新教材2023-2024学年高中化学第1章化学反应与能量转化微项目设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案课件鲁科版选择性必修1

※微项目※设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案——化学反应中能量及物质的转化利用素养目标1.通过探究载人航天器用化学电池与氧气再生方案,尝试利用焓变、盖斯定律和电池原理等知识,分析评价真实环境下化学反应中能量与物质的转化,形成电源选择和氧气再生的基本思路,体验化学的科学探究与创新意识的学科核心素养。2.通过载人航天器的电源,了解真实化学电池的原理和装置,形成分析化学电池的一般方法,体验化学证据推理与模型认知的学科核心素养。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,体验化学学科的科学态度与社会责任的学科核心素养。基础落实•必备知识全过关重难探究•能力素养全提升目录索引

基础落实•必备知识全过关必备知识1.氢氧燃料电池分为酸性和碱性两种

种类酸性(质子膜)碱性(KOH)负极反应2H2-4e-==4H+2H2+4OH--4e-==4H2O正极反应O2+4e-+4H+==2H2OO2+2H2O+4e-==4OH-电池总反应2H2+O2==2H2O备注燃料电池的电极不参与反应,有很强的催化活性,起导电作用2.“神舟”飞船中的镍镉电池工作原理镉镍电池中Cd作为负极,NiOOH作为正极,通过放电反应释放能量,总反应:Cd+2NiOOH+2H2OCd(OH)2+2Ni(OH)2。自我检测判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。(1)理论上说,任何可燃物气体与氧气都可设计成燃料电池。(

)(2)在燃料电池中,发生氧化反应的一极一定是可燃气体。(

)(3)用Pt作为电极,用KOH溶液作为电解质溶液构成燃料电池,通入氧气的一极一定是正极。(

)(4)飞船中电池工作时,KOH溶液中的阳离子向负极移动。(

)(5)氢氧燃料电池能量比氢气直接燃烧产生的能量效率高。(

)(6)镍镉电池工作时,当电路中转移0.1mol电子时,负极增重1.7g。(

)√√√×√√重难探究•能力素养全提升探究一尝试设计载人航天器用化学电池问题探究航天器中经常使用的化学电池有哪些?哪种更适合做短寿命载人航天器的电源?提示

航天器中经常使用的化学电池有镍镉电池、镍氢电池、氢氧燃料电池等。与其他化学电池相比,氢氧燃料电池具有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、氧气可以作为备用氧源供给航天员呼吸等优点,因此更适合做短寿命载人航天器的电源。归纳拓展1.“阿波罗”飞船燃料电池的工作原理(1)“阿波罗”飞船燃料电池(离子导体为KOH溶液)负极反应为2H2+4OH--4e-==4H2O,正极反应为O2+2H2O+4e-==4OH-(2)“阿波罗”登月飞船一代燃料电池(离子导体为H2SO4溶液)负极反应为2H2-4e-==4H+,正极反应为O2+4H++4e-==2H2O2.“神舟”飞船中的化学电池的工作原理镍镉碱性蓄电池的电极反应:负极Cd+2OH--2e-==Cd(OH)2正极2NiOOH+2H2O+2e-==2Ni(OH)2+2OH-总反应式Cd+2NiOOH+2H2O2Ni(OH)2+Cd(OH)2应用体验1.(2022全国甲卷)一种水性电解液Zn

MnO2离子选择双隔膜电池如图所示[KOH溶液中,Zn2+以

存在]。电池放电时,下列叙述错误的是(

)A2.一种突破传统电池设计理念的镁锑液态金属储能电池工作原理如图所示,该电池所用液体密度不同,在重力作用下分为三层,工作时中间层熔融盐的组成及浓度不变。该电池工作一段时间后,可由太阳能电池充电。下列说法不正确的是(

