第一章微项目 设计载人航天器用化学电池
——化学反应中能量及物质的转化利用
【课堂练习】微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置，利用微生物处理有机废水获得电能，同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水，采用惰性电极，用下图装置处理有机废水(以含
CH3COO-的溶液为例)。下列说法错误的是（
）
A.
负极反应为
B.
隔膜1为阳离子交换膜，隔膜2为阴离子交换膜
C.
当电路中转移1mol电子时，模拟海水理论上除盐58.5g
D.
电池工作一段时间后，正、负极产生气体的物质的量之比为2:1
【课后达标检测】
1.一种高性能的碱性硼化钒(VB2)—空气电池如下图所示，其中在VB2电极发生反应：该电池工作时，下列说法错误的是（
）
A．负载通过0．04
mol电子时，有0．224
L(标准状况)O2参与反应
B．正极区溶液的pH降低、负极区溶液的pH升高
C．电池总反应为
D．电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极
2.微生物燃料电池能将污水中的乙二胺（H2NCH2CH2NH2）氧化成环境友好的物质，示意图如图所示，a、b均为石墨电极。下列说法错误的是
A．a电极的电极反应为H2NCH2CH2NH2-16e-+4H2O=2CO2↑+N2↑+16H+
B．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动
C．a电极上的电势比b电极上的电势低
D．电池工作时b电极附近溶液的pH保持不变
3.氢能源是最具应用前景的能源之一，现阶段载人航天器中所使用的氢氧燃料电池就需要大量的氢气。高纯氢的制备是目前的研究热点。可利用太阳能光伏电池电解水制高纯氢，工作示意图如下。通过控制开关连接K1或K2,可交替得到H2和O2。
①制H2时，连接______。产生H2的电极反应式是___________________。
②改变开关连接方式，可得O2。
③结合①和②中电极3的电极反应式，说明电极3的作用：________________________
____________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________。《微项目：设计载人航天器用化学电池》教学设计
一、项目学习目标
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。
二、教学重难点
教学重点：了解真实化学电池的工作原理与装置结构
教学难点：形成分析化学电池的一般思路
三、教学思路
四、教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
创设情境，导入新课
【导语】同学们，我们首先看一段视频，重温“神舟十一号”载人飞船的发射过程，感受我国航天事业的强大。【播放视频】“神舟十一号”载人飞船的发射过程【教师】同学们，我们国家已经发展成为了一个航天强国，我们应该为我们身为一个中国人而感到骄傲和自豪！在航天器中，就好比人的“心脏”，电源是极其重要的组成部分，其工作一刻也不能停歇。下面我们就一起开始本节课的探究之旅——设计载人航天器用化学电池。
观看视频，感受祖国航天事业的强大。
从生活走进化学，拉近学生与化学距离。
探究第一站：认识载人航天器用化学电池
【教师】首先进入我们探究的第一站，认识载人航天器中的化学电池。【问题组】通过预习，你知道航天器中经常使用的化学电池有哪些？现阶段的载人航天器中使用的是哪种电池？与其他化学电池相比，氢氧燃料电池具有什么独特的优势呢？【教师】这样我们就确定了设计电池的电池反应，是氢气和氧气反应生成水。【板书】确定电池反应：【任务】通过之前的学习，我们知道介质环境不同电极反应就不同。请以酸性和碱性两种介质环境为例，写出氢氧燃料电池的电极反应。
结合预习结果，思考并回答问题：1.镍镉电池、镍氢电池、氢氧燃料电池等。2.氢氧燃料电池。3.单位质量输出电能较高、反应生成的水可作为航天员的饮用水、氧气可作为备用氧源供给航天员呼吸等。板书示范
通过设置问题组，搭建思考阶梯，带领学生一起认识载人航天器用化学电池。
