微项目 设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案（教学设计）化学鲁科版2019选择性必修1

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 一、知识目标 1.了解载人航天器中常用化学电池（如镍镉电池、镍氢电池、氢氧燃料电池等）的特点，能依据需求选择合适的电池作为短寿命载人航天器的电源。 2.掌握氢氧燃料电池的工作原理，能分析其使用中存在的问题（如反应产物对工作效率的影响、(对电池的影响等）并提出解决思路。 3.理解“神舟”飞船中太阳能电池阵－镍镉蓄电池组系统的工作原理及电极反应。 4.明确研究载人航天器氧气再生方法的原因，掌握从人体代谢废物()、()中获取()的方法，会计算萨巴蒂尔反应的焓变。 二、核心素养目标 1.宏观辨识与微观探析：从宏观上认识载人航天器中化学电池和氧气再生方案的实际应用，从微观角度理解电池的工作原理和化学反应的本质。 2.证据推理与模型认知：通过分析电池和氧气再生方案中的问题，建立解决实际问题的思维模型，培养逻辑推理能力。 3.科学探究与创新意识：在设计电池和氧气再生方案的过程中，培养探究精神和创新思维，尝试提出解决问题的新思路和新方案。 一、教学重点 1.氢氧燃料电池的工作原理、存在问题及解决思路。 2.载人航天器氧气再生方案的设计及萨巴蒂尔反应焓变的计算。 二、教学难点 1.分析不同类型化学电池解决电解质溶液稀释和变质问题的方案。 2.综合运用原电池原理、焓变、盖斯定律等知识设计载人航天器的化学电池和氧气再生方案。 本节教学内容源于鲁科版2019选择性必修一第一章《化学反应与能量转化》，聚焦于“设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案”。这部分内容是化学反应原理在实际航天领域的具体应用，对于学生深入理解化学反应中能量及物质的转化利用具有重要意义，有助于发展学生的化学核心素养，培养学生运用化学知识解决实际问题的能力。 教材围绕载人航天器的两个关键问题展开，即化学电池的设计和氧气再生方案的设计。在化学电池部分，介绍了常见的化学电池，重点探讨了氢氧燃料电池的原理、存在问题及解决思路，还拓展了“神舟”飞船中太阳能电池阵 - 镍镉蓄电池组系统的工作原理。在氧气再生方案部分，分析了研究氧气再生方法的原因，引导学生思考如何从人体代谢废物中获取氧气，并通过计算萨巴蒂尔反应的焓变等内容，让学生深入理解化学反应中的能量转化和物质转化。教材通过实际案例和问题引导，将理论知识与实际应用紧密结合，培养学生的分析和解决问题的能力。 教学对象是高中生，他们已经具备了一定的化学基础知识，如原电池原理、化学反应中的能量变化、焓变和盖斯定律等。但在将这些知识应用于实际问题解决方面，还需要进一步的训练和引导。 在思维能力上，高中生正处于从形象思维向抽象思维过渡的阶段，他们对于直观的化学现象和实验有一定的理解能力，但对于复杂的实际问题，如载人航天器中的化学电池和氧气再生方案设计，可能会感到困难。他们需要教师引导其建立从理论到实际应用的思维桥梁，培养综合运用知识的能力。 此外，学生对于航天领域的知识可能充满好奇，但缺乏深入了解。通过本项目的学习，能够激发学生的学习兴趣，让他们感受到化学知识在高科技领域的重要应用价值。同时，学生在分析和解决实际问题时，可能会遇到各种困难，教师需要给予适当的指导和鼓励，帮助他们逐步形成解决实际问题的思路和方法，提高他们的化学学科核心素养。 教学环节一 新课导入 【播放视频】同学们，老师先给大家播放一段天舟五号货运飞船发射任务取得圆满成功的视频。