第1章 学案8 设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案-【智学校本学案】2025-2026学年高中化学选择性必修第一册（鲁科版）

鲁科版化学选择性必修1 课 学案8设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案 记 学可任务 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.通过学习，感受化学知识在解决实际问题中的应用价值。 ●课堂活动 (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？ 活动一 尝试设计载人航天器用化学电池 、 >新知导学 D 新知生成 (1)下图是简易氢氧燃料电池与“阿波罗”飞船中 1.“阿波罗”飞船燃料电池的工作原理 使用的氢氧燃料电池部分结构示意图。请将两种 (1)“阿波罗”飞船燃料电池（离子导体为KOH 电池进行比较、说明异同，并结合资料尝试解释 溶液)的电极反应为： “阿波罗”飞船使用的氢氧燃料电池中各部分材料 负极：2H2十40H-4e—4H20; 选择的理由。 正极：O2+2H20+4e一40H。 负载 (2)“阿波罗”登月飞船一代燃料电池（离子导体 A 导线 为H2SO,溶液)的电极反应为： 负极：2H2-4e—4H+; 镍 电极 申极 正极：O2+4H++4e—2H2O。 之稀硫酸 氢气 一氧气 2.“神舟”飞船中镍镉电池反应原理 a.简易氢氧燃料电池 b.“阿波罗”飞船氢氧然料电 的实验装置示意图 池部分结构示意图 (1)当飞船进人光照区时，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：Cd(OH)2+2e-Cd+2OH; (2)为了保持电池的工作效率、有效地利用电极反 正极：2Ni(OH)2+2OH-2e-2 NiOOH+ 应产物，你认为上图所示电池还需要解决哪些 2H2O。 问题？ (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：Cd+2OH-2eCd(OH)2; 1138 设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案学案8 正极：2 NiOOH+2H2O+2e-2Ni(OH)2+ 活动二尝试设计载人航天器的氧气再生方案 听 2OH。 D新知应用 少新知导学 记 1.正误判断 飞船和空间站中CO,的清除和O,的再生是 (1)宇宙飞船中能量转化形式为光能→电能> 科学家研究的重要问题之一。回答下列问题： 化学能。 ( (1)空间站的水气整合系统利用萨巴蒂尔反应，将 (2)飞船中使用的电源一般是一次电源。() CO2转化为CH,和水蒸气，配合水的电解可实现 (3)氢氧燃料电池可以给飞船提供电能，也可再 O2的再生，流程如图所示。 生氧气。 ( ) (4)航天器中经常使用的电池是镍镉电池、镍氢 H,0一电解水装置H 萨巴蒂 →CH, 102 尔反应 电池和氢氧燃料电池。 () C0, 航天员 系统 →H,0 (5)氢氧燃料电池具有单位质量输出电能较高 已知下列数据： 的优点。 化学键 H一H C-H H-O C-0 2.如图所示是在载人航天器舱内利用氢氧燃料电 断裂化学键 池进行二氧化碳浓缩富集的装置。下列说法正 吸收的能量 435 415 465 800 确的是 ( ) /(kJ·mol-1) 负载 舱内大气 高浓度C0, 则萨巴蒂尔反应的热化学方程式为 a极 b极 含有碳酸盐 冷却剂腔 水溶液的隔膜 (2)氢氧燃料电池与电解水装置配合使用，可实现 吸收后大气 充、放电循环，应用于长寿命航天器中。 A.a极为电池的正极 ①CO2的富集与转化是O2再生的核心问题。 B.b极的电极反应为2CO2+O2十4e一2CO “电化学富集法”是一种适合飞行器较长时间飞行！ C.该装置工作时电能转化为化学能 的方法，装置如图所示。b电极为 (填 D.CO向b极移动 “正”或“负”)极，a电极的电极反应为 [归纳总结] (1)降低电池内阻可以提高电池的工作效率，从而 e负载d 增大电池单位质量输出的电能。电池内阻和离子 高浓度 除C0,后 C02 的空气 导体的导电性等因素有关。 K,C0,溶液 (2)铂、镍对燃料电池的反应具有催化作用。 H,￥ 上空气 b (3)质子交换膜是一种固体高分子材料，厚度仅有 多孔碳载镍 几十至几百微米，内部含有酸性基团，在水等极性 ②负载中电解水可实现O2的再生，阳极为 溶剂存在时能电离出H。该膜允许H通过而 (填“c”或“d”)极，电极反应为 不允许OH通过。 391 鲁科版化学选择性必修1 听 新知生成 下列说法不正确的是 笔 1.探究载人航天器电源配置与氧气再生的一般 A.整个过程实现了光能向化学能的转化 记 思路 B.