探究第二站：分析载人航天器用化学电池
【教师】这是第2节中同学们设计的氢氧燃料电池，介质环境是碱性的。1969年7月20日人类首次登月成功。其使用的“阿波罗”飞船氢氧燃料电池的部分结构是这样的。【任务】请同学们分析比较这两个电池有什么异同，完成学案探究任务1。【引导】同学们可以根据之前我们学过的原电池的构成条件：电极材料、电子导体、离子导体等方面进行分析。【教师】哪位同学想汇报一下你的分析结果？【追问】能否用自己的语言总结一下“阿波罗”飞船氢氧燃料电池做出了哪些改进？【板书】设计电池结构：电极材料、电子导体、离子导体【教师】与简单的氢氧燃料电池相比，“阿波罗”飞船的电极材料和电解质溶液都进行了特殊的选择。【问题】为什么要做这样的改进呢？
观察、分析两个电池的异同，完成学案探究任务1。小组代表发言，进行分析。分别从电极材料、电子导体、离子导体等方面进行分析。思考并回答问题。
通过对第2节中设计的简单氢氧燃料电池和“阿波罗”飞船氢氧燃料电池的对比分析，得出设计载人航天器用化学电池的第二关键部分：设计电池结构。
探究第三站：尝试设计载人航天器用化学电池
【教师】载人航天器中化学电池的设计其实是需要考虑很多方面的问题的，其中一个重要方面就是提高电池的工作效率。【任务】请同学们再次分析此燃料电池，想一想，如果你是电池设计人员，为了提高该电池的工作效率，还需要对该电池进行怎样的优化？同学们先自己思考，形成自己的思路然后再小组讨论。【板书】优化电池结构【教师】哪个小组的同学可以汇报一下你们的讨论结果？【教师】同学们分析的很好，图3和图4展示的就是两种改良后的氢氧燃料电池，跟同学们的设计思路不谋而合，说明同学们很有当科学家的潜质啊。我们对于碱性氢氧燃料电池比较熟悉了，下面，我们再对其中的质子交换膜氢氧燃料电池进行具体分析。先让我们一起来认识一下质子交换膜。【多识一点】质子交换膜简介。【小结】有了电极反应，我们要想设计一个质子交换膜氢氧燃料电池的话，就需要选择合适的电极材料、电极反应物、电子导体和离子导体。【任务】下面就请同学们画出质子交换膜氢氧燃料电池的工作原理示意图并试着标出回收生成水的装置应该加在什么位置？请同学们思考3-5分钟，然后小组交流讨论，完成学案探究任务3。【教师】好，同学们，我们有请这两组的“设计师”来为我们介绍一下他们的电池。
独立思考后小组讨论。小组代表发言，汇报讨论结果。思考并画出质子交换膜氢氧燃料电池的工作原理示意图并试着标出回收生成水的装置。小组代表进行板书示范。两个小组的同学对设计的作品进行介绍。
通过对培根型氢氧燃料电池和质子交换膜氢氧燃料电池的分析，对电池的结构进一步优化。在提高电池工作效率的基础上加装回收水的装置，使得能量和物质充分利用。发展学生兼顾考虑物质变化和能量变化解决实际问题的思路，增强化学思维的系统性，使学生体会到电化学知识的实际应用价值。
学以致用，总结升华
【教师】通过以上的分析，我们对载人航天器的化学电池有了深入的认识，并成功地进行了电池设计人员的角色扮演，有没有体会到科学研究的快乐？下面我们一起来总结一下对化学电池的原理和装置的分析思路。【师生总结】我们分析化学电池，可以从装置和原理两个维度来进行。从装置上看，化学电池的构成条件有：电极材料、电子导体、离子导体。从原理上看，化学电池是将氧化还原反应中的化学能转为电能的过程，其中的还原剂作为负极反应物在负极失电子，发生氧化反应得到氧化产物；氧化剂作为正极反应物在正极得电子，发生还原反应得到还原产物。整个过程伴随着电子和离子的定向移动，还有一些宏观现象的发生。【教师】经过今天的学习，同学们对于化学电池的认识是不是有了加深？除了氢氧燃料电池，随着科学技术的发展，各种各样的新型电池应运而生，例如生物电池、新型氢氧燃料电池等。给我们生活带来便利的同时也出现在了我们的考题当中。但是万卷不离其宗！我们对这些新型电池工作原理的分析思路依然如此。下面就看看我们的水平有没有提高？2分钟时间同学们分析下面这道题。【练习】微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置，利用微生物处理有机废水获得电能，同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水，采用惰性电极，用下图装置处理有机废水(以含
CH3COO-的溶液为例)。下列说法错误的是（
）A.
