11.2 化学与能源开发：天宫“续航”---2024--2025学年九年级化学鲁教版（2024）下册

第十一单元 化学与社会发展 第二节 化学与能源开发 ——天宫”续航“:氢能点亮星辰，电池守护苍穹 素养目标 01 化学观念 结合飞船中“太阳能电池板发电→电解水制氢→氢能储存→燃料电池发电”的循环体系，分析氢能作为二次能源的媒介作用，体会物质与能量的循环转化规律。 02 科学思维 针对飞船中氢能储存难题（如高压储氢风险大），提出基于化学原理的解决方案（如金属储氢材料、液态有机储氢），培养科学推理与创新意识。 03 科学实践与探究 结合“双碳”目标，倡议学生设计“校园新能源方案”（如太阳能充电站、废旧电池回收箱）理解“清洁能源替代化石能源”对实现“双碳”目标的战略意义，增强生态保护责任感。 04 科学态度与责任 结合我国自主突破电池核心技术的历程，感悟化学工作者在解决能源“卡脖子”问题中的担当，树立投身新能源研究的志向。 神舟十七号的“能量密码” 01 学习活动一:神舟十七号的“能量密码” 火箭燃料为何选择液氢液氧？与汽油相比有何优势？ 宇航员舱内的氧气循环系统是如何工作的？ 宇航员在太空中的电能从何而来？ 学习活动一:神舟十七号的“能量密码” 能源材料‌：镍氢电池与太阳能电池板组合（复合供电模式初步应用）‌ 1999 神舟一号 ‌能源材料‌：太阳能电池板（探月任务光伏技术验证）‌ 2007 嫦娥一号 能源材料‌：氢氧燃料电池（实验性质，验证太空能源循环）‌ 2011 天宫一号 ‌能源材料‌：砷化镓太阳能电池 + 同位素温差电池（高效光电转换与微型化技术）‌ 2020 天问一号 能源材料‌：氮化镓光伏材料 + 固态锂电池（抗辐射涂层与固态电解质技术）‌ 2023 神舟十七号 ‌能源材料‌：银锌化学电池（化学电池技术首次实现航天自主供电）‌ 1970 东方红一号 能源材料‌：锂离子电池（辅助）与太阳能电池板（轻量化储能技术突破）‌ ‌ 2003 神舟五号 能源材料‌：改进型锂离子电池（优化电解质稳定性）‌ 2008 神舟七号 ‌能源材料‌：同位素热电源（钚-238）与太阳能电池板（极端环境供电技术）‌ 2013 嫦娥三号 源材料‌：柔性薄膜太阳能电池 + 再生式燃料电池（可扩展光伏与再生循环技术）‌ 2021 神舟十二号 01 02 03 04 05 06 07 08 10 09 中国航空航天能源材料演变历程 探秘氢能 ——从火箭燃料到未来汽车 02 学习活动二:探秘氢能——从火箭燃料到未来汽车 实验探究氢能的“超能力” 实验设计‌：电解水制氢并点燃，对比氢气与酒精燃烧的产物（用干燥烧杯罩火焰观察水雾），分析氢能“零污染”特性。 学习活动二:探秘氢能——从火箭燃料到未来汽车 ‌燃料‌ ‌热值‌（MJ/kg） ‌主要污染物‌ 氢气 120-142 无 煤炭 34（无烟煤） 二氧化碳（CO₂）、二氧化硫（SO₂）、氮氧化物（NOₓ）、颗粒物（PM） 汽油 46 ‌45 二氧化碳（CO₂）、氮氧化物（NOₓ）、挥发性有机物（VOCs）、一氧化碳（CO） 木柴 12（干木柴）‌ 二氧化碳（CO₂）、颗粒物（PM）、一氧化碳（CO）、多环芳烃（PAHs） 对比以下数据，你能否总结出氢能作为燃料的优点？ 单位热值最高 燃烧产物是水，无污染 可由水制得，来源广 氢能的优点 学习活动二:探秘氢能——从火箭燃料到未来汽车 阅读资料卡，了解航天工程师的挑战：目前氢气为什么无法大量应用于生活？天宫空间站中宇航员如何获取氢能源？ 液氢需在-252.7℃的极低温下储存，液化过程能耗极高，占氢能总成本的30%以上；储存中因绝热性能限制，易产生蒸发损失（日蒸发率约0.5%-1%），导致能源浪费，低温容器需多层真空绝热材料，技术复杂且成本高昂，大规模应用受限‌‌。