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空间站中“再生生保系统”方案设计
1．活动目标：了解空间站“再生生保系统”，感受我国航空航天事业发展的魅力；体验“再生生保系统”的模拟设计，感受科技创新的力量和意义。
2．设计方案：结合教材提供的空间站代谢数据，设计“再生生保系统”的供氧系统、二氧化碳去除转化系统以及尿液、冷凝水净化回收系统，并画出方案设计图。
3．成果展示：展示设计的“再生生保系统”方案图，交流讨论，完善方案。
1．2023年3月30日，神舟十五号航天员乘组进行了第三次出舱活动，完成了所有既定任务。此外，“天宫课堂”也已顺利完成三次授课。航天员工作的顺利开展得益于空间站“再生生保系统”的助力。下列有关舱外航天服的说法不正确的是( )
A．聚氢酯橡胶是制作航天服的材料之一，属于有机合成材料
B．躯干壳体为铝合金薄壁硬体结构，其硬度大于纯铝
C．头盔的面窗两层之间充有高纯氮气，因为氮气能供给呼吸
D．水升华器可维持航天服内部温度稳定，因为水升华吸收热量
2．“再生生保系统”利用太阳能电池电解水制取氧气，再将电解制氧产生的氢气和人体呼出的二氧化碳反应生成水，主要流程如图所示。下列说法不正确的是( )
A．太阳能电池板的能量转化形式为太阳能转化为电能
B．氧气生成系统中，生成氢气和氧气的质量比为1∶8
C．萨巴蒂尔反应系统中，生成物CH4中氢元素质量分数为25%
D．理论上，氧气生成系统中电解的水的质量等于萨巴蒂尔反应系统中生成水的质量
3．2023年5月30日，三名航天员乘坐“神舟十六号”载人飞船顺利进入空间站。为保证航天员的正常生活，空间站内有一套非常完备的再生式环境控制和生命保障系统，其中一个子系统反应的微观示意图如图。下列有关说法或化学方程式正确的是( )
A．甲和丁是氧化物
B．该反应属于置换反应
C．反应后比反应前分子的数目增多
D．反应的化学方程式为CO2＋H2CH4＋2H2O
4．(2024·广东二模)中国空间站天和核心舱可支持三名航天员长期在轨驻留，航天员在轨的每一天都离不开环控生保系统。首先，环控生保系统的再生生保系统利用循环水电解制氧气，保证航天员氧气需求，电解水产生的氢气与宇航员呼出的二氧化碳在特种反应器中进行催化反应，从而降低舱内二氧化碳的浓度。其次，环控生保系统的水处理系统主要是将水蒸气、汗液、尿液和生活废水等进行处理，经过该系统处理的水达到饮用水标准，且水的回收率达80%以上，回收的水用于航天员生活用水和电解制氧。
(1)水和过氧化氢的化学性质不同的原因是________________________。
(2)再生生保系统利用循环水电解制氧气的化学方程式为___________________。
(3)氢气与二氧化碳反应的原理：CO2＋4H2CH4＋2X，则X的化学式为________，参与反应的CO2与H2的质量比为________(填最简整数比)。
(4)宇航员呼吸产生的废气首先进入装有活性炭的滤网除去臭气，这一过程利用了活性炭的________性。
(5)环控生保系统的水处理系统的优点是________________(写出一点即可)。
(6)已知一个航天员平均一天要消耗约0.8 kg氧气，请问一个航天员在空间站30天，理论上至少需要给该水气整合系统补充多少质量的水(已知二氧化碳足量)
5．航天员在轨生活需依靠空间站的电解制氧、二氧化碳去除、尿处理等再生生保功能。如图为核心舱环控生保半封闭系统工作原理示意图。请分析过程，回答下列问题。
(1)冷凝水收集系统和尿处理系统使呼出的气体和尿液中的水分得到重新利用。从微观上看，水蒸气和液态水的区别是________不同。
A．分子排列方式 B．分子间隔
C．分子大小 D．分子运动速率
(2)水电解系统制氧时，发生反应的化学方程式为_______________________。
(3)水净化系统得到的饮用水为软水。生活中常用________区分硬水和软水。
(4)二氧化碳收集系统分子筛表面布满孔穴，结构类似于活性炭，具有________作用。
