1、微項目設計載人航天器用化學電池與氧氣 再生方案第1章化學反應中能量及物質的轉化利用 內容索引0102基礎落實必備知識全過關重難探究能力素養全提升03學以致用隨堂檢測全達標素養目標1.通過探究載人航天器用化學電池與氧氣再生方案,嘗試利用焓變、蓋斯定律和電池原理等知識,分析評價真實環境下化學反應中能量與物質的轉化,形成電源選擇和氧氣再生的基本思路,體驗化學的科學探究與創新意識的學科核心素養。2.通過載人航天器的電源,了解真實化學電池的原理和裝置,形成分析化學電池的一般方法,體驗化學證據推理與模型認知的學科核心素養。3.通過本項目的學習,感受化學知識在解決實際問題中的應用價值,體驗化學學科的科學態度

2、與社會責任的學科核心素養。基礎落實必備知識全過關知識鋪墊1.請寫出堿性氫氧燃料電池的電極反應和電池反應。提示負極電極反應:2H2+4OH-4e-=4H2O,正極電極反應:O2+2H2O+4e-=4OH-,電池反應為2H2+O2=2H2O。2.實驗室如何將CO2轉化為O2?載人航天器中人員呼吸需要的O2從何而來?提示實驗室利用Na2O2與CO2反應可生成O2;通過化學反應將航天器內人體產生的CO2轉化為O2,從而為航天人員提供O2。必備知識1.氫氧燃料電池分為酸性和堿性兩種 種類酸性(質子膜)堿性(KOH)負極反應2H2-4e-=4H+2H2+4OH-4e-=4H2O正極反應O2+4e-+4H+

3、=2H2OO2+2H2O+4e-=4OH-電池總反應2H2+O2=2H2O備注燃料電池的電極不參與反應,有很強的催化活性,起導電作用2.“神舟”飛船中的鎳鎘電池工作原理鎘鎳電池中Cd作為負極,NiOOH作為正極,通過放電反應釋放能量,總反應:Cd+2NiOOH+2H2O Cd(OH)2+2Ni(OH)2。自我檢測判斷下列說法是否正確,正確的打“”,錯誤的打“”。(1)理論上說,任何可燃物氣體與氧氣都可設計成燃料電池。()(2)在燃料電池中,發生氧化反應的一極一定是可燃氣體。()(3)用Pt作為電極,用KOH溶液作為電解質溶液構成燃料電池,通入氧氣的一極一定是正極。()(4)飛船中電池工作時,K

4、OH溶液中的陽離子向負極移動。()(5)氫氧燃料電池能量比氫氣直接燃燒產生的能量效率高。()(6)鎳鎘電池工作時,當電路中轉移0.1 mol電子時,負極增重1.7 g。() 重難探究能力素養全提升探究一嘗試設計載人航天器用化學電池問題探究航天器中經常使用的化學電池有哪些?哪種更適合做短壽命載人航天器的電源?提示航天器中經常使用的化學電池有鎳鎘電池、鎳氫電池、氫氧燃料電池等。與其他化學電池相比,氫氧燃料電池具有單位質量輸出電能較高、反應生成的水可作為航天員的飲用水、氧氣可以作為備用氧源供給航天員呼吸等優點,因此更適合做短壽命載人航天器的電源。歸納拓展1.“阿波羅”飛船燃料電池的工作原理(1)“阿

5、波羅”飛船燃料電池(離子導體為KOH溶液)負極反應為2H2+4OH-4e-=4H2O,正極反應為O2+2H2O+4e-=4OH-(2)“阿波羅”登月飛船一代燃料電池(離子導體為H2SO4溶液)負極反應為2H2-4e-=4H+,正極反應為O2+4H+4e-=2H2O2.“神舟”飛船中的化學電池的工作原理鎳鎘堿性蓄電池的電極反應:負極Cd+2OH-2e-=Cd(OH)2正極2NiOOH+2H2O+2e-=2Ni(OH)2+2OH-總反應式Cd+2NiOOH+2H2O 2Ni(OH)2+Cd(OH)2應用體驗【典例1】鎘鎳可充電電池的充、放電反應原理如下:Cd+2NiOOH+2H2O Cd(OH)2

