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。
1.载人航天器中的化学电池的特点
安全、可靠，并且需要电池 输出的电能较高。
2.载人航天器中常用化学电池的种类
、 、 等。
3.氢氧燃料电池的优势
（1）单位质量输出电能较高。
（2）反应生成的水可作为航天员的 。
（3） 可以作为备用氧源供给航天员呼吸等。
4.尝试设计载人航天器的氧气再生方案
（1）计算萨巴蒂尔反应的焓变
已知：
①H2（g）＋O2（g）H2O（g） ΔH＝－241.8 kJ·mol－1
②CH4（g）＋2O2（g）CO2（g）＋2H2O（g） ΔH＝－802.3 kJ·mol－1
则萨巴蒂尔反应CO2（g）＋4H2（g）CH4（g）＋2H2O（g）的焓变ΔH＝ 。
（2）利用萨巴蒂尔反应再生氧气的大体流程
（3）萨巴蒂尔反应的缺陷是有50％的氢元素存在于 中而没有得到利用。
【探究活动】
一、尝试设计载人航天器用化学电池
1.“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。该电池的工作原理如图所示：
交流讨论
（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？
（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？
2.培根型碱性氢氧燃料电池和质子交换膜氢氧燃料电池的示意图如下。
交流讨论
（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。
二、尝试设计载人航天器的氧气再生方案
航天员每人每天大约需要消耗0.84 kg氧气。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都难以满足长时间飞行时航天员对持续供氧的要求。
交流讨论
1.研究载人航天器氧气再生方法的原因是什么？
2.如何从人体代谢的废物（如CO2、H2O）中获取O2？
3.萨巴蒂尔反应如何控制反应器内的温度？
【归纳总结】
1.“阿波罗”飞船燃料电池的工作原理
（1）“阿波罗”飞船燃料电池（离子导体为KOH溶液）的电极反应为
负极：2H2＋4OH－－4e－4H2O；
正极：O2＋2H2O＋4e－4OH－。
（2）“阿波罗”登月飞船一代燃料电池（离子导体为H2SO4溶液）的电极反应为
负极：2H2－4e－4H＋；
正极：O2＋4H＋＋4e－2H2O。
2.“神舟”飞船中镍镉碱性蓄电池反应原理
（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，镍镉电池的电极反应为
负极：Cd（OH）2＋2e－Cd＋2OH－；
正极：2Ni（OH）2＋2OH－－2e－2NiOOH＋2H2O。
（2）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－。
3.探究载人航天器电源配置与氧气再生的一般思路
4.载人航天器中能量转化形式
5.根据载人航天器的限定条件，物质转化最理想的方式：符合绿色化学原理，原子利用率达到100％。
1.由某研究所研发的液态太阳燃料（CH3OH为代表的液态燃料）的合成全流程工艺装置、整体技术处于国际领先水平。下列说法错误的是（ ）
A.图中能量转化形式超过2种
B.开发液态太阳燃料有利于环境保护
C.由天然气直接催化制取的甲醇也属于液态太阳燃料
D.该合成全流程工艺中用于还原CO2的H2由电解水产生
2.镍镉（Ni-Cd）可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，其充、放电按下式进行：Cd＋2NiOOH＋2H2OCd（OH）2＋2Ni（OH）2，有关该电池的说法正确的是（ ）
A.充电时阳极反应：Ni（OH）2＋OH－－e－NiOOH＋H2O
B.充电过程是化学能转化为电能的过程
C.放电时负极附近溶液的碱性不变
D.放电时电解质溶液中的OH－向正极移动
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.单位质量 2.镍氢电池 镍镉电池 氢氧燃料电池
3.（2）饮用水 （3）氧气 4.（1）－164.9 kJ·mol－1
（2）O2 H2 CH4 （3）甲烷
