微项目一 设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案-【创新教程】2025-2026学年高中化学选择性必修1五维课堂同步Word教案（鲁科版2019）

微项目一　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 [项目活动目标] 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。 [项目必备知识] 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 [项目活动探究] [项目活动1]　尝试设计载人航天器用化学电池 [思考探究] 1．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。 提示：“阿波罗11号”登月飞船中所使用氢氧燃料电池是培根型碱性氢氧燃料电池，其装置结构示意图： 多孔镍电极作为电池的电极材料，KOH溶液是电解质溶液。 H2在电极上失电子发生氧化反应，O2在电极上得电子发生还原反应，H2失去的电子沿导线定向移动，从而形成了电流。在电解质溶液中阴阳离子定向移向两电极，构成闭合回路。 (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？ 提示：在电池的使用过程中会生成水，同时空气中含有一定量的CO2，因此有两个重要问题：①电极反应生成的水会稀释电解质溶液，最终导致电池无法正常工作；②碱性电解质KOH会与CO2反应导致电解质变质。 (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？ 提示：①提高H2、O2的浓度；②及时分离出电极上的产物水；③及时更换或补充电解质溶液。 2．第二代质子交换膜燃料电池 (1)此电池是怎样解决电解质稀释和变质问题的？ 提示：改变了电解质，使用质子交换膜作为离子导体，就不存在吸收CO2变质问题。使用流场板避免了电解质的稀释问题，流场板上带有沟槽，用以引导氢气和氧气流动，并将生成的水排出。 (2)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？ 提示：培根型碱性氢氧燃料电池的水是在负极一侧生成，因此冷凝水接收装置应加装在负极一侧；而第二代质子交换膜燃料电池的水在正极上生成，并通过流场板流出，故应在正极一侧加装。 [思考讨论] 1．写出第一代培根型碱性氢氧燃料电池的电极反应式和电池方程式。 提示：负极：H2－2e－＋2OH－===2H2O； 正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－； 电池反应：2H2＋O2===2H2O。 2．写出第二代质子交换膜燃料电池的电极反应式和电池方程式。 提示：负极：H2－2e－===2H＋； 正极：O2＋4e－＋4H＋===2H2O； 电池反应：2H2＋O2===2H2O。 [探究总结] [项目活动2]　尝试设计载人航天器的氧气再生方案 [思考探究] 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： 利用萨巴蒂尔反应的氧气再生方法 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。 [探究总结] 1．萨巴蒂尔反应：将CO2转化为H2O，通过电解水生成氧气，从而实现氧气的再生。此反应的热化学方程式为CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g) ΔH＝－164.9 kJ·mol－1。 2．盖斯定律：间接计算某些反应的反应热。解题模型： 项目成果展示 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合的条件：应符合绿色化学原理，原子利用率达到100%。 [项目活动评价] 1．一种微生物燃料电池的结构示意图如图所示，关于该电池的叙述正确的是(　　) A．电池工作时，电子由a流向b B．微生物所在电极区放电时发生还原反应 C．放电过程中，H＋从正极区移向负极区 D．正极反应式为MnO2＋4H＋＋2e－===Mn2＋＋2H2O 解析：D　[因为右侧产生CO2，说明微生物所在的电极区Cm(H2O)n失电子生成CO2，所以电池工作时电子由b极经外电路流向a极，A项错误；微生物所在电极区放电时发生氧化反应，B项错误；放电时阳离子向正极移动，C项错误；放电时正极发生还原反应，D项正确。] 2．一种镁氧电池如图所示，电极材料为金属镁和吸附氧气的活性炭，电解液为KOH浓溶液。下列说法错误的是(　　) A．