6、+2Ni(OH)2。下列說法錯誤的是()A.放電時,Cd作為負極B.放電時,NiOOH作為負極C.電解質溶液為堿性溶液D.放電時,負極反應為Cd+2OH-2e-=Cd(OH)2答案B解析鎘鎳電池放電時,Cd作為負極,電極反應為Cd+2OH-2e-=Cd(OH)2;NiOOH作為正極,電解質溶液為堿性溶液,B項錯誤。變式訓練1一種突破傳統電池設計理念的鎂銻液態金屬儲能電池工作原理如圖所示,該電池所用液體密度不同,在重力作用下分為三層,工作時中間層熔融鹽的組成及濃度不變。該電池工作一段時間后,可由太陽能電池充電。下列說法不正確的是()A.放電時,Mg(液)層的質量減小B.放電時正極電極反應為:Mg

7、2+2e-=MgC.該電池充電時,Mg-Sb(液)層發生還原反應D.該電池充電時,Cl-向中層和下層分界面處移動答案C解析放電時,負極Mg失電子生成鎂離子,則Mg(液)層的質量減小,A項正確;正極鎂離子得電子得到Mg,則放電時正極電極反應為:Mg2+2e-=Mg,B項正確;該電池充電時,Mg-Sb(液)層為陽極,陽極發生失電子的氧化反應,C項錯誤;該電池充電時,陰離子向陽極移動,即Cl-向中層和下層分界面處移動,D項正確。探究二嘗試設計載人航天器的氧氣再生方案問題探究在設計航天器中氧氣的獲取方案時,應注意什么?提示載人航天器中的物質和能量資源都十分寶貴。在設計氧氣的獲取方案時,要盡可能地將人體

8、代謝物中的氧元素轉化為氧氣,從而保證氧元素的持續循環。歸納拓展1.計算薩巴蒂爾反應的焓變 C(s,石墨)+O2(g) =CO2(g)H=-393.5 kJmol-1。 2.利用薩巴蒂爾反應再生氧氣的大體流程 3.項目成果展示(1)探究載人航天器的化學電源和氧氣再生辦法。(2)書寫新型電池電極反應的一般步驟。 應用體驗【典例2】為了實現空間站的零排放,循環利用人體呼出的CO2來提供O2,我國科學家設計了如圖裝置。反應后,電解質溶液的pH保持不變。下列說法正確的是()A.圖中N型半導體為正極,P型半導體為負極B.Y電極的反應:4OH-4e-=2H2O+O2C.圖中離子交換膜為陽離子交換膜D.該裝置

9、實現了“太陽能化學能電能”的轉化答案B解析根據裝置圖中電荷移動的方向可知,N型半導體為負極,P型半導體為正極,A項錯誤;Y電極連接電源的正極,作為陽極,根據電解原理,電極反應為4OH-4e-=2H2O+O2,B項正確;反應后,電解質溶液的pH保持不變,離子交換膜應為陰離子交換膜,C項錯誤;該裝置實現了“太陽能電能化學能”的轉化,D項錯誤。變式訓練2為循環利用人體呼出的CO2并提供氧氣,我國科學家設計了一種裝置(如圖所示),實現“太陽能電能化學能”的轉化,總反應為2CO2=2CO+O2,下列有關說法不正確的是()A.該裝置屬于電解池B.X極發生氧化反應,Y極發生還原反應C.人體呼出的水蒸氣參與Y

10、極反應:CO2+H2O+2e-=CO+2OH-D.X極每產生標準狀況下22.4 L氣體,有2 mol的OH-從Y極移向X極答案D解析題給裝置實現“太陽能電能化學能”的轉化,將電能轉化為化學能的裝置為電解池,A項正確;根據圖中電子的流向“XY”可知,X極為陽極,失電子發生氧化反應,Y為陰極,得電子發生還原反應,B項正確;Y為陰極,根據總反應可知,陰極為CO2得電子生成CO,電極反應為CO2+H2O+2e-=CO+2OH-,C項正確;X極為陽極,OH-放電生成氧氣,電極反應為4OH-4e-=2H2O+O2,生成1 mol O2,陽極有4 mol OH-放電,根據溶液電中性原理,X電極區陰離子減少,

