第1章 微项目1 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-【高考领航】2023-2024学年高中化学选择性必修1同步核心辅导与测评（鲁科版）

微项目1　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

1．氢氧燃料电池

2.“神舟”飞船中的镍镉电池工作原理

镉镍电池中Cd作为负极，NiOOH作为正极，通过放电反应释放能量，总反应：Cd＋2NiOOH＋2H2OCd(OH)2＋2Ni(OH)2。

正误判断，正确的打“√”，错误的打“ ×”

(1)理论上说，任何可燃气体与氧气都可设计成燃料电池。(　　)

(2)在燃料电池中，发生氧化反应的一极一定是可燃气体。(　　)

(3)用Pt作为电极，用KOH溶液作为电解质溶液构成燃料电池，通入氧气的一极一定是正极。(　　)

(4)飞船中电池工作时，KOH溶液中的阳离子向负极移动。(　　)

(5)氢氧燃料电池能量比氢气直接燃烧产生的能量效率高。(　　)

(6)镍镉电池工作时，当电路中转移0.1 mol电子时，负极增重1.7 g。(　　 )

答案：(1)√　(2)√　(3)√　(4)×　(5)√　(6)√

项目活动1　尝试设计载人航天器用化学电池

 [探究任务1]　载人飞船氢氧燃料电池使用存在的问题及解决思路。

“阿波罗”飞船的主电源是以KOH溶液为离子导体的碱性氢氧燃料电池。

1．氢氧燃料电池的反应产物对该电池的工作效率有什么影响？

提示：根据电池反应：2H2＋O2===2H2O，可知电解质溶液浓度降低，会使该电池的工作效率也降低。

2．该电池使用的氧气常用空气制备，由于制备工艺问题会使氧气中混有微量CO2，CO2的存在对电池有什么影响？

提示：CO2能与KOH溶液反应，使电解质变质，从而影响电池的工作效率。

[探究任务2]　对比培根型碱性氢氧燃料电池和质子交换膜氢氧燃料电池，解决电池使用中存在的问题。

一种培根型碱性氢氧燃料电池部分结构示意图

(电池工作温度为200 ℃)

质子交换膜氢氧燃料电池部分结构示意图

3．培根型碱性燃料电池中“循环泵”的作用是什么？

提示：①分离反应产生的H2O，浓缩KOH溶液。

②电解质溶液变质时更换电解质溶液。

4．若在上述两电池中加冷凝水接收装置，应该加在什么位置？

提示：培根型电池应加在负极(H2)一侧的气体出口处；质子交换膜电池应加在正极(O2)一侧的流场板气体出口处。

[探究任务3]　以下为“神舟”飞船中的太阳能电池阵－镍镉蓄电池组系统的工作原理：

当飞船进入光照区时，太阳能电池为用电设备供电，同时为镍镉电池充电，电极反应为：

负极　Cd(OH)2＋2e－===Cd＋2OH－

正极　2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiOOH＋2H2O

NiOOH常称氢氧化氧镍或碱式氧化镍，其中Ni为＋3价。

当飞船进入阴影区时，由镍镉电池提供电能，电极反应为：

负极　Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2

正极　2NiOOH＋2H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－

项目活动2　尝试设计载人航天器的氧气再生方案

5．研究载人航天器氧气再生方法的原因是什么？

提示：因载人航天器携带的物品有限，利用高压存储氧气、电解携带的水制备氧气等常规方法来获得氧气都难以满足长时间飞行对持续供氧的要求。

6．如何从人体代谢的废物(如CO2、H2O)中获取O2?

提示：2H2O＋2Na2O2===4NaOH＋O2↑

2CO2＋2Na2O2===2Na2CO3＋O2

2H2O2H2↑＋O2↑

1．计算萨巴蒂尔反应的焓变

①H2(g)＋O2(g)===H2O(g)

ΔH＝－241.8 kJ·mol－1

②CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(g)

ΔH＝－802.3 kJ·mol－1

③2Na(s)＋O2(g)===Na2O2(s)