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-【优化探究】2025-2026学年高中化学选择性必修1同步导学案配套课件 鲁科版（2019）双选

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 优化探究 第1章　化学反应与能量变化 [课程标准要求]　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。 项目活动一　尝试设计载人航天器用化学电池 项目活动二　尝试设计载人航天器的氧气再生方案 项目活动一　尝试设计载人航天器用化学电池 一、“阿波罗”飞船中的氢氧燃料电池 1.如图是“阿波罗”飞船中使用的氢氧燃料电池部分结构的示意图。请将该电池和你在本章第2节中设计的氢氧燃料电池进行比较、说明异同,并结合资料尝试解释“阿波罗”飞船使用的氢氧燃料电池中各部分材料选择的理由。 提示:一是电极材料不同:“阿波罗”飞船使用的氢氧燃料电池的电极材料为多孔碳载镍,而我们设计的氢氧燃料电池的电极材料为石墨;二是电极作用不同:石墨电极只是导体,而镍对燃料电池反应有催化作用。 考虑到催化活性、稳定性、成本等因素,对于碱性环境一般选用碳载镍作为电极材料,而酸性环境则一般选用碳载铂作为电极材料。电极材料上留有孔洞,以使氢气、氧气和溶液接触进行反应。 2.为了保持电池的工作效率、有效地利用电极反应产物,你认为上图所示电池还需要解决哪些问题? 提示: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,碱性电解质溶液还会与二氧化碳反应,这些问题都会导致电池内阻增大,从而降低电池的工作效率。 3.如果你是电池设计人员,你会提出哪些思路或方案来解决以上问题? 提示:附设电解质溶液循环系统,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CO2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。 4.下述两种改进后的氢氧燃料电池是如何解决电解质溶液稀释和变质问题的?   培根型碱性氢氧燃料电池 质子交换膜氢氧燃料电池 部分结构 示意图       培根型碱性氢氧燃料电池 质子交换膜氢氧燃料电池 电解质溶液稀释和变质问题的解决方法 外加循环设备 使用　　　　　作为离子导体  水蒸气冷 凝装置加 装位置 水主要以水蒸气的形式在 　　极生成,应在　　极一侧的气体出口设置冷凝装置  生成的水从　　　极一侧的流场板排出,应在　　　极一侧的流场板气体出口设置冷凝装置  质子交换膜 负 负 正 正 5.“阿波罗”飞船燃料电池的工作原理 (1)“阿波罗”登月飞船一代燃料电池(离子导体为H2SO4溶液)的电极反应为 负极:　　　　　　　　　　　　;  正极:　　　　　　　　　　　　。  (2)“阿波罗”飞船燃料电池(离子导体为KOH溶液)的电极反应为 负极:　　　　　　　　　　　　;  正极:　　　　　　　　　　　　。  2H2-4e-===4H+ O2+4H++4e-===2H2O 2H2+4OH--4e-===4H2O O2+2H2O+4e-===4OH- 二、“神舟”飞船中的电池 1.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,此时,镍镉电池的电极反应为 负极:　　　　　　　　　　　　;  正极:2Ni(OH)2+2OH--2e-===2NiOOH+2H2O NiOOH常称为氢氧化氧镍或碱式氧化镍,其中镍为+3价。 Cd(OH)2+2e-===Cd+2OH- 2.当飞船进入阴影区时,由镍镉电池提供电能,此时,电极反应为 负极:　　　　　　　　　　　　;  正极:2NiOOH+2H2O+2e-===2Ni(OH)2+2OH-。 Cd+2OH--2e-===Cd(OH)2 1.航天飞船的能量部分来自太阳能电池,另外内部还配有高效的MCFC型燃料电池。该燃料电池可同时供应电和水蒸气,其所用燃料为氢气,电解质为熔融的碳酸钾。已知该燃料电池的总反应为2H2+O2===2H2O,负极反应为H2+C-2e-===CO2+H2O,则下列推断正确的是(　　) A.电池工作时,C向负极移动 B.电池放电时,电子由通氧气的正极经外电路流向通氢气的负极 C.正极的电极反应为4OH--4e-===O2↑+2H2O D.