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 学案（含答案） 2023-2024学年高二化学鲁科版（2019）选择性必修1

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
(见学生用书P49)
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。
1.原电池构成的条件:(1)两个电极,(2)电解质溶液作离子导体,(3)形成闭合回路,(4)能自发进行的氧化还原反应。
2.氢氧燃料电池
(1)能量转化:化学能转化为电能。
(2)电极反应、电池反应
种类 酸性 碱性
负极反应 2H2-4e-4H+ 2H2+4OH--4e-4H2O
正极反应 O2+4e-+4H+2H2O O2+2H2O+4e-4OH-
电池反应 2H2+O22H2O
备注 燃料电池的电极不参与反应,有很强的催化活性,起导电作用
(3)解答燃料电池题目的思维模型
3.焓变:在等压条件下,反应中物质的能量变化全部转化为热能时,焓变与化学反应的反应热相等。ΔH>0,为吸热反应;ΔH<0,为放热反应。
4.盖斯定律:一个化学反应无论是一步完成,还是分几步完成,反应热都是一样的。
5.利用盖斯定律计算反应热的思维流程
项目活动1　尝试设计载人航天器用化学电池
(1)为什么氢氧燃料电池适合作为短寿命载人航天器的电源
答案　氢氧燃料电池具有单位质量输出电能较高、电极产物水可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优点。
(2)“阿波罗”飞船是美国第三代载人宇宙飞船系列,1966年至1972年美国共发射17艘宇宙飞船。“阿波罗”飞船中使用的氢氧燃料电池部分结构如图1,图2是某兴趣小组设计的氢氧燃料电池。
试从原电池的构成要素方面比较其不同,并说明这样选择材料的理由。
答案　电极材料不同,“阿波罗”飞船中电极材料是多孔碳载镍,与普通石墨电极相比,电极材料上留有空洞,更有利于氢气、氧气和溶液接触并进行反应,镍对燃料电池反应具有催化作用,能加快电池反应。
(3)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。电池内阻和离子导体的导电性等因素有关,摩尔电导率越大,溶液的导电性越好。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下表:
离子种类 无限稀释摩尔电导率/(×104 S·m2·mol-1)
H+ 349.82
OH- 198.0
S 79.8
Cl- 76.34
C 72
K+ 73.52
Na+ 50.11
根据表中数据,分析选用哪种电解质作离子导体,电池的工作效率最高。“阿波罗”飞船中使用的氢氧燃料电池为什么没有使用该电解质
答案　H2SO4溶液;因硫酸的腐蚀性强。
(4)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,导致电池内阻增大,降低电池工作的效率,怎样才能保证电池的工作效率呢
答案　附设电解质溶液循环系统、采用固体材料离子导体等。
(5)对比培根型碱性氢氧燃料电池(图3)和质子交换膜氢氧燃料电池(图4),从解决电解质溶液稀释和变质问题的角度找出二者设计的异同。为了更好地利用电极反应产物,若在上述两种电池中加装水蒸气冷凝回收装置,应分别加装在什么位置
答案　培根型碱性氢氧燃料电池主要通过外加循环设备方式解决电解质稀释和变质问题,质子交换膜氢氧燃料电池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。培根型碱性氢氧燃料电池中水在负极生成,所以冷凝装置应在负极一侧的气体出口;质子交换膜氢氧燃料电池中的水在正极生成,回收水的装置在正极一侧。
(6)“神舟”飞船是我国自行研制的,“神舟”飞船的轨道舱和推进舱使用的电源系统为太阳能电池阵——镍镉蓄电池组系统。镍镉电池通过放电和充电过程,满足飞船在光照区和阴影区交替飞行时对能量储存和能量供给的需求。镍镉电池的工作原理为Cd+2NiOOH+2H2OCd(OH)2+2Ni(OH)2。试写出充电时阳极的电极反应。当飞船运行到阴影区时,镍镉蓄电池开始为飞船供电,负极反应物是什么 负极附近溶液的pH怎样变化
答案　Ni(OH)2-e-+OH-NiOOH+H2O;Cd;减小。
1.载人航天器用氢氧燃料电池的设计:电极材料用多孔碳载镍,电解质溶液一般选择氢氧化钠溶液,电极产物水可通过冷凝回收作为宇航员的饮用水。
2.为了避免电极产物水稀释电解质溶液而降低电池工作效率,可采用培根型碱性氢氧燃料电池或质子交换膜氢氧燃料电池。
3.航天器所携带的氢气和氧气是有限的,氢氧燃料电池若应用于长寿命航天器,需要将其与太阳能电解水装置配合使用,实现充放电循环。除氢氧燃料电池外,航天器中还经常使用的化学电池有镍镉电池、镍氢电池、银锌电池、砷化镓太阳能电池等。
1.一种航天器能量储存系统原理示意图如图所示。下列说法正确的是(　　)。
A.该系统中只存在3种形式的能量转化
B.装置Y中负极的电极反应为O2+2H2O+4e-4OH-
C.装置X能实现燃料电池的燃料和氧化剂再生
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之间的完全转化
答案　C
解析　A项,该系统中存在太阳能转化为电能、电能转化为化学能、化学能转化为电能、电能转化为机械能等多种能量转化形式;B项,装置Y为原电池,负极上H2发生氧化反应;C项,装置X为电解池,其作用是将水转化为燃料(氢气)和氧化剂(氧气),正确;D项,化学能与电能之间不可能完全转化,还有热能产生。