（播放视频，视频中展示飞船发射的壮观场景、在太空中的运行状态等） 【提问】大家看完这个视频，是不是觉得特别震撼？那大家有没有想过，在载人航天器里，航天员的生活和工作都离不开稳定的电源和充足的氧气。可是航天器携带物品有限，那该用什么样的化学电池来供电，又该如何实现氧气的再生呢？ 【引导思考】其实，这些问题都和我们今天要学习的化学反应中的能量转化与物质转化密切相关。就像我们生活中常见的电池，也是通过化学反应来产生电能，但载人航天器上的电池要求会更高更特殊。而氧气再生则涉及到如何利用人体代谢产生的废物，如二氧化碳和水，通过化学反应转化为氧气。接下来，就让我们一起探索如何设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案。 设计意图 1.激发学生兴趣：通过播放天舟五号货运飞船发射的视频，以直观、震撼的画面吸引学生的注意力，激发他们对载人航天这一神秘领域的好奇心和探索欲望，提高学生参与课堂的积极性。 2.联系实际问题：提出载人航天器中电源和氧气再生的问题，让学生意识到化学知识在实际航天领域中的重要应用，将抽象的化学知识与具体的航天实际问题相结合，使学生明白学习化学的实际意义。 3.自然导入新课：从视频和问题自然地过渡到本节课“设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案”的主题，让学生明确本节课的学习方向和目标，带着问题去学习和探究新知识，增强学习的主动性。 教学环节二 设计载人航天器用化学电池 活动一：选择合适的化学反应 【提问】载人航天器中经常使用的化学电池有哪些？哪种更适合做短寿命载人航天器的电源？ 【学生回答】载人航天器中经常使用的化学电池有镍镉电池、镍氢电池、氢氧燃料电池等。氢氧燃料电池具有单位质量输出电能较高、反应生成的水可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优点，因此更适合做短寿命载人航天器的电源。 【讲解】同学们回答的很正确，选取合适的化学反应是极其重要的，氢氧燃料电池就具备很大的优势。 设计意图 通过天舟五号货运飞船发射成功的情景引入，激发学生的学习兴趣，引导学生关注载人航天器中的电源问题，培养学生从实际问题中提取化学知识的能力。 活动二：尝试设计载人航天器用化学电池——探究任务1 【引入】我们已经知道氢氧燃料电池更适合短寿命载人航天器的电源，但是在实际使用中它也存在一些问题。“阿波罗”飞船的主电源是以溶液为离子导体的碱性氢氧燃料电池，下面我们就来探究它使用中存在的问题及解决思路。 【提问】根据所学电化学知识画出该电池的工作原理示意图。 【学生回答】 【讲解】非常好。氢氧燃料电池的反应产物对该电池的工作效率有什么影响？ 【学生回答】根据电池反应：，可知电解质溶液浓度降低，会使该电池的工作效率也降低。 【提问】该电池使用的氧气常用空气制备，由于制备工艺问题会使氧气中混有微量，的存在对电池有什么影响？ 【学生回答】能与溶液反应，使电解质变质，从而影响电池的工作效率。 【提问】如果你是电池设计员，根据资料卡片针对(2)、(3)问出现的问题，你会提出哪些思路或方案来解决？ 1.硫酸是最早用于燃料电池研究的离子导体，但硫酸溶液腐蚀性强，电池无法长时间工作。 2.最早投入使用的航天器用燃料电池是以KOH溶液为离子导体的燃料电池，碳载镍为电极材料。 【学生回答】要解决以上问题，在设计电池时，可以附设电解质溶液循环系统，既为浓缩电解质溶液或补充电解质，也为方便更换被污染的电解质溶液；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；等等。 