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-【金版新学案】2025-2026学年新教材高二化学选择性必修1同步课堂高效讲义教师用书word（鲁科版 双选）

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、尝试设计载人航天器用化学电池 1．下面分别是必修第二册和选择性必修1上的燃料电池装置图，两种电池相比，“阿波罗”飞船氢氧燃料电池有何优点？它本身又有何缺点？ 提示：　“阿波罗”飞船氢氧燃料电池的燃料由电池外部输入，电流更持久。“阿波罗”飞船氢氧燃料电池的缺点是：产生的水能够稀释电解质溶液，导致电池内阻增大，从而降低电池的工作效率。 2．观察下列两种设计，分析他们分别是如何实现防止电解质溶液被稀释和变质问题的？ 提示：　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。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。 3．除氢氧燃料电池外，其他燃料电池的负极反应物通常还有哪些？正极放电的是什么物质？ 提示：　负极还可以是烃(如甲烷、乙烷等)、醇(如甲醇、乙醇等)、氨、煤气等可燃性气体或液体。正极放电的一般是氧气。 　燃料电池是将所提供燃料的化学能直接变换为电能的一种能量转换装置，是通过连续供给燃料从而能连续获得电力的发电装置。燃料电池发生电化学反应的实质是燃料的燃烧反应。它与一般电池的不同之处在于燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是起催化转换作用。所需燃料(氢或通过甲烷、天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油等化石燃料或生物能源重整制取的燃料)和氧气(或空气)不断由外界输入，因此燃料电池是把化学能转化为电能的装置。 1．燃料电池的优点 (1)电效率比任何其他形式的发电技术的电效率都高。 (2)废气如SO2、NOx和CO的排放量极低。 (3)由于燃料电池中无运动部件，燃料电池工作时很安静且无机械磨损。 2．燃料电池的类型 (1)碱性燃料电池(AFC)：采用氢氧化钾溶液作为电解质溶液。这种电解质溶液效率很高(可达60%～90%)，但对影响电解质溶液纯度的杂质如二氧化碳很敏感，因而运行中需采用纯态氢气和氧气。这一点限制了将其应用于宇宙飞行及国际工程等领域。 (2)质子交换膜燃料电池(PEMFC)：采用极薄的塑料薄膜作为其电解质。低温启动操作，无电解质泄漏，可以获得高的比能量和比功率等，已经成为新的一代无环境污染电动汽车发电装置。 (3)磷酸燃料电池(PAFC)：采用浸有浓H3PO4的SiO2微孔膜作电解质。很适合用于分散式的热电联产系统。 (4)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)：采用浸有K2CO3、Li2CO3的LiAlO2隔膜为电解质。这种电池的效率很高，但材料需求的要求也高。 (5)固体氧燃料电池(SOFC)：采用的是固态电解质(钻石氧化物)，性能很好。最突出的优点是燃料适用范围广，不仅可以用H2、CO等燃料，而且可直接用天然气、煤气化气和其他碳氢化合物作为燃料，SOFC有希望成为将来集中或分散发电的新技术。 1．熔融盐燃料电池具有高的发电效率，因而受到重视。某燃料电池以熔融的K2CO3为电解质，以丁烷为燃料，以空气为氧化剂，以具有催化作用和导电性能的稀土金属材料为电极。 (1)该燃料电池负极电极反应式为___________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)该燃料电池正极电极反应式为____________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 解析：　(1)燃料电池的负极发生氧化反应，所以丁烷在负极发生氧化反应，失去电子，因为熔融的K2CO3为电解质，所以生成二氧化碳和水，电极反应 式为C4H10＋13CO－26e－===17CO2＋5H2O。 (2)正极是氧气发生还原反应，并与二氧化碳结合生成碳酸根离子，电极反应式为O2＋2CO2＋4e－===2CO。 