11、則會有4 mol OH-從Y極透過陰離子交換膜移向X極,使得溶液保持電中性,D項錯誤。學以致用隨堂檢測全達標隨堂檢測1.一種以NaBH4和H2O2為原料的新型電池的工作原理如圖所示。下列說法錯誤的是() A.電池正極的電極反應為H2O2+2e-=2OH-B.電池放電時Na+從a極區移向b極區C.電子從電極b經外電路流向電極aD.b極室的輸出液經處理后可輸入a極室循環利用答案 C 解析 根據電池工作原理示意圖可知,電極a上發生氧化反應:B -8e-+8OH-=B +6H2O,為電池的負極,電極b上發生還原反應:H2O2+2e-=2OH-,為電池的正極,A項正確;電池放電時,陽離子由負極區移向正極

12、區,B項正確;電子由負極經外電路流向正極,C項錯誤;b極室的輸出液中含有大量OH-,經處理可輸入a極室中循環利用,D項正確。2.一種熔融碳酸鹽燃料電池原理示意如圖。有關該電池的說法正確的是() A.反應CH4+H2O 3H2+CO,每消耗1 mol CH4轉移12 mol電子B.電極B上發生的電極反應:O2+2CO2+4e-=2CC.電池工作時,C 向電極B移動D.電極A上H2參與的電極反應:H2+2OH-2e-=2H2O答案B 3.我國科研人員借助太陽能,將光解水制H2與脫硫結合起來,既能大幅度提高光解水制H2的效率,又能脫除SO2,工作原理如圖所示。下列說法不正確的是()A.該裝置可將太陽

13、能轉化為化學能B.催化劑a表面發生還原反應,產生H2C.催化劑b附近的溶液pH增大D.吸收1 mol SO2,理論上能產生1 mol H2答案C 解析在光解水的過程中,存在將太陽能轉化為化學能的過程,A項正確;根據示意圖,a電極為得到電子的一極,發生還原反應。電解水的反應為2H2O 2H2+O2,得到電子一極產生氫氣,B項正確;b電極為電子流出的一極,發生氧化反應,電極反應為2H2O-4e-=O2+4H+,則b極附近溶液pH減小,C項錯誤;在b極附近,氧氣、二氧化硫,以及水生成硫酸,1 mol SO2生成H2SO4時轉移2 mol電子,根據得失電子守恒,同時會產生1 mol氫氣,D項正確。4.

14、一種“全氫電池”的工作原理如圖所示。下列說法不正確的是() A.電子流向是從吸附層M通過導線到吸附層NB.Na+從左邊穿過離子交換膜向右邊移動C.離子交換膜可用質子交換膜D.負極的電極反應:H2-2e-+2OH-=2H2O答案C解析根據圖示分析,電子流動方向是從M通過導線到N,故A項正確;原電池中,陽離子從負極移向正極,所以Na+從左邊穿過離子交換膜向右邊移動,故B項正確;離子交換膜可阻止左邊的堿性溶液和右邊的酸性溶液發生中和,不能用質子交換膜,故C項錯誤;原電池的負極發生氧化反應,由于負極為堿性溶液,所以負極的電極反應是H2-2e-+2OH-=2H2O,故D項正確。5.一種釕(Ru)基配合物

15、光敏染料敏化太陽能電池的工作原理及電池中發生的主要反應如圖所示。下列說法正確的是()A.鍍鉑導電玻璃的作用是傳遞I-B.電池工作時,光能轉變為電能,X為電池的正極C.電池的電解質溶液中I-和 的濃度均不斷減小D.電解質溶液中發生反應2Ru3+3I-=2Ru2+答案D 6.科學家們發明了一種能夠給電子設備提供動力的生物燃料電池。該電池包括兩個涂覆著酶的電極,它們處于充滿空氣和少量氫氣的玻璃槽中。由于氣體可以混合從而省去了昂貴的燃料隔離膜,其工作原理如圖所示。下列說法正確的是()A.左邊為該電池的負極B.該電池可在高溫環境下使用C.該電池負極反應為H2-2e-=2H+D.該電池正極反應為O2+4e-=2O2-答案C解析由電池示意圖可知,H2H+是H2被氧化的過程,通入H2的一極為原電池的負極,發生反應:H2-2e-=2H+;O2H2O是O2被還原的過程,通入O2的一極為原電池的正極,發生反應:O2+4H+4e-=2H2O,故A、D錯誤,C正確;該電池包括兩個涂覆著酶的電極,高溫下會使酶變性,不能在高溫下使用,B錯誤。7.KIO3也可采用“電解法”制備,裝置如圖所示。 (1)寫出電解時陰極的電