鲁科版高中化学选择性必修1第1章化学反应与能量转化1.5微项目设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案课件（19张）

(共19张PPT)
第1章 化学反应与能量转化
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
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。
项目学习目标
⑸氢氧燃料电池的优势：①具有单位质量输出电能较高；②反应生成的水可作饮用水；③氧气可作备用氧源供给呼吸等。
⑴载人航天器中的化学电池的特点安全、可靠。电池单位质量输出的电能较高。
⑷载人航天器中常用化学电池的种类：________、_________、 _____________等。
项目活动探究
镍镉电池
镍氢电池
氢氧燃料电池
项目活动1　尝试设计载人航天器用化学电池
⑶电池反应确定后，对电池装置结构优化。
⑵考虑舱内废物的循环使用，如：氧气再生、二氧化碳清除、水处理及食物供给。
载人航天器中化学电池设计考虑的问题：
[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如图所示。
项目活动1　尝试设计载人航天器用化学电池
阅读课本37页讨论问题1、2、3、并做解答。
阅读课本37页资料卡片：资料1，资料2，资料3。
思考：燃料电池的电解质溶液和电极如何选择？通过阅读37页内容回答。
思考1：氢氧燃料电池的反应产物对该电池的工作效率有什么影响？
根据电池反应：2H2＋O2 = 2H2O，可知电解质溶液浓度降低，会使该电池的工作效率也降低。
思考2：该电池使用的氧气常用空气制备，由于制备工艺问题会使氧气中混有微量CO2，CO2的存在对电池有什么影响？
CO2能与KOH溶液反应，使电解质变质，从而影响电池的工作效率。
思考3、如果你是电池设计员，针对(2)、(3)问出现的问题，你会提出哪些思路或方案来解决？
在设计电池时，可以附设电解质溶液循环系统，既为浓缩电解质溶液或补充电解质，也为方便更换被污染的电解质溶液；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等等。
总结：⑴氢氧燃料电池分为酸性和碱性两种
2H2-4e- = 4H+
2H2+4OH--4e- = 4H2O
O2+4e-+4H+ = 2H2O　
O2+2H2O+4e- = 4OH-
总结：⑵“神舟”飞船中的镍镉电池工作原理
镉镍电池中Cd作为负极,NiOOH作为正极,通过放电反应释放能量,总反应:
1、镉镍可充电电池的充、放电反应原理如下:Cd+2NiOOH+2H2O Cd(OH)2 +2Ni(OH)2。下列说法错误的是(　　)
A.放电时,Cd作为负极
B.放电时,NiOOH作为负极
C.电解质溶液为碱性溶液
D.放电时,负极反应为Cd+2OH--2e- = Cd(OH)2
B
完成下面的问题
2、实验室如何将CO2转化为O2 载人航天器中人员呼吸需要的O2从何而来
实验室利用Na2O2与CO2反应可生成O2；通过化学反应将航天器内人体产生的CO2转化为O2，从而为航天人员提供O2。
*
[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。
一种培根型碱性氢氧燃料电池部分结构示意图(电池工作温度为200 ℃)
质子交换膜氢氧燃料电池部分结构示意图
1．培根型碱性燃料电池中“循环泵”的作用是什么？
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？
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。
阅读课本第38页中间部分，回答下列问题：
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，电极反应为：
负极　Cd(OH)2＋2e－ = Cd＋2OH－
正极　2Ni(OH)2＋2OH－－2e－ = 2NiOOH＋2H2O
NiOOH常称氢氧化氧镍或碱式氧化镍，其中Ni为＋3价。
[探究任务3]“神舟”飞船中的太阳能电池阵－镍镉蓄电池组系统的工作原理。
当飞船进入阴影区时，由镍镉电池提供电能，电极反应为：
负极　Cd＋2OH－－2e－ = Cd(OH)2
正极　2NiOOH＋2H2O＋2e－ = 2Ni(OH)2＋2OH－
项目活动2　尝试设计载人航天器的氧气再生方案
思考1：研究载人航天器氧气再生方法的原因是什么？
因载人航天器携带的物品有限，利用高压存储氧气、电解携带的水制备氧气等常规方法来获得氧气都难以满足长时间飞行对持续供氧的要求。
思考2：如何从人体代谢的废物(如CO2、H2O)中获取O2
2H2O＋2Na2O2 = 4NaOH＋O2↑
2CO2＋2Na2O2 = 2Na2CO3＋O2 2H2O 2H2↑＋O2↑
思考3：萨巴蒂尔反应是放热反应还是吸热反应？意义？应如何控制反应器内的温度？
阅读课本第40页资料卡片部分，回答问题，并分析萨巴蒂尔反应的流程和缺点。
项目成果展示：
2．载人航天器中能量转化形式
3．根据载人航天器的限定条件，物质转化最理想的方式应符合的条件：应符合绿色化学原理，原子利用率达到100%。
1．将二氧化碳转化为燃料是目前的研究热点，《科学》杂志曾报道的一种将CO2转化为烃和醇的装置如图所示。下列说法正确的是 (　　)
A．图中能量转化的方式只有1种
B．装置工作时，H＋向X极移动，Y极周围溶液的pH增大
C．X极上得到CH3OH的电极反应式为2CO2＋4H2O＋12e－ = 2CH3OH＋3O2
D．若X极生成1 mol C2H4和1 mol CH3OH，电路中通过18 mol电子
D
练习
2．用吸附了氢气的碳纳米管等材料制作的二次电池的原理如图所示。下列说法中正确的是(　　)
A．充电时，阴极的电极反应式：Ni(OH)2＋OH－－e－ = NiOOH＋H2O
B．放电时，负极的电极反应式：H2－2e－＋2OH－ = 2H2O
C．放电时，OH－移向镍电极
D．充电时，将电池的碳电极与外电源的正极相连
B
3、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
B
4.氨氧燃料电池具有很大的发展潜力。氨氧燃料电池工作原理如下图所示。
(1)a电极的电极反应为　　　　　;
(2)为了使碱溶液浓度不变,一段时间后,需向装置中补充KOH,请依据反应原理解释原因:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
发生反应4NH3+3O2 === 2N2+6H2O,有水生成,使得溶液逐渐变稀,所以要补充KOH
2NH3+6OH--6e- === N2+6H2O
5.一种“全氢电池”的工作原理如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A.电子流向是从吸附层M通过导线到吸附层N
B.Na+从左边穿过离子交换膜向右边移动
C.离子交换膜可用质子交换膜
D.负极的电极反应是:H2-2e-+2OH- === 2H2O
C
6.太阳能光电池具有可靠稳定、寿命长、安装维护简便等优点,现已得到广泛应用。氮化镓(GaN)光电池的结构如图所示。下列说法中正确的是(　　)
A.该装置系统中只存在光能与电能之间的转化
B.Cu电极上的电极反应为CO2+8H+-8e- === CH4+2H2O
C.工作时,产生的O2、CH4体积比为1∶1(同温同压)
D.离子交换膜为质子交换膜,H+从左池移向右池
D