第1章微项目设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案（自主学案）-2021-2022学年高二化学学习高效学与练（2019选择性必修1）原卷版

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【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。项目活动一尝试设计载人航天器用化学电池【项目任务】为载人航天器设计化学电源。【限定条件】尽量提高化学电源单位质量所提供的能量(质量尽量小，续航尽量长)。需要选择合适的电池反应和优化电池装置结构。【思考讨论】1．原电池的必要结构有哪些？这些结构具有怎样的性质或作用？2．氢氧燃料电池被称为最适合载人航天器的化学电源，你认为原因是什么？3．下图是“阿波罗”飞船中使用的氢氧燃料电池部分结构的示意图。(1)请将该电池和你在本章第2节中设计的氢氧燃料电池进行比较、说明异同，并结合资料尝试解释“阿波罗”飞船使用的氢氧燃料电池中各部分材料及选择的理由。(2)为了保持电池的工作效率、有效地利用电极反应产物，你认为上图所示电池还需要解决哪些问题？(3)如果你是电池设计人员，你会提出哪些思路或方案来解决以上问题？4．培根型碱性氢氧燃料电池和质子交换膜氢氧燃料电池。(1)从解决电解质溶液和变质问题的角度找出二者所做设计的异同，评价解决问题的思路。(2)若在上述两种电池中加装水蒸气冷凝装置回收生成的水，应该加装在什么位置？ 归纳总结】设计载人航天器中的化学电源思路选择反应→设计结构→优化结构(电极材料、离子导体、电解质稀释和变质)项目活动二尝试设计载人航天器的氧气再生方案【项目任务】设计载人航天器内的氧气再生方法。【限定条件】航天器内携带物品(物质及能源)有限。利用高压储氧气、电解携带的水制备氧气等都难以满足长时间飞行时航天员对持续供氧的要求。【问题讨论】1．人呼出的气体中含有水和二氧化碳，请你思考氧气再生的方案？并对这些方案作出评价。2．根据以下信息回答问题①Ⅰ.H2(g)＋eq\f(1,2)O2(g)=H2O(g)ΔH＝－241.8kJ·mol－1Ⅱ.CH4(g)＋2O2(g)=2H2O(g)＋CO2(g)ΔH＝－802.3kJ·mol－1②萨巴蒂尔反应为CO2＋4H2eq\o(=,\s\up7(300～400℃),\s\do5(催化剂))CH4＋2H2O利用萨巴蒂尔反应再生氧气的大体流程如图所示：萨巴蒂尔反应在300～400℃时转化率较高，显然控制反应器内的温度非常重要。要设计控制反应器内温度的方案，需要知道该反应的热效应。在该条件下，副反应比较多，测定萨巴蒂尔反应的热效应困难较大，我们可以通过理论计算来了解该反应的热效应。(1)请计算萨巴蒂尔反应的焓变，并考虑如何控制反应器内的温度？(2)请分析萨巴蒂尔反应有什么缺点？【基础检测】1．(2020·济南质检)如图为以Pt为电极的氢氧燃料电池的工作原理示意图，稀H2SO4为电解质溶液。下列有关说法不正确的是()A．a极为负极，电子由a极经外电路流向b极B．a极的电极反应式：H2－2e－=2H＋C．电池工作一段时间后，装置中c(H2SO4)增大D．若将H2改为CH4，消耗等物质的量的CH4时，O2的用量增多2．(2019·河北省鸡泽县第一中学高一月考)航天飞船的能量部分来自太阳能电池，另外内部还配有高效的MCFC型燃料电池。该燃料电池可同时供应电和水蒸气，其所用燃料为氢气，电解质为熔融的碳酸钾。已知该燃料电池的总反应为2H2＋O2=2H2O，负极反应为H2＋COeq\o\al(2－,3)－2e－=CO2＋H2O，则下列推断正确的是()A．电池工作时，碳酸根离子向负极移动B．电池放电时，电子经外电路由通氧气的正极流向通氢气的负极C．正极的电极反应为4OH－－2e－=O2↑＋2H2OD．通氧气的电极为正极，发生氧化反应3．(2019·新泰市第二中学高二期中)一种新型燃料电池，它以多孔镍板为电极插入KOH溶液中，然后分别向两极上通入乙烷和氧气，其电极反应式为：C2H6＋18OH－－14e－=2COeq\o\al(2－,3)＋12H2O，7H2O＋eq\f(7,2)O2＋14e－=14OH－，有关此电池的推断正确的是()A．