通氧气的电极发生氧化反应 A 原电池工作时,阴离子移向负极,电子由负极经外电路流向正极,A项正确, B项错误;通氧气的电极为正极,发生还原反应,电极反应为O2+4e-+2CO2===2C,C、D项错误。 2.(2023·北京房山区高二检测)我国神舟系列载人飞船成功进入太空,其电力系统主要由太阳能电池和储能电池构成。据悉,储能电池采用“镍镉蓄电池组”,电池总反应:Cd+2NiOOH+2H2O Cd(OH)2+2Ni(OH)2。 下列说法不正确的是(　　) A.当飞船进入光照区时,太阳能电池可为镍镉电池充电 B.镍镉电池放电时负极反应:Cd-2e-+2OH-===Cd(OH)2 C.镍镉电池充电时阳极反应:Ni(OH)2-e-+OH-===NiOOH+H2O D.镍镉电池充电时电解质溶液中的OH-移向镉电极 D 由题给电池总反应:Cd+2NiOOH+2H2O Cd(OH)2+2Ni(OH)2知,放电时Cd元素化合价升高失电子,故Cd为负极,电极反应为Cd-2e-+2OH- === Cd(OH)2,NiOOH为正极,电极反应为NiOOH+H2O+e-===Ni(OH)2+OH-,充电时,Cd(OH)2为阴极反应物,电极反应为Cd(OH)2+2e-===Cd+2OH-, Ni(OH)2为阳极反应物,电极反应为Ni(OH)2-e-+OH-===NiOOH+H2O,据此分析。当飞船进入光照区时,太阳能电池可为镍镉电池充电,A正确;放电时Cd元素化合价升高失电子,Cd为负极,镍镉电池放电时负极反应:Cd-2e-+2OH-===Cd(OH)2,B正确;充电时,Ni(OH)2为阳极反应物,镍镉电池充电时阳极反应:Ni(OH)2-e-+OH-===NiOOH+H2O,C正确;镍镉电池充电时,电解质溶液中的OH-移向NiOOH电极(阳极),D错误。 3.(2023·湖南株洲高二检测)自重轻、体积小、容量大、使用安全、环保是新型电池的典型特点,回答下列问题: Ⅰ.“阿波罗”飞船中使用的氢氧燃料电池部分结构如图所示。 (1)电池的正极为电极　　　　　(填“a”或“b”),其表面上发生的电极反应为　 。  (1)氢氧燃料电池中,正极通入氧化剂,负极通入燃料,由图可知,电池的正极为电极b,其表面上发生的电极反应为O2+4e-+2H2O===4OH-。 b O2+4e-+2H2O===4OH- (2)“神舟”飞船是中国自行研制的,具有自主知识产权的载人飞船,其返回舱使用的是银锌蓄电池组。银锌电池结构如图所示,放电时总反应为Ag2O+Zn+H2O===2Ag+Zn(OH)2。电池放电时负极质量　　　　(填“增大”“减小”或“不变”,下同),电池放电时电解质溶液的pH　　　　　。  增大 增大 (2)电池放电时的负极反应为Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2,负极质量增大;根据总反应Ag2O+Zn+H2O===2Ag+Zn(OH)2,反应消耗了水,电解质浓度增大,溶液的pH增大。 Ⅱ.非水系锂氧(Li⁃O2)电池因其高能量密度而成为一种有前景的先进电池技术,其放电电池示意图以及正极示意图分别为图1和图2,隔膜a只允许Li+通过。 (3)放电时,电池的总反应为　　　　　　　　　;电解液a不选用LiCl水溶液的原因可能是 _______________________________________________ 　 。  2Li+O2===Li2O2 Li与水剧烈反应,产生易爆的H2,存在安全隐患(或其他 合理答案) (3)结合电池装置图,锂失电子,作负极,电极反应为Li-e-===Li+,正极电极反应为O2+2e-+2Li+===Li2O2, 放电时,电池的总反应为2Li+O2===Li2O2;电解液a不选用LiCl水溶液的原因可能是Li与水剧烈反应,产生易爆的H2,存在安全隐患。 (4)不考虑其他副反应,若放电前两电极质量完全相同,放电时,电路中转移1 mol e-,正、负电极的质量之差为　　　　　g(假设生成的不溶物全覆盖在电极表面,生成的可溶物全部扩散至电解液中,参与电极反应的物质均过量)(相对原子质量:Li~7　O~16)。  (4)结合第(3)问可知,放电时,电路中转移1 mol e-,负极质量减少7 g,正极的质量增加23 g,正、负电极的质量之差为30 g。 30 项目活动二　尝试设计载人航天器的氧气再生方案 利用舱内废物获取氧气的方案及其评价 1.