泄漏的液氢与空气混合后爆炸极限宽泛（4%-74.2%），且燃烧速度快，需严格的密封和监测系统‌。液氢运输需专用槽车或管道，但现有基础设施薄弱，长距离运输效率低且成本高‌。 难大量制取 难储存 难运输 思考：氢气无法大量应用于生活的原因 学习活动二:探秘氢能——从火箭燃料到未来汽车 思考与讨论：如何解决氢能源在生活中应用存在的困境 推广油氢合建站，利用加油站土地资源，单站建设成本从1500万元降至800万元，国产化率超90%‌ 加氢站网络与标准化 管道输氢网络建设 改造现有天然气管道（掺氢比例≤20%）或新建纯氢管道，初期在化工园区试点，运输成本降至0.3元/km·kg‌ 液氢储运技术升级 引入蒸发氢回收系统，通过低温吸附再液化技术将逸散氢气重新利用，能源利用率提升至95%‌ 可再生能源电解水制氢 开发光分解催化剂（如TiO₂基材料），直接利用太阳能分解水制氢，减少对电力的依赖‌ 解密化学电池 ——从太空舱到千家万户 03 学习活动三:解密化学电池——从太空舱到千家万户 阅读资料，了解电池在航空航天中的应用 10月26日11时14分，搭载神舟十七号载人飞船的长征二号F遥十七运载火箭在酒泉卫星发射中心成功发射，拉开了我国第十二次载人飞行任务的序幕。中国航天的每一次成功发射，都是物理学、材料学、航天学等各个领域的革新突破，每一个研发数据的增减，都是中国航天的一次跨越。 此次神舟十七号的成功发射也是镉镍蓄电池在中国航天器领域的收官之战，至此，镉镍蓄电池已成功为神舟飞船“服务”16次。镍镉电池具备高安全、高可靠等特质，尤其是良好的耐过充、耐过放性能，使其非常适合在神舟飞船这种高安全要求的环境中使用，但其固有的“记忆效应”，会影响其发挥最大能动性。相较于镍镉、铅酸等传统电池，锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、充放电效率高、高安全等优点，因此，具有很好的应用前景，尤其在航空航天领域。 随着长寿命、大容量锂离子电池的安全性得到广泛验证，载人飞船采用该电池的日程越来越近，在中国空间站进入常态化运营后，神舟飞船后续将应用比能量更高的锂离子蓄电池，进一步满足型号任务需求，并通过电源技术的不断进步为飞船 的正常运行持续提供更为可靠的保障。 学习活动三:解密化学电池——从太空舱到千家万户 锂电池具有使用寿命长、储存能量密度高、重量轻、适应力强等显著优点 锂电池 循环寿命达1万次以上，是传统锂电池的2倍、氢化电池的4倍，降低长期使用成本‌ 石墨烯电池 铅酸电池优点为安全密封、泄气系统、维护简单、使用寿命长、质量稳定、可靠性高 铅酸电池 干电池无需充电即可直接使用，体积小巧、密封性好，便于携带且无泄漏风险 干电池 常见的电池类型及优点 学习活动三:解密化学电池——从太空舱到千家万户 实验探究 （1）观察干电池的结构 （2）把一块锌片和碳棒平行插入盛有稀硫酸的烧杯中。观察现象并做解释。 现象：锌片表面有气泡生成，碳棒无变化。 (3)化学能转化为电能的实验 实验用品:烧杯、碳棒、锌片、导线若干、电流计、稀硫酸溶液 实验步骤：用砂纸擦去锌片表面的氧化膜，用导线将碳棒与电流计正极相连，锌片与电流计负极相连，然后碳棒、锌片一起插入盛有稀硫酸的烧杯中。 学习活动三:解密化学电池——从太空舱到千家万户 实验现象 化学方程式 电流计偏转原因 能量转化的形式 使用化学电源的优点 电流计的指针发生偏转，锌片表面变色，碳棒表面有气泡产生 Zn + H2SO4 = H2↑+ ZnSO4 烧杯中发生了化学变化，在这种条件下化学变化可以产生电流，将化学能转化为电能 化学能直接转化为电能 提高能量的转化效率，减少大气污染 化学电池：是一种将化学能直接转化为电能的装置。 常见的电池大多是化学电池。 