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——化学反应中能量及物质的转化利用-【优学精讲】2026-2027学年高中化学选择性必修一同步课件（人教版·不定项）

该高中化学课件聚焦载人航天器化学电池设计与氧气再生方案，围绕原电池原理、焓变及盖斯定律等核心知识，通过“阿波罗”“神舟”飞船案例导入，对比不同电池结构、分析电解质问题及解决方案，构建从理论到实际应用的学习支架。 其亮点是以真实航天情境为载体，通过对比氢氧燃料电池改进方案、计算萨巴蒂尔反应焓变等活动，培养科学思维与探究能力，体现化学观念中物质转化与能量变化。采用问题驱动教学，小结梳理一般思路，助力学生提升实际问题解决能力，为教师提供落实核心素养的优质素材。

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 学习目标 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。 返回导航 内 容 索 引 项目活动1 1 1 项目活动2 2 项目活动1　尝试设计载人航天器用化学电池 第一部分 4 自主预习 1．尝试设计载人航天器用化学电池 (1)如下所示是“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。 答案：二者不同之处在于“阿波罗”飞船使用的氢氧燃料电池的电极为多孔碳载镍电极，而我们设计的氢氧燃料电池的电极为石墨电极；铂、镍对燃料电池反应有催化作用。 返回导航 (2)为了保持电池的工作效率、有效地利用电极反应产物，你认为上图所示电池还需要解决哪些问题？ 答案：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。 返回导航 (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？ 答案：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。 返回导航 (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？ 答案：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。 返回导航 (5)若在(4)中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？ 答案：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设置冷凝装置。 返回导航 2．“阿波罗”飞船氢氧燃料电池的工作原理 (1)“阿波罗”飞船氢氧燃料电池(离子导体为KOH溶液)的电极反应为 负极：____________________________________________； 正极：____________________________________________。 (2)“阿波罗”登月飞船一代氢氧燃料电池(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 返回导航 3．“神舟”飞船中镍镉碱性蓄电池的工作原理 (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。此时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。此时电极反应为 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－ 返回导航 对点演练 D 返回导航 解析：由题图可知，燃料电池系统产生的能量实际上来自太阳能，A项正确； 由题图可知，水电解产生氢气和氧气，燃料电池系统中氢气和氧气发生化学反应又生成了水，故该能量转化系统中的水可以循环利用，B项正确； 由题意可知，燃料电池采用KOH溶液作为电解质溶液，故背日面时，燃料电池负极反应为H2＋2OH－－2e－===2H2O，C项正确； 返回导航 AD 返回导航 解析：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； 返回导航 3．下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能实现氢气和氧气再生 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 B 返回导航 解析：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，故A错误； 根据题图可知，装置X是电解池，电解水生成氢气 和氧气，所以装置X能实现氢气和氧气再生，故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中电解质溶液呈碱性，则正极的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，故C错误； 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，故D错误。 返回导航 项目活动2　尝试设计载人航天器的氧气再生方案　 第二部分 18 自主预习 1．航天员每人每天大约消耗0.84 kg氧气，因载人航天器携带的物品有限，因此一些常规方法都难以满足长时间飞行时航天员对持续供氧的要求。 (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？ 答案：尽可能将航天员的代谢产物中的氧元素转化为氧气，以保证氧元素的持续循环。 (2)如何从人体代谢的废物(如CO2、H2O)中获取O2？写出反应的化学方程式。 返回导航 返回导航 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)请根据以上信息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。 答案：根据盖斯定律，由①×4－②可得，萨巴蒂尔反应的热化学方程式为CO2(g)＋4H2(g)===CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－164.9 kJ·mol-1，为放热反应。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。 返回导航 (2)请分析萨巴蒂尔反应有什么缺点。 答案：萨巴蒂尔反应的一个明显缺陷是有50%的氢元素存在于甲烷中而没有得到利用。 返回导航 3．探究载人航天器电源配置与氧气再生的一般思路 返回导航 4．载人航天器中能量转化形式 返回导航 对点演练 B 返回导航 解析：由题图可知，铜电极表面CO2转化为CH4，C元素化合价由＋4价降低为－4价，发生还原反应，故铜电极为阴极，石墨电极为阳极。石墨电极为阳极，电解过程中产生O2，电极反应式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，A正确； 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。 返回导航 2．(2026·威海高二统考)飞船和空间站中CO2的清除和O2的再生是科学家研究的重要问题之一。回答下列问题： (1)空间站的水气整合系统利用萨巴蒂尔反应，将CO2转化为CH4和水蒸气，配合O2生成系统可实现O2的再生，流程如下。 已知下列数据： 化学键 H—H C—H H—O C===O 断裂化学键吸收的能量 /(kJ·mol-1) 435 415 465 800 返回导航 萨巴蒂尔反应的热化学方程式为_________________________________ ____________________________________________________。 解析：萨巴蒂尔反应的热化学方程式为CO2(g)＋4H2(g)===CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝[(2×800＋4×435)－(4×415＋4×465)] kJ·mol-1＝－180 kJ·mol-1。 CO2(g)＋4H2(g)===CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－180 kJ·mol-1 返回导航 (2)氢氧燃料电池与电解水装置配合使用，可实现充放电循环，应用于长寿命航天器中。 ①CO2的富集与转化是O2再生的核心问题。“电化学富集法”是一种适合飞行器较长时间飞行的方法，装置如下图所示。 b电极为________(填“正”或“负”)极，a电极的电极反应式为___________________________ ________________________________。 正 返回导航 ②负载中电解水可实现O2的再生，阳极为________(填“c”或“d”)，电极反应式为___________________________________________________。 解析：电解池中，与电源正极相连的电极是阳极，则阳极为d，阳极上氢氧根离子失去电子发生氧化反应生成氧气，电极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑。 d 4OH－－4e－===2H2O＋O2↑ 返回导航 2．(双选)航天飞船的能量部分来自太阳能电池，另外内部还配有高效的MCFC型燃料电池。该燃料电池可同时供应电和水蒸气，所用燃料为氢气，电解质为熔融的碳酸钾。已知该燃料电池的总反应为2H2＋O2===2H2O，负极反应式为H2＋CO－2e－===CO2＋H2O。下列推断正确的是(　　) A．电池工作时，CO向负极移动 B．电池放电时，电子经外电路由通氧气的正极流向通氢气的负极 C．正极反应式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O D．通氧气的电极发生还原反应 通氧气的电极为正极，发生还原反应，电极反应式为O2＋4e－＋2CO2===2CO，C项错误，D项正确。 $