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,其装置如图。下列说法错误的是(　　)。
A.该装置可以实现CO2的富集
B.负载中电解水,d极可生成O2
C.a极的电极反应为H2+2e-+CH2O+CO2↑
D.负载中电解水时可加入Na2SO4以增强溶液导电性
答案　C
解析　该装置中通入b极的空气中的氧气得电子发生还原反应,同时二氧化碳被吸收,a极氢气失去电子,同时碳酸根离子参与反应生成二氧化碳,故可以实现CO2的富集,A项正确;负载中电解水,c与电源负极相连为阴极,d极为阳极,则d极上氢氧根离子失去电子被氧化可生成O2,B项正确;a极氢气失去电子被氧化,电极反应为H2-2e-+CH2O+CO2↑,C项错误;负载中电解水时加入Na2SO4,离子浓度增大且钠离子和硫酸根离子均不放电,故可以增强溶液导电性,D项正确。
项目活动2　尝试设计载人航天器的氧气再生方案
(1)过氧化钠是一种常用的供氧剂,与二氧化碳反应能生成氧气,试根据下列热化学方程式,计算该反应的焓变。
2Na(s)+O2(g)Na2O2(s)　 ΔH=-510.9 kJ·mol-1
C(s,石墨)+O2(g)CO2(g)　 ΔH=-393.5 kJ·mol-1
2Na(s)+C(s,石墨)+O2(g)Na2CO3(s)　 ΔH=-1130.7 kJ·mol-1
答案　2Na2O2(s)+2CO2(g)2Na2CO3(s)+O2(g)　 ΔH=-452.6 kJ·mol-1
(2)利用萨巴蒂尔反应再生氧气的大体流程如图所示。
写出上述反应的化学方程式。
答案　CO2+4H2CH4+2H2O;2H2O2H2↑+O2↑。
(3)萨巴蒂尔反应在300~400 ℃时转化率较高,在该条件下,副反应较多,直接测定萨巴蒂尔反应的热效应困难较大,试通过下列热化学方程式,计算萨巴蒂尔反应的焓变。
H2(g)+O2(g)H2O(g)　 ΔH=-241.8 kJ·mol-1
CH4(g)+2O2(g)2H2O(g)+CO2(g)　 ΔH=-802.3 kJ·mol-1
答案　CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)　 ΔH=-164.9 kJ·mol-1
(4)如何控制萨巴蒂尔反应器中的温度
答案　将反应器中的气体提前加热至反应温度;给反应器配一个冷却装置,以便将过多的反应热传走,将传走的热量继续利用。
(5)从元素守恒的角度分析萨巴蒂尔反应的缺点。怎样让甲烷得到充分利用呢 提出你的设想。
答案　存在于甲烷中的氢元素没有得到利用;将甲烷进行综合再利用,例如,可作为燃料电池的燃料等。
1.盖斯定律的应用价值在于可以根据已准确测定的反应焓变来求实验难测定或根本无法测定的反应焓变,可以利用已知的反应焓变计算未知的反应焓变。
2.设计氧气再生方案时,从能量循环利用的角度考虑,应选择能放出能量的反应,放出的能量要合理再利用。从物质转化的角度考虑,要尽可能地将人体代谢废物(水、二氧化碳)中的氧元素转化为氧气。
3.萨巴蒂尔反应的缺陷是甲烷中的氢元素没有得到利用。
1.为了实现空间站的零排放,循环利用人体呼出的CO2并提供O2,我国科学家设计了一种装置(如图),实现了“太阳能-电能-化学能”转化,总反应为2CO22CO+O2。下列关于该装置的说法中正确的是(　　)。
A.图中N型半导体为正极,P型半导体为负极
B.图中的离子交换膜为阳离子交换膜
C.反应完毕,装置中电解质溶液的碱性增强
D.人体呼出的气体参与X电极的反应:CO2+2e-+H2OCO+2OH-
答案　D
解析　根据题图中左边电源内负电荷的移动方向,可知N型半导体为负极,P型半导体为正极,A项错误;X极为电解池的阴极,电极反应为CO2+2e-+H2OCO+2OH-,生成的OH-通过离子交换膜在Y极参加反应,所以图中的离子交换膜为阴离子交换膜,B项错误,D项正确;总反应为2CO22CO+O2,所以反应前后溶液的pH并没有变化,C项错误。
2.载人航天器中,利用萨巴蒂尔反应将航天员呼出的CO2转化为H2O,再通过电解H2O获得O2,实现O2的再生。
已知:①CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(l)　 ΔH=-252.9 kJ·mol-1
②2H2O(l)2H2(g)+O2(g)　ΔH=+571.6 kJ·mol-1
请回答:
(1)反应①属于　　　　(填“吸热”或“放热”)反应。
(2)反应①消耗88 g CO2(g)时,热量变化为　　　　kJ。
(3)反应②吸收571.6 kJ时,生成O2(g)的质量是　　g。
(4)反应CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(l)的ΔH=　　　　 kJ·mol-1。
(5)已知一个航天员平均一天要消耗约0.8 kg的氧气,请计算一个航天员在空间站30天,理论上至少需要给该系统补充　　　　kg的水。(已知二氧化碳足量)
答案　(1)放热
(2)505.8
(3)32
(4)-890.3
(5)13.5
解析　(5)设生成0.8 kg的氧气需要水的质量为x,
2H2O2H2↑+O2↑
36 32
x 0.8 kg
=
x=0.9 kg,
氢气和二氧化碳反应的化学方程式为CO2+4H22H2O+CH4,结合两个反应的化学方程式可知,水气整合系统电解的水有一半可以循环利用,因此理论上该水气整合系统至少需要补充水的质量为0.9 kg×0.5×30=13.5 kg。
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