通氧气的电极为负极B．参加反应的氧气与C2H6的物质的量之比为7∶2C．放电一段时间后，KOH的物质的量浓度不变D．电解质溶液中COeq\o\al(2－,3)向正极移动4．(2019·拉萨月考)有一种新型燃料电池，工作时在一极通入空气，另一极通入丁烷气体；电解质是掺杂氧化钇(Y2O3)的氧化锆(ZrO2)晶体，在熔融状态下能传导O2－。现用该燃料电池和惰性电极电解Na2SO4溶液一段时间，假设电解时温度不变，下列说法不正确的是()A．在熔融电解质中，O2－由正极移向负极B．通入空气的一极是正极，电极反应式为O2＋4e－=2O2－C．电解池的阳极反应式为4OH－－4e－=2H2O＋O2↑D．电解一共生成0.9mol气体时，理论上消耗0.1mol丁烷5．利用如图所示装置可以将温室气体CO2转化为燃料气体CO，下列说法正确的是()A．该过程是将太阳能转化为化学能的过程B．电极a上发生还原反应C．该装置工作时，H＋从b极区向a极区移动D．该装置中每生成1molCO，同时生成1molO26．(2021·三明模拟)氢能源是最具应用前景的能源之一，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，工作示意图如图所示。通过控制开关连接K1和K2，可交替得到H2和O2。下列有关说法错误的是()A．制H2时，开关应连接K1，产生H2的电极反应式是2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－B．当开关连接K2时，电极3的反应式为Ni(OH)2－e－＋OH－=NiO(OH)＋H2OC．当开关连接K2时，电极2作阳极，得到O2D．电极3的作用是分别作阳极材料和阴极材料，利用NiO(OH)和Ni(OH)2的相互转化提供电子转移7．(2020·天津高三一模)高铁酸盐在能源环保领域有广泛用途。用镍(Ni)、铁作电极电解浓NaOH溶液制备高铁酸盐Na2FeO4的装置如图所示。下列推断合理的是()A．镍是阳极，电极反应式为4OH－－4e－=O2↑＋2H2OB．电解时电流的方向为负极→Ni电极→溶液→Fe电极→正极C．若隔膜为阴离子交换膜，则OH－自右向左移动D．电解时阳极区pH降低、阴极区pH升高，撤去隔膜混合后，与原溶液比较pH降低(假设电解前后体积变化忽略不计)8．[2019·四川遂宁诊断]我国科研团队在“可充室温钠－二氧化碳电池”的研究中取得突破进展，该电池放电时工作情况如图所示。下列说法错误的是()A．金属钠为电池的负极B．放电时，电解液中Na＋向碳电极移动C．充电时，碳电极发生的反应为4Na＋＋3CO2＋4e－=2Na2CO3＋CD．放电时，每转移2mol电子，消耗标准状况下的CO233.6L9．“神舟”飞船由返回舱、轨道舱、推进舱和附加段构成。轨道舱使用的电源为镍镉蓄电池，已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，其充放电按下式进行：Cd＋2NiOOH＋2H2Oeq\o(,\s\up7(放电),\s\do5(充电))Cd(OH)2＋2Ni(OH)2。有关该电池的说法正确的是()A．充电时阳极反应：Ni(OH)2－e－＋OH－=NiOOH＋H2OB．充电过程是化学能转化为电能的过程C．放电时负极附近溶液的pH减小D．放电时电解质溶液中的OH－向正极移动【素养提升】10．[2019·安徽宿州质检]太阳能光电池具有可靠稳定、寿命长、安装维护简便等优点，现已得到广泛应用。氮化镓(GaN)光电池的结构如图所示。下列说法中正确的是()A．该装置系统中只存在光能与电能之间的转化B．Cu电极上的电极反应式为CO2＋8H＋－8e－=CH4＋2H2OC．工作时，产生的O2、CH4体积比为1:1(同温同压)D．离子交换膜为质子交换膜，H＋从左池移向右池11．(2019·龙泉市第一中学高二月考)“神舟七号”成功登天标志着我国的航天事业进入了新的篇章。(1)某空间站局部能量转化系统如下图所示，其中氢氧燃料电池采用KOH溶液为电解液，燃料电池放电时的负极反应式为_______________________