负极反应为
B.
隔膜1为阳离子交换膜，隔膜2为阴离子交换膜C.
当电路中转移1mol电子时，模拟海水理论上除盐58.5gD.
电池工作一段时间后，正、负极产生气体的物质的量之比为2:1【教师】这道题是2020年山东高考第10题，恭喜选对的同学已经达到了高考水平，其他同学要继续加油哦！【结语】同学们，今天我们分析了载人航天器中的氢氧燃料电池，但由于航天运输成本极高，航天器所携带的氢气和氧气是有限的，氢氧燃料电池要想长时间使用需要和太阳能电解水装置配合使用，但是该技术仍在研究之中。由我国自行研制、具有自主知识产权的“神舟”系列飞船所使用的的太阳能电池阵-镍镉蓄电池组、银锌蓄电池组、砷化镓太阳电池已经达到或优于国际第三代载人飞船技术。关于航天梦，我们的航天人曾如是说：“地球是人类的摇篮，但你不能永远活在摇篮中。我们曾错过海洋，但我们不能再错过宇宙。将来我们还会走得更远，我们不是为了鲜花和掌声，我们的目标是星辰大海！”对于同学们来说也是如此，希望同学们在今后的学习中既要学会仰望星空，更要做到脚踏实地！
总结分析化学电池的一般思路。整理并完成学案课堂练习题。对题目进行整理，归纳总结方法。认真听讲，再次感受祖国航天事业的伟大。知道化学对于科技发展至关重要，坚定学好化学的信心。
在经历调用已有电化学认识模型应用于问题解决；在应用过程中发现自身电化学模型的缺陷，对模型加以修正；调用修正后的电化学模型应用于实际问题解决整个过程后，深化学生对原电池要素模型内涵的理解，建立电化学模型要素之间的关联。对掌握的电化学认识模型进行再次应用，深化对实用化学电源的分析思路。通过介绍我国领先的航天技术以及航天人的不懈追求，激发学生的爱国热情，进一步发展学生的科学态度与社会责任。
板书设计
微项目：设计载人航天器用化学电池(共11张PPT)
B
设计载人航天器用化学电池
——化学反应中能量及物质的转化利用
山师附中化学组苏少娣
镍镉
电池
氢氧燃
料电池
膜电极组
镍氢
电池
重复单元
单位质量输出电
能较高
反应生成的水可
作为饮用水
氧气可作为备用
氧源
石墨
石墨
通入H
通入O2
NaoH
溶液
负载
氧
图2“阿波罗”飞船氢氧燃料电池部分结构示意图
探究任务1
请仔细观察并分析比较两个氢氧燃料电池有何异同?
阿波罗”飞船氢氧燃料电池部分结构示意图
探究任务2:为了提高电池的工作效率,该电池还可以做出哪些优化?
图3培根型碱性氢氧燃料电池部分结构示意图
图4质子交换膜氢氧燃料电池
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
被水润湿后可电离出氢离子,离子交换膜内为酸性环
允许氢
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
时。电导率优于或等于电解质溶液型离子导体
探究任务3:请画出质子交换膜氢氧燃料电池的工作原理示意图,并
试着标出回收生成水的装置应该加在什么位置?
原理维度
电子
得电子
装置维度
原理装置
微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置,利用微生物处理有机废水获得
能,同时可实现海水淡化。现以Na(i溶液模拟海水,采用惰性电极,用下图
装置处理有机废水(以含CH3COO的溶液为例)。下列说法错误的是()
A.负极反应为
隔膜1为阳离子交换膜,隔膜2为阴离子交换膜
路中转移1mo电子时,模拟海水理论上除盐
58.5g
D.电池工作一段时间后,正、负极产生气体的物质的量之比为2
隔膜1隔膜2
a
CH
COO
b
极
极
H
生物膜有机模拟酸性
废水海水水溶液
c10-(
