分层作业(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分层作业（鲁科版）

■ 0□00□00 分层作业（八） □口1口口1□ 2□2222 设计载人航天器用化学电池 题 年级： 学号后 33333 4□4口44口4☐ 与氧气再生方案 班级： 位 5555I5 66☐6]66 (满分：20分) 姓名： 7070707刀70 8☐8□8☐8]8 9□99□99□ 3.(2分)氢氧燃料电池可用于航天飞船，电极反 基础对点练· 应产生的水经冷凝后可作为航天员的饮用水， 1.(2分)在载人航天器舱内利用氢氧燃料电池进 其电极反应如下： 行二氧化碳浓缩富集的装置如图所示。下列说 负极：2H2十4OH-4e—4H2O; 法正确的是 正极：O2+2H20+4e=4OH, 负载 舱内大气 高浓度C02 当得到3.6L饮用水时，电池内转移的电子的 b极 a极 物质的量为 () 含有碳酸盐 冷却剂腔 水溶液的隔膜 [A]3.6 mol [B]400 mol 吸收后大气 H [c]200 mol [A]a极为电池的正极 [D]800 mol [B]b极的电极反应：2CO2+O2+4e—2CO号 [c]该装置工作时电能转化成了化学能 能力提升练· [D]CO向b极移动 4.(2分)可乐是一种常见的碳酸饮料，其pH=2. 2.(2分)“神舟”号载人航天器中，宇航员所在的 5,有科学家用Pt和二氧化锰作电极，将可乐中 轨道舱和返回舱都是密封的，宇航员吸人氧气， 的葡萄糖转化为葡萄糖内酯(C。HoO6),电池 呼出二氧化碳，如果二氧化碳浓度过高，会使宇 示意图如图所示。下列说法正确的是() 航员困乏，呼吸频率加快，严重的甚至会窒息， 为使二氧化碳浓度降低并保持舱内氧气含量的 相对稳定，可以在航天舱内放入 [A]Na2 O2 [B]Na2 CO3 可乐 [c]NaOH [D]CaO 15 [A]电子移动方向为a→可乐→b [B]a电极反应为C6H2O。-2eC,HoO。+ 0 H2 C02 富集 萨巴蒂尔 H20 电解水 2H 装置 反应器 装置 [c]每消耗0.1mol葡萄糖，b电极将增重2g CHa [D]随着反应进行，负极区pH减小，正极区pH (1)从元素转化角度来看，上述流程中萨巴蒂尔 增大，可乐的pH保持不变 反应的缺点是 5.(2分)用质子导体固体氧化物燃料电池脱氢可 得丙烯，可实现“烯烃-电力”联产。 飞行时间较长时可用如图所示的电化学富集法 富集CO2。 IC,H。 空一催化剂层 负载 CHo 质子质子↓质子 高浓度 -除C0后 C02 电极 电极 的空气 02 a K2CO3 6 水溶液 下列说法正确的是 多孔碳载镍 孔碳载镍 H21 空气 [A]催化剂促进电能转变为化学能 (2)电极材料采用多孔碳载镍，“多孔”的优点是 [B]O2-由负极迁移至正极 [c]负极上发生的电极反应为C3H:十2e C3H。+2H+ (3)电极a是 (填“正极”或“负极”)， [D]电池总反应为2C3Hg十O2一2C3H6十 电极反应为 2H2O (4)电极b发生 (填“氧化”或“还 19876543210+0.5 原”)反应，电极反应为 6.(10分)载人航天器中的物质和能量资源都十 0 分宝贵。利用萨巴蒂尔反应再生氧气的大体流 (5)K+向电极 (填“a”或“b”)方向 程如图所示。 移动。 16 ■和0.025molH2O,与0.05 mol Cu、0.05molH2、0.05mol 溶液的pH增加，体系压强减小，正极电极反应为O2十4e十 O2不相同，故B错误；0.05 mol Cu(OH)2相当于加入0.05 4H+—2H2O;DE段溶液pH基本不变，但体系压强减小， mol Cu0和0.05molH20,与0.05 mol Cu、0.05molH2、0. 产生的F+被O2氧化，pH基本不变可能的原因：相同时间 05molO2相当，故C正确；0.05 mol CuCOs和0.05mol 内，2Fe十O2十4Ht—2Fe++2H20消耗H+的量与4Fe2++ H2O相当于加入0.05 mol CuO和0.05molH2O,与0.05 O2+10H2O=4Fe(OH)3+8H产生H的量基本相同。 