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-（配套教参）【精讲精练】2026-2027学年高中化学选择性必修第一册（鲁科版）

本高中化学讲义核心围绕化学反应中能量及物质的转化利用，系统梳理氢氧燃料电池的电极反应、电解质选择依据及问题解决思路，衔接氧气再生方案（如萨巴蒂尔反应、电解水），搭建从基础原理到航天应用的学习支架。 以载人航天器真实情境设计探究任务，通过分析燃料电池内阻、计算萨巴蒂尔反应焓变等活动，培养科学探究与实践能力和科学思维。结合航天科技体现化学价值，增强科学态度与责任，课中辅助教学，课后助力知识巩固与查漏补缺。

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 项目活动1　尝试设计载人航天器用化学电池 [探究任务1]　载人飞船氢氧燃料电池使用存在的问题及解决思路。 “阿波罗”飞船的主电源是以KOH溶液为离子导体的碱性氢氧燃料电池。 1．氢氧燃料电池与镍镉电池、镍氢电池相比较有哪些优点？ 提示：氢氧燃料电池单位质量输出的电能较高，反应生成的水可以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。 2．某载人飞船中使用的氢氧燃料电池部分结构示意图如下： (1)请写出该电池的电极反应和总反应方程式。 提示：负极反应：2H2＋4OH－－4e－===4H2O；正极反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－；电池总反应式：2H2＋O2===2H2O。 (2)降低电池内阻可以提高电池的工作效率，从而增大电池单位质量输出的电能。电池内阻与离子导体的导电性等因素有关。例如在298 K时，无限稀释溶液中几种离子的无限稀释摩尔电导率如表： 离子种类 H＋ OH－ SO Cl－ CO K＋ Na＋ 无限稀释摩尔电导率× 104/(s·m2·mol－1) 349.82 198.0 79.8 76.34 72 73.52 50.11 (摩尔电导率是指把含有1 mol电解质的溶液置于相距单位距离的电导池的两个平行电极之间时所具有的电导。摩尔电导率越大，溶液的导电性越好。) 根据以上材料分析，氢氧燃料电池选择哪些物质作为电解质(离子导体)较理想？ 提示：H2SO4溶液或KOH溶液。 (3)已知铂、镍对燃料电池反应具有催化作用。该氢氧燃料电池中如何选择电极材料？ 提示：考虑到催化活性、稳定性、成本等因素，对于碱性环境一般选用碳载镍作为电极材料，而酸性环境则一般选用碳载铂作为电极材料。电极材料上留有孔洞，以使氢气、氧气和溶液接触进行反应。 (4)为了保持电池的工作效率、有效地利用电极反应产物，如图所示电池还要解决哪些问题？ 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。 (5)如果你是电池设计人员，你会提出哪些思路或方案来解决该电池存在的问题？ 提示：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，或采用固体材料作为离子导体，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。 [探究任务2]　对培根型碱性氢氧燃料电池和质子交换膜氢氧燃料电池解决电池使用中存在的问题的认知。 1．培根型碱性燃料电池中“循环泵”的作用是什么？ 提示：①分离反应产生的H2O，浓缩KOH溶液。 ②电解质溶液变质时更换电解质溶液。 2．若在上述两电池中加冷凝水接收装置，应该加在什么位置？ 提示：培根型氢氧燃料电池应加在负极(H2)一侧的气体出口处；质子交换膜电池应加在正极(O2)一侧的流场板气体出口处。 3．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。 提示：通过分析可知，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。 项目活动2　尝试设计载人航天器的氧气再生方案 1．如何在载人航天器长时间飞行时为航天员持续提供氧气？ 提示：载人航天器中的物质和能量资源都十分宝贵。在设计氧气的获取方案时，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。例如可以设计氢气和氧气与水的循环利用。 2．请你根据已有知识思考，如何实现从人体代谢的废物(如水、二氧化碳)中获取氧气？并对你所设计的方案进行评价？ 提示：可以在载人航天器中安装携带Na2O2(s)，利用反应2Na2O2(s)＋2CO2(g)===2Na2CO3(s)＋O2(g)和2Na2O2(s)＋2H2O(g)===4NaOH(s)＋O2(g)消耗代谢废物水和二氧化碳，同时提供氧气。但是Na2O2(s)性质活泼，储存困难且储存量受限制。 3．萨巴蒂尔(Sabatier)反应： CO2＋4H2CH4＋2H2O可以将二氧化碳转化为甲烷和水，水的电解可以实现氧气的再生。该方法实现氧气再生大体流程如图所示： (1)该方法有何优点？ 提示：该方法实现了载人航天器中氧气再生，同时解决人体代谢产生二氧化碳的清除问题。 (2)已知反应：①H2(g)＋O2(g)===H2O(g) ΔH＝－241.8 kJ·mol－1 ②CH4(g)＋2O2(g)===2H2O(g)＋CO2(g) ΔH＝－802.3 kJ·mol－1 ③Na(s)＋O2(g)===Na2O2(s) ΔH＝－255.4 kJ·mol－1 ④C(s，石墨)＋O2(g)===CO2(g) ΔH＝－393.5 kJ·mol－1 ⑤2Na(s)＋C(s，石墨)＋O2(g)===Na2CO3(s) ΔH＝－1 130.7 kJ·mol－1 试计算萨巴蒂尔反应的焓变？ 提示：根据盖斯定律，由①×4－②可以得到CO2(g)＋4H2(g)===CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝4×(－241.8 kJ·mol－1)－(－802.3 kJ·mol－1)＝－164.9 kJ·mol－1。 (3)萨巴蒂尔反应在300～400 ℃时转化率较高，控制反应器内的温度非常重要。请分析如何控制反应器内的温度？萨巴蒂尔反应有什么缺点？ 提示：萨巴蒂尔反应是放热反应(ΔH<0)。