2H2O 2．利用萨巴蒂尔反应再生氧气的大体流程如图所示 (1)控制反应器内温度的方法 萨巴蒂尔反应在300～400℃时转化率最高，且ΔH＜0，所以为保证转化率、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导出去。冷却装置传导出的热量，以及从反应器中出来气体带走的热量还可以继续利用。 (2)萨巴蒂尔反应的缺点 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。为了在利用氧元素的同时充分利用氢元素，人们正在研究其他反应。 【微自测】 2．下列描述中，正确的画“√”，错误的画“×” (1)萨巴蒂尔反应是放热反应(√) (2)萨巴蒂尔反应中有50%的氢元素存在于甲烷中没有得到合理利用(√) (3)萨巴蒂尔反应中CO2和H2的能量高于CH4和H2O的总能量(×) (4)萨巴蒂尔反应可将飞船中CO2转化为CH4和H2O(√) 项目活动1　尝试设计载人航天器用化学电池 —————【核心归纳】—————— 一、项目学习内容 1.航天器 2．航天器用化学电池需要考虑的最主要的问题：提高电池单位质量输出的电能。 3．设计电池需要考虑的问题 4．各类载人航天器用化学电池 (1)种类：航天器中经常使用的化学电池有镍氢电池、镍铬电池、氢氧燃料电池等。 (2)氢氧燃料电池 氢氧燃料电池具有单位质量输出电能较高、反应生成的水可作为航天员的饮用水、氧气可作为备用氧源供给航天员呼吸等优点，因此适合做短寿命载人航天器的电源。 ①传统氢氧燃料电池 下图所示为美国“阿波罗”飞船氢氧燃料电池部分结构示意图 Ⅰ.该装置存在的缺点：以KOH溶液为电解质溶液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CO2反应，会导致电池的内阻增大、降低电池的工作效率。 Ⅱ.改进措施：附设电解质溶液循环系统，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CO2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。 知识链接 ①降低电池内阻可以提高电池的工作效率，从而增大电池单位质量输出的电能。电池内阻和离子导体的导电性等因素有关。 ②铂、镍对燃料电池的反应具有催化作用。 ③质子交换膜是一种固体高分子材料，厚度仅有几十至几百微米，内部含有酸性基团，在水等极性溶剂存在时能电离出H＋。该膜允许H＋通过而不允许OH－通过。 ②改进后的氢氧燃料电池 培根型碱性 氢氧燃料电池 质子交换膜 氢氧燃料电池 部分结构 示意图 电解质溶液稀释和变质问题的解决方法 外界循环设备 使用质子交