过程Ⅱ放出能量并生成了O一O 能量转化利用 限定 思考 相关 C.该过程的总反应为2H2O 催化剂2H2个十 太阳光 物质转化利用 条件 角度 知识 电源 02个 电能产生与储存 原电池装置 配置 携带 电极产物利用 与原理 D.过程Ⅲ不是氧化还原反应 物质 有限 化学反应热利用 化学反应焓变 再生 元素循环利用 绿色化学 课堂达标 2.载人航天器中能量转化形式 1.下列我国科技创新的产品设备在工作时，由化 学能转变成电能的是 化学能←电能→热能→其他形式的能量 个 光能 D新知应用 A.长征三B.嫦娥四 1.正误判断 C.和谐号动D.世界首部 号乙运载火号月球探测 (1)利用萨巴蒂尔反应可以将二氧化碳转化为 车以350km可折叠柔屏 箭用偏二甲器上的太阳 甲烷和水。 ( ·h1飞驰 手机通话 肼为燃料 能电池板 (2)萨巴蒂尔反应明显的缺点是70%的氢元素 存在甲烷中没有得到利用。 2.航天飞船的能量部分来自太阳能电池，另外内 (3)载人航天器中的物质和能量资源都十分宝 部还配有高效的MCFC型燃料电池。该燃料 贵，设计时要保证氧元素的循环和合理利用航 电池可同时供应电和水蒸气，其所用燃料为氢 天器中有限的能量。 () 气，电解质为熔融的碳酸钾。已知该燃料电池 (4)萨巴蒂尔反应在300~400℃时转化率较 的总反应为2H2十O2一2H2O,负极反应为 低，显然控制反应器内的温度非常重要。 H2+CO-2e—CO2十H2O,则下列推断 () ( 正确的是 (5)设计氧气的获取方案时，要尽可能地将人体 A.电池工作时，CO?向负极移动 代谢废物中的氧元素转化为氧气，从而保证氧 B.电池放电时，电子经外电路由通氧气的正极 元素的持续循环。 () 流向通氢气的负极 2.中国研究人员研制出一种新型复合光催化剂， C.正极的电极反应为4OH一4e—O2个+ 在航天器中利用太阳光在催化剂表面实现高效 2H2O D.通氧气的电极发生氧化反应 分解水，实现氧气的再生。主要过程如图所示： 3.载人航天器中的物质和能量资源都十分宝贵， 差 差 我国科学家进行了如图所示的氧循环研究，实 A→P0P°→9c002→∞002 现了空间站中氧气的再生。下列说法不正确的是 。氧原子。氢原子 1140 设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案学案8 外太空 A.氢能是利用太阳能等产生的，故属于二次 听 能源 课 电解 0 、呼吸 B.图中能量转化的方式至少有五种 ② 记 H,O H C02 C.太阳能、风能、氢能都属于新能源 ① C0富集 D.太阳能电池的供电原理与燃料电池相同 CH 载人航天器 5.神舟系列载人航天器的成功登天标志着我国的 A.用于循环的氢原子利用率为100% 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 B.太阳能可作为反应①和②的能量来源 氢氧燃料电池采用KOH溶液为电解液，燃料： C.反应①为C02十4H 一定条件 CH,+2H2O 电池放电时的负极反应为 D.等物质的量的H2O和CH4含有的电子 数相同 如果某段时间内氢氧储罐中共收集到33.6L 4.(2025·福建厦门一中高二上期中)一种生产和 (已折算成标准状况)气体，则该段时间内水电· 利用氢能的途径如图所示，下列说法错误的是 解系统中转移电子的物质的量为 mol。 ( 向日面时 背日面时 光电转 水电解 氢氧 燃料电 换器 系统 储罐 池系统 (2)在载人航天器的生态系统中，不仅要求分离 0 出CO2,还要求提供充足的O2。某种电化学装 太阳能 贮H 燃料 置可实现转化：2CO2一2C0+O2,C0可用 电解池 电礼卫 风能 作燃料。已知该反应的阳极反应为4OH一 4e—O2+2H2O,则阴极反应为 水能 课后反思 411发生还原反应生成氢氧根离子，电极反应为O2十2H2O十课堂达标 4e=4OH,故C正确；由图可知，铁片腐蚀最严重区域不 1.D[燃料发动机能将化学能转变为动能，故A错误；太阳能 是生锈最多的区域，而是液滴中心区，故D正确。] 电池板将太阳能转变为电能，故B错误；和谐号动车飞驰的 5.[答案](1)Zn牺牲阳极保护法(2)阴阴极电保护法 时候将电能转变为动能，故C错误；世界首部可折叠柔屏手 (或外加电流阴极保护法)先滴加新制氯水，再加KSCN溶 机通话是原电池的应用，是将化学能转变为电能，实现了能 液，若溶液不变红色（合理即可）(3)可使铁发生钝化作用的 量之间的转化，故D正确。] 学案8设计载人航天器用化学电池 2.A[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项正确，B项错误；通氧气的电极为正极，发生还 与氧气再生方案 原反应，电极反应为O2十4e十2CO2一2CO?,C、D项 课堂活动 错误。] 