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-【金版教程】2025-2026学年高中化学选择性必修1创新导学案全书Word（鲁科版2019）

化学 选择性必修1(鲁科) 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1　尝试设计载人航天器用化学电池 1．“阿波罗”飞船中使用的氢氧燃料电池部分结构示意图如图所示。 问题：(1)通O2的一极为________极。 (2)当A为KOH、B为Ni时，(说明：Ni、Pt对2H2＋O2===2H2O有催化作用)通H2一极的电极反应为__________________________。 (3)当A为H2SO4、B为Pt时，通O2一极的电极反应为________________________；B不能是Ni的原因：____________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (4)随H2、O2的通入，电解质溶液的浓度理论上是减小，而实际上是增大，为什么？电解质溶液的浓度增大，不能使电流稳定，应怎样处理呢？ 答案：(1)正 (2)H2－2e－＋2OH－===2H2O (3)O2＋4e－＋4H＋===2H2O　Ni能与H＋反应生成Ni2＋和H2，故若A为H2SO4时，电极不能用多孔碳载Ni (4)电池工作时，温度较高，会使H2O以气态的形式随未反应的H2、O2跑出，因此使电解质溶液的浓度增大。可在电池生成水的电极上加装水蒸气冷凝装置回收生成的水解决电解质溶液浓度增大问题。 2．我国“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，当飞船进入阴影区时，由镍镉电池提供电能，当飞船进入光照区时由砷化镓太阳能电池为用电设备供电并给镍镉电池充电。 问题：目前常用的镍(Ni)镉(Cd)电池，其电池总反应可表示为：2Ni(OH)2＋Cd(OH)2Cd＋2NiOOH＋2H2O，已知Ni(OH)2和Cd(OH)2均难溶于水，但能溶于酸，以下说法正确的是(　　) A．该废弃电池在酸性土壤中的污染尤为严重 B．以上反应是可逆反应 C．充电时化学能转变成电能 D．放电时的负极材料是NiOOH 答案：A 解析：该电池充电和放电是不同条件下的反应，不是可逆反应，故B错误；充电时电能转变为化学能，故C错误；放电时负极材料发生化合价升高的氧化反应，据电池总反应知放电时负极材料是Cd，故D错误。 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＋CO－2e－===CO2＋H2O，则下列推断正确的是(　　) A．电池工作时，CO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 答案：A 解析：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正确，B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===2CO，C、D错误。 2．(1)现如今太阳能电池已经广泛地应用于生产生活中，现代四大发明之一的共享单车也用上了太阳能电池。某单车前面载物篮的底座就是太阳能电池，电极材料是Li/LiCoO2，太阳能电池的原理如图所示。下列说法不正确的是(　　) A．阳光照射该电池时，能量转化过程：太阳能→电能→化学能 B．光照时负极的质量减少 C．太阳能电池板材料是Si D．开锁时，正极发生反应： xLi＋＋xe－＋Li1－xCoO2===LiCoO2 (2)在宇宙飞船和其他航天器上经常使用的氢氧燃料电池是一种新型电源，其构造如图所示，a、b两个电极均由多孔的碳块组成，通入的氢气和氧气由孔隙中逸入，并在电极表面发生反应而放电。 ①a电极是电源的________极。 ②若该电池为飞行员提供了360 kg的水，则电路中通过了________mol电子。 ③已知H2的摩尔燃烧焓为285.8 kJ·mol－1，则该燃料电池工作产生36 g H2O时，实际上产生了468.8 kJ的电能，则该燃料电池的能量转化率是________。(结果保留两位有效数字，能量转化率是实际上释放的电能和理论上反应放出的热能的比率) 答案：(1)B　(2)①负　②40000　③82% 解析：(1)阳光照射该电池时，太阳能电池将太阳能转化为电能，然后以太阳能电池为电源，向蓄电池(二次电池)中充电，将电能再转化为化学能储存起来，故能量转化过程为太阳能→电能→化学能，A正确；蓄电池放电时，负极的电极反应为Li－e－===Li＋，故负极质量减少，但光照时蓄电池充电，是放电过程的逆过程，故负极(阴极)质量增加，B错误；Si是半导体材料，可以作太阳能电池板材料，C正确；开锁时，装置为原电池，正极发生还原反应：xLi＋＋xe－＋Li1－xCoO2===LiCoO2，D正确。 (2)①a电极通入氢气，氢气在a极区发生失电子的氧化反应，故a电极是电源的负极。 ②电池放电时发生反应的化学方程式为2H2＋O2===2H2O，根据化学方程式可知，生成360000 g水转移电子的物质的量为×2＝40000 mol。 ③已知H2的摩尔燃烧焓ΔH＝－285.8 kJ·mol－1，则该燃料电池工作产生36 g(即2 mol)H2O时，理论上放出571.6 kJ热量，而实际上产生了468.8 kJ的电能，则该燃料电池的能量转化率是×100%≈82%。 项目活动2　尝试设计载人航天器的氧气再生方案 萨巴蒂尔反应为CO2＋4H2CH4＋2H2O 萨巴蒂尔反应再生O2的大体流程如下： 该过程可同时解决CO2的消除和实现O2的再生问题，同时还生成燃料CH4。萨巴蒂尔反应明显的缺点是50%的氢元素存在甲烷中没有得到利用。 问题：将二氧化碳转化为燃料是目前的研究热点，《科学》杂志曾报道的一种将CO2转化为烃和醇的装置如图所示。下列说法正确的是(　　) A．图中能量转化的方式只有1种 B．装置工作时，H＋向X极移动，Y极周围溶液的pH增大 C．X极上得到CH3OH的电极反应式为2CO2＋4H2O＋12e－===2CH3OH＋3O2 D．若X极生成1 mol C2H4和1 mol CH3OH，电路中通过18 mol电子 答案：D 解析：由题图可知，存在太阳能转化为电能，电能转化为化学能的转化方式，故A错误；如题图所示，X为阴极、Y为阳极，氢离子通过质子交换膜向阴极(X极)区移动，阳极(Y极)发生氧化反应：6H2O－12e－===12H＋＋3O2↑，所以Y极周围溶液的pH减小，故B错误；X极(阴极)上发生还原反应生成CH3OH的电极反应式为CO2＋6H＋＋6e－===CH3OH＋H2O，故C错误；2 mol CO2生成1 mol C2H4，1 mol CO2生成1 mol CH3OH，C元素化合价都是由＋4价降低为－2价，所以若X极生成1 mol C2H4和1 mol CH3OH，电路中通过的电子为3×[4－(－2)] mol＝18 mol，故D正确。 3．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．二氧化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 答案：B 解析：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错误；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。 4．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＋＋2H2O2V3＋＋2OH－＋H2↑ 答案：D 解析：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错误。 6 学科网（北京）股份有限公司 $$