)A.放电时,Mg(液)层的质量减小B.放电时正极电极反应为Mg2++2e-═MgC.该电池充电时,Mg-Sb(液)层发生还原反应D.该电池充电时,Cl-向中层和下层分界面处移动C解析

放电时,负极Mg失电子生成镁离子,则Mg(液)层的质量减小,A项正确;正极镁离子得电子得到Mg,则放电时正极电极反应为Mg2++2e-═Mg,B项正确;该电池充电时,Mg-Sb(液)层为阳极,阳极发生失电子的氧化反应,C项错误;该电池充电时,阴离子向阳极移动,即Cl-向中层和下层分界面处移动,D项正确。3.一种以NaBH4和H2O2为原料的新型电池的工作原理如图所示。下列说法错误的是(

)A.电池正极的电极反应为H2O2+2e-═2OH-B.电池放电时Na+从a极区移向b极区C.电子从电极b经外电路流向电极aD.b极室的输出液经处理后可输入a极室循环利用C4.我国科研人员借助太阳能,将光解水制H2与脱硫结合起来,既能大幅度提高光解水制H2的效率,又能脱除SO2,工作原理如图所示。下列说法不正确的是(

)A.该装置可将太阳能转化为化学能B.催化剂a表面发生还原反应,产生H2C.催化剂b附近的溶液pH增大D.吸收1molSO2,理论上能产生1molH2C解析

在光解水的过程中,存在将太阳能转化为化学能的过程,A项正确;根据示意图,a电极为得到电子的一极,发生还原反应。电解水的反应为2H2O2H2↑+O2↑,得到电子一极产生氢气,B项正确;b电极为电子流出的一极,发生氧化反应,电极反应为2H2O-4e-═O2↑+4H+,则b极附近溶液pH减小,C项错误;在b极附近,氧气、二氧化硫,以及水生成硫酸,1

mol

SO2生成H2SO4时转移2

mol电子,根据得失电子守恒,同时会产生1

mol氢气,D项正确。5.一种“全氢电池”的工作原理如图所示。下列说法不正确的是(

)A.电子流向是从吸附层M通过导线到吸附层NB.Na+从左边穿过离子交换膜向右边移动C.离子交换膜可用质子交换膜D.负极的电极反应:H2-2e-+2OH-═2H2OC解析

根据图示分析,电子流动方向是从M通过导线到N,故A项正确;原电池中,阳离子从负极移向正极,所以Na+从左边穿过离子交换膜向右边移动,故B项正确;离子交换膜可阻止左边的碱性溶液和右边的酸性溶液发生中和,不能用质子交换膜,故C项错误;原电池的负极发生氧化反应,由于负极为碱性溶液,所以负极的电极反应是H2-2e-+2OH-═2H2O,故D项正确。6.一种钌(Ru)基配合物光敏染料敏化太阳能电池的工作原理及电池中发生的主要反应如图所示。下列说法正确的是(

)A.镀铂导电玻璃的作用是传递I-B.电池工作时,光能转变为电能,X为电池的正极D7.(2023湖北武汉第十二中学期末)某锂离子电池的总反应为2Li+FeS═Fe+Li2S。某小组以该电池为电源电解处理含Ba(OH)2废水和含Ni2+、Cl-的酸性废水,并分别获得BaCl2溶液和单质镍。电解处理的工作原理如图所示[LiPF6·SO(CH3)2为锂离子电池的电解质]。设NA为阿伏加德罗常数的值。下列说法不正确的是(

)A.Y与锂离子电池的Li电极相连B.X极相连的锂离子电池电极反应为FeS+2Li++2e-═Fe+Li2SC.当电路中转移1mole-时,b池离子数增加2NAD.离子膜M为阳离子交换膜,离子膜N为阴离子交换膜C解析