设计从人体代谢的废物(如H2O、CO2)中获取氧气的方案 方案1:利用Na2O2再生氧气,反应的化学方程式为 　　　　　　　　　　　　　　　　。  方案2:利用H2O电解再生氧气,反应的化学方程式为 　　　　　　　　　　　　　　　　。  方案3:利用萨巴蒂尔反应配合水的电解再生氧气,反应的化学方程式为CO2+4H2 CH4+2H2O。 2Na2O2+2CO2===2Na2CO3+O2 2H2O2H2↑+O2↑ 2.方案评价 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; ③Na(s)+O2(g) ===Na2O2(s) ΔH3=-255.4 kJ·mol-1; ④C(s,石墨)+O2(g)===CO2(g) ΔH4=-393.5 kJ·mol-1; ⑤2Na(s)+C(s,石墨)+O2(g)===Na2CO3(s) ΔH5=-1130.7 kJ·mol-1。 根据盖斯定律,由⑤×2-③×4-④×2得: 2Na2O2(s)+2CO2(g)===2Na2CO3(s)+O2(g)。 ΔH=ΔH5×2-ΔH3×4-ΔH4×2=-452.8 kJ·mol-1。 由-①×②得:2H2O(g)===2H2(g)+O2(g)　ΔH=-ΔH×2=+483.6 kJ·mol-1。 根据盖斯定律,由①×4-②得:CO2(g) +4H2(g)===CH4(g) +2H2O(g)　ΔH=ΔH1×4-ΔH2=-164.9 kJ·mol-1。 根据以上分析可知,方案2涉及的反应均为吸热反应,需要提供能量来维持化学反应的进行,而方案1、3涉及的反应均为放热反应。 结论:方案3萨巴蒂尔反应可同时解决二氧化碳的清除问题,因此成为一种重要的载人航天器中氧气再生的方法。 3.利用萨巴蒂尔反应再生氧气的大体流程如图所示: 1.请分析萨巴蒂尔反应有什么缺点? 提示:萨巴蒂尔反应有一个明显的缺陷,即有50%的氢元素存在于甲烷中而没有得到利用。 2.载人航天器中能量转化形式有哪些? 提示: 探究载人航天器电源配置与氧气再生的一般思路 1. (双选)如图是一种航天器能量储存系统原理示意图。下列说法正确的是(　　) A.硅是太阳能电池的光电转换材料 B.装置X能实现氢气和氧气再生 C.若装置Y中电解质溶液呈碱性,则正极 的电极反应为O2+4H++4e-===2H2O D.装置X、Y形成的子系统能实现物质的零排放,并能实现化学能与电能间的完全转化 AB 硅是太阳能电池的光电转换材料,二氧化硅是光导纤维的主要成分,故A正确;根据图示可知装置X是电解池,电解水生成氢气和氧气,所以装置X能实现氢气和氧气再生,故B正确;氢氧燃料电池中正极上氧气得电子发生还原反应,装置Y中电解质溶液为碱性,所以正极的电极反应为O2+2H2O+4e-===4OH-,故C错误;化学能与电能间不可能完全转化,还有部分能量转化为其他形式的能量,所以装置X、Y形成的子系统能实现物质的零排放,但不能实现化学能与电能间的完全转化,故D错误。 2.光电池在光照条件下可产生电压,如图所示装置可以实现光能的充分利用。双极膜复合层间的H2O能解离为H+和OH-,且双极膜能实现H+、OH-的定向通过。下列说法错误的是(　　) A.该装置将光能最终转化为化学能并分解水 B.双极膜可控制其两侧溶液分别呈酸性和碱性 C.光照过程中阳极区溶液中的n(OH-)基本不变 D.再生池中的反应为2V2++2H2O===2V3++ 2OH-+H2↑ D 在光照条件下光电池将光能转化为电能,电解池中电能又转化为化学能,由题图可知,电解过程中的总反应是2H2O2H2↑+O2↑,A项正确;双极膜复合层间的H2O能解离为H+和OH-,且双极膜能实现H+、OH-的定向通过,故双极膜可控制其两侧溶液分别呈酸性和碱性,B项正确;右侧电极反应为4OH--4e-===O2↑+2H2O,根据溶液呈电中性可知阳极放电消耗的OH-与从双极膜中进入右侧的OH-数目相等,则阳极区溶液中的n(OH-)基本不变,C项正确;放电后溶液中含有V2+和H+,在催化剂作用下H+将V2+氧化为V3+,从而实现V3+的再生,即发生反应2V2++2H+2V3++H2↑,D项错误。 3.(2023·北京人大附中高二检测)载人航天工程对科学研究及太空资源开发具有重要意义,载人航天器必须给航天员提供基本的生存条件,其中涉及氧气再生、二氧化碳清除、水处理以及食物供给等。 (1)氢氧燃料电池是短寿命载人航天器电源的一个合适的选择。