答案：　(1)C4H10＋13CO－26e－===17CO2＋5H2O　(2)O2＋2CO2＋4e－===2CO 二、尝试设计载人航天器的氧气再生方案 1．设计载人航天器中氧气再生方案时需要考虑哪些方面问题？ 提示：　(1)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。(2)通过焓变计算可以预测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。 2．萨巴蒂尔反应为CO2＋4H2CH4＋2H2O。实际操作过程中如何控制反应的温度维持在300～400 ℃的？ 提示：　一般先将反应前的气体进行预热至反应的温度，并将反应过程中放出的热量及时的转移走。 3．萨巴蒂尔反应有何缺点？ 提示：　50%的氢元素存在于甲烷中而没有得到利用。 1．在设计氧气的获取方法时，要尽可能将人体代谢的废物中的氧元素转化为氧气，从而保证氧元素的持续循环利用。 2．要合理利用反应中所产生的能量。 3．萨巴蒂尔反应(4H2＋CO22H2O＋CH4)在300～400 ℃时转化率较高，故要控制好反应器中的温度。 4．萨巴蒂尔反应是放热反应，为保证转化率、控制反应器内温度，一般将进入反应器的气体提前加热至反应温度。 5．给萨巴蒂尔反应反应器配上冷却装置，以便及时将过多的反应热传走。 2．载人航天器中，利用萨巴蒂尔反应将航天员呼出的CO2转化为H2O，再通过电解H2O获得O2，实现O2的再生。 已知：①CO2(g)＋4H2(g)===CH4(g)＋2H2O(l) ΔH＝－252.9 kJ·mol-1 ②2H2O(l)===2H2(g)＋O2(g) ΔH＝＋571.6 kJ·mol-1 请回答下列问题： (1)反应①属于________(填“吸热”或“放热”)反应。 (2)反应①消耗1 mol CO2 (g)时，热量变化为____kJ。 (3)反应②的热量变化为吸热571.6 kJ时，生成O2(g)的质量是________g。 (4)反应CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(l)　ΔH＝________kJ·mol-1。 解析：　(1)反应①的焓变为负，属于放热反应。(2)反应①消耗1 mol CO2(g)时，热量变化为放热252.9 kJ。(3)由2H2O(l)===2H2(g)＋O2(g)　ΔH＝＋571.6 kJ·mol-1可知，反应②的热量变化为吸热571.6 kJ时，生成O2(g)的质量为1 mol×32 g·mol-1＝32 g。(4)根据盖斯定律可知，由－(①＋②×2)得CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(1)　ΔH＝252.9 kJ·mol-1－2×571.6 kJ·mol-1＝－890.3 kJ·mol-1。 答案：　(1)放热　(2)放热252.9　(3)32　(4)－890.3 1．燃料电池是一种新型电池，它主要是利用燃料燃烧原理把化学能直接转化为电能，氢氧燃料电池的基本反应： X极：O2＋H2O＋2e－===2OH－ Y极：H2＋2OH－－2e－===2H2O 下列说法正确的是(　　) A.X是负极 B.Y是正极 C.Y极上发生还原反应 D.Y极上发生氧化反应 D　[由电极反应式可知，X极上发生还原反应，是电池的正极，Y极上发生氧化反应，是电池的负极。] 2．肼(N2H4)­空气燃料电池是一种环保型碱性燃料电池(如图所示)，电解质溶液是20%～30%的KOH溶液。电池总反应为N2H4＋O2===N2＋2H2O。下列关于该燃料电池工作时的说法正确的是(　　) A.负极的电极反应式是N2H4＋4OH－－4e－===4H2O＋N2↑ B.正极的电极反应式是O2＋4H＋＋4e－===2H2O C.溶液中阴离子向正极移动 D.放电后电解质溶液的碱性增强 A　[正极的电极反应式是O2＋2H2O＋4e－===4OH－，B错误；溶液中阴离子向负极移动，C错误；反应生成水，溶液被稀释，碱性减弱，D错误。] 3．一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意图如下。下列有关该电池的说法正确的是(　　) A.