第一章微项目1设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案导学案高二上学期化学选择性必修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业要求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。学业基础——自学·思记·尝试一、化学反应中的能量变化1．化学能与热能的相互转化(1)化学反应从反应热角度分为吸热反应和放热反应。(2)化学反应中的反应热通常用热化学方程式表示。(3)盖斯定律：计算反应焓变的一种方法或途径。2．化学能与电能的相互转化(1)化学能转化为电能的装置是原电池，利用了自发的氧化还原反应将物质中的化学能以电能的形式释放出来。(2)电解池是将电能转化为化学能的装置，将电能转化为化学能储存在物质之中。二、常见的化学电池核心素养——合作·探究·分享项目活动一尝试设计载人航天器用化学电池据观察者网2020年1月20日的报道称，我国目前最大的航天器——空间站核心舱初样产品和新一代载人飞船试验船，已经先后安全运抵海南文昌航天发射场。在航天器中，电源是极其重要的组成部分，那么载人航天器上使用的化学电源是什么？其原理是什么？【活动探究】一、第一代碱性燃料电池——培根碱性氢氧燃料电池1．尝试画出“阿波罗”11号登月飞船中所使用氢氧燃料电池的内部结构示意图，指出各部分的作用并分析其工作原理。2．为了保持电池的工作效率、有效利用电极反应产物，该电池还需要解决哪些问题？3．如果你是电池的设计人员，你会提出哪些思路或方案解决以上问题？二、第二代质子交换膜燃料电池4．此电池是怎样解决电解质稀释和变质问题的？5．若在第一代和第二代的燃料电池装置上分别加装冷凝水接收装置，你认为应该加装在什么位置？[提升1](双选)如图是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量监测与控制的功能，下列有关说法正确的是()A．电子由呼气所在的铂电极流出B．H＋透过质子交换膜流向氧气所在的铂电极C．电路中流过2mol电子时，消耗11.2LO2D．该电池的负极反应为CH3CH2OH＋3H2O－12e－=2CO2↑＋12H＋状元随笔氢氧燃料电池的分类种类酸性(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，起导电作用关键能力项目活动二尝试设计载人航天器的氧气再生方案航天员每人每天大约消耗0.84kg氧气，因载人航天器携带的物品有限，因此一些常规方法都难以满足长时间飞行时航天员对持续供氧的要求。那么航天员在舱内消耗的氧气是怎样再生的呢？【活动探究】6．如何在载人航天器长时间飞行时为航天员持续提供氧气？7．在航天器中是通过萨巴蒂尔反应将CO2中的氧元素经过一系列的转化实现氧气的再生的。萨巴蒂尔反应为CO2＋4H2CH4＋2H2O(1)在反应条件下，萨巴蒂尔反应的副反应较多，其反应热难以测定，可通过如下反应进行计算。H2(g)＋12O2(g)=H2O(g)ΔH1＝－241.8kJ·mol－CH4(g)＋2O2(g)=2H2O(g)＋CO2(g)ΔH2＝－802.3kJ·mol－1(2)通过上述计算的结果，请分析如何控制反应器内的温度。(3)萨巴蒂尔反应有什么缺点？[提升2]Mn2＋催化H2O2分解：2H2O2(l)=2H2O(l)＋O2(g)ΔH1，其反应机理如图。若反应Ⅱ的焓变为ΔH2，则反应Ⅰ的焓变ΔH为(反应Ⅰ、Ⅱ的计量数均为最简整数比)()A．ΔH1－ΔH2B．ΔH1＋ΔH2C．2ΔH1－ΔH2D．