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（课件PPT）-【步步高】2024-2025学年高二化学选择性必修1学习笔记（鲁科版 京粤闽皖豫宁陕）

该高中化学课件聚焦化学电池原理与氧气再生方案，以“阿波罗”“神舟”飞船案例导入，通过对比学生设计与真实电池的异同，围绕材料选择、电解质问题等搭建问题链，串联原电池、焓变等知识，形成从理论到实际应用的学习支架。 其亮点是以航天真实情境为载体，通过小组讨论设计电池改进方案、分析萨巴蒂尔反应焓变与温度控制等活动，培养科学探究与实践能力，结合电极反应书写、能量转化分析发展科学思维。应用实例题强化知识迁移，助力学生感受化学应用价值，教师可高效实施情境化教学。

第1章 <<< 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 微项目 核心素养 发展目标 1.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。 2.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。 3.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。 2 一 尝试设计载人航天器用化学电池 1.尝试设计载人航天器用化学电池 (1)小组讨论：如图是“阿波罗”飞船中使用的氢氧燃料电池部分结构的示意图。请将该电池和你在本章第2节中设计的氢氧燃料电池进行比较、说明异同，并结合资料尝试解释“阿波罗”飞船使用的氢氧燃料电池中各部分材料选择的理由。 提示　二者不同之处在于“阿波罗”飞船使用的氢氧燃料电池为多孔碳载镍电极，而我们设计的氢氧燃料电池为石墨电极；镍对燃料电池反应有催化作用。 (2)为了保持电池的工作效率、有效地利用电极反应产物，你认为右图所示电池还需要解决哪些问题？ 提示　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。 (3)如果你是电池设计人员，你会提出哪些思路或方案来解决以上问题？ 提示　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，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。 (4)下面两种改进后的氢氧燃料电池是如何解决电解质溶液稀释和变质问题的？ 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。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。 (5)若在上述两种电池中加装水蒸气冷凝装置回收生成的水，应该分别加装在什么位置？ 提示　培根型碱性氢氧燃料电池中水主要以水蒸气的形式在负极生成，应在负极一侧的气体出口设置冷凝装置；质子交换膜氢氧燃料电池生成的水从正极一侧的流场板排出，应在正极一侧的流场板气体出口设置冷凝装置。 2.“阿波罗”飞船燃料电池的工作原理 (1)“阿波罗”飞船燃料电池(离子导体为KOH溶液)的电极反应为 负极： ； 正极： 。 (2)“阿波罗”登月飞船一代燃料电池(离子导体为H2SO4溶液)的电极反应为 负极： ； 正极： 。 2H2＋4OH－－4e－===4H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 2H2－4e－===4H＋ O2＋4H＋＋4e－===2H2O 3.“神舟”飞船中镍镉碱性蓄电池反应原理 (1)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，镍镉电池的电极反应为 负极： ； 正极： 。 (2)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： 。 Cd(OH)2＋2e－===Cd＋2OH－ 2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiOOH＋2H2O Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2 2NiOOH＋2H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－ 二 尝试设计载人航天器的氧气再生方案 1.根据以下信息回答问题： Ⅱ.CH4(g)＋2O2(g)===2H2O(g)＋CO2(g)　ΔH＝－802.3 kJ·mol－1 ②萨巴蒂尔反应为 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　根据盖斯定律，将4×Ⅰ－Ⅱ得：CO2(g)＋4H2(g)===CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－164.9 kJ·mol－1，则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。 2.探究载人航天器电源配置与氧气再生的一般思路 3.载人航天器中能量转化形式 1.中国研究人员研制出一种新型复合光催化剂，在航天器中利用太阳光在催化剂表面实现高效分解水，实现氧气的再生。主要过程如图所示： 下列说法不正确的是 A.整个过程实现了光能向化学能的转化 B.过程Ⅱ放出能量并生成了O—O键 C.该过程的总反应为2H2O 2H2↑＋O2↑ D.过程Ⅲ不是氧化还原反应 √ 应用体验 由图示可知，利用太阳光在催化剂表面实现了水分解为氢气和氧气，光能转化为化学能，故A正确； 过程Ⅱ中生成了O—O键，释放能量，故B正确； 该过程的总反应是水分解为氢气和氧气，故C正确； 由图可知，过程Ⅲ中H2O2转化为氢气和氧气，属于氧化还原反应，故D错误。 2.(2023·深圳高级中学校考)载人航天器中的物质和能量资源都十分宝贵，我国科学家进行了如图所示的氧循环研究，实现了空间站中氧气的再生。下列说法不正确的是 A.用于循环的氢原子利用率为100% B.太阳能可作为反应①和②的能量来源 C.反应①为CO2＋4H2 CH4＋2H2O D.等物质的量的H2O和CH4含有的电子数相同 √ 太阳能可作为反应①和②的能量来源，B正确； 水和甲烷都是常见的10电子微粒，等物质的量的H2O和CH4含有的电子数相同，D正确。 3.如图所示是在载人航天器舱内利用氢氧燃料电池进行二氧化碳浓缩富集的装置。下列说法正确的是 A.a极为电池的正极 B.b极的电极反应为2CO2＋O2＋ 4e－=== C.该装置工作时电能转化为化学能 √ 氢氧燃料电池中通入氢气的一极为负极，因此a极是负极，b极是正极，故A错误； 该装置为原电池，工作时化学能转化为电能，故C错误； 4.有一种新型燃料电池，工作时在一极通入空气，另一极通入丁烷气体；电解质是掺杂氧化钇(Y2O3)的氧化锆(ZrO2)晶体，在熔融状态下能传导O2－。现用该燃料电池和惰性电极电解Na2SO4溶液一段时间，假设电解时温度不变，下列说法不正确的是 A.在熔融电解质中，O2－由正极移向负极 B.通入空气的一极是正极，电极反应式为O2＋4e－===2O2－ C.电解池的阳极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑ D.电解一共生成0.9 mol气体时，理论上消耗0.1 mol丁烷 √ 在熔融电解质中，没有水溶液，阴离子O2－由正极移向负极，A正确； 通入丁烷的一极为负极，通入空气的一极是正极，正极电极反应式为O2＋4e－===2O2－，B正确； 在电解池中，电解Na2SO4溶液的实质为电解水，阳极发生氧化反应即OH－失电子，阳极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，C正确； 5.神舟系列载人航天器的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(已折算成标准状况)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。 H2－2e－＋2OH－=== 2H2O 2 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； (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________________________________。 2CO2＋4e－＋2H2O===2CO＋4OH－ 由题意可知，该装置为电解池，由总反应－阳极反应式即得阴极电极反应式。 本课结束 第1章 <<< ①Ⅰ.H2(g)＋O2(g)===H2O(g)　ΔH＝－241.8 kJ·mol－1 CO2＋4H2CH4＋2H2O 反应①为CO2＋4H2CH4＋2H2O，反应②为2H2O2H2↑＋O2↑，氢原子部分进入甲烷，用于循环的氢原子利用率达不到100%，A错误、C正确； 2CO D.CO向b极移动 b极是正极，正极上O2得电子和CO2反应生成CO，电极反应式为2CO2＋O2＋4e－===2CO，故B正确； 在原电池中，阴离子向负极移动，因此CO向a极移动，故D错误。 电解一共生成H2和O2合计0.9 mol气体，其中氢气是0.6 mol，氧气是0.3 mol，转移电子的物质的量是0.6 mol×2＝1.2 mol，1 mol丁烷失去26 mol电子，则需丁烷 mol≠0.1 mol，D错误。 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。 $