电池总反应式为2Mg＋O2＋2H2O===2Mg(OH)2 B．正极反应式为Mg－2e－===Mg2＋ C．活性炭可以加快O2在正极上的反应速率 D．电子的移动方向由a经外电路到b 解析：B　[电池总反应式为2Mg＋O2＋2H2O===2Mg(OH)2，A正确；正极应该是氧气得电子，发生还原反应，反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，B错误；氧气在正极参与反应，C正确；外电路中，电子由负极移向正极，该反应中a为负极，b为正极，D正确。] 3．用吸附了氢气的碳纳米管等材料制作的二次电池的原理如图所示。下列说法中正确的是(　　) A．充电时，阴极的电极反应式：Ni(OH)2＋OH－－e－===NiOOH＋H2O B．放电时，负极的电极反应式：H2－2e－＋2OH－===2H2O C．放电时，OH－移向镍电极 D．充电时，将电池的碳电极与外电源的正极相连 解析：B　[接用电器时为原电池，电池放电，根据电子流向可知，碳电极为负极，镍电极为正极。充电时，阳极发生氧化反应，镍电极为阳极，电极反应式为Ni(OH)2＋OH－－e－===NiOOH＋H2O，A项错误；放电时，负极上氢气失电子发生氧化反应，电极反应式为H2－2e－＋2OH－===2H2O，B项正确；放电时，该电池为原电池，电解质溶液中阴离子向负极移动，所以OH－移向碳电极，C项错误；该电池充电时，碳电极附近物质要恢复原状，则应该得电子发生还原反应，所以碳电极作阴极，与电源的负极相连，D项错误。] 4．已知： ①2C(s)＋O2(g)===2CO(g) ΔH＝－220 kJ·mol－1 ②氢气燃烧的能量变化示意图： 下列说法正确的是(　　) A．1 mol C(s)完全燃烧放出110 kJ的热量 B．H2(g)＋O2(g)===H2O(g) ΔH＝－480 kJ·mol－1 C．C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g) ΔH＝＋130 kJ·mol－1 D．欲分解2 mol H2O(l)，至少需要提供4×462 kJ的热量 解析：C　[1 mol C(s)燃烧生成CO气体时放出110 kJ热量，此时不是完全燃烧，A项错误；根据氢气燃烧的能量变化示意图，可得热化学方程式②2H2(g)＋O2(g)===2H2O(g)　ΔH＝2×436 kJ·mol－1＋496 kJ·mol－1－4×462 kJ·mol－1＝－480 kJ·mol－1，故H2(g)＋O2(g)===H2O(g)　ΔH＝－240 kJ·mol－1，B项错误；根据盖斯定律由×(①－②)可得目标热化学方程式：C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)　ΔH＝＋130 kJ·mol－1，C项正确；由图中信息可知，分解2 mol H2O(g)至少需要提供4×462 kJ的热量，而分解2 mol H2O(l)需要提供的热量更多，D项错误。] 5．(1)N2H4和H2O2混合可作火箭推进剂。已知： ①16 g液态N2H4和足量氧气反应生成N2(g)和H2O(l)，放出310.6 kJ的热量； ②2H2O2(l)===O2(g)＋2H2O(l)　ΔH＝－196.4 kJ·mol－1。则反应N2H4(l)＋O2(g)===N2(g)＋2H2O(l)的ΔH＝　________　kJ·mol－1；N2H4和H2O2反应生成N2(g)和H2O(l)的热化学方程式为________________________________________________________________________。 (2)①已知：①2Mo(s)＋3O2(g)2MoO3(s)　ΔH1 ②MoS2(s)＋2O2(g)===Mo(s)＋2SO2(g)　ΔH2 ③2MoS2(s)＋7O2(g)===2MoO3(s)＋4SO2(g)　ΔH3 则ΔH3＝　________　(用含ΔH1、ΔH2的代数式表示)，在反应③中若有0.2 mol MoS2参加反应，则转移电子为　________　 mol。 (3)研究氮氧化物与悬浮的大气中海盐粒子的相互作用时，涉及如下反应： Ⅰ.2NO2(g)＋NaCl(s)===NaNO3(s)＋ClNO(g) ΔH1＜0 Ⅱ.2NO(g)＋Cl2(g)===2ClNO(g)　ΔH2＜0 则反应4NO2(g)＋2NaCl(s)===2NaNO3(s)＋2NO(g)＋Cl2(g)的ΔH＝　________　(用ΔH1、ΔH2表示)。 解析：(1)16 g液态N2H4的物质的量为0.5 mol，与足量氧气反应生成N2(g)和H2O(l)，放出310.6 kJ的热量，据此写出热化学方程式：①N2H4(l)＋O2(g)===N2(g)＋2H2O(l)　ΔH＝－621.2 kJ·mol－1。