设计意图 通过逐步提出问题，引导学生深入探究氢氧燃料电池使用中存在的问题及解决思路，培养学生的问题分析能力、创新思维和团队合作精神，同时加深学生对电化学知识的理解和应用。 活动三：尝试设计载人航天器用化学电池——探究任务2 【引入】除了“阿波罗”飞船使用的碱性氢氧燃料电池，还有培根型碱性氢氧燃料电池和质子交换膜氢氧燃料电池，下面我们来研究它们解决电池使用中存在问题的方法。 【提问】展示一种培根型碱性氢氧燃料电池部分结构示意图（电池工作温度为），提出问题“培根型碱性燃料电池中‘循环泵’的作用是什么？ 【学生回答】①分离反应产生的，浓缩溶液；②电解质溶液变质时更换电解质溶液。 【讲解】展示质子交换膜氢氧燃料电池部分结构示意图，提出问题“若在上述两电池中加冷凝水接收装置，应该加在什么位置？ 【提问】若试管内壁附着有单质硫，从物理性质的角度，我们如何洗涤除去呢？ 【学生回答】培根型电池应加在负极（）一侧的气体出口处；质子交换膜电池应加在正极（）一侧的流场板气体出口处。 【提问】试分析评价两种电池解决电解质溶液稀释和变质问题的方案。 【学生回答】培根型碱性氢氧燃料电池主要通过外加循环设备解决电解质溶液稀释和变质问题，质子交换膜氢氧燃料电池则通过改变离子导体使问题从根本上得以解决。 设计意图 通过对不同类型氢氧燃料电池的研究，培养学生的观察能力、分析能力和对比总结能力，让学生了解不同电池解决实际问题的策略，拓宽学生的知识面。 活动四：拓展视野——“神舟”飞船中的太阳能电池阵－镍镉蓄电池组系统 【引入】除了氢氧燃料电池，“神舟”飞船中还使用了太阳能电池阵－镍镉蓄电池组系统，下面我们来了解它的工作原理。 【讲解】“神舟”飞船中的太阳能电池阵－镍镉蓄电池组系统的工作原理，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，给出电极反应： 负极 正极 当飞船进入阴影区时，由镍镉电池提供电能，电极反应为： 负极 正极 【提问】在充电和放电过程中，镍元素的化合价是如何变化的？ 【学生回答】充电时，中为价，反应后生成中为价，化合价升高；放电时，中为价，反应后生成中为价，化合价降低。 设计意图 通过介绍“神舟”飞船中的太阳能电池阵－镍镉蓄电池组系统，拓宽学生的视野，让学生了解我国航天领域的先进技术，同时加深学生对电化学中氧化还原反应的理解和应用。 活动五：典例精讲 【典例】一种航天器能量储存系统原理示意图如图所示，下列说法正确的是（ ） A. 该系统中只存在3种形式的能量转化 B. 装置Y中负极的电极反应为O₂ + 2H₂O + 4e⁻ === 4OH⁻ C. 装置X能实现燃料电池的燃料和氧化剂再生 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之间的完全转化 【学生回答】C 【讲解】A选项，该系统中存在太阳能、化学能、电能、热能等多种形式的能量转化，不止3种，A错误；B选项，装置Y中负极发生氧化反应，而O₂ + 2H₂O + 4e⁻ === 4OH⁻是正极的电极反应，B错误；C选项，装置X能通过电解水等反应生成氢气和氧气，实现燃料电池的燃料（氢气）和氧化剂（氧气）再生，C正确；D选项，装置X、Y形成的子系统不能实现化学能与电能之间的完全转化，在能量转化过程中会有能量损耗，D错误。 设计意图 通过例题巩固学生对载人航天器用化学电池的理解，培养学生运用知识解决问题的能力。 教学环节三 设计载人航天器的氧气再生方案 活动一：探究载人航天器氧气再生方法的原因 【引入】同学们，随着航天事业的不断发展，载人航天器长时间飞行成为了可能。