由锂离子电池总反应可知,Li电极为负极;废水经过处理后得到单质镍,因此电解池c池中的电极反应为Ni2++2e-═Ni,即镍棒上发生了还原反应,因此镍棒为阴极,与锂离子电池的Li电极相连,A正确;与X电极相连的为锂离子电池的正极,Fe元素发生还原反应,即FeS+2Li++2e-═Fe+Li2S,B正确;当电路中转移1

mol

e-时,b池会进入1

mol

Cl-、0.5

mol

Ba2+,因此共增加1.5

mol离子,即b池离子数增加1.5NA,C错误;碳棒为阳极,电极反应为4OH--4e-═O2↑+2H2O;因为最后还得到了BaCl2溶液,因此a池中Ba2+经过离子膜M进入b池,c池中的Cl-经过离子膜N进入b池,最终得到BaCl2溶液,因此离子膜M为阳离子交换膜,离子膜N为阴离子交换膜,D正确。探究二尝试设计载人航天器的氧气再生方案问题探究在设计航天器中氧气的获取方案时,应注意什么?提示

载人航天器中的物质和能量资源都十分宝贵。在设计氧气的获取方案时,要尽可能地将人体代谢物中的氧元素转化为氧气,从而保证氧元素的持续循环。归纳拓展1.计算萨巴蒂尔反应的焓变

④C(s,石墨)+O2(g)==CO2(g)

ΔH=-393.5kJ·mol-1。

2.利用萨巴蒂尔反应再生氧气的大体流程

3.项目成果展示(1)探究载人航天器的化学电源和氧气再生办法。(2)书写新型电池电极反应的一般步骤。

应用体验1.为了实现空间站的零排放,循环利用人体呼出的CO2来提供O2,我国科学家设计了如图装置。反应后,电解质溶液的pH保持不变。下列说法正确的是(

)A.图中N型半导体为正极,P型半导体为负极B.Y电极的反应:4OH--4e-==2H2O+O2↑C.图中离子交换膜为阳离子交换膜D.该装置实现了“太阳能→化学能→电能”的转化B解析

根据装置图中电荷移动的方向可知,N型半导体为负极,P型半导体为正极,A项错误;Y电极连接电源的正极,作为阳极,根据电解原理,电极反应为4OH--4e-═2H2O+O2↑,B项正确;反应后,电解质溶液的pH保持不变,离子交换膜应为阴离子交换膜,C项错误;该装置实现了“太阳能→电能→化学能”的转化,D项错误。2.为循环利用人体呼出的CO2并提供氧气,我国科学家设计了一种装置(如图所示),实现“太阳能→电能→化学能”的转化,总反应为2CO2==2CO+O2,下列有关说法不正确的是(

)A.该装置属于电解池B.X极发生氧化反应,Y极发生还原反应C.人体呼出的水蒸气参与Y极反应:CO2+H2O+2e-==CO+2OH-D.X极每产生标准状况下22.4L气体,有2mol的OH-从Y极移向X极D解析

题给装置实现“太阳能—电能—化学能”的转化,将电能转化为化学能的装置为电解池,A项正确;根据题图中电子的流向“X→Y”可知,X极为阳极,失电子发生氧化反应,Y为阴极,得电子发生还原反应,B项正确;Y为阴极,根据总反应可知,阴极为CO2得电子生成CO,电极反应为CO2+H2O+2e-═

CO+2OH-,C项正确;X极为阳极,OH-放电生成氧气,电极反应为4OH--4e-═

2H2O+O2↑,生成1

mol

O2,阳极有4

mol

OH-放电,根据溶液电中性原理,X电极区阴离子减少,则会有4

mol

OH-从Y极透过阴离子交换膜移向X极,使得溶液保持电中性,D项错误。3.(2023湖北武汉第十二中学期末)如图所示装置,通电后石墨电极Ⅱ上有O2生成,Fe2O3逐渐溶解,下列判断不正确的是(

)A.a是电源的负极B.当通过质子交换膜的H+为0.2mol时,左侧电极

Ⅰ

所在区域溶液质量减轻了27gC.C