如图是一种碱性氢氧燃料电池结构示意图。 ①电池的正极是　　　　　 (填“a”或“b”),该电极上发生的电极反应是 　 。  ②电池工作时产生的水会以水蒸气的形式被反应物气体带出,在出口加装冷凝器可以将水回收。冷凝器应装在出口　　　　 (填“c”或“d”)处。  ③电池工作时,电解质溶液会因稀释及吸收CO2而变质,此时电解质溶液的pH将　　　　　 (填“升高”或“降低”)。通过循环泵可及时浓缩或更换变质的电解质溶液,维持电池的正常工作。  b O2+4e-+2H2O===4OH- c 降低 (1)①由图可知,电极b通入氧气,氧气得到电子,发生还原反应,则电极b为正极;电极反应为O2+4e-+2H2O===4OH-; ②由图可知,在电极a处通入氢气,电极反应为H2+2OH-+2e-===2H2O,则水从c口回收; ③电解质溶液会因稀释及吸收CO2而变质,则会导致溶液中氢氧根离子浓度降低,则溶液的pH降低。 (2)我国自行研制的“神舟”飞船使用了镍镉蓄电池组,其充放电时发生的反应为Cd+2NiOOH+2H2O 2Ni(OH)2+Cd(OH)2,其电池装置如图所示,阴离子交换膜两侧均注入KOH溶液。 ①下列对于该镍镉电池的分析正确的是　　　　　(填字母)。  A.图示中的电池应先充电后,再使用 B.充电时,OH-从镍电极区迁移进入镉电极区 C.放电时,镍电极为电池的负极,镉电极为电池的正极 D.充电或放电一段时间后,两电极区溶液中KOH的物质的量均未改变 AD (2)①电池组装时,Cd和Ni电极固定,Cd(OH)2和Ni(OH)2浓度较大,所以开始时应先充电,再使用,A正确;根据方程式Cd+2NiOOH+2H2O 2Ni(OH)2+Cd(OH)2可知,充电时,Cd电极为阴极,Ni电极为阳极,充电时氢氧根离子向阳极移动,即OH-向Ni电极移动,B错误;根据方程式Cd+2NiOOH+2H2O 2Ni(OH)2+Cd(OH)2,放电时,Cd为负极,Ni为正极,C错误;根据总方程式Cd+2NiOOH+2H2O 2Ni(OH)2+Cd(OH)2可知,该反应没有氢氧根离子参与反应,则充电或放电一段时间后,两电极区溶液中KOH的物质的量均未改变,D正确; ②镍镉电池在充电时,镉电极上发生的电极反应为 　 　　　　　　　　;当Cd(OH)2和Ni(OH)2耗尽后仍继续充电,则会在电极发生副反应而造成安全隐患,称为电池过充电。此时镉电极上将生成气体　　　　　(填化学式);镍电极上则会发生反应 　  　 (填电极反应)而产生O2。  Cd(OH)2+2e-===Cd+2OH- H2 4OH--4e-===O2↑+2H2O ②充电时,镉电极发生还原反应,电极反应为Cd(OH)2+2e-===Cd+2OH-;充电时,Cd电极为阴极,则电池过充电后,继续充电的电极反应为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,故生成的气体为H2;此时镍电极为阳极,电极反应为4OH--4e-===O2↑+2H2O。 (3)载人航天器中氧气的再生是一个重要环节。利用萨巴蒂尔反应可将人呼出的二氧化碳转化为甲烷和水,配合太阳能电解水可以实现氧气的再生(大体流程如图)。 已知:2H2(g)+O2(g)===2H2O(g) ΔH1=-483.6 kJ/mol; CH4(g)+2O2(g)===2H2O(g)+CO2(g) ΔH2=-802.3 kJ/mol。 萨巴蒂尔反应:CO2(g)+4H2(g)===CH4(g)+2H2O(g) ①萨巴蒂尔反应的焓变ΔH=　　　　 　 。  ②电解水装置中O2产生于　　　　　 (填“正”“负”“阴”或“阳”)极。  ③通过萨巴蒂尔反应器和电解水装置能否实现H2与O2的完全再生? 　　　　　 (填“能”或“否”)  -164.9 kJ/mol 阳 否 (3)①设反应Ⅰ2H2(g)+O2(g)===2H2O(g);反应ⅡCH4(g)+2O2(g)===2H2O(g)+CO2(g),反应ⅢCO2(g)+4H2(g)===CH4(g)+2H2O(g),则根据盖斯定律可知,Ⅲ=2×Ⅰ-Ⅱ,则ΔH=2×(-483.6 kJ/mol)-(-802.3 kJ/mol)=-164.9 kJ/mol; ②电解水装置中,阳极水中的-2价氧原子失去电子生成氧气; ③否,萨巴蒂尔反应器和电解水装置中发生的两个反应可以实现氧气的再生,但有50%的氢元素存在于甲烷中而没有得到利用,即不能实现H2的完全再生。 $$