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-化学反应中能量及物质的转化利用教学课件

(共20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
项目活动一 尝试设计载人航天器用化学电池
1．氢氧燃料电池被 称为最适合载人航天器的化学电源，你认为原因是什么？
(1)具有单位质量输出电能较高;(2)运输成本低;
(3)反应成的水可作饮用水;(4)氧气可作备用氧源供给呼吸等。
2．构成电池的必要结构是什么？这些结构具有怎样的性质或作用？
电极反应物：得失电子物质；
电极材料：得失电子场所；
离子导体：传导离子；
电子导体：传递电子。
【资料】1.铂、镍等金属对燃料电池反应具有催化活性
离子导体环境 电极材料
酸性环境 多孔碳载铂
碱性环境 多孔碳载镍
【资料】2.现有的燃料电池中电极材料的选择:
【资料】①电池性能与电池内阻有关;②电导率越大，导电性越好;③温度升高，电解质溶液电导率升高。
【问题】依据上述信息，你会如何选择离子导体及其工作环境，原因是什么
选择30%左右的硫酸或30%左右的KOH溶液;盐酸有挥发性，盐类电导率小，不能选择;工作温度尽量高
【资料证据】1.最早投入研究的是以硫酸溶液为离子导体的燃料电池，但硫酸溶液腐蚀性强，电池无法长时间工作。 2.最早投入使用的航天器用燃料电池是以KOH溶液为离子导体，碳载镍作为电极材料。
1.右图是“阿波罗”飞船中使用的氢氧燃料电池部分结构的示意图。
(1)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。
2.我们目前设计的以氢氧化钾为离子导体的燃料电池，在工作中会出现内阻增大的问题，你认为可能的原因是什么 如何解决该问题
电极反应生成水，使电解质离子浓度降低;思考并设计解决方法，重点关注从电池的哪一极将水排出。
【小结】排水方式虽然不同，但是考虑在哪一极设置排水装置都是必须要考虑的问题，而解决该问题的方法关注电极反应与离子导体存在相互影响(微粒的种类和浓度)。
3、解决电解质变质问题
【资料】在实际使用中，KOH溶液的离子导体还有一些问题，主要舱内二氧化碳污染使电池寿命降低，使用寿命不超过 5000 小时。此外，氢氧化钾有毒，对生成水的饮用造成影响。这促使人们去寻找其他的离子导体。
【问题】你认为，如果开发新型的离子导体，应该具有哪些性质
质量轻，电导率大，性质稳定，离子浓度稳定，无毒等。
【资料】质子交换膜
质子交换膜是一种高分子材料，厚度仅有几百微米，含有酸性基团，被水润湿后可电离出氢离子。质子交换膜内为酸性环境，且只允许氢离子通过，以质子交换膜作为离子导体的氢氧燃料电池工作寿命可高达 57000 小时。电导率优于或等于电解质溶液型离子导体。
轻薄、内阻小、可以隔绝氢气氧气、无二氧化碳污染。
4.电子导体
选择反应
1.电极反应
2.电极材料
性质稳定、质量、成本
3.离子导体
电导率、性质稳定、离子种类浓度稳定、质量
设计结构
优化结构
碱性
(-)2H2-4e-+40H- 4H2O (+)02+2H2O+4e- 4OH-
酸性
(-)2H2-4e- 4H+
(+)O +4H++ 4e- 2H20
项目活动二 尝试设计载人航天器的氧气再生方案
【项目任务】设计载人航天器内的氧气再生方法。
【限定条件】航天器内携带物品(物质及能源)有限。
【问题讨论】
1．人呼出的气体中含有水和二氧化碳，请你思考氧气再生的方案？并对这些方案作出评价。
①过氧化钠与水和二氧化碳反应：
②光合作用：
③电解水：
过氧化钠不能循环，不能完全满足物质稀缺的限制条件
速率不够满足需求
可以将水中的氧元素完全转化，得到的氢气可再利用，但电解水耗能。
项目成果展示：
【资料】
【思考】如何根据以上资料设计将水和二氧化碳
转化为氧气的方法？
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。
【资料】
Sabatier反应：4H + CO CH4+2H O，将Sabatier反应、电解水装置联合使用是目前一种真实研究的航天器内氧气再生方法
高温
根据盖斯定律，将4×①－②得，
CO2(g)＋4H2(g)=4CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－164.9 kJ·mol－1，ΔH<0。
将进入反应器的气体提前加热至反应温度。反应器配有冷却装置，及时将过多的反应热传走。冷却装置传走的热量及从反应器出来的气体带走的热量可以继续利用。
载人航天器的氧气再生方案
人
富集装置
Sabatier反应器
电解水装置
CH4
CO
O
H O
H
D
A
C
4.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