探究活动
一、
1.（1）提示：根据电池反应2H2＋O22H2O可知，电解质溶液浓度降低，会使该电池的工作效率也降低。
（2）提示：CO2会与KOH溶液反应，使电解质变质，从而影响电池的工作效率。
2.（1）提示：①分离反应产生的H2O，浓缩KOH溶液；②电解质溶液变质时方便更换电解质溶液。
（2）提示：培根型电池应加在负极（H2）一侧的气体出口处；质子交换膜电池应加在正极（O2）一侧的流场板气体出口处。
（3）提示：通过分析可知，培根型碱性氢氧燃料电池主要通过外加循环设备解决电解质溶液稀释和变质问题，质子交换膜氢氧燃料电池则通过改变离子导体使问题从根本上得以解决。
二、
1.提示：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。
2.提示：2H2O＋2Na2O24NaOH＋O2↑，2CO2＋2Na2O22Na2CO3＋O2，2H2O2H2↑＋O2↑。
3.提示：为控制反应温度，一般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。
对点训练
1.C 根据图中所示，存在太阳能转化为电能、电能转化为化学能、化学能转化为化学能、化学能转化为其他形式的能量，则能量转化形式超过2种，A正确；开发液态太阳燃料减少了废气的排放，有利于环境保护，B正确；根据图示，由天然气直接催化制取的甲醇不属于液态太阳燃料，C错误；由装置图可知，通过电解水生成氢气，生成的氢气用于还原CO2，D正确。
2.A 放电时Cd的化合价升高，Cd作负极，Ni的化合价降低，NiOOH作正极，则充电时Cd（OH）2作阴极，Ni（OH）2作阳极，阳极的电极反应为Ni（OH）2＋OH－－e－NiOOH＋H2O，A项正确；充电过程是电能转化为化学能的过程，B项错误；放电时负极反应为Cd＋2OH－－2e－Cd（OH）2，Cd电极周围的OH－的浓度减小，C项错误；放电时OH－向负极移动，D项错误。
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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。
学习目标
目 录
知识点一 00000
知识点二 00000
能力培养 00000
随堂演练
课时作业
知识点一
0000
知识点二
0000
能力培养
0000
随堂演练
课时作业
2. 载人航天器中常用化学电池的种类
、 、 等。
1. 载人航天器中的化学电池的特点
安全、可靠，并且需要电池 输出的电能较高。
单位质量
3. 氢氧燃料电池的优势
（1）单位质量输出电能较高。
（2）反应生成的水可作为航天员的 。
（3） 可以作为备用氧源供给航天员呼吸等。
镍氢电池
镍镉电池
氢氧燃料电池
饮用水
氧气
4. 尝试设计载人航天器的氧气再生方案
（1）计算萨巴蒂尔反应的焓变
已知：
①H2（g）＋ O2（g） H2O（g） ΔH＝－241.8 kJ·mol－1
②CH4（g）＋2O2（g） CO2（g）＋2H2O（g）
ΔH＝－802.3 kJ·mol－1
则萨巴蒂尔反应CO2（g）＋4H2（g） CH4（g）＋2H2O（g）的
焓变ΔH＝ 。
－164.9 kJ·mol－1
（2）利用萨巴蒂尔反应再生氧气的大体流程
（3）萨巴蒂尔反应的缺陷是有50％的氢元素存在于 中而没有得
到利用。
甲烷
【探究活动】
一、尝试设计载人航天器用化学电池
1. “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。该电池的工作原理如图所示：
交流讨论
（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？
提示：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。
（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？
提示：CO2会与KOH溶液反应，使电解质变质，从而影响电池的工作
效率。
2. 培根型碱性氢氧燃料电池和质子交换膜氢氧燃料电池的示意图如下。
交流讨论
（1）培根型碱性燃料电池中“循环泵”的作用是什么？
提示：①分离反应产生的H2O，浓缩KOH溶液；②电解质溶液变质时方便
