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第1章 微項目 設計載人航天器用化學電池與氧氣再生方案——化學反應中能量及物質的轉化利用 學案(含答案) 2023-2024學年高二化學魯科版(2019)選擇性必修1

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第1章 微項目 設計載人航天器用化學電池與氧氣再生方案——化學反應中能量及物質的轉化利用 學案(含答案) 2023-2024學年高二化學魯科版(2019)選擇性必修1

資源簡介

微項目:設計載人航天器用化學電池與氧氣再生方案
——化學反應中能量及物質的轉化利用
(見學生用書P49)
1.通過探究載人航天器用化學電池與氧氣再生方案,嘗試利用原電池原理及焓變、蓋斯定律等知識,分析、評價真實環境下化學反應中的能量轉化與物質轉化問題,并形成電源選擇和氧氣再生的基本思路。
2.通過分析載人航天器上的電源,了解真實化學電池的工作原理與裝置結構,并形成分析化學電池的一般思路。
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。
1.原電池構成的條件:(1)兩個電極,(2)電解質溶液作離子導體,(3)形成閉合回路,(4)能自發進行的氧化還原反應。
2.氫氧燃料電池
(1)能量轉化:化學能轉化為電能。
(2)電極反應、電池反應
種類 酸性 堿性
負極反應 2H2-4e-4H+ 2H2+4OH--4e-4H2O
正極反應 O2+4e-+4H+2H2O O2+2H2O+4e-4OH-
電池反應 2H2+O22H2O
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
(3)解答燃料電池題目的思維模型
3.焓變:在等壓條件下,反應中物質的能量變化全部轉化為熱能時,焓變與化學反應的反應熱相等。ΔH>0,為吸熱反應;ΔH<0,為放熱反應。
4.蓋斯定律:一個化學反應無論是一步完成,還是分幾步完成,反應熱都是一樣的。
5.利用蓋斯定律計算反應熱的思維流程
項目活動1 嘗試設計載人航天器用化學電池
(1)為什么氫氧燃料電池適合作為短壽命載人航天器的電源
答案 氫氧燃料電池具有單位質量輸出電能較高、電極產物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。
(2)“阿波羅”飛船是美國第三代載人宇宙飛船系列,1966年至1972年美國共發射17艘宇宙飛船。“阿波羅”飛船中使用的氫氧燃料電池部分結構如圖1,圖2是某興趣小組設計的氫氧燃料電池。
試從原電池的構成要素方面比較其不同,并說明這樣選擇材料的理由。
答案 電極材料不同,“阿波羅”飛船中電極材料是多孔碳載鎳,與普通石墨電極相比,電極材料上留有空洞,更有利于氫氣、氧氣和溶液接觸并進行反應,鎳對燃料電池反應具有催化作用,能加快電池反應。
(3)降低電池內阻可以提高電池的工作效率,從而增大電池單位質量輸出的電能。電池內阻和離子導體的導電性等因素有關,摩爾電導率越大,溶液的導電性越好。在298 K時,無限稀釋溶液中幾種離子的無限稀釋摩爾電導率如下表:
離子種類 無限稀釋摩爾電導率/(×104 S·m2·mol-1)
H+ 349.82
OH- 198.0
S 79.8
Cl- 76.34
C 72
K+ 73.52
Na+ 50.11
根據表中數據,分析選用哪種電解質作離子導體,電池的工作效率最高。“阿波羅”飛船中使用的氫氧燃料電池為什么沒有使用該電解質
答案 H2SO4溶液;因硫酸的腐蝕性強。
(4)以電解質溶液作為離子導體的氫氧燃料電池在使用時生成的水會稀釋電解質溶液,導致電池內阻增大,降低電池工作的效率,怎樣才能保證電池的工作效率呢
答案 附設電解質溶液循環系統、采用固體材料離子導體等。