活动一 新知导学 3.A[反应①为C0,+4H,一定条件CH,十2H,0,反应②为 (1)提示：二者不同之处在于“阿波罗”飞船使用的氢氧燃料 2H,0通电2H,个+0，个，氢原子部分进入甲烷，用于循环的 电池为多孔碳载镍电极，而简易氢氧燃料电池为石墨电极； 氢原子利用率达不到100%，A错误、C正确；太阳能可作为 镍对燃料电池反应有催化作用。 反应①和②的能量来源，B正确；H2O和CH4都是常见的10 (2)提示：以电解质溶液作为离子导体的氢氧燃料电池在使 电子微粒，等物质的量的H2O和CH4含有的电子数相同，D 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 正确。] 氧化碳反应，这些问题都会导致电池内阻增大，从而降低电 4.D[氢能是利用太阳能等产生的，故属于二次能源，选项A 池的工作效率。 正确；图中涉及的能量转化方式有太阳能、风能、水能转化为 (3)提示：要解决以上问题，在设计电池时，可以附设电解质 电能，电能与化学能的相互转化，电能与光能、热能的转化 溶液循环系统，这样既便于浓缩电解质溶液或补充电解质， 等，选项B正确；太阳能、风能、氢能都属于新能源，选项C正 又便于更换已污染的电解质溶液；也可以更换离子导体，如 确；太阳能电池的供电原理实际是热能转化为电能，而燃料 使用酸性电解质溶液作为离子导体，避免电解质溶液与二氧 电池的供电原理是将化学能转化为电能，所以二者的供电原 化碳反应，或采用固体材料离子导体，避免电解质溶液被生 理是不相同的，选项D错误。] 成的水稀释，同时将生成的水冷凝回收再利用。 5.[解析](1)碱性氢氧燃料电池中，负极上氢气失电子发生氧 新知应用 化反应生成H2O,电极反应为H2一2e+2OH一2H2O; 1.[答案](1)√(2)×(3)√(4)/(5)√ 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 2.B[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；b极是正极，正极上O,得电子和 成氧气的体积为 3×33.6L=11.2L,转移电子物质的量为 C02反应生成C0?,电极反应式为2C02十O2十4e 11.2L 2CO号，故B正确；该装置为原电池，工作时化学能转化为电 2.4L·m0lX4=2m0l。(2)由题意可知，该装置为电解 能，故C错误；在原电池中，阴离子向负极移动，因此CO?向 池，由总反应一阳极反应即得阴极电极反应。 a极移动，故D错误。] [答案](1)H2-2e+20H —2H202(2)2C02+ 活动二 4e+2H20-2C0+4OH 新知导学 第2章 化学反应的方向、限度与速率 [解析](1)△H=反应物的总键能一反应产物的总键能，则萨 巴蒂尔反应的热化学方程式为CO2(g)+4H2(g)一CH4(g)》 +2H2O(g)△H=[(2×800+4×435)-(4×415+4×465)] 学案9化学反应的方向 kJ·mol1=一180kJ·mol1。(2)①燃料电池中，通入燃料氢 气的电极为负极，通入助燃物空气的电极为正极，由题图可知， 课堂活动 b电极为正极，电极为负极，负极上氢气失去电子发生氧化反 活动一 应，a电极的电极反应为H2一2e十CO一H20+CO2。 新知导学 ②电解池中，与电源正极相连的电极是阳极，则阳极为d极，阳 1.(1)提示：在自然界中水往低处流，是个自发进行的过程。根 极上氢氧根离子失去电子发生氧化反应生成氧气，电极反应为 据万有引力定律，水受到地球引力的作用，也就是重力的作 40H-4e-2H20+02个。 用，向地心方向运动。在重力作用下水从高处流向低处，本 [答案](1)C02(g)+4H2(g)CH(g)+2H,O(g) 身的势能由大变小，转化为动能，使得水的流速会变快。 △H=-180kJ·mol-1 (2)提示：生活当中，经过人为干涉后，也能出现低处水流向高 (2)①正H2-2e+CO?—H2O+C0, 处的情况，比如在农田灌溉时，用抽水机把地下水抽到地上 ②d4OH-4e—2H2O+O2个 也就是必须外界对水做的功，足以克服水由低处到高处的势 新知应用 能变化，才能实现水从低处流向高处。 1.[答案](1)/(2)×(3)/(4)×(5)/ (3)提示：一旦外界停止做功，该过程就会停止，不能继续。 2.D[由图示可知，利用太阳光在催化剂表面实现了H2O分 2.提示：自发过程是指在一定条件下，不用借助于外力就可以 解为H2和O2,光能转化为化学能，故A正确；过程Ⅱ中生成 自发进行的过程。体系趋向于从高能状态转变为低能状态。 了O一O,释放能量，故B正确；该过程的总反应是H2O分解 在密闭条件下，体系有从有序自发转变为无序的倾向。 为H2和O2,故C正确；由图可知，过程Ⅲ中H2O2转化为 3.提示：有些反应焓变不大的吸热反应（△H>0),在常温下不 H2和O2,属于氧化还原反应，故D错误。] 能自发进行，但在较高温度下能自发进行。 18