(共18张PPT)
在携带资源有限的载人航天器中，如何充分利用能量和物质？
设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案
鲁科版选择性必修1
化学反应原理
第1章微项目
学习
目标
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，并形成电池设计和氧气再生的基本思路。
通过本项目的学习，提升模型认知和变化观念素养，感受化学知识在解决实际问题中的应用价值。
电池反应
项目活动一
阿波罗登月飞船上使用的1.5kW电源由3个独立的氢氧燃料电池模块并联构成，通过氢气循环进行排热、排水，每个模块包含31个串联的独立电池单元。
1
2
3
4
单位质量输出电能较高
运输成本低
反应生成的水可作为
航天员的饮用水
氧气可以作为备用氧源
供给航天员呼吸
优势
项目活动一
电池装置结构
A氢氧燃料电池
B氢氧燃料电池
项目活动一
电池装置结构
电池结构
离子导体
电极材料
A氢氧燃料电池
KOH溶液
多孔碳载铂
B氢氧燃料电池
KOH溶液
多孔石墨
阿波罗飞船氢氧燃料电池
KOH溶液
多孔碳载镍
项目活动一
离子导体
阅读资料1思考：为什么采用KOH溶液做电解质溶液？
项目活动一
电极材料
思考角度
铂
镍
催化活性
有催化作用
有催化作用
稳定性
耐强酸强碱
耐强碱
成本
较高
较低
铂、镍对燃料电池反应具有催化作用，对于碱性环境
一般采用碳载镍作为电极材料，酸性环境一般采用碳
载铂作为电极材料，电极材料上留有孔洞，以使氢气、
氧气和溶液接触进行反应。
阅读表格思考：哪种电极材料更合适？
项目活动一
优化装置结构
小组交流讨论：
1.
为了保持电池工作效率，有效利用电极反应产物，还需要解决哪些问题？
2.
如何解决上述问题？
负极反应为:
2H2+4OH--4e-
===
4H2O
正极反应为:
O2+2H2O+4e-
===
4OH-
电池反应为:
2H2+O2
===
2H2O
质子交换膜是一种固体高分子材料，厚度仅有几十至几百微米，内部含有酸性基团，在水等极性溶剂存在时能电离出H+。该膜允许通过H+而不允许OH-通过。
产生问题
解决方法
电极产物水稀释电解质溶液
浓缩、排水
二氧化碳使电解质变质
更换电解质或离子导体材料
项目活动一
分析评价电池设计方案
01
变质的解决思路区别？
02
排水方案与位置区别？
03
电极材料的选择区别？
项目活动一
分析评价电池设计方案
01
变质的解决思路区别？
02
排水方案与位置区别？
03
电极材料的选择区别？
项目活动一
分析评价电池设计方案
01
变质的解决思路区别？
02
排水方案与位置区别？
03
电极材料的选择区别？
项目活动二
设计氧元素转化方案
人体代谢废物
CO2
H2O
O2
O2
电解
与Na2O2反应
直接电解
间接转化为水电解
无法长时间使用
技术不成熟
研究热点
废水回收处理
富集
设计CO2转化为H2O方案
项目活动二
根据盖斯定律，设计CO2转化为H2O的热化学方程式。
Bosch反应：
Sabatier反应：
Bosch反应：
Sabatier反应：
分析评价设计方案
项目活动二
氢元素被完全利用
放热多
小组交流讨论：两种方案的优缺点各是什么？
积碳影响
可联合甲烷裂解等技术使用
分析评价氧气再生方案
项目活动二
课后交流讨论：温度对萨巴蒂尔反应有何影响？
归纳总结
能量利用
携带资源有限
化学电池原理
化学反应
焓变原理
物质利用
电池优化
氧气再生
谢谢
素娥相望如招手，欲驾神车上月宫。
——郭印“设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案”教学设计
“设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案”是高中化学选择性必修中模块1“化学反应原理”的内容，是高中二年级选择化学作为高考科目的学生需要学习的微项目，该内容教学可安排一课时。通过本项目的学习，可以感受化学知识在解决实际问题中的应用价值。
1、
教学与评价目标
1.
教学目标
（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，并形成电池设计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，提升模型认知和变化观念素养，感受化学知识在解决实际问题中的应用价值。
2.