但在这个过程中，有一个关键问题亟待解决，那就是航天员的氧气供应。大家想一想，如果氧气供应不足，会对航天员的生命安全造成严重威胁。那么，我们今天就来探讨一下如何设计载人航天器的氧气再生方案。 【提问】研究载人航天器氧气再生方法的原因是什么呢？ 【学生回答】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。 【讲解】非常正确。在载人航天器中，空间和载重都有严格限制，常规的氧气获取方法无法满足长时间飞行的需求，所以研究新的氧气再生方法是十分必要的。 设计意图 探究载人航天器氧气再生方法的原因，让学生了解到航天器氧气再生的重要性。 活动二：探究从人体代谢废物中获取氧气的方法 【引入】既然常规方法有局限性，那我们不妨换个思路，从人体代谢的废物入手，看看能否从中获取氧气。 【提问】如何从人体代谢的废物（如、）中获取呢？ 【学生回答】可以利用以下化学反应从人体代谢废物中获取氧气： 【讲解】大家观察得很仔细。这些化学反应为我们从人体代谢废物中获取氧气提供了可行的途径。过氧化钠可以与水和二氧化碳反应生成氧气，而水通过电解也能产生氧气。 设计意图 让学生自主思考，回顾以往所学反应，培养学生对知识的掌握与运用的能力。 活动三：萨巴蒂尔反应 【引入】除了上述方法，还有一种萨巴蒂尔反应也可以用于氧气再生。下面我们来深入了解一下这个反应。 【提问】萨巴蒂尔反应是放热反应还是吸热反应？有什么意义？应如何控制反应器内的温度？根据课件中给出的热化学方程式和盖斯定律进行计算： 已知： ① ② 【学生回答】由①②可得萨巴蒂尔反应，，得出萨巴蒂尔反应是放热反应。然后思考其意义和温度控制方法反应放热可以提供一定的能量，温度控制可以通过热交换装置等方式，将多余的热量散发出去，以维持反应器内温度在。 【讲解】大家计算和分析得都很准确。萨巴蒂尔反应是放热反应，这部分热量可以在航天器中合理利用，比如为其他设备提供能量。而温度控制确实需要借助合适的装置，保证反应在适宜的温度下进行。 【提问】结合课件中的流程图利用萨巴蒂尔反应再生氧气的大体流程是怎样的？ 【学生回答】人呼出的经过富集装置后进入萨巴蒂尔反应器，在反应器中与反应生成和，进入电解水装置，电解产生和，可以循环利用，供航天员使用。 【讲解】同学们总结得很好。这个流程实现了物质的循环利用，提高了氧气再生的效率。 设计意图 引导学生探究萨巴蒂尔反应，让学生进一步了解载人航天器氧气再生的原理与步骤，培养学生分析并解决问题的能力 活动四：“神舟”中的电池 【讲解】“神舟”飞船中的电池有用于轨道舱和推进舱的镍镉蓄电池组、砷化镓太阳电池，以及用于返回舱的银锌蓄电池。以镉镍可充电电池为例，其充、放电反应原理为。。这些化学电池为载人航天器提供了必要的电能。不同的电池有不同的特点和应用场景，我们要根据实际需求进行选择和配置。 设计意图 让学生进一步了解我国载人航天飞船“神舟”号上的电池，激发学生的学习兴趣，培养学生的爱国情怀。 活动五：典例精讲 【典例1】镉镍可充电电池的充、放电反应原理如下:Cd + 2NiOOH + 2H₂O ⇌ Cd(OH)₂ + 2Ni(OH)₂。下列说法错误的是（ ） A. 放电时，Cd作为负极 B. 放电时，NiOOH作为负极 C. 电解质溶液为碱性溶液 D. 放电时，负极反应为Cd + 2OH⁻ - 2e⁻ === Cd(OH)₂ 【学生回答】B 【讲解】在镉镍可充电电池中，放电时是原电池反应。Cd在反应中失去电子发生氧化反应，所以Cd作为负极，A选项正确；NiOOH在反应中得到电子发生还原反应，应作为正极，B选项错误；从反应式中可以看出有OH⁻参与反应，所以电解质溶液为碱性溶液，C选项正确；负极Cd失去电子与OH⁻结合生成Cd(OH)₂，电极反应为Cd + 2OH⁻ - 2e⁻ === Cd(OH)₂，D选项正确。 