第一章 微项目1设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案 导学案 2023-2024学年高二上学期化学鲁科版（2019）选择性必修1

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 学业要求 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。 学业基础——自学·思记·尝试 一、化学反应中的能量变化 1．化学能与热能的相互转化 (1)化学反应从反应热角度分为吸热反应和放热反应。 (2)化学反应中的反应热通常用热化学方程式表示。 (3)盖斯定律：计算反应焓变的一种方法或途径。 2．化学能与电能的相互转化 (1)化学能转化为电能的装置是原电池，利用了自发的氧化还原反应将物质中的化学能以电能的形式释放出来。 (2)电解池是将电能转化为化学能的装置，将电能转化为化学能储存在物质之中。 二、常见的化学电池 核心素养——合作·探究·分享 项目活动一　尝试设计载人航天器用化学电池 据观察者网2020年1月20日的报道称，我国目前最大的航天器——空间站核心舱初样产品和新一代载人飞船试验船，已经先后安全运抵海南文昌航天发射场。在航天器中，电源是极其重要的组成部分，那么载人航天器上使用的化学电源是什么？其原理是什么？ 【活动探究】 一、第一代碱性燃料电池——培根碱性氢氧燃料电池 1．尝试画出“阿波罗”11号登月飞船中所使用氢氧燃料电池的内部结构示意图，指出各部分的作用并分析其工作原理。 2．为了保持电池的工作效率、有效利用电极反应产物，该电池还需要解决哪些问题？ 3．如果你是电池的设计人员，你会提出哪些思路或方案解决以上问题？ 二、第二代质子交换膜燃料电池 4．此电池是怎样解决电解质稀释和变质问题的？ 5．若在第一代和第二代的燃料电池装置上分别加装冷凝水接收装置，你认为应该加装在什么位置？ [提升1]　(双选)如图是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量监测与控制的功能，下列有关说法正确的是(　　) A．电子由呼气所在的铂电极流出 B．H＋透过质子交换膜流向氧气所在的铂电极 C．电路中流过2 mol电子时，消耗11.2 L O2 D．该电池的负极反应为CH3CH2OH＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋ 状元随笔　氢氧燃料电池的分类 种类 酸性(质子膜) 碱性(KOH) 负极反应 2H2－4e－===4H＋ 2H2＋4OH－－4e－===4H2O 正极反应 O2＋4e－＋4H－===2H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 电池总反应 2H2＋O2===2H2O 备注 燃料电池的电极不参与反应，有很强的催化活性，起导电作用 关键能力 项目活动二　尝试设计载人航天器的氧气再生方案 航天员每人每天大约消耗0.84 kg氧气，因载人航天器携带的物品有限，因此一些常规方法都难以满足长时间飞行时航天员对持续供氧的要求。 那么航天员在舱内消耗的氧气是怎样再生的呢？ 【活动探究】 6．如何在载人航天器长时间飞行时为航天员持续提供氧气？ 7．在航天器中是通过萨巴蒂尔反应将CO2中的氧元素经过一系列的转化实现氧气的再生的。 萨巴蒂尔反应为 CO2＋4H2CH4＋2H2O (1)在反应条件下，萨巴蒂尔反应的副反应较多，其反应热难以测定，可通过如下反应进行计算。 H2(g)＋O2(g)===H2O(g)　ΔH1＝－241.8 kJ·mol－1 CH4(g)＋2O2(g)===2H2O(g)＋CO2(g)　ΔH2＝－802.3 kJ·mol－1 (2)通过上述计算的结果，请分析如何控制反应器内的温度。 (3)萨巴蒂尔反应有什么缺点？ 　 [提升2]　Mn2＋催化H2O2分解：2H2O2(l)===2H2O(l)＋O2(g)　ΔH1，其反应机理如图。 若反应Ⅱ的焓变为ΔH2，则反应Ⅰ的焓变ΔH为(反应Ⅰ、Ⅱ的计量数均为最简整数比)(　　) A．ΔH1－ΔH2B．ΔH1＋ΔH2 C．2ΔH1－ΔH2 D．ΔH1－2ΔH2 状元随笔　萨巴蒂尔反应的焓变的计算： 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 萨巴蒂尔反应为： CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g) 根据盖斯定律，由①×4－②可得： CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g) ΔH＝－164.9 kJ·mol－1 关键能力 1.探究载人航天器用化学电源与氧气再生的一般思路 2．载人航天器中能量转化形式