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(共24张PPT)
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
第1章　化学反应与能量转化
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。
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。
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。
【必备知识】
1．载人航天器中的化学电池的特点：安全、可靠，并且需要单位质量输出的电能较高。
2．载人航天器中常用化学电池的种类：镍镉电池、镍氢电池、氢氧燃料电池等。
3．氢氧燃料电池的优势
(1)具有单位质量输出的电能较高。
(2)反应生成的水可作饮用水。
(3)氧气可作备用氧源供给呼吸等。
[探究任务1]　载人飞船氢氧燃料电池使用存在的问题及解决思路。
“阿波罗”飞船的主电源是以KOH溶液为离子导体的碱性氢氧燃料电池。
尝试设计载人航天器用化学电池
【思考】
1．根据所学电化学知识画出该电池的工作原理示意图。
提示：
2.氢氧燃料电池的反应产物对该电池的工作效率有什么影响？
提示：根据电池反应：2H2＋O2===2H2O，可知电解质溶液浓度降低，会使该电池的工作效率也降低。
3．该电池使用的氧气常用空气制备，由于制备工艺问题会使氧气中混有微量CO2，CO2的存在对电池有什么影响？
提示：CO2能与KOH溶液反应，使电解质变质，从而影响电池的工作效率。
4．如果你是电池设计员，针对2、3问出现的问题，你会提出哪些思路或方案来解决？
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；等等。
[探究任务2]　对培根型碱性氢氧燃料电池和质子交换膜氢氧燃料电池解决电池使用中存在的问题的认知。
【思考】
1．培根型碱性燃料电池中“循环泵”的作用是什么？
提示：①分离反应产生的H2O，浓缩KOH溶液。
②电解质溶液变质时更换电解质溶液。
2．若在上述两电池中加冷凝水接收装置，应该加在什么位置？
提示：培根型电池应加在负极(H2)一侧的气体出口处；质子交换膜电池应加在正极(O2)一侧的流场板气体出口处。
3．试分析评价两种电池解决电解质溶液稀释和变质问题的方案。
提示：通过分析可知，培根型碱性氢氧燃料电池主要通过外加循环设备解决电解质溶液稀释和变质问题，质子交换膜氢氧燃料电池则通过改变离子导体使问题从根本上得以解决。
[探究任务3]　有的神舟飞船中的太阳能电池阵－镍镉蓄电池组系统的工作原理。
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，电极反应为
负极　Cd(OH)2＋2e－===Cd＋2OH－
正极　2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiOOH＋2H2O
NiOOH常称氢氧化氧镍或碱式氧化镍，其中Ni为＋3价。
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－
【思考】
1．研究载人航天器氧气再生方法的原因是什么？
尝试设计载人航天器的氧气再生方案
提示：因载人航天器携带的物品有限，利用高压存储氧气、电解携带的水制备氧气等常规方法来获得氧气都难以满足长时间飞行对持续供氧的要求。
2．如何从人体代谢的废物(如CO2、H2O)中获取O2
提示：根据盖斯定律，①×4－②得：CO2(g)＋4H2(g)===CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－164.9 kJ·mol-1，故萨巴蒂尔反应为放热反应。为控制反应温度，一般将进入反应器的气体提前加热至反应温度。同时，反应器配有冷却装置，以便及时将过多的反应热传走。冷却装置传走的热量，以及从反应器出来的气体带走的热量还可以继续利用。
1．探究载人航天器电源配置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%。
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　[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．载人航天工程对科学研究及太空资源开发具有重要意义，其发展水平是衡量一个国家综合国力的重要指标。
(1)氢氧燃料电池(构造示意图如图)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。由此判断X极为电池的____极，OH－向___
(填“正”或“负”)极做定向移动，Y极的电极反应为___________________________。
负
负
O2＋2H2O＋
4e－===4OH－
(2)神舟飞船的电源系统共有3种，分别是太阳能电池帆板、镉镍蓄电池和应急电池。
①飞船在光照区运行时，太阳能电池帆板将______能转化为____能，除供给飞船使用外，多余部分用镉镍蓄电池储存起来。其工作原理为Cd＋2NiOOH＋2H2O　 　Cd(OH)2＋2Ni(OH)2，充电时，阳极的电极反应为___________________________________;
当飞船运行到地影区时，镉镍蓄电池开始为飞船供电，此时负极附近溶液的碱性______(填“增大”“减小”或“不变”)。
太阳
电
Ni(OH)2－e－＋OH－===NiOOH＋H2O
减小
②紧急状况下，应急电池会自动启动，工作原理为Zn＋Ag2O＋H2O　 2Ag＋Zn(OH)2，其负极的电极反应为________________
_____________。
Zn－2e－＋2OH－
===Zn(OH)2
[解析]　(1)根据电子流向可知，X极为电池的负极，原电池中阴离子向负极移动，则OH－向负极作定向移动，Y极是正极，氧气得到电子，电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。(2)①太阳能电池帆板将太阳能转化为电能。镉镍蓄电池充电时相当于是电解池，阳极Ni(OH)2失去电子，其电极反应为Ni(OH)2－e－＋OH－===NiOOH＋H2O；镉镍蓄电池供电时相当于是原电池，Cd失去电子结合氢氧根离子生成Cd(OH)2，因此负极附近溶液的碱性减小。②应急电池放电时其负极是Zn，其电极反应为Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2。

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