又已知②2H2O2(l)===O2(g)＋2H2O(l)　ΔH＝－196.4 kJ·mol－1，根据盖斯定律，由①＋②可得N2H4(l)＋2H2O2(l)===N2(g)＋4H2O(l)，则有ΔH＝(－621.2 kJ·mol－1)＋(－196.4 kJ·mol－1)＝－817.6 kJ·mol－1。(2)分析热化学方程式①～③，根据盖斯定律，由①＋②×2可得2MoS2(s)＋7O2(g)===2MoO3(s)＋4SO2(g)，则有ΔH3＝ΔH1＋2ΔH2，反应③中MoS2是还原剂，被氧化生成MoO3和SO2,1 mol MoS2被氧化转移14 mol电子，若有0.2 mol MoS2参加反应，则转移电子为2.8 mol。(3)分析热化学方程式Ⅰ和Ⅱ，根据盖斯定律，由Ⅰ×2－Ⅱ可得4NO2(g)＋2NaCl(s)===2NaNO3(s)＋2NO(g)＋Cl2(g)，则有ΔH＝2ΔH1－ΔH2。 答案：(1)－621.2　N2H4(l)＋2H2O2(l)===N2(g)＋4H2O(l)　ΔH＝－817.6 kJ·mol－1　(2)ΔH1＋2ΔH2　2.8　(3)2ΔH1－ΔH2 6．燃料电池是一种将燃料所具有的化学能直接转换成电能的装置。 (1)以多孔铂为电极，如图甲装置中A、B口分别通入CH3CH2OH和O2构成乙醇燃料电池，则b电极是　________　(填“正极”或“负极”)，该电池的负极的电极反应式为________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)科学家研究了转化温室气体的方法，利用图乙所示装置可以将CO2转化为气体燃料CO，该电池负极反应式为________________________________________________________， 工作时的总反应式为_____________________________________________________。 (3)绿色电源“二甲醚—氧气燃料电池”的工作原理如图丙所示。 ①氧气应从c处通入，则电极Y为　________　极，发生的电极反应式为________________________________________________________________________。 ②二甲醚(CH3OCH3)应从b处加入，则电极X上发生的电极反应式为________________________________________________________________________。 ③电池在放电过程中，电极X周围溶液的pH　________　(填“增大”“减小”或“不变”)。 (4)合成气(H2、CO)不仅是化工原料，也是清洁能源。如果H2和CO以体积比1∶1组成的混合气体与空气构成碱性燃料电池(KOH溶液为电解质溶液且足量)，假设CO和H2同时按比例发生反应，则燃料电池负极的电极反应式为_____________________________________。 解析：(1)B口通入O2，发生还原反应，则b电极为正极。乙醇(CH3CH2OH)在负极上发生氧化反应，电解质溶液为KOH溶液，负极反应式为CH3CH2OH＋16OH－－12e－===2CO＋11H2O。 (2)由图乙可知，CO2在N极上发生还原反应生成CO，则N为正极，M为负极。H2O在负极上发生氧化反应生成O2，则电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑。H2O在M极上生成O2，CO2在N极上生成CO，则电池总反应式为2CO2===O2＋2CO。 (3)①二甲醚—氧气燃料电池中，O2通入正极，发生还原反应生成H2O，电极反应式为4H＋＋O2＋4e－===2H2O。②二甲醚(CH3OCH3)在负极发生氧化反应生成CO2，电极反应式为CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2＋12H＋。③放电过程中，电极X上CH3OCH3被氧化生成CO2和H＋，电极X周围溶液中c(H＋)增大，溶液的pH减小。 (4)在碱性条件下，CO和H2均被氧化，则燃料电池负极的电极反应式为CO＋H2＋6OH－－4e－===CO＋4H2O。 答案：(1)正极　CH3CH2OH＋16OH－－12e－===2CO＋11H2O (2)2H2O－4e－===4H＋＋O2↑　2CO2===O2＋2CO (3)①正　4H＋＋O2＋4e－===2H2O　②CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2＋12H十　③减小　(4)CO＋H2＋6OH－－4e－===CO＋4H2O 学科网（北京）股份有限公司 $$