(讲义)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-【提分教练】2023-2024学年新教材高中化学选择性必修1(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 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。 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。 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。 [必备知识] 1．载人航天器中的化学电池的特点：安全、可靠，并且需要单位质量输出的电能较高。 2．载人航天器中常用化学电池的种类：镍镉电池、镍氢电池、氢氧燃料电池等。 3．氢氧燃料电池的优势 (1)具有单位质量输出的电能较高。 (2)反应生成的水可作饮用水。 (3)氧气可作备用氧源供给呼吸等。 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。 [思考]　 1．根据所学电化学知识画出该电池的工作原理示意图。 提示： 2．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。 3．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。 4．如果你是电池设计员，针对2、3问出现的问题，你会提出哪些思路或方案来解决？ 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；等等。 [探究任务2]　对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的认知。 [思考]　 1．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。 2．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。 3．试分析评价两种电池解决电解质溶液稀释和变质问题的方案。 提示：通过分析可知，培根型碱性氢氧燃料电池主要通过外加循环设备解决电解质溶液稀释和变质问题，质子交换膜氢氧燃料电池则通过改变离子导体使问题从根本上得以解决。 [探究任务3]　“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 [思考] 1．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。 2．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↑。 3．萨巴蒂尔反应是放热反应还是吸热反应？应如何控制反应器内的温度？ 已知：①H2(g)＋O2(g)===H2O(g)　ΔH1＝－241.8 kJ·mol-1；②CH4(g)＋2O2(g)===2H2O(g)＋CO2(g)　ΔH2＝－802.3 kJ·mol-1；③萨巴蒂尔反应为 提示：根据盖斯定律，①×4－②得：CO2(g)＋4H2(g)===CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－164.9 kJ·mol-1，故萨巴蒂尔反应为放热反应。为控制反应温度，一般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。 1．探究载人航天器电源配置与氧气再生的一般思路 2．载人航天器中能量转化形式 3．根据载人航天器的限定条件，物质转化最理想的方式应符