(5)對比培根型堿性氫氧燃料電池(圖3)和質子交換膜氫氧燃料電池(圖4),從解決電解質溶液稀釋和變質問題的角度找出二者設計的異同。為了更好地利用電極反應產物,若在上述兩種電池中加裝水蒸氣冷凝回收裝置,應分別加裝在什么位置
答案 培根型堿性氫氧燃料電池主要通過外加循環設備方式解決電解質稀釋和變質問題,質子交換膜氫氧燃料電池通過使用質子交換膜作為離子導體,從根本上解決了電解質溶液的稀釋和變質問題。培根型堿性氫氧燃料電池中水在負極生成,所以冷凝裝置應在負極一側的氣體出口;質子交換膜氫氧燃料電池中的水在正極生成,回收水的裝置在正極一側。
(6)“神舟”飛船是我國自行研制的,“神舟”飛船的軌道艙和推進艙使用的電源系統為太陽能電池陣——鎳鎘蓄電池組系統。鎳鎘電池通過放電和充電過程,滿足飛船在光照區和陰影區交替飛行時對能量儲存和能量供給的需求。鎳鎘電池的工作原理為Cd+2NiOOH+2H2OCd(OH)2+2Ni(OH)2。試寫出充電時陽極的電極反應。當飛船運行到陰影區時,鎳鎘蓄電池開始為飛船供電,負極反應物是什么 負極附近溶液的pH怎樣變化
答案 Ni(OH)2-e-+OH-NiOOH+H2O;Cd;減小。
1.載人航天器用氫氧燃料電池的設計:電極材料用多孔碳載鎳,電解質溶液一般選擇氫氧化鈉溶液,電極產物水可通過冷凝回收作為宇航員的飲用水。
2.為了避免電極產物水稀釋電解質溶液而降低電池工作效率,可采用培根型堿性氫氧燃料電池或質子交換膜氫氧燃料電池。
3.航天器所攜帶的氫氣和氧氣是有限的,氫氧燃料電池若應用于長壽命航天器,需要將其與太陽能電解水裝置配合使用,實現充放電循環。除氫氧燃料電池外,航天器中還經常使用的化學電池有鎳鎘電池、鎳氫電池、銀鋅電池、砷化鎵太陽能電池等。
1.一種航天器能量儲存系統原理示意圖如圖所示。下列說法正確的是(  )。
A.該系統中只存在3種形式的能量轉化
B.裝置Y中負極的電極反應為O2+2H2O+4e-4OH-
C.裝置X能實現燃料電池的燃料和氧化劑再生
D.裝置X、Y形成的子系統能實現物質的零排放,并能實現化學能與電能之間的完全轉化
答案 C
解析 A項,該系統中存在太陽能轉化為電能、電能轉化為化學能、化學能轉化為電能、電能轉化為機械能等多種能量轉化形式;B項,裝置Y為原電池,負極上H2發生氧化反應;C項,裝置X為電解池,其作用是將水轉化為燃料(氫氣)和氧化劑(氧氣),正確;D項,化學能與電能之間不可能完全轉化,還有熱能產生。
2.氫氧燃料電池與電解水裝置配合使用,可實現充放電循環,應用于長壽命航天器中,其裝置如圖。下列說法錯誤的是(  )。
A.該裝置可以實現CO2的富集
B.負載中電解水,d極可生成O2
C.a極的電極反應為H2+2e-+CH2O+CO2↑
D.負載中電解水時可加入Na2SO4以增強溶液導電性
答案 C
解析 該裝置中通入b極的空氣中的氧氣得電子發生還原反應,同時二氧化碳被吸收,a極氫氣失去電子,同時碳酸根離子參與反應生成二氧化碳,故可以實現CO2的富集,A項正確;負載中電解水,c與電源負極相連為陰極,d極為陽極,則d極上氫氧根離子失去電子被氧化可生成O2,B項正確;a極氫氣失去電子被氧化,電極反應為H2-2e-+CH2O+CO2↑,C項錯誤;負載中電解水時加入Na2SO4,離子濃度增大且鈉離子和硫酸根離子均不放電,故可以增強溶液導電性,D項正確。
項目活動2 嘗試設計載人航天器的氧氣再生方案
(1)過氧化鈉是一種常用的供氧劑,與二氧化碳反應能生成氧氣,試根據下列熱化學方程式,計算該反應的焓變。
2Na(s)+O2(g)Na2O2(s)  ΔH=-510.9 kJ·mol-1
C(s,石墨)+O2(g)CO2(g)  ΔH=-393.5 kJ·mol-1
2Na(s)+C(s,石墨)+O2(g)Na2CO3(s)  ΔH=-1130.7 kJ·mol-1
答案 2Na2O2(s)+2CO2(g)2Na2CO3(s)+O2(g)  ΔH=-452.6 kJ·mol-1
(2)利用薩巴蒂爾反應再生氧氣的大體流程如圖所示。
寫出上述反應的化學方程式。
答案 CO2+4H2CH4+2H2O;2H2O2H2↑+O2↑。
