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—化学反应中能量及物质的转化利用（课件）-2021-2022学年新教材高中化学选择性必修1【导与练】高中同步全程学习（鲁科版）

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 化学 学习目标导航 课程目标展示 素养目标达成 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。 1.变化观念与平衡思想:通过化学变化伴随物质、能量两方面变化学习动态多角度理解化学反应。 2.科学探究与创新意识:通过对航天器用化学电池的认识与理解,培养科学探究与创新意识素养。 3.科学态度与社会责任:通过我国航天科技成就激发学生爱国热情,培养热爱科学的态度。 化学 项目情境 航天电源系统是所有仪器工作的电源,是极其重要的航天子系统。其基本功能是通过物理、化学过程将太阳能、核能、化学能转化为电能,并通过电解过程把电能加以存储或制备新物质。其中常见的电源有五种:①一次性电源:常见有锌银电池、锂/亚硫酰氯电池,主要用于短期供电(6～12个月以内);②核电源:利用放射性同位素温差或核反应堆离子发电器发电,适用于一些特殊航天器;③燃料电池:常见氢氧燃料电池,由于液氢、液氧携带数量有限,一般适用于半年以内供电工作;④太阳能电池:可以做长期供电;⑤太阳能+蓄电池供电系统:把利用太阳能发的电量通过蓄电池系统储存起来,在背光处释放电能供电,常见蓄电池有镉镍电池、高压氢镍电池、金属氢化物镍电池等,适合10～15年长期供电。 化学 项目活动1　尝试设计载人航天器用化学电池 探究1　“阿波罗”飞船采用KOH电解液的氢氧燃料电池做电源的反应 问题1:已知1 mol H2完全燃烧生成液态水放出285.8 kJ热量,写出H2与O2反应的热化学方程式。 探究提升 问题2:写出以KOH做电解质溶液的氢氧燃料电池的正负极电极反应式。 化学 问题3:请从提高反应速率角度考虑,燃料电池电极采用什么样的材料比较好? 提示:采用多孔电极,大面积薄膜结构,这样可以增大气体接触面积,利于放电。 问题4:如果燃料电池中通入的氧气含有CO2,会发生什么反应?会对燃料电池产生什么影响? 化学 探究2　培根型碱性氢氧燃料电池和质子交换膜氢氧燃料电池 化学 问题5:根据质子交换膜氢氧燃料电池结构图,判断哪种结构相当于普通原电池的电解质溶液? 提示:电池中,“质子交换膜”相当于普通原电池中的电解质。普通原电池电解质内有自由离子移动传导电流,质子交换膜可以通过传导质子(H+)传导 电流。 问题6:上述两种燃料电池,若要加装冷凝水收集装置应该设置在什么部位? 提示:培根型碱性氢氧燃料电池应在负极一侧的出气口加装冷凝水收集装置,而质子交换膜氢氧燃料电池生成的水在正极一侧的流场板排出。 化学 问题8:普通太阳能电池材料是什么?“神舟十一号”飞船用的太阳能电池材料是什么? 提示:晶体硅;砷化镓。 化学 项目活动2　尝试设计载人航天器的氧气再生方案 探究提升 探究1　运用高中知识进行氧气再生 问题1:人吸入氧气后通过呼吸作用转化成什么? 提示:H2O和CO2。 问题2:根据所学知识如何把上述两种物质转化为O2?写出化学方程式。 化学 探究2　利用萨巴蒂尔反应进行氧气再生 化学 提示:根据盖斯定律,目标反应=①×4-②,所以目标反应ΔH=-241.8 kJ·mol-1× 4-(-802.3 kJ·mol-1)=-164.9 kJ·mol-1。 问题4:萨巴蒂尔反应需要300～400 ℃条件,如何控制反应器内温度? 提示:根据ΔH,萨巴蒂尔反应属于放热反应,所以需要利用散热装置维持反应所需温度。 问题5:萨巴蒂尔反应产生的“废物”是什么?如何高效利用? 提示:“废物”是甲烷,可以考虑设计甲烷燃料电池再利用甲烷,或把甲烷液化后转化为航天器推进剂。 化学 成果总结 1.探究载人航天器电源配置与氧气再生的一般思路: 化学 2.本微项目中涉及的能量与物质转化方式: 微点拨:航天器受限于载重量要求,所以其能量、物质必须尽量设计成循环使用。能量循环有太阳能输入,相对要求较低。物质循环最好设计成原子利用率为100%的闭环系统。 3.通过焓变计算可以从理论上比较各种反应提供能量的多少,给科学研究提供理论依据。 化学 素养训练 B D.800 mol 化学 化学 C 化学 化学 A　 化学 化学 B 解析:原电池电解质溶液中的离子移动方向:阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,因此氢氧根离子向负极移动,故B错误。 化学 化学 解析:(1)反应①的ΔH=-252.9 kJ·mol-1<0,属于放热反应。 (2)依据热化学