mol Cu、0.05molH2、0.05molO2相当，故D正确。 由图可知，AB段体系的压强增大，说明产生了氢气，故AB 分层作业（七） 段主要发生析氢腐蚀，A正确；AD段内发生的都是铁的电化 学腐蚀，铁在负极的电极反应为Fe一2e一Fe2+,B正确； 答案速对 由图可知BC段的pH为3~5，正极不能产生氢氧根，电极反 应为O2+4H+十4e一2H2O,C错误；根据分析可知，D 1234567 正确。] 8.[解析](1)A电极是阳极，为镀层金属铜，B电极是镀件铁， AD B CC B C B电极对应的电极反应是Cu+十2e一Cu。当镀层破损 8.(1)铜Cu2++2e Cu镀层破损后，镀铜铁形成 后，由于金属活泼性：Zn>Fe>Cu,所以镀铜铁中铁为负极， 的原电池中铁作负极被腐蚀，镀锌铁形成的原电池中 首先被腐蚀；而镀锌铁中铁为正极，首先被腐蚀的是锌，铁得 铁作正极被保护(2)①吸氧②B 到了保护，因此镀层破损后镀铜铁更容易被腐蚀。(2)①钢铁 在海水中发生的是吸氧腐蚀。②A点不与海水接触，在海水 试题精析 中B点的氧气浓度比C点大，发生的吸氧腐蚀速率最快，腐 蚀最严重。 1.A[铁钉腐蚀时发生的反应为Fe-2e—Fe+,A项错误； 若a为醋酸溶液，发生析氢腐蚀，U形管液面右高左低，B项 分层作业（八） 正确；若a为食盐水，发生吸氧腐蚀，U形管液面左高右低，C 项正确；若a为食用油，铁钉不易形成原电池，生锈较慢，D项 答案速对 正确。] 2.D[PH<4时，酸性条件下钢铁主要发生析氢腐蚀，为电化 1: 234 学腐蚀，故A错误；pH<4时发生析氢腐蚀，pH>13.5时，发 生吸氧腐蚀，故B错误；随着pH的升高，钢铁腐蚀速率先减 BABB D 慢后加快，故C错误；pH=14时，钢铁发生吸氧腐蚀，负极电 6.(1)有50%的氢元素存在CH,中而没有得到利用 极反应为Fe+4OH-3e一[Fe(OH)4],故D正确。] (2)提高电极反应物在电极表面的吸附量，并使它们 3.B[钢铁发生电化学腐蚀时，铁失去电子生成F2+,故A错 与电解质溶液充分接触 误；铅蓄电池在放电时，正极与负极均生成硫酸铅沉淀，质量 (3)负极H2+CO3-2e=H2O+C02 均增加，故B正确；利用外加电流阴极保护法保护闸门时，闸 (4)还原O2+2C02+4e -2C0号(5)b 门与电源负极相连，使闸门作阴极被保护，故C错误；氯碱工 业中电解饱和食盐水，需要选用阳离子交换膜，只允许阳离 试题精析 子（如Na)通过，阻止阴离子（如Cl、OH)和气体通过，阳 极室的氯离子放电生成氯气，阴极室的氢离子放电生成氢 1.B[氢氧燃料电池中通入H2的一极为负极，因此a极是负 气，避免氯气和OH反应，D错误。] 极，b极是正极，故A错误；b极是正极，电极反应为2CO2十 4.C[金属的腐蚀普遍属于电化学腐蚀，A错误；外加电流阴 O2+4一2CO?,故B正确；该装置为原电池，工作时化 极保护法是将被保护的金属与电源负极相连，作阴极被保 学能转化成了电能，故C错误；在原电池中，阴离子向负极移 护，B错误；牺牲阳极保护法是利用原电池的原理，将被保护 动，因此CO向a极移动，故D错误。] 的金属作正极，防止腐蚀，C正确；钢铁在潮湿空气中的腐蚀 2.A[因N2O2能与二氧化碳反应生成碳酸钠和氧气，产生氧 大多数为吸氧腐蚀，D错误。] 气的同时能消耗呼吸过程中产生的二氧化碳，一举两得，故A 5.C[生铁中含有碳，更易发生电化学腐蚀，抗腐蚀能力比纯 铁弱，A正确；用锡焊接的铁质器件，因锡的金属活泼性比铁 项符合题意。] 3.B[电池总反应为2H2+O2一2H2O,生成2mol水转移 弱，发生电化学腐蚀时，铁被消耗，故焊接处更易生锈，B正 确；图中左侧为原电池，右侧是电解池，左侧铜电极上氧气得 了4mol电子，当得到3.6L即3600g饮用水时，水的物质 电子变为OH厂，会使得酚酞溶液变红，右侧铜电极上水电离 的量n= 出的H得电子变为氢气，c(OH厂)升高也会使酚酞溶液变 M18g·m07=200mol,电池内转移的电子的 m 3600g 红，但是电解反应比原电池反应速率快，故先看到红色的区 物质的量为400mol,故B符合题意。] 