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——化学反应中能量及物质的转化利用 学案（含答案） 高中化学鲁科版选择性必修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 [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。 　　　　　　　　尝试设计载人航天器用化学电池 导学 1．尝试设计载人航天器用化学电池 (1)小组讨论：如图是“阿波罗”飞船中使用的氢氧燃料电池部分结构的示意图。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选择的理由。 提示　二者不同之处在于“阿波罗”飞船使用的氢氧燃料电池为多孔碳载镍电极，而我们设计的氢氧燃料电池为石墨电极；镍对燃料电池反应有催化作用。 (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？ 提示　以电解质溶液作为离子导体的氢氧燃料电池在使用时生成的水会稀释电解质溶液，碱性电解质溶液还会与二氧化碳反应，这些问题都会导致电池内阻增大，从而降低电池的工作效率。 (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？ 提示　要解决以上问题，在设计电池时，可以附设电解质溶液循环系统，这样既便于浓缩电解质溶液或补充电解质，又便于更换已污染的电解质溶液；也可以更换离子导体，如使用酸性电解质溶液作为离子导体，避免电解质与二氧化碳反应，或采用固体材料离子导体，避免电解质被生成的水稀释，同时将生成的水冷凝回收再利用。 (4)下述两种改进后的氢氧燃料电池是如何解决电解质溶液稀释和变质问题的？ 提示　培根型碱性氢氧燃料电池主要通过外加循环设备的方式解决电解质溶液稀释和变质的问题。由于电池工作温度较高，生成的水主要以气态形式存在，水蒸气可以由气态反应物带出并在出口冷凝。电解质循环泵使燃料电池的电解质溶液不断浓缩、循环；如果电解质已变质，可以很方便地更换新溶液。质子交换膜氢氧燃料电池则通过使用质子交换膜作为离子导体，从根本上解决了电解质溶液的稀释和变质问题。 (5)若在上述两种电池中加装水蒸气冷凝装置回收生成的水，应该分别加装在什么位置？ 提示　培根型碱性氢氧燃料电池中水主要以水蒸气的形式在负极生成，应在负极一侧的气体出口设置冷凝装置；质子交换膜氢氧燃料电池生成的水从正极一侧的流场板排出，应在正极一侧的流场板气体出口设置冷凝装置。 2．“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)的电极反应为 负极：2H2＋4OH－－4e－===4H2O； 正极：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)的电极反应为 负极：2H2－4e－===4H＋； 正极：O2＋4H＋＋4e－===2H2O。 3．“神舟”飞船中镍镉碱性蓄电池反应原理 (1)当飞船进入光照区时，太阳能电池为用电设备供电，同时为镍镉电池充电，镍镉电池的电极反应为 阴极：Cd(OH)2＋2e－===Cd＋2OH－； 阳极：2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiOOH＋2H2O。 (2)当飞船进入阴影区时，由镍镉电池提供电能，电极反应为 负极：Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2； 正极：2NiOOH＋2H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－。 　　　　　　　尝试设计载人航天器的氧气再生方案 导学 1．根据以下信息回答问题： ①Ⅰ.H2(g)＋O2(g)===H2O(g)　ΔH＝－241.8 kJ·mol－1 Ⅱ.CH4(g)＋2O2(g)===2H2O(g)＋CO2(g)　ΔH＝－802.3 kJ·mol－1 ... ...