(5)二氧化碳去除系统在温度570～580 K和钌作催化剂的作用下便可生成水和M(M是最简单的有机物)，该反应的化学方程式为_________________________
_____________________________________________________________________。
(6)太空厨房磨制的一杯杯热豆浆让300公里的穹宇之上有了烟火的味道，热豆浆可以为宇航员提供的主要营养物质是水和____________________________。
6．(2024·烟台中考)2024年4月24日是第九个中国航天日，主题为“极目楚天，共襄星汉”。中国人探索宇宙的脚步驰而不息。
(1)空间站种菜。航天员在太空吃到了自己种的蔬菜。蔬菜能为航天员提供 ________(写1种主要的营养素)。为使蔬菜枝叶茂盛，可以施用的一种化肥是________(写化学式)。太空蔬菜在塑料网篮中种植，塑料属于__________(填字母)。
A．无机非金属材料 B．有机高分子材料
C．金属材料 D．复合材料
(2)固体火箭发射卫星。我国在海阳市附近海域使用引力一号运载火箭将3颗卫星顺利送入预定轨道，刷新了全球最大固体运载火箭记录。高氯酸铵、铝粉等是固体运载火箭的主要推进剂。发射时高氯酸铵发生的化学反应是2NH4ClO4N2↑＋2O2↑＋X↑＋4H2O↑。
①X的化学式是________。NH4ClO4中氯元素的化合价是____________。
②铝粉在氧气中燃烧的化学方程式是__________________。
(3)太空燃烧实验。航天员在燃烧科学实验柜中以甲烷为燃料进行在轨点火燃烧实验，观察到甲烷火焰与地面上对照实验的火焰相比，显得短而圆，且微弱。
①制作燃烧科学实验柜的材料需具有的性质是 _______________(写1条)。
②从燃烧的条件分析，点火的作用是 _________________。
③下列对燃烧实验分析正确的是 ________(填字母)。
A．空间站甲烷燃烧，不需要氧气
B．空间站失重条件下燃烧产生的热气流向四周扩散，地面上热气流向上扩散
C．空间站失重条件下空气流动性差，甲烷燃烧的火焰比较微弱
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跨学科实践活动8 空间站中“再生生保系统”方案设计
体验探究
1．C [聚氢酯橡胶是制作航天服的材料之一，聚氢酯橡胶是合成橡胶，属于有机合成材料，A正确；金属制成合金后硬度变大，躯干壳体为铝合金薄壁硬体结构，其硬度大于纯铝，B正确；头盔的面窗两层之间充有高纯氮气，氮气不能供给呼吸，只有氧气能供给呼吸，C错误；水升华器可维持航天服内部温度稳定，因为水升华吸收热量，D正确。]
2．D [太阳能电池板的能量转化形式为太阳能转化为电能，A正确；水分解制取氧气的化学方程式为2H2OO2↑＋2H2↑，生成氢气和氧气的质量比＝[2×(1×2)]∶(2×16)＝1∶8，B正确；CH4中氢元素质量分数＝×100%＝25%，C正确；氧气生成系统中反应原理是2H2OO2↑＋2H2↑，萨巴蒂尔反应系统中的反应原理是4H2＋CO2===2H2O＋CH4，根据质量守恒定律可知，部分氢元素转移到了甲烷中，所以氧气生成系统中电解的水的质量大于萨巴蒂尔反应系统中生成的水的质量，D错误。]
3．A [由图可知，甲为CO2、丁为H2O，均含两种元素，且其中一种元素为氧元素，则均属于氧化物，A正确；置换反应是指一种单质和一种化合物反应生成另一种单质和另一种化合物的反应，该反应的生成物为CH4和H2O，均属于化合物，不属于置换反应，B不正确；该反应为二氧化碳和氢气在一定条件下反应生成甲烷和水，反应的化学方程式为CO2＋4H2CH4＋2H2O，则该反应中，每1个二氧化碳分子和4个氢气分子反应生成1个甲烷分子和2个水分子，分子数目减少，C不正确；结合前面分析可知，该反应的化学方程式为CO2＋4H2CH4＋2H2O，D不正确。]