ΔH1－2ΔH2状元随笔萨巴蒂尔反应的焓变的计算：①H2(g)＋12O2(g)=H2O(g)ΔH＝－241.8kJ·mol－②CH4(g)＋2O2(g)=CO2(g)＋2H2O(g)ΔH＝－802.3kJ·mol－1萨巴蒂尔反应为：CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)根据盖斯定律，由①×4－②可得：CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)ΔH＝－164.9kJ·mol－1关键能力1.探究载人航天器用化学电源与氧气再生的一般思路2．载人航天器中能量转化形式3．根据载人航天器的限定条件，物质转化最理想的方式应符合的条件：应符合绿色化学原理，原子利用率达到100%。4．盖斯定律：间接计算某些反应的反应热。解题模型：当堂评价——夯实·测控·演练1．已知：①2C(s)＋O2(g)=2CO(g)ΔH＝-②氢气燃烧的能量变化示意图：下列说法正确的是()A．1molC(s)完全燃烧放出110kJ的热量B．H2(g)＋12O2(g)=H2ΔH＝-C．C(s)＋H2O(g)=CO(g)＋H2(g)ΔH＝＋130kJ·mol－1D．欲分解2molH2O(l)，至少需要提供4×462kJ的热量2．(双选)将二氧化碳转化为燃料是目前的研究热点，《科学》杂志曾报道的一种将CO2转化为烃和醇的装置如图所示。下列说法正确的是()A．图中能量转化的方式只有1种B．装置工作时，H＋向X极移动，Y极周围溶液的pH减小C．X极上得到CH3OH的电极反应式为2CO2＋4H2O＋12e－=2CH3OH＋3O2D．若X极生成1molC2H4和1molCH3OH，电路中通过18mol电子3．(双选)断裂1mol化学键所需的能量如表，火箭燃料肼(H2N—NH2)的有关化学反应的能量变化如图所示，则下列说法错误的是()化学键N—NO=ON≡NN—H键能(kJ)154500942aA.N2(g)比O2(g)稳定B．N2H4(g)＋O2(g)=N2(g)＋2H2O(g)ΔH1＝－534kJ·mol－1C.图中的ΔH3＝－2218kJ·mol－1D．表中的a＝1944．(1)将燃煤产生的二氧化碳回收利用，可达到低碳排放的目的。如图是通过人工光合作用，以CO2和H2O为原料制备HCOOH和O2的原理示意图。电极b作________极，发生的电极反应式为________________________________________________________________________。(2)浓差电池中的电动势是由于电池中存在浓度差而产生的。某浓差电池的原理如图所示，该电池从浓缩海水中提取LiCl的同时又获得了电能。①X为________极，Y电极反应式为________________________________________________________________________________________________________________________________________________。②Y极生成1molCl2时，________molLi＋移向________(填“X”或“Y”)极。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核心素养【活动探究】1．提示：“阿波罗”11号登月飞船中所使用氢氧燃料电池是培根型碱性氢氧燃料电池，其装置结构示意图如图：多孔镍电极作为电池的电极材料，KOH是电解质溶液。H2在电极上失电子发生氧化反应，O2在电极上得电子发生还原反应，H2失去的电子沿导线定向移动，从而形成了电流。在电解质溶液中阴阳离子定向移向两电极，构成闭合回路。2．提示：在电池的使用过程中会生成水，同时空气中含有一定量的CO2，因此有两个重要问题：①电极反应生成的水会稀释电解质溶液，最终导致电池无法正常工作；②碱性电解质KOH会与CO2反应导致电解质变质。3．提示：①提高H2、O2的浓度；②及时分离出电极上的产物水；③及时更换或补充电解质溶液。