【典例2】为了实现空间站的零排放，循环利用人体呼出的CO₂来提供O₂，我国科学家设计了如图装置。反应后，电解质溶液的pH保持不变。下列说法正确的是（ ） A. 图中N型半导体为正极，P型半导体为负极 B. Y电极的反应:4OH⁻ - 4e⁻ === 2H₂O + O₂↑ C. 图中离子交换膜为阳离子交换膜 D. 该装置实现了“太阳能→化学能→电能”的转化 【学生回答】B 【讲解】A选项，根据装置图和反应原理，N型半导体应为负极，P型半导体应为正极，A错误；B选项，Y电极发生氧化反应，是氢氧根离子失去电子生成氧气和水，电极反应为4OH⁻ - 4e⁻ === 2H₂O + O₂↑，B正确；C选项，由反应过程可知，该装置中离子交换膜应允许阴离子通过，为阴离子交换膜，C错误；D选项，该装置实现了“太阳能→电能→化学能”的转化，D错误。 设计意图 通过例题巩固学生对载人航天器的氧气再生方案的理解，培养学生运用知识解决问题的能力 微专题 设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案 一、设计载人航天器用化学电池 1.选择合适的化学反应 o常用化学电池：镍镉电池、镍氢电池、氢氧燃料电池 o短寿命载人航天器电源：氢氧燃料电池（优点：单位质量输出电能高、产水可饮用、产氧可备用） 2.尝试设计载人航天器用化学电池 o“阿波罗”碱性氢氧燃料电池问题及解决 反应产物影响：稀释电解质，降低工作效率 CO₂影响：与KOH反应，使电解质变质 解决思路：附设循环系统、换离子导体（酸性、固体） o不同电池对比 培根型：循环泵作用（分离水、换溶液） 质子交换膜：改变离子导体解决问题 o“神舟”飞船电池系统 光照区：太阳能电池供电并为镍镉电池充电 阴影区：镍镉电池供电 ### 二、设计载人航天器的氧气再生方案 3.研究原因：携带物品有限，常规供氧难满足长时飞行需求 4.获取O₂途径 o2H₂O＋2Na₂O₂ = 4NaOH＋O₂↑ o2CO₂＋2Na₂O₂ = 2Na₂CO₃＋O₂ o2H₂O 通电 2H₂↑＋O₂↑ 5.萨巴蒂尔反应 o反应：CO₂(g)+4H₂(g)===CH₄(g)＋2H₂O(g)，∆H = -164.9kJ∙mol⁻¹（放热） o意义：供热、转化CO₂ o温度控制：散热、隔热 1.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（B） 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 2.氢氧燃料电池与电解水装置配合使用，可实现充放电循环，应用于长寿命航天器中，其装置如图。下列说法错误的是（C） A. 该装置可以实现CO₂的富集 B. 负载中电解水，d极可生成O₂ C. a极的电极反应为H₂ + 2e⁻ + CO₃²⁻ = H₂O + CO₂↑ D. 负载中电解水时可加入Na₂SO₄以增强溶液导电性 在本次教学中，通过载人航天器用化学电池与氧气再生方案的设计案例，引导学生运用原电池原理、焓变和盖斯定律等知识解决实际问题，学生对化学知识在航天领域的应用表现出较高兴趣。但在教学过程中也发现一些问题，部分学生对燃料电池的复杂原理理解存在困难，尤其是涉及电解质溶液变化对电池效率的影响。在今后教学中，应加强对抽象概念的形象化讲解，多结合生活实例和多媒体资源辅助教学。同时，在习题讲解时，要注重引导学生分析问题的思路和方法，提高学生解决实际问题的能力。 / 学科网（北京）股份有限公司 $