4．解析：(1)水和过氧化氢的化学性质不同的原因是水和过氧化氢的分子构成不同，相同分子化学性质相同，不同分子化学性质不同；(2)水电解制氧气是指水在通电条件下反应生成氢气和氧气，该反应的化学方程式为2H2O2H2↑＋O2↑；(3)根据质量守恒定律，化学反应前后，原子的种类和数目不变，反应物中含C、H、O的个数分别是1、8、2，生成物中含C、H、O的个数分别是1、4、0，故生成物中还应含4个H、2个O，故X的化学式为H2O；由化学方程式：CO2＋4H2CH4＋2H2O可知，参与反应的CO2与H2的质量比＝(44×1)∶(4×2)＝11∶2；(4)活性炭结构疏松多孔，具有吸附性，可以吸附颜色、气味，宇航员呼吸产生的废气首先进入装有活性炭的滤网除去臭气，这一过程利用了活性炭的吸附性；(5)环控生保系统的水处理系统主要是将水蒸气、汗液、尿液和生活废水等进行处理，可以实现废物利用，节约水资源。
答案：(1)水和过氧化氢的分子构成不同 (2)2H2O2H2↑＋O2↑ (3)H2O 11∶2 (4)吸附 (5)可以节约用水
(6)解：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
由氢气和二氧化碳反应的化学方程式：CO2＋4H2CH4＋2H2O，结合2个反应的化学方程式可知，水气整合系统电解的水有一半会因H元素转化为CH4而损失，有一半可以循环利用，故理论上至少需要给该水气整合系统补充水的质量＝0.9 kg×0.5×30＝13.5 kg
答：理论上至少需要给该水气整合系统补充13.5 kg的水。
5．解析：(1)液态水受热会变为水蒸气，过程中水分子的排列方式发生变化、分子间隔增大、分子运动速率增大，分子大小不变；(2)水通电分解生成氢气和氧气，化学方程式为2H2O2H2↑＋O2↑；(3)向等量的两种水样中分别加入等量的肥皂水，振荡，泡沫多无浮渣或浮渣少的是软水，泡沫少浮渣多的是硬水；(4)活性炭具有疏松多孔的结构，其具有吸附性，可以吸附水中的色素和异味，分子筛表面布满孔穴，结构类似于活性炭，也具有吸附作用；(5)二氧化碳和氢气在570～580 K和钌作催化剂的作用下生成甲烷和水，化学方程式为CO2＋4H2CH4＋2H2O；(6)热豆浆中富含水和蛋白质，热豆浆可以为宇航员提供的主要营养物质是水和蛋白质。
答案：(1)ABD (2)2H2O2H2↑＋O2↑ (3)肥皂水 (4)吸附 (5)CO2＋4H2CH4＋2H2O (6)蛋白质
6．解析：(1)蔬菜中富含维生素、水分等；氮肥有利于蔬菜叶的生长，如NH4Cl、CO(NH2)2等；塑料属于有机高分子材料；(2)①根据质量守恒定律，化学反应前后原子的个数、种类均不变。该反应中，反应前含有2个N、8个H、2个Cl、8个O，反应后含有2个N、8个H、8个O，相差2个Cl，则X的化学式为Cl2；NH4ClO4中铵根离子的化合价为＋1价，氧元素的化合价为－2价，设氯元素的化合价为y，根据化合物中正负化合价代数和为零，得(＋1)＋y＋(－2)×4＝0，y＝＋7，即氯元素的化合价为＋7价；②铝在氧气中点燃生成氧化铝，反应的化学方程式为4Al＋3O22Al2O3；(3)①航天员在燃烧科学实验柜中以甲烷为燃料进行在轨点火燃烧实验，则制作燃烧科学实验柜的材料需具有的性质是防火，耐高温等；②从燃烧的条件分析，点火后温度升高，所以作用是使温度达到可燃物的着火点；③空间站甲烷燃烧，也需要氧气，A错误；空间站失重条件下燃烧产生的热气流向四周扩散，火焰显得短而圆，且微弱，地面上热气流向上扩散，火焰呈锥状，B正确；空间站失重条件下空气流动性差，氧气得不到很好的补充，甲烷燃烧的火焰比较微弱，C正确。
答案：(1)维生素(合理即可) NH4Cl(合理即可) B
(2)①Cl2 ＋7 ②4Al＋3O22Al2O3
(3)①防火(合理即可) ②使温度达到可燃物的着火点 ③BC
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