4．提示：改变了电解质，使用质子交换膜作为离子导体，就不存在吸收CO2变质问题。使用流场板避免了电解质的稀释问题，流场板上带有沟槽，用以引导氢气和氧气流动，并将生成的水排出。5．提示：培根型碱性氢氧燃料电池的水是在负极一侧生成，因此冷凝水接收装置应加装在负极一侧；而第二代质子交换膜燃料电池的水在正极上生成，并通过流场板流出，故应在正极一侧加装。[提升1]解析：根据图示，通入氧气的铂电极为正极，呼气所在的铂电极为负极。电子由呼气所在的铂电极流出，A正确；阳离子移向正极，H＋透过质子交换膜流向氧气所在的铂电极，B正确；未指明标准状况下，无法计算气体体积，C错误；根据图示，该电池的负极生成醋酸，电极反应式为CH3CH2OH＋H2O－4e－=CH3COOH＋4H＋，D错误。答案：AB【活动探究】6．提示：由于载人航天中的物质和能量资源均十分有限和宝贵，因此应尽可能将航天员的代谢产物中的氧元素转化为氧气，这样可以保证氧元素的持续循环。7．提示：(1)将上述反应依次编号为①②，利用盖斯定律反应①×4—反应②可以得到萨巴蒂尔反应，因此萨巴蒂尔反应的焓变ΔH＝ΔH1×4－ΔH2＝－241.8kJ·mol－1×4－(－802.3kJ·mol－1)＝－164.9kJ·mol－1。(2)由于此反应放热，因此为了保证转化率、控制反应器内的温度，需要将过多的反应热传走，以便废热的再利用。(3)根据萨巴蒂尔反应的方程式可以看出，此反应中50%的氢元素进入甲烷气体中，没有进行再利用。[提升2]解析：由图可知反应过程为H2O2＋Mn2＋=2H＋＋MnO2(Ⅰ)、MnO2＋H2O2＋2H＋=Mn2＋＋2H2O＋O2↑(Ⅱ)，题给反应可由两个反应相加获得，有ΔH1＝ΔH＋ΔH2，ΔH＝ΔH1－ΔH2。答案：A当堂评价1．解析：1molC(s)燃烧生成CO气体时放出110kJ热量，此时不是完全燃烧，A项错误；根据氢气燃烧的能量变化示意图，可得热化学方程式②2H2(g)＋O2(g)=2H2O(g)ΔH＝2×436kJ·mol－1＋496kJ·mol－1－4×462kJ·mol－1＝－480kJ·mol－1，故H2(g)＋12O2(g)=H2O(g)ΔH＝－240kJ·mol－1，B项错误；根据盖斯定律由12×(①－②)可得目标热化学方程式：C(s)＋H2O(g)=CO(g)＋H2(g)ΔH＝＋130kJ·mol－1，C项正确；由图中信息可知，分解2molH2O(g)至少需要提供4×462kJ的热量，而分解2molH2O(l)需要提供的热量更多，答案：C2．解析：由图可知，存在太阳能转化为电能，电能转化为化学能的能量转化方式，故A错误；如图所示，X为阴极、Y为阳极，氢离子通过质子交换膜向阴极(X极)区移动，阳极(Y极)发生氧化反应：6H2O－12e－=12H＋＋3O2↑，所以Y极周围溶液的pH减小，故B正确；X极(阴极)上发生还原反应生成CH3OH的电极反应式为CO2＋6H＋＋6e－=CH3OH＋H2O，故C错误；2molCO2生成1molC2H4，1molCO2生成1molCH3OH，C元素化合价都是由＋4降低为－2，所以若X极生成1molC2H4和1molCH3OH，电路中通过的电子为3×[4－(－2)]mol＝18mol，故D正确。答案：BD3．解析：由表中数据可知，N≡N键的键能大于O=O键的键能，则N2(g)比O2(g)稳定，A项正确；由能量变化图示可知，反应N2H4(g)＋O2(g)=N2(g)＋2H2O(g)的ΔH1＝－534kJ·mol－1，B项正确；根据盖斯定律，反应N2H4(g)＋O2(g)=N2(g)＋2H2O(g)的ΔH1＝ΔH2＋ΔH3＝(-2752kJ·mol-1)＋ΔH3＝－534kJ·mol－1，则有ΔH3＝＋2218kJ·mol－1，C项错误；N2H4(g)＋O2(g)=2N(g)＋4H(g)＋2O(g)的ΔH3＝(4akJ·mol－1