域是④，C错误，D正确。] 4.B[葡萄糖转化为葡萄糖内酯(C,H。O。),碳元素价态升高， 6.B[根据图知，Fe发生腐蚀时正极上H2O得电子生成H和 说明锰元素价态降低，所以二氧化锰作正极，Pt作负极。电 OH,电极反应为H2O十e一H十OH,故A正确；根据 子移动方向是从负极经过导线流向正极，所以电子流向为 图知，发生的总反应为4H2O+4Fe十SO一3Fe(OH)2+ →外电路→b,A错误；a电极为负极，葡萄糖失电子，碳元素 FeS十2OH,则Fe腐蚀后生成Fe(OH)2和FeS的物质的量 价态升高，电极反应为C6H12O6-2e一CHoO。十2H, 之比为3：1，故B错误；铁管道与电源负极相连时，铁管道作 B正确；b电极是二氧化锰得电子生成了锰离子，质量减小，C 阴极，被保护，所以可使其表面的腐蚀电流接近于零，故C正 错误；随着反应进行，负极区电极反应为C。H12Os一2e 确；潮湿的土壤中含有水，根据“4H2O+4Fe十SO CHoO6十2H,pH减小，正极区电极反应为MnO2十4H十 3Fe(OH)2十FeS十2OH”可知，发生反应时消耗水，所以潮 2e一Mn++2H2O,pH增大，总反应为CHzO6+MnO2十 湿的土壤中比干燥土壤中发生厌氧腐蚀的速度快，故D 2H+一CoH1oOg+Mn2++2H2O,可乐的pH增大，D 正确。门 错误。] 7.C[图1中构成原电池，铁作负极，开始时pH=1.8,AB段 5.D[该装置为燃料电池，则催化剂能促进化学能转变为电 溶液pH增大，体系压强增大，铁主要发生析氢腐蚀；BD段 能，A错误；通入O2的电极为正极，O2得电子后形成O-, 311■ O2带负电荷，会在正极上与H+结合形成H2O,B错误；通 错误；分别用焓判据、熵判据判定同一个反应的自发性，可能 入燃料C3H。的电极为负极，在负极上CHg失去电子变为 会出现相反的判断结果，二者均不能单独作为反应的自发性 C3Hs,故负极的电极反应为C3Hg一2e一C,H。十2H+,C 判据，C项错误；该反应是吸热反应，根据焓判据是不能判断 错误，由B项分析知正极的电极反应为O2十4H十4e 反应是自发进行的，说明该反应之所以能够自发进行是由于 2H2O,负极的电极反应为2C3Hg-4e—2C3H+4H,可 熵增效应，并且熵增效应大于焓增效应，D项正确。] 得总反应为2C3H十02—2CgH。十2H20,D正确.] 8.D[由题意可知，此过程为不伴随能量变化的自发过程，是 6.[解析](1)萨巴蒂尔反应为CO2+4H2一CH4+2H2O, 体系混乱程度增大的过程。而自发过程是不可逆的，D 有50%的氢元素存在CH4中而没有得到利用。(2)采用“多 错误。] 孔”导电材料，可以提高电极反应物在电极表面的吸附量，并 9.[解析](1)△H=反应物键能总和一反应产物健能总和，根 使它们与电解质溶液充分接触。(3)由图可知，该装置为燃 据热化学方程式以及表格中数据可得△H=390.8kJ· 料电池，电极a上生成CO2,则应为H2失电子生成H+,生成 mol1×3×2-(946.0kJ·mol1+436.0k·mol1×3)= 的H+结合CO生成CO2,该极为负极，电极反应为H2+ 十90.8kJ·mol-1。(2)若反应能自发进行，则△G=△H一 CO?-2e一H20+C02。(4)电极b为正极，O2得电子 T△S<0,代入数据，△G=△H-T△S=90.8×103J·mol1 发生还原反应，电极反应为02十2C02十4e一2C0号。 -T×198.9J·mol-1·K-1<0,则T>456.5K,转化成摄 (5)K+为阳离子，阳离子向正极（电极b)移动。 氏温度，则T>183.5℃，故选CD。 分层作业（九） 分层作业（十） 答案速对 答案速对 123456 1:2:3 45 6 7: 7 C DDD BCD BB C B C B C A D D 9.(1)+90.8(2)CD 10.