第1章 微项目一 设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案（教用Word）-【金榜题名】2025-2026学年高二化学选择性必修1高中同步学案（鲁科版）

微项目1　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 一、尝试设计载人航天器用化学电池 电池是载人航天器的“心脏”，提高电池单位质量输出的电能是关键之一。航天器中经常使用的化学电池有镍镉电池、镍氢电池和氢氧燃料电池等。 [问题探讨] 1．氢氧燃料电池与镍镉电池、镍氢电池相比较有哪些优点？ 提示：氢氧燃料电池单位质量输出的电能较高，反应生成的水可以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。 2．“阿波罗”号飞船中使用的氢氧燃料电池部分结构示意图如图： (1)请写出该电池的电极反应和总反应方程式。 (2)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。电池内阻与离子导体的导电性等因素有关。例如在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表： 离子种类 H＋ OH－ SO Cl－ CO K＋ Na＋ 无限稀释摩 尔电导率 ×104/(s·m2 ·mol-1) 349.82 198.0 79.8 76.34 72 73.52 50.11 (摩尔电导率是指把含有1 mol电解质的溶液置于相距单位距离的电导池的两个平行电极之间时所具有的电导。摩尔电导率越大，溶液的导电性越好。) 根据以上材料分析，氢氧燃料电池选择哪些物质作为电解质(离子导体)较理想？ (3)已知铂、镍对燃料电池反应具有催化作用。该氢氧燃料电池中如何选择电极材料？ (4)为了保持电池的工作效率、有效地利用电极反应产物，如图所示电池还要解决哪些问题？ (5)如果你是电池设计人员，你会提出哪些思路或方案来解决该电池存在的问题？ 提示：(1)负极反应：2H2＋4OH－－4e－===4H2O；正极反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－；电池总反应式：2H2＋O2===2H2O。 (2)H2SO4溶液或KOH溶液。 (3)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。 (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，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。 (5)在设计电池时，可以附设电解质溶液循环系统，这样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，避免电解质与二氧化碳反应，或采用固体材料作为离子导体，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。 3．如图是一种培根型碱性氢氧燃料电池(图1，电池工作温度为200 ℃)和质子交换膜氢氧燃料电池(图2)部分结构示意图。质子交换膜是一种固体高分子材料，厚度仅有几十至几百微米，内部含有酸性基团，在水等极性溶剂存在时能电离出H＋。该膜允许H＋通过但不允许OH－通过。 (1)从解决电解质溶液稀释和变质问题的角度分析，二者所做设计有何异同？评价解决问题的思路。 (2)若在上述两个电池中加装冷凝水接收装置，你认为应该加装在什么位置？还能有其他解决方案吗？ 提示：(1)根据图示可知，培根型碱性氢氧燃料电池主要通过外加循环设备的方式解决电解质溶液稀释和变质的问题。由于电池工作温度较高，生成的水主要以气态形式存在，水蒸气可以由气态反应物带出并在出口冷凝。电解质循环泵使燃料电池的电解质溶液不断浓缩、循环；如果电解质已变质，可以很方便地更换新溶液。质子交换膜氢氧燃料电池则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。 (2)碱性环境中水在负极生成(负极反应2H2＋4OH－－4e－===4H2O)，而酸性环境中水在正极生成(O2＋4H＋＋4e－===2H2O)，因此培根型碱性氢氧燃料电池应在负极一侧的气体出口设置冷凝装置，而质子交换膜氢氧燃料电池生成的水则从正极一侧的流场板排出。航天器所携带的氢气和氧气是有限的，氢氧燃料电池若应用于长寿命航天器，需要将其与太阳能电解水(2H2OO2↑＋2H2↑)装置配合使用，实现充放电循环。 二、尝试设计载人航天器的氧气再生方案 航天器内携带物品(物质及能源)有限。利用高压储氧气、电解携带的水制备氧气等都难以满足长时间飞行时航天员对持续供氧的要求。 [问题探讨] 1．人呼出的气体中含有水和二氧化碳，请你思考氧气再生的方案？并对这些方案作出评价。 提示：①过氧化钠与水和二氧化碳反应，过氧化钠不能循环，不能完全满足物质稀缺的限制条件； ②光合作用，速率不够满足需求；电解水可以将水中的氧元素完全转化，得到的氢气可再利用，但电解水耗能。 