更换电解质溶液。
（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？
提示：培根型电池应加在负极（H2）一侧的气体出口处；质子交换膜电池
应加在正极（O2）一侧的流场板气体出口处。
（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。
提示：通过分析可知，培根型碱性氢氧燃料电池主要通过外加循环设备解
决电解质溶液稀释和变质问题，质子交换膜氢氧燃料电池则通过改变离子
导体使问题从根本上得以解决。
二、尝试设计载人航天器的氧气再生方案
航天员每人每天大约需要消耗0.84 kg氧气。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都难以满足长
时间飞行时航天员对持续供氧的要求。
交流讨论
1. 研究载人航天器氧气再生方法的原因是什么？
提示：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。
2. 如何从人体代谢的废物（如CO2、H2O）中获取O2？
提示：2H2O＋2Na2O2 4NaOH＋O2↑，2CO2＋2Na2O2 2Na2CO3＋
O2，2H2O 2H2↑＋O2↑。
3. 萨巴蒂尔反应如何控制反应器内的温度？
提示：为控制反应温度，一般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。
【归纳总结】
1. “阿波罗”飞船燃料电池的工作原理
（1）“阿波罗”飞船燃料电池（离子导体为KOH溶液）的电极反应为
负极：2H2＋4OH－－4e－ 4H2O；
正极：O2＋2H2O＋4e－ 4OH－。
（2）“阿波罗”登月飞船一代燃料电池（离子导体为H2SO4溶液）的电极
反应为
负极：2H2－4e－ 4H＋；
正极：O2＋4H＋＋4e－ 2H2O。
2. “神舟”飞船中镍镉碱性蓄电池反应原理
（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，镍镉电池的电极反应为
负极：Cd（OH）2＋2e－ Cd＋2OH－；
正极：2Ni（OH）2＋2OH－－2e－ 2NiOOH＋2H2O。
（2）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－。
3. 探究载人航天器电源配置与氧气再生的一般思路
4. 载人航天器中能量转化形式
5. 根据载人航天器的限定条件，物质转化最理想的方式：符合绿色化学原
理，原子利用率达到100％。
1. 由某研究所研发的液态太阳燃料（CH3OH为代表的液态燃料）的合成全流程工艺装置、整体技术处于国际领先水平。下列说法错误的是（ ）
A. 图中能量转化形式超过2种
B. 开发液态太阳燃料有利于环境保护
C. 由天然气直接催化制取的甲醇也属于液态太阳燃料
D. 该合成全流程工艺中用于还原CO2的H2由电解水产生
√
解析：根据图中所示，存在太阳能转化为电能、电能转化为化学能、化学能转化为化学能、化学能转化为其他形式的能量，则能量转化形式超过2种，A正确；开发液态太阳燃料减少了废气的排放，有利于环境保护，B正确；根据图示，由天然气直接催化制取的甲醇不属于液态太阳燃料，C错误；由装置图可知，通过电解水生成氢气，生成的氢气用于还原CO2，D正确。
2. 镍镉（Ni-Cd）可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池
的电解质溶液为KOH溶液，其充、放电按下式进行：Cd＋2NiOOH＋
2H2O Cd（OH）2＋2Ni（OH）2，有关该电池的说法正确的是（ ）
B. 充电过程是化学能转化为电能的过程
C. 放电时负极附近溶液的碱性不变
D. 放电时电解质溶液中的OH－向正极移动
√
解析： 放电时Cd的化合价升高，Cd作负极，Ni的化合价降低，NiOOH
作正极，则充电时Cd（OH）2作阴极，Ni（OH）2作阳极，阳极的电极反
应为Ni（OH）2＋OH－－e－ NiOOH＋H2O，A项正确；充电过程是电
能转化为化学能的过程，B项错误；放电时负极反应为Cd＋2OH－－2e－
Cd（OH）2，Cd电极周围的OH－的浓度减小，C项错误；放电时OH－
向负极移动，D项错误。
演示完毕 感谢观看