归纳总结 学习活动三:解密化学电池——从太空舱到千家万户 废旧电池丢弃对环境的影响 影响类型‌ ‌具体表现‌ 主要重金属‌ ‌污染路径‌ ‌典型危害案例或数据‌ ‌土壤污染‌ 重金属渗透导致土壤结构破坏，肥力下降 汞、镉、铅、锰 电池外壳腐蚀后重金属渗入土壤，通过微生物转化为甲基汞等毒性更强的化合物 1节5号电池污染1㎡土地，使其永久失去利用价值；铅污染导致农作物铅含量超标 ‌水体污染‌ 地下水、地表水受重金属污染，水质恶化 汞、镉、铅 雨水冲刷或渗透使重金属进入水体，形成生物富集链 1粒纽扣电池污染600吨水（相当于一个人一生饮水量）‌；镉导致河流鱼虾绝迹‌ ‌生态系统破坏‌ 动植物重金属中毒，食物链污染 汞、铅、镉 植物吸收重金属后通过食物链传递，危害动物及人类 甲基汞污染鱼类，引发日本水俣病（神经系统损伤、致死）‌；铅导致鸟类死亡‌ ‌人类健康威胁‌ 神经系统损伤、肝肾病变、癌症风险增加 汞、镉、铅 直接接触或通过受污染食物/水源摄入 镉引发“痛痛病”（骨骼剧痛、肾功能衰竭）‌；铅影响儿童智力发育‌；汞致脑细胞损伤‌ ‌大气污染‌ 焚烧处理时重金属高温气化，污染空气 汞、镉 废电池混入生活垃圾焚烧，释放有毒气体 焚烧含汞电池导致大气汞浓度超标，引发呼吸系统疾病‌ ‌长期累积效应‌ 重金属在环境中难以降解，持续影响数十年 汞、镉、铅 重金属通过生物富集作用在生态系统中长期循环 某村庄因填埋废电池，20年后土壤镉含量仍超标，村民患癌率上升‌ 学习活动三:解密化学电池——从太空舱到千家万户 中国新能源电池发展的战略必要 能源赋能 ——从星辰大海到美好生活 04 学习活动四:能源赋能——从星辰大海到美好生活 由于空间站组合体的太阳能电池板非常多，只要有太阳光照射到这些太阳能电池板，就能源源不断产生电力，利用电能将水分子分解为氢气和氧气，然后通过一系列处理过程将氧气提纯并供应给航天员使用。 天宫空间站配备大面积柔性太阳能电池翼，将太阳能转化为电能，保障舱内设备运行‌。还配备氢氧燃料电池‌：通过液氢与液氧反应，在产生水的同时提供电能，实现能量循环利用‌ 利用太阳能或燃料电池产生的电能，将废水或氢氧燃烧生成的水电解为氧气，供给宇航员呼吸。又通过化学吸附剂或催化反应将呼出的CO₂转化为水和甲烷，水可再次用于电解制氧，形成闭环循环‌ 氧气来源 电能来源 氧循环系统 揭秘神舟十七号的“能量密码” 学习活动四:能源赋能——从星辰大海到美好生活 航空航天 居家出行 储能供能 循环利用 两弹一星元勋—— 邓稼先：能源技术对国防安全的重要性 学习活动四:能源赋能——从星辰大海到美好生活 结合“双碳”目标，倡议学生设计“校园新能源方案” 推广“碳积分”APP，学生骑行、垃圾分类等行为可兑换校园消费券 ‌低碳生活 低成本回收锂电池，平抑校园电网波动，支持夜间照明储能 储能系统 开发校园氢能摆渡车（续航≥300km，加氢3分钟）配套小型电解水制氢站（绿电驱动） 氢能交通 安装光伏玻璃幕墙（透光率≥80%，发电量20W/㎡）结合屋顶分布式光伏 建筑节能 巩固练习 05 巩固练习 【典例1】一种利用太阳能分 解水的原理如图所示。下列 说法不正确的是（　　） A．反应Ⅰ的化学方程式：I2+SO2+2H2O═2HI+H2SO4 B．理论上每生成2g H2，同时生成32g O2 C．反应Ⅲ中生成SO2和 O2的分子个数比为2：1 D．反应Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ在反应前后均有元素化合价发生改变 B 【典例2】以“碳达峰、碳中和”为目标，引领城市绿色低碳发展。下列做法利于实现此目标的是（ ） A．石油炼制 B．太阳能发电 C．燃煤脱硫 D．酒精作燃料 巩固练习 B Lavf58.46.101 Lavf58.46.101 Lavf58.46.101 $$