(1)0.25 (2)0.008mol.L1 试题精析 试题精析 1.C[多数能自发进行的反应都是放热反应，但不是所有自发 1.B[单位时间内生成n mol O2就会消耗2 mol NO2,则正 进行的反应都是放热反应，如氯化铵晶体与氢氧化钡晶体的 逆反应速率相等，可以判断反应达到平衡状态，A正确；单位 反应是自发进行的吸热反应，所以只能说焓变是影响反应是 时间内生成n mol O2的同时生成2 n mol NO,均是正反应方 否具有自发性的一个重要因素，但不是唯一因素，C正确。] 向，B不正确；气体的颜色不变即二氧化氮的浓度不变，可以 2.D[焓变可以用来解释放热过程的自发性，A、B、C三项中的 判断反应达到平衡状态，C正确；氧气的含量不变可以判断反 反应均为吸热反应。] 应达到平衡状态，D正确。] 3.D[嫡变是影响化学反应方向的因素之一，与反应的方向有 2.C[达到平衡状态时，vE应保持不变，A错误；t1时刻， 关，A错误；化学反应的嫡变、焓变、温度三者共同决定了反 CO2、CO的物质的量的变化量之比不等于1：1，B错误；该 应进行的方向，当△H一T△S<0时，反应能正向自发进行， 反应是放热反应，在绝热容器中进行，随着反应进行，体系温 否则不能自发进行，B错误；反应能否自发进行由焓变△H、 度上升，1时刻之后随反应进行，温度不再发生变化，说明反 嫡变△S、温度T三者共同决定，当△H一T△S<0时，反应 应达到平衡状态，C正确；焓变是定值，不随时间的变化而变 能正向自发进行，△H<0、△S<0的反应在低温下是自发进 化，焓变不变不能说明反应达到平衡状态，D错误。] 行的反应，C错误；嫡是衡量混乱度大小的物理量，嫡值增大 3.D[根据平衡常数K的定义可知，K1=c+(H)·c+( c单(HI) 的反应都是混乱度增大的反应，D正确。] 4.D[“日照香炉生紫烟，遥看瀑布挂前川”是光的散射，不存 12 1 在热量变化，故A不选；“美人首饰侯王印，尽是沙中浪底来” K2=c星·(H,)·c年() c平(HI) 故K1= 中涉及沙中淘金，不存在热量的变化，故B不选；“日暮北风 4.B[化学平衡常数随温度的改变而改变，故A错误；同一反 吹雨去，数峰清瘦出云来”中涉及风吹散云雨，没有涉及热量 应中平衡常数K只与温度有关，与反应物浓度、压强无关，故 和嫡的变化，故C不选；“千锤万凿出深山，烈火焚烧若等闲” B正确；从平衡常数K的大小可以推断一个反应进行的程 中涉及碳酸钙的分解，该反应是吸热的熵增加反应，△H>0、 度，平衡常数越大，反应进行得越彻底，故C错误；对于可逆 △S>0,故选D。] 反应C(s)+H2O(g)-一CO(g)十H2(g)在一定温度下达到 5.C[Na与H2O反应生成氢气，是一个熵增加的放热反应， 则△H一T△S<0,反应可自发进行，A项正确；吸热反应的 平衡时，共平衡常教表达式为K=C4(CO):C(H),故D c年(H2O) △H>0,因△H一T△S<0的反应可自发进行，则该反应一定 错误。] 是嫡增加反应，B项正确；一个放热且熵增加的反应，即 5.B[设平衡时转化B的物质的量为y,则 △H一T△S<0,在任何温度下都能自发进行，C项错误；反应 3A(g)+B(g)xC(g)+2D(g) NH(g)+HCI(g)=NH4C(s)的△S<0,在室温下可自发进 初始： 1 mol 1 mol 0 0 行，即△H一T△S<0,则该反应的△H<0,D项正确。] 转化： 3y y 2y 6.A[由△G=△H-T△S<0反应自发进行知：△H<0、△S< 平衡： 1 mol-3y 1 mol-y 0.4 mol 0.4 mol 0的反应在低温时自发进行；△H>0、△S<0的反应一定不 则2y=0.4mol,则y=0.2mol;xy=0.4mol,x=2。平衡 能自发进行；△H<0、△S>0的反应一定能自发进行；△H> (B)-1 mol-0.2 mol-0.8 mol,c (B)-0.8 mol =0.8 0、△S>0的反应在高温时自发进行。] 1L 7.D[由气体转化为液体，体系混乱度减小，△S<0,A项错 误；△H<0、△S>0的反应在任何温度下均可自发进行，B项 m0l.L1,a(A)=3X0,2m0×100%=60%。该反应为气 1 mol 1132