评价目标
（1）通过对选择离子导体和电池材料影响因素的交流和点评，诊断并发展学生对原电池模型的认识水平（孤立水平、系统水平）。
（2）通过对培根型碱性燃料电池和质子交换膜氢氧燃料电池装置结构的分析和点评，诊断并发展学生解决实际问题的能力水平。
（3）通过对博施反应和萨巴蒂尔反应优缺点的分析和点评，诊断并发展学生对物质变化和能量转化认识水平（定性水平、定量水平）。
2、
教学与评价思路
三、教学流程
项目活动一教学过程
教师活动
学生活动
设计意图
【投影图片】大屏幕上的两张照片记录了1969年，在全球亿万人的见证下，阿姆斯特朗走出阿波罗11号，左脚踏上了月球的土地，并说出了那句举世闻名的话：“这是我个人的一小步，也是全人类的一大步”。【情境导入】51年后的今天，我们有必要思考阿波罗飞船给人类留下了哪些启示，在携带资源有限的载人航天器中，能量和物质是如何得以充分利用的呢？本节课，我们就以阿波罗飞船为例，尝试设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案，形成分析解决这类问题的基本思路。请同学们先阅读本节课的学习目标。【板书】设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案【环节一】确定电池反应【资料】阿波罗登月飞船上使用的1.5kW电源由3个独立的氢氧燃料电池模块并联构成，通过氢气循环进行排热、排水，每个模块包含31个串联的独立电池单元。【提问】通过资料可知，阿波罗飞船的电源由氢氧燃料电池并联而成，电池是航天器的核心部件，请同学们结合所学知识和航天器实际情况，思考氢氧燃料电池有哪些优势呢？【总结】单位质量输出电能较高、运输成本低、反应生成水可作为航天员的饮用水、氧气可作为备用氧源供给呼吸。【环节二】确定电池装置结构【过渡】课前已经请同学们设计一个可实际生产的氢氧燃料电池，大屏幕展示了两位同学设计的电池，构成电池的要素基本具备。【投影】【资料】与阿波罗飞船氢氧燃料电池结构示意图进行比较可以发现，在离子导体和电极材料的选择上有如下异同点：【活动】选择离子导体【资料】【提问】为什么选择氢氧化钾溶液做电解质溶液呢？【总结】通过资料可知，离子的摩尔电导率越大，溶液的导电性越好，电池内阻越小，根据表中数据可知，盐溶液离子的摩尔电导率要比酸碱的低，通过离子种类组合，发现酸中组成硫酸的离子摩尔电导率最高，碱中氢氧化钾溶液的摩尔电导率最高，而不选择硫酸溶液的原因是硫酸的腐蚀性比较强，会损坏电池装置。在选择离子导体时，需要考虑的是微粒种类、导电性和腐蚀性。【活动】选择电极材料【资料】【提问】选定氢氧化钾溶液做离子导体后，接下来请同学们阅读表格思考哪种电极材料更合适？【总结】铂和镍都对电极反应有催化作用，铂更稳定，耐强酸强碱，镍与酸能发生反应，但是镍比铂成本更低，所以综合考虑，在碱性环境下选择碳载镍电极材料，并且电极材料上留有孔洞，便于气体与溶液接触反应。【环节三】优化电池装置结构【补充板书】能量利用——电池优化【提问】确定好电池基本要素后，请同学们进行组内交流讨论：为了保持电池工作效率，有效利用电极反应产物，还需要解决哪些问题？如何解决上述问题？【板书】【资料】质子交换膜是一种固体高分子材料，厚度仅有几十至几百微米，内部含有酸性基团，在水等极性溶剂存在时能电离出H+。该膜允许通过H+而不允许OH-通过。【总结】【环节四】分析评价电池设计方案【投影】【过渡】在前面探究的基础上，进而分析评价两种较为成熟的氢氧燃料电池——培根型碱性氢氧燃料电池和质子交换膜氢氧燃料电池。【提问】
两种电池在以下三个方面有什么区别呢？变质的解决思路区别；排水方案与位置区别；电极材料选择区别。【总结】1、培根型碱性氢氧燃料电池主要通过外加循环设备的方式解决电解质溶液稀释和变质的问题，循环泵使燃料电池的电解质溶液不断浓缩、循环，变质后也可以及时更换新溶液；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。2、碱性环境中水在负极生成，酸性环境中水在正极生成，因此培根型碱性氢氧燃料电池的出水口在负极，质子交换膜氢氧燃料电池生成的水从正极一侧的流场板排出。3、培根型碱性氢氧燃料电池的电极是镍电极，而质子交换膜氢氧燃料电池的催化剂层是由碳纸添加金属铂制成，因此质子交换膜氢氧燃料电池可以做到微型、便携。a
聆听、观看，进入情境。阅读资料后思考、交流、分享想法。观察构成电池的要素。观察对比离子导体和电极材料的异同点。阅读资料后思考、交流、分享想法。阅读资料后思考、交流、分享想法。学生先写出阿波罗飞船氢氧燃料电池的正负极反应方程式及总反应方程式。阅读资料后小组交流、讨论，分享结论。小组交流、讨论，分享一般共识。