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，以便及时将过多的热量传走。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。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没有得到利用。 1．从理论上讲，任何一个自发的氧化还原反应都可以设计成原电池。 2．氢氧燃料电池在四种常见介质中的电极反应总结 3．我国自行研制具有自主知识产权的神舟飞船的镍镉电池，电池的充、放电反应按下式进行：Cd＋2NiOOH＋2H2OCd(OH)2＋2Ni(OH)2。 (1)当飞船进入阴影区时，由镍镉电池为飞船提供电能。负极反应为Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2，正极反应为2NiOOH＋2H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－。 (2)当飞船进入光照区时，太阳能电池工作为用电设备供电，同时为镍镉电池充电。负极(阴极)反应为Cd(OH)2＋2e－===Cd＋2OH－，正极(阳极)反应为2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiOOH＋2H2O。 1．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 解析　B　根据装置图中电荷移动的方向可知，N型半导体为负极，P型半导体为正极，A错误；Y电极连接电源的正极，作为阳极，根据电解原理，电极反应为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，B正确；反应后，电解质溶液的pH保持不变，离子交换膜应为阴离子交换膜，C错误；该装置实现了“太阳能→电能→化学能”的转化，D错误。 2．为循环利用人体呼出的CO2并提供氧气，我国科学家设计了一种装置(如图所示)，实现“太阳能→电能→化学能”的转化，总反应为2CO2===2CO＋O2，下列有关说法不正确的是(　　) A．该装置属于电解池 B．X极发生氧化反应，Y极发生还原反应 C．人体呼出的水蒸气参与Y极反应：CO2＋H2O＋2e－===CO＋2OH－ D．X极每产生标准状况下22.4 L气体，有2 mol的OH－从Y极移向X极 解析　D　题给装置实现“太阳能→电能→化学能”的转化，将电能转化为化学能的装置为电解池，A正确；根据图中电子的流向“X→Y”可知，X极为阳极，失电子发生氧化反应，Y为阴极，得电子发生还原反应，B正确；Y为阴极，根据总反应可知，阴极为CO2得电子生成CO，电极反应为CO2＋H2O＋2e－===CO＋2OH－，C正确；X极为阳极，OH－放电生成氧气，电极反应为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，生成1 mol O2，阳极有4 mol OH－放电，根据溶液呈电中性原理，X电极区阴离子减少，则会有4 mol OH－从Y极透过阴离子交换膜移向X极，使得溶液保持电中性，D错误。 3．如图是一种航天器能量储存系统原理示意图。下列说法正确的是(　　) A．二氧化硅是太阳能电池的光电转换材料 B．装置X实现了氢气和氧气再生 C．若装置Y中电解质溶液呈碱性，则正极的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O 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间的完全转化 解析　B　 硅是太阳能电池的光电转换材料，二氧化硅是光导纤维的主要成分，A错误；根据图示可知装置X是电解池，电解水生成氢气和氧气，所以装置X实现了氢气和氧气再生，B正确；氢氧燃料电池中正极上氧气得电子发生还原反应，若装置Y中电解质溶液为碱性，则正极的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，C错误；化学能与电能间不可能完全转化，还有部分能量转化为其他能量形式，所以装置X、Y形成的子系统能实现物质的零排放，但不能实现化学能与电能间的完全转化，D错误。 4．(双选)空间实验室“天宫一号”的供电系统中有再生氢氧燃料电池(RFC)，RFC是一种将水电解技术与氢氧燃料电池技术相结合的可充电电池。如图为RFC工作原理示意图，下列有关说法正确的是(　　) A．当有0.8 mol电子转移时，b极产生4.48 L O2 B．为了增加导电性可以将左边容器中的水改为NaOH溶液 C．d极上发生的电极反应是H2－2e－===2H＋ D．c极上进行氧化反应，A池中的H＋可以通过隔膜进入B池 解析　BC　没有指明气体所处的温度和压强，无法计算气体的体积，A错误；电解NaOH溶液，实质是电解水，所以将电解装置左边的水改为NaOH溶液，增大溶液中离子的浓度，增强导电性，B正确；a电极为阴极，a电极上产生的气体X是氢气，所以d电极发生的电极反应是H2－2e－===2H＋，C正确；b电极为阳极，b电极上产生的气体Y为氧气，c电极上是氧气发生还原反应：O2＋4e－＋4H＋===2H2O，c极为燃料电池的正极，d极为燃料电池的负极，B池中的H＋通过隔膜进入A池，D错误。 5．利用电解法可将航天员呼出的CO2转化为CH4再作为燃料电池的燃料，并且也能为航天员提供氧气，其原理如图所示。下列说法中错误的是(　　) A．石墨电极为阳极，电解过程中产生O2 B．阴极区的总反应为9CO2＋8e－＋6H2O===CH4＋8HCO C．Na2SO4在电解过程中起增强导电性的作用 D．制得1 mol CH4，理论上有8 mol H＋由左室迁移到右室 解析　B　如题图为电解装置，铜电极表面CO2转化为CH4，C的价态由＋4降低为－4，发生还原反应，则铜电极为阴极，石墨电极为阳极。电解过程中产生O2，电极反应式为4H2O－8e－===2O2↑＋8H＋，A正确；阳极产生的 H＋通过质子交换膜进入阴极区与CO发生反应：CO2＋8e－＋8H＋===CH4＋2H2O，B错误；Na2SO4在电解过程中起增强导电性的作用，C正确；制得1 mol CH4，转移8 mol e－，左室生成的8 mol H＋迁移到右室，D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $