資源簡介

(共24張PPT)
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
第1章　化學反應與能量轉化
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。
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。
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。
【必備知識】
1．載人航天器中的化學電池的特點：安全、可靠，并且需要單位質量輸出的電能較高。
2．載人航天器中常用化學電池的種類：鎳鎘電池、鎳氫電池、氫氧燃料電池等。
3．氫氧燃料電池的優勢
(1)具有單位質量輸出的電能較高。
(2)反應生成的水可作飲用水。
(3)氧氣可作備用氧源供給呼吸等。
[探究任務1]　載人飛船氫氧燃料電池使用存在的問題及解決思路。
“阿波羅”飛船的主電源是以KOH溶液為離子導體的堿性氫氧燃料電池。
嘗試設計載人航天器用化學電池
【思考】
1．根據所學電化學知識畫出該電池的工作原理示意圖。
提示：
2.氫氧燃料電池的反應產物對該電池的工作效率有什么影響？
提示：根據電池反應：2H2＋O2===2H2O，可知電解質溶液濃度降低，會使該電池的工作效率也降低。
3．該電池使用的氧氣常用空氣制備，由于制備工藝問題會使氧氣中混有微量CO2，CO2的存在對電池有什么影響？
提示：CO2能與KOH溶液反應，使電解質變質，從而影響電池的工作效率。
4．如果你是電池設計員，針對2、3問出現的問題，你會提出哪些思路或方案來解決？
提示：要解決以上問題，在設計電池時，可以附設電解質溶液循環系統，這樣既便于濃縮電解質溶液或補充電解質，又便于更換已污染的電解質溶液；也可以更換離子導體，如使用酸性電解質溶液作為離子導體，避免電解質與二氧化碳反應；或采用固體材料離子導體，避免電解質被生成的水稀釋，同時將生成的水冷凝回收再利用；等等。
[探究任務2]　對培根型堿性氫氧燃料電池和質子交換膜氫氧燃料電池解決電池使用中存在的問題的認知。
【思考】
1．培根型堿性燃料電池中“循環泵”的作用是什么？
提示：①分離反應產生的H2O，濃縮KOH溶液。
②電解質溶液變質時更換電解質溶液。
2．若在上述兩電池中加冷凝水接收裝置，應該加在什么位置？
提示：培根型電池應加在負極(H2)一側的氣體出口處；質子交換膜電池應加在正極(O2)一側的流場板氣體出口處。
3．試分析評價兩種電池解決電解質溶液稀釋和變質問題的方案。
提示：通過分析可知，培根型堿性氫氧燃料電池主要通過外加循環設備解決電解質溶液稀釋和變質問題，質子交換膜氫氧燃料電池則通過改變離子導體使問題從根本上得以解決。
[探究任務3]　有的神舟飛船中的太陽能電池陣－鎳鎘蓄電池組系統的工作原理。
當飛船進入光照區時，太陽能電池為用電設備供電，同時為鎳鎘電池充電，電極反應為
負極　Cd(OH)2＋2e－===Cd＋2OH－
正極　2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiOOH＋2H2O
NiOOH常稱氫氧化氧鎳或堿式氧化鎳，其中Ni為＋3價。
當飛船進入陰影區時，由鎳鎘電池提供電能，電極反應為
負極　Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2
正極　2NiOOH＋2H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－
【思考】
1．研究載人航天器氧氣再生方法的原因是什么？
嘗試設計載人航天器的氧氣再生方案
提示：因載人航天器攜帶的物品有限，利用高壓存儲氧氣、電解攜帶的水制備氧氣等常規方法來獲得氧氣都難以滿足長時間飛行對持續供氧的要求。
2．如何從人體代謝的廢物(如CO2、H2O)中獲取O2
提示：根據蓋斯定律，①×4－②得：CO2(g)＋4H2(g)===CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－164.9 kJ·mol-1，故薩巴蒂爾反應為放熱反應。為控制反應溫度，一般將進入反應器的氣體提前加熱至反應溫度。同時，反應器配有冷卻裝置，以便及時將過多的反應熱傳走。冷卻裝置傳走的熱量，以及從反應器出來的氣體帶走的熱量還可以繼續利用。
1．探究載人航天器電源配置與氧氣再生的一般思路
2．載人航天器中能量轉化形式
3．根據載人航天器的限定條件，物質轉化最理想的方式應符合的條件：應符合綠色化學原理，原子利用率達到100%。
1．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＋O2↑
C．圖中離子交換膜為陽離子交換膜
D．該裝置實現了“太陽能→化學能→電能”的轉化
√
B　[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。]
2．載人航天工程對科學研究及太空資源開發具有重要意義，其發展水平是衡量一個國家綜合國力的重要指標。
(1)氫氧燃料電池(構造示意圖如圖)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。由此判斷X極為電池的____極，OH－向___
(填“正”或“負”)極做定向移動，Y極的電極反應為___________________________。
負
負
O2＋2H2O＋
4e－===4OH－
(2)神舟飛船的電源系統共有3種，分別是太陽能電池帆板、鎘鎳蓄電池和應急電池。
①飛船在光照區運行時，太陽能電池帆板將______能轉化為____能，除供給飛船使用外，多余部分用鎘鎳蓄電池儲存起來。其工作原理為Cd＋2NiOOH＋2H2O　 　Cd(OH)2＋2Ni(OH)2，充電時，陽極的電極反應為___________________________________;
當飛船運行到地影區時，鎘鎳蓄電池開始為飛船供電，此時負極附近溶液的堿性______(填“增大”“減小”或“不變”)。
太陽
電
Ni(OH)2－e－＋OH－===NiOOH＋H2O
減小
②緊急狀況下，應急電池會自動啟動，工作原理為Zn＋Ag2O＋H2O　 2Ag＋Zn(OH)2，其負極的電極反應為________________
_____________。
Zn－2e－＋2OH－
===Zn(OH)2
[解析]　(1)根據電子流向可知，X極為電池的負極，原電池中陰離子向負極移動，則OH－向負極作定向移動，Y極是正極，氧氣得到電子，電極反應為O2＋2H2O＋4e－===4OH－。(2)①太陽能電池帆板將太陽能轉化為電能。鎘鎳蓄電池充電時相當于是電解池，陽極Ni(OH)2失去電子，其電極反應為Ni(OH)2－e－＋OH－===NiOOH＋H2O；鎘鎳蓄電池供電時相當于是原電池，Cd失去電子結合氫氧根離子生成Cd(OH)2，因此負極附近溶液的堿性減小。②應急電池放電時其負極是Zn，其電極反應為Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2。

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