引导学生关注登月史，激发学生积极性，使课题内容具有现实性、应用性。从所学知识入手，符合学生的认知过程，结合实际情况，体会化学知识联系实际的价值。回顾氢氧燃料电池的装置结构组成部分。将同学们设计的电池与实际电池进行对比，产生认知冲突，引起思考与疑问。拆解装置结构任务进行分析，使学生意识到微粒种类和浓度对离子导体的性质有很大影响，得出选择离子导体需要考虑的因素。帮助学生建立电极材料与离子导体的关联，体会电池要素间的联系。结合原电池原理进一步探究电池装置结构的优化和设计方案，发展将化学知识应用于实际情况的水平。探查原电池模型的要素关联水平和应用原理解决实际问题的能力是否有所提升。
项目活动二教学过程
教师活动
学生活动
设计意图
【情境导入】航天员每人每天大约需要消耗0.84kg
O2，其中84%的消耗以CO2的形式排出，其余的16%在代谢水中，因此，载人航天器中氧气的再生主要来自从人体代谢废物中回收富集的H2O和
CO2。【板书】物质利用——氧气再生【环节一】设计氧元素转化方案【提问】电解水制氧气已经是一项非常成熟的技术了。从CO2制O2，同学们能想到哪些方法呢？【过渡】CO2与Na2O2反应生成O2，类比电解水，能不能直接电解CO2制O2呢？直接电解CO2技术不成熟，能不能先将CO2间接转化为H2O再电解呢？这也是我们目前一个研究的热点，那么CO2如何转化为H2O呢？【环节二】设计CO2转化为H2O方案【资料】根据元素守恒，H2可作为氢源；设计碳元素的去处，比如生成单质C或者是结合氢原子生成CH4。【活动】请同学们根据盖斯定律，结合所给的热化学方程式，设计CO2转化为H2O的热化学方程式。【板书】【环节三】分析评价CO2转化为H2O设计方案【提问】反应一又称为博施反应，反应二又称为萨巴蒂尔反应，请同学们小组内交流讨论：这两个反应的优缺点各是什么？【总结】博施反应的氢元素完全转化为H2O中的氢元素，但是生成的C会堆积堵塞装置仪器，也可能会影响催化剂的催化活性。萨巴蒂尔反应的氢元素有一部分存在于CH4中，可以联合CH4裂解等技术使用，获得原料H2，萨巴蒂尔反应的放热多，可继续利用。【环节四】分析评价氧气再生方案【资料】
萨巴蒂尔反应的转化率高，且反应时间快，适于载人航天器中使用，如图所示就是利用萨巴蒂尔反应的氧气再生方法。萨巴蒂尔反应在300~400℃时转化率较高，所以控制反应器内的温度非常重要。【课后思考】请同学们在学习第二章内容后思考温度是如何影响萨巴蒂尔反应的呢？【归纳总结】在本微项目活动探究中，我们以阿波罗飞船为例，结合化学电池原理和化学反应焓变原理分别设计了电池优化与氧气再生的方案，感受到了化学知识在解决实际问题中的应用价值：【结束语】同学们，“素娥相望如招手，欲驾神车上月宫”。愿你们用无尽的好奇和无畏的勇气在科学的世界里仰望星空！
聆听、观看，进入情境。学生结合所学知识思考二氧化碳制氧气的方法，并且判断能否符合载人航天器实际情况。学生经过小组交流协作后书写出CO2转化为H2O的热化学方程式。学生观察、分析并评价适用于载人航天器中的利用萨巴蒂尔反应的氧气再生方案。
引导学生关注载人航天器内的物质资源短缺，尝试运用所学解决实际问题。探查学生物质转化思路。利用盖斯定律设计反应并计算能量变化。结合载人航天器实际情况，从吸放热和元素利用率等角度评价反应，提升学生对模型应用的水平。落脚于真实情境下的氧气再生方案，启发学生寻找不足、引发深入思考，促进接下来的探究学习。加深学生对物质变化和能量转化之间联系的理解，增强化学思维的系统性和连贯性。“设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案”评测练习
1．已知：
①2C(s)＋O2(g)===2CO(g) ΔH＝－220
kJ·mol－1
②氢气燃烧的能量变化示意图：
下列说法正确的是( )
A．1
mol
C(s)完全燃烧放出110
kJ的热量
B．H2(g)＋O2(g)===H2O(g)
ΔH＝－480
kJ·mol－1
C．C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)
ΔH＝＋130
kJ·mol－1
D．欲分解2
mol
H2O(l)，至少需要提供4×462
kJ的热量
2．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
3．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
