(教案)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-【提分教练】2022-2023学年新教材高中化学选择性必修一(鲁科版2019)

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 学习任务目标 1．理解载人航天器的化学电池的工作原理，分析、评价真实环境下化学反应中的能量与物质转化，形成电源选择和氧气再生的基本思路。 2．能够利用相关信息分析载人航天器中氧气再生的方法及工作原理，感受化学知识再解决实际问题中的价值。 载人航天器所用化学电源常用氢氧燃料电池。氢氧燃料电池的电池反应为2H2＋O2===2H2O。若氢氧燃料电池以H2SO4做电解质，则电池的正极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，负极反应为2H2－4e－===4H＋。某氢氧燃料电池以熔融的金属氧化物为电解质，电池供电时，熔融金属氧化物中O2－可以导电，则电池的负极反应为H2＋O2－－2e－===H2O。 一、尝试设计载人航天器用化学电池 1．载人航天器中对化学电池的要求 一个重要的方面是提高单位质量输出的电能，因此需要选择合适的电池反应和优化电池装置结构。 2．供电系统 (1)短寿命航天器：一般采用化学电池供电。例如，氢氧燃料电池具有单位质量输出的电能较高、反应生成的水可作为航天员的饮用水、氧气可以作为备用氧源供给航天员呼吸等优点。 (2)航天器中常用化学电池还有镍镉电池、镍氢电池等。 3．培根型碱性氢氧燃料电池 (1)相关反应 ①负极反应：H2＋2OH－－2e－===2H2O。 ②正极反应：2H2O＋O2＋4e－===4OH－。 ③电池反应：2H2＋O2===2H2O。 (2)优点 ①电解质溶液在循环泵作用下不断浓缩、循环。 ②可以方便地更换变质的电解质。 (3)冷凝水接收装置：设在负极一侧的气体出口。 4．质子交换膜氢氧燃料电池 (1)相关反应 ①负极反应：H2－2e－===2H＋。 ②正极反应：4H＋＋O2＋4e－===2H2O。 ③电池反应：2H2＋O2===2H2O。 (2)优点：从根本上解决了电解质溶液稀释和变质问题。 (3)冷凝水接收装置：设在正极一侧的流场板处。 5．镍镉电池 (1)电池反应 Cd(OH)2＋2Ni(OH)2Cd＋2NiOOH＋2H2O (2)放电过程 ①负极反应：Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2。 ②正极反应：2NiOOH＋2H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－。 (3)充电过程 ①负极反应：Cd(OH)2＋2e－===Cd＋2OH－。 ②正极反应：2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiOOH＋2H2O。 (4)太阳能电池阵－镍镉蓄电池组系统工作原理 ①光照区：太阳能电池为用电设备供电，同时为镍镉电池充电。 ②阴影区：镍镉电池为用电设备供电。 二、尝试设计载人航天器的氧气再生方案 1．常规方法 (1)高压存储氧气。 (2)电解携带的水制备氧气。 2．从人体代谢废物中获取氧气 (1)尽可能将人体代谢废物中的氧元素转化为氧气。 (2)充分利用化学反应释放的能量。 3．利用萨巴蒂尔反应制氧气 (1)反应：CO2＋4H2CH4＋2H2O。 (2)流程 1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。 (1)氢氧燃料电池属于绿色电池。 (　　) √　提示：氢氧燃料电池具有能量转化率高、可持续使用、燃烧产物是水，无污染等优点，所以被称为“绿色电池”。 (2)载人航天器上的镍镉电池属于一次电池。 (　　) ×　提示：载人航天器上的电池都应该是可充电电池，可以反复使用，属于二次电池。 (3)载人航天器上的太阳能电池是利用SiO2将太阳能转化为电能。 (　　) ×　提示：利用半导体材料如Si制成的装置会将太阳能转化为电能，SiO2不能实现此转化。 (4)以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池，放电过程中，H＋从正极区向负极区迁移。 (　　) ×　提示：以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池为原电池，放电过程中阳离子H＋从负极区向正极区迁移。 2．氢氧燃料电池已用于航天飞机。下图为某课外小组设计的氢氧燃料电池。下列叙述正确的是(　　) A．电子由b极经导线流向a极 B．b为正极，发生氧化反应 C．a为负极，电极反应为H2－2e－===2H＋ D．氢氧燃料电池是一种环境友好的绿色电源 D　解析：在氢氧燃料电池中，通入H2的电极a极为负极，发生氧化反应，因为溶液呈碱性，所以电极反应为H2＋2OH－－2e－===2H2O；通入O2的电极b极为正极，发生还原反应，电极反应为2H2O＋O2＋4e－===4OH－，电子由负极经导线流向正极，即由a极到b极，A、B、C选项均错误；氢氧燃料电池的总反应为2H2＋O2===2H2O，产物是水，无污染，所以氢氧燃料电池是一种环境友好的绿色电源，D选项正确。 3．氢氧燃料电池构造如图所示，其电池反应为2H2＋O2===2H2O。下列说法不正确的是(　　) A．多孔金属a做负极 B．多孔金属b上，O