反应CH4＋H2O3H2＋CO，每消耗1 mol CH4转移12 mol电子 B.电极A上H2参与的电极反应为H2＋2OH－－2e－===2H2O C.电池工作时，CO向电极B移动 D.电极B上发生的电极反应为O2＋2CO2＋4e－===2CO D　[甲烷中的C为－4价，一氧化碳中的C为＋2价，每个碳原子失去6个电子，因此每消耗1 mol甲烷失去6 mol电子，A错误；熔融盐中没有氢氧根离子，因此氢氧根离子不能参与电极反应，电极反应式应为H2＋CO＋2CO－4e－===3CO2＋H2O，B错误；CO应向负极移动，即向电极A移动，C错误；电极B上氧气和二氧化碳得电子生成碳酸根离子，D正确。] 4．“神舟七号”成功登天标志着我国的航天事业进入了新的篇章。 (1)某空间站局部能量转化系统如图所示，其中氢氧燃料电池采用KOH 溶液为电解质溶液，燃料电池放电时的负极反应式为__________________________________________。 如果某段时间内氢氧储罐中共收集到33.6 L(已折算成标况)气体，则该段时间内水电解系统中转移电子的物质的量为________mol。 (2)在载人航天器的生态系统中，不仅要求分离出CO2，还要求提供充足的O2。某种电化学装置可实现转化2CO2===2CO＋O2，CO 可用作燃料。已知该反应的阳极反应式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，则阴极反应式为_______________________________________。 解析：　(1)碱性氢氧燃料电池中，负极上氢气失电子发生氧化反应生成水，电极反应式为H2－2e－＋2OH－===2H2O；电解水生成氢气和氧气的体积之比为2∶1，则混合气体中生成氧气的体积为×33.6 L＝11.2 L，转移电子物质的量为×4＝2 mol。(2)由题意可知，该装置为电解池，碱性条件下，阴极上二氧化碳得电子发生还原反应生成CO，电极反应式为CO2＋2e－＋H2O===CO＋2OH－。 答案：　(1)H2－2e－＋2OH－===2H2O　2　 (2)CO2＋2e－＋H2O===CO＋2OH－ 5．化学在能源开发与利用中起着十分关键的作用。氢气是一种新型的绿色能源，又是一种重要的化工原料。 Ⅰ.氢氧燃料电池能量转化率高，具有广阔的发展前景。现用氢氧燃料电池进行如图所示的实验(图中所用电极均为惰性电极)： (1)对于氢氧燃料电池，下列叙述不正确的是______(填字母)。 A.a电极是负极，OH－移向负极 B.b电极的电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－ C.电池总反应式为2H2＋O22H2O D.电解质溶液的pH保持不变 E.氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置 (2)上图右边装置中盛有100 mL 0.1 mol·L-1AgNO3溶液，当氢氧燃料电池中消耗氢气112 mL(标准状况下)时，此时AgNO3溶液的pH＝________(溶液体积变化忽略不计)。 Ⅱ.已知甲醇的燃烧热ΔH＝－726.5 kJ·mol-1，在直接以甲醇为燃料的电池中，理想状态下，消耗1 mol甲醇所能产生的最大电能为702.1 kJ，则该燃料电池的理论效率为________(燃料电池的理论效率是指电池所产生的最大电能与燃料完全燃烧所能释放的全部能量之比，保留一位小数)。 解析：　Ⅰ.(1)C项燃料电池的反应条件不是点燃，且电池反应不需要标明反应条件，故C错误；随着燃料电池的不断反应，水越来越多，KOH溶液浓度逐渐减小，pH逐渐降低，故D错误。(2)右池为电解池，其电极反应为：阳极：4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，阴极：4Ag＋＋4e－===4Ag，当氢氧燃料电池中消耗氢气112 mL(标准状况下)时，转移电子数为0.01 mol，右池中共消耗0.01 mol OH－，故生成0.01 mol H＋，c(H＋)＝＝0.1 mol·L-1，pH＝1。Ⅱ.该燃料电池的理论效率＝×100%≈96.6%。 答案：　Ⅰ.(1)CD　(2)1　Ⅱ.96.6% 学科网（北京）股份有限公司 $