(3)薩巴蒂爾反應在300~400 ℃時轉化率較高,在該條件下,副反應較多,直接測定薩巴蒂爾反應的熱效應困難較大,試通過下列熱化學方程式,計算薩巴蒂爾反應的焓變。
H2(g)+O2(g)H2O(g)  ΔH=-241.8 kJ·mol-1
CH4(g)+2O2(g)2H2O(g)+CO2(g)  ΔH=-802.3 kJ·mol-1
答案 CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)  ΔH=-164.9 kJ·mol-1
(4)如何控制薩巴蒂爾反應器中的溫度
答案 將反應器中的氣體提前加熱至反應溫度;給反應器配一個冷卻裝置,以便將過多的反應熱傳走,將傳走的熱量繼續利用。
(5)從元素守恒的角度分析薩巴蒂爾反應的缺點。怎樣讓甲烷得到充分利用呢 提出你的設想。
答案 存在于甲烷中的氫元素沒有得到利用;將甲烷進行綜合再利用,例如,可作為燃料電池的燃料等。
1.蓋斯定律的應用價值在于可以根據已準確測定的反應焓變來求實驗難測定或根本無法測定的反應焓變,可以利用已知的反應焓變計算未知的反應焓變。
2.設計氧氣再生方案時,從能量循環利用的角度考慮,應選擇能放出能量的反應,放出的能量要合理再利用。從物質轉化的角度考慮,要盡可能地將人體代謝廢物(水、二氧化碳)中的氧元素轉化為氧氣。
3.薩巴蒂爾反應的缺陷是甲烷中的氫元素沒有得到利用。
1.為了實現空間站的零排放,循環利用人體呼出的CO2并提供O2,我國科學家設計了一種裝置(如圖),實現了“太陽能-電能-化學能”轉化,總反應為2CO22CO+O2。下列關于該裝置的說法中正確的是(  )。
A.圖中N型半導體為正極,P型半導體為負極
B.圖中的離子交換膜為陽離子交換膜
C.反應完畢,裝置中電解質溶液的堿性增強
D.人體呼出的氣體參與X電極的反應:CO2+2e-+H2OCO+2OH-
答案 D
解析 根據題圖中左邊電源內負電荷的移動方向,可知N型半導體為負極,P型半導體為正極,A項錯誤;X極為電解池的陰極,電極反應為CO2+2e-+H2OCO+2OH-,生成的OH-通過離子交換膜在Y極參加反應,所以圖中的離子交換膜為陰離子交換膜,B項錯誤,D項正確;總反應為2CO22CO+O2,所以反應前后溶液的pH并沒有變化,C項錯誤。
2.載人航天器中,利用薩巴蒂爾反應將航天員呼出的CO2轉化為H2O,再通過電解H2O獲得O2,實現O2的再生。
已知:①CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(l)  ΔH=-252.9 kJ·mol-1
②2H2O(l)2H2(g)+O2(g) ΔH=+571.6 kJ·mol-1
請回答:
(1)反應①屬于    (填“吸熱”或“放熱”)反應。
(2)反應①消耗88 g CO2(g)時,熱量變化為    kJ。
(3)反應②吸收571.6 kJ時,生成O2(g)的質量是  g。
(4)反應CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(l)的ΔH=     kJ·mol-1。
(5)已知一個航天員平均一天要消耗約0.8 kg的氧氣,請計算一個航天員在空間站30天,理論上至少需要給該系統補充    kg的水。(已知二氧化碳足量)
答案 (1)放熱
(2)505.8
(3)32
(4)-890.3
(5)13.5
解析 (5)設生成0.8 kg的氧氣需要水的質量為x,
2H2O2H2↑+O2↑
36 32
x 0.8 kg
=
x=0.9 kg,
氫氣和二氧化碳反應的化學方程式為CO2+4H22H2O+CH4,結合兩個反應的化學方程式可知,水氣整合系統電解的水有一半可以循環利用,因此理論上該水氣整合系統至少需要補充水的質量為0.9 kg×0.5×30=13.5 kg。
2

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