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 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 (见学生用书P49) 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.原电池构成的条件:(1)两个电极,(2)电解质溶液作离子导体,(3)形成闭合回路,(4)能自发进行的氧化还原反应。 2.氢氧燃料电池 (1)能量转化:化学能转化为电能。 (2)电极反应、电池反应 种类 酸性 碱性 负极反应 2H2-4e-4H+ 2H2+4OH--4e-4H2O 正极反应 O2+4e-+4H+2H2O O2+2H2O+4e-4OH- 电池反应 2H2+O22H2O 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 (3)解答燃料电池题目的思维模型 3.焓变:在等压条件下,反应中物质的能量变化全部转化为热能时,焓变与化学反应的反应热相等。ΔH>0,为吸热反应;ΔH<0,为放热反应。 4.盖斯定律:一个化学反应无论是一步完成,还是分几步完成,反应热都是一样的。 5.利用盖斯定律计算反应热的思维流程 项目活动1　尝试设计载人航天器用化学电池 (1)为什么氢氧燃料电池适合作为短寿命载人航天器的电源? 答案　氢氧燃料电池具有单位质量输出电能较高、电极产物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)“阿波罗”飞船是美国第三代载人宇宙飞船系列,1966年至1972年美国共发射17艘宇宙飞船。“阿波罗”飞船中使用的氢氧燃料电池部分结构如图1,图2是某兴趣小组设计的氢氧燃料电池。 试从原电池的构成要素方面比较其不同,并说明这样选择材料的理由。 答案　电极材料不同,“阿波罗”飞船中电极材料是多孔碳载镍,与普通石墨电极相比,电极材料上留有空洞,更有利于氢气、氧气和溶液接触并进行反应,镍对燃料电池反应具有催化作用,能加快电池反应。 (3)降低电池内阻可以提高电池的工作效率,从而增大电池单位质量输出的电能。电池内阻和离子导体的导电性等因素有关,摩尔电导率越大,溶液的导电性越好。在298 K时,无限稀释溶液中几种离子的无限稀释摩尔电导率如下表: 离子种类 无限稀释摩尔电导率/(×104 S·m2·mol-1) H+ 349.82 OH- 198.0 S 79.8 Cl- 76.34 C 72 K+ 73.52 Na+ 50.11 根据表中数据,分析选用哪种电解质作离子导体,电池的工作效率最高。“阿波罗”飞船中使用的氢氧燃料电池为什么没有使用该电解质? 答案　H2SO4溶液;因硫酸的腐蚀性强。 (4)以电解质溶液作为离子导体的氢氧燃料电池在使用时生成的水会稀释电解质溶液,导致电池内阻增大,降低电池工作的效率,怎样才能保证电池的工作效率呢? 答案　附设电解质溶液循环系统、采用固体材料离子导体等。 (5)对比培根型碱性氢氧燃料电池(图3)和质子交换膜氢氧燃料电池(图4),从解决电解质溶液稀释和变质问题的角度找出二者设计的异同。为了更好地利用电极反应产物,若在上述两种电池中加装水蒸气冷凝回收装置,应分别加装在什么位置? 答案　培根型碱性氢氧燃料电池主要通过外加循环设备方式解决电解质稀释和变质问题,质子交换膜氢氧燃料电池通过使用质子交换膜作为离子导体,从根本上解决了电解质溶液的稀释和变质问题。培根型碱性氢氧燃料电池中水在负极生成,所以冷凝装置应在负极一侧的气体出口;质子交换膜氢氧燃料电池中的水在正极生成,回收水的装置在正极一侧。 (6)“神舟”飞船是我国自行研制的,“神舟”飞船的轨道舱和推进舱使用的电源系统为太阳能电池阵——镍镉蓄电池组系统。镍镉电池通过放电和充电过程,满足飞船在光照区和阴影区交替飞行时对能量储存和能量供给的需求。镍镉电池的工作原理为Cd+2NiOOH+2H2OCd(OH)2+2Ni(OH)2。试写出充电时阳极的电极反应。当飞船运行到阴影区时,镍镉蓄电池开始为飞船供电,负极反应物是什么?负极附近溶液的pH怎样变化? 答案　Ni(OH)2-e-+OH-NiOOH+H2O;Cd;减小。 1.载人航天器用氢氧燃料电池的设计:电极材料用多孔碳载镍,电解质溶液一般选择氢氧化钠溶液,电极产物水可通过冷凝回收作为宇航员的饮用水。 2.为了避免电极产物水稀释电解质溶液而降低电池工作效率,可采用培根型碱性氢氧燃料电池或质子交换膜氢氧燃料电池。 3.航天器所携带的氢气和氧气是有限的,氢氧燃料电池