2．根据以下信息回答问题 ①Ⅰ.H2(g)＋O2(g)===H2O(g) 　ΔH＝－241.8 kJ·mol-1 Ⅱ.CH4(g)＋2O2(g)===2H2O(g)＋CO2(g) 　ΔH＝－802.3 kJ·mol-1 ②萨巴蒂尔反应为 CO2＋4H2CH4＋2H2O 利用萨巴蒂尔反应再生氧气的大体流程如图所示： 萨巴蒂尔反应在300～400 ℃时转化率较高，显然控制反应器内的温度非常重要。要设计控制反应器内温度的方案，需要知道该反应的热效应。在该条件下，副反应比较多，测定萨巴蒂尔反应的热效应困难较大，我们可以通过理论计算来了解该反应的热效应。 (1)请计算萨巴蒂尔反应的焓变，并考虑如何控制反应器内的温度？ 提示：通过理论计算可知，根据盖斯定律，将4×Ⅰ－Ⅱ得，CO2(g)＋4H2(g)===4CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－164.9 kJ·mol-1，则萨巴蒂尔反应是放热反应(ΔH<0)。为保证转化率、控制反应器内温度，一般会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。 (2)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。 1．从理论上讲，任何一个自发的氧化还原反应都可以设计成原电池。其电极反应式为 2．氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分成酸性和碱性两种。 酸性 碱性 负极 反应 2H2－4e－ ===4H＋ 2H2＋4OH－－4e－ ===4H2O 正极 反应 O2＋4H＋＋ 4e－===2H2O O2＋2H2O＋4e－ ===4OH－ 3.氢氧燃料电池在四种常见介质中的电极反应总结 4．我国自行研制具有自主知识产权的“神舟”飞船的镍镉电池，电池的充、放电反应按下式进行：Cd＋2NiOOH＋2H2OCd(OH)2＋2Ni(OH)2 。 (1)当飞船进入阴影区时，由镍镉电池为飞船提供电能。负极反应为Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2，正极反应为2NiOOH＋2H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－。 (2)当飞船进入光照区时，太阳能电池工作为用电设备供电，同时为镍镉电池充电。负极(阴极)反应为Cd(OH)2＋2e－===Cd＋2OH－，正极(阳极)反应为2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiOOH＋2H2O。 5．载人航天器中的物质和能量资源都十分宝贵。 设计载人航天器的氧气再生方案需要充分考虑： (1)载人航天器长时间飞行时为航天员持续提供氧气。 (2)设计氧气的获取方案时，要尽可能地将人体代谢废物中的氧元素转化为氧气，从而保证氧元素的持续循环。 (3)物质转化时一定会伴随能量变化，应考虑是否需要提供能量来维持化学反应的进行，或者是否可以利用化学反应释放的能量，从而合理利用航天器中有限的能量。 1．高铁酸盐在能源环保领域有广泛用途。用镍(Ni)、铁作电极电解浓NaOH溶液制备高铁酸盐Na2FeO4的装置如图所示。下列推断合理的是(　　) A．镍是阳极，电极反应式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O B．电解时电流的方向为负极→Ni电极→溶液→Fe电极→正极 C．若隔膜为阴离子交换膜，则OH－自右向左移动 D．电解时阳极区pH降低、阴极区pH升高，撤去隔膜混合后，与原溶液比较pH降低(假设电解前后体积变化忽略不计) 解析：选D　A项，镍(Ni)、铁作电极电解浓NaOH制备Na2FeO4，铁是阳极，电极反应为 Fe－6e－＋8OH－＝FeO＋4H2O，故A错误；B项，电解时电流的方向为：负极←Ni电极←溶液←Fe←电极←正极，故B错误；C项，若隔膜为阴离子交换膜，则OH－自左向右移动，故C错误；电解时阳极反应是Fe－6e－＋8OH－＝FeO＋4H2O, pH降低；阴极区反应是2H2O＋2e－＝H2↑＋2OH－，pH升高，故D正确。 2．近年，科学家们发明了一种能够给电子设备提供动力的生物燃料电池。该电池包括两个涂覆着酶的电极，它们处于充满空气和少量氢气的玻璃槽中。由于气体可以混合从而省去了昂贵的燃料隔离膜，其工作原理如图所示。下列说法正确的是(　　) A．左边为该电池的负极 B．该电池可在高温环境下使用 C．该电池负极反应为H2－2e－===2H＋ D．该电池正极反应为O2＋4e－===2O2- 解析：选C　由电池示意图可知，H2→H＋是H2被氧化的过程，通入H2的一极为原电池的负极，发生氧化反应：H2－2e－===2H＋；O2→H2O是O2被还原的过程，通入O2的一极为原电池的正极，发生还原反应：O2＋4e－＋4H＋===2H2O，故A、D错误，C正确；该电池包括两个涂覆着酶的电极，高温下会使酶变性，不能在高温下使用，B错误。 学科网（北京）股份有限公司 $$