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(共47张PPT)
——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
微项目　设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案
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。
学习目标
一、尝试设计载人航天器用化学电池
知能通关
1.载人航天器中化学电池的设计需要考虑:提高电池单位质量输出的电能,同时需要选择合适的电池反应和优化电池装置结构。
2.航天器中经常使用的化学电池有　　　　　　　、 　　　　　　　、氢氧燃料电池等。
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
负极:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
正极:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
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:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
正极:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
镍镉电池
镍氢电池
Cd(OH)2+2e-===Cd+2OH-
2Ni(OH)2+2OH--2e-===2NiOOH+2H2O
Cd+2OH--2e-===Cd(OH)2
2NiOOH+2H2O+2e-===2Ni(OH)2+2OH-
A
2.某种金属储氢(MH)材料与镍形成的电池原理如图,电解质溶液为氢氧化钾溶
A.a为H2O,c为NiOOH
B.该图为电池放电原理示意图
C.电池充电时,金属储氢(MH)材料
释放出氢
D.放电时,正极上的电极反应式为
NiOOH+H2O+e-===Ni(OH)2+OH-
D
3.(2022·全国乙卷)Li-O2电池比能量高,在汽车、航天等领域具有良好的应用前景。近年来,科学家研究了一种光照充电Li-O2电池(如图所示)。光照时,光催化电极产生电子(e-)和空穴(h+),驱动阴极反应(Li++e-===Li)和阳极反应(Li2O2+2h+===2Li++O2)对电池进行充电。下列叙述错误的是(　　)
A.充电时,电池的总反应为Li2O2===2Li+O2
B.充电效率与光照产生的电子和空穴量有关
C.放电时,Li+从正极穿过离子交换膜向负极
迁移
D.放电时,正极发生反应:O2+2Li++2e-===Li2O2
C
解析　充电时光照光催化电极产生电子和空穴,驱动阴极反应(Li++e-===Li)和阳极反应(Li2O2+2h+===2Li++O2),则充电时总反应为Li2O2===2Li+O2,A正确;充电时,光照光催化电极产生电子和空穴,阴极反应与电子有关,阳极反应与空穴有关,故充电效率与光照产生的电子和空穴量有关,B正确;放电时,金属Li电极为负极,光催化电极为正极,Li+从负极穿过离子交换膜向正极迁移,C错误;放电时总反应为2Li+O2===Li2O2,则正极反应为O2+2Li++2e-===Li2O2,D正确。
二、尝试设计载人航天器的氧气再生方案
知能通关
利用萨巴蒂尔反应可以将二氧化碳转化为　　　　和　　　　,配合水的电解可以实现　　　　的再生,同时解决二氧化碳的清除问题。
流程:
甲烷
萨巴蒂尔反应明显的缺点是50%的　　　　　元素存在于甲烷中没有得到利用。
水
氧气
氢
1.利用电解法将CO2转化为CH4的原理如图所示。下列说法错误的是(　　)
B
2.飞船和空间站中CO2的清除和O2的再生是科学家研究的重要问题之一。回答下列问题:
(1)空间站的水气整合系统利用萨巴蒂
尔反应,将CO2转化为CH4和水蒸气,配
合O2生成系统可实现O2的再生,流程如图所示。
已知下列数据:
CO2(g)+4H2(g)===CH4(g)+2H2O(g)　ΔH=-180 kJ·mol-1
则萨巴蒂尔反应的热化学方程式为
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
化学键 H—H C—H H—O C==O
断裂化学键吸收的能量/(kJ·mol-1) 435 415 465 800
解析　(1)ΔH=反应物的总键能-反应产物的总键能,则萨巴蒂尔反应的热化学方程式为CO2(g)+4H2(g)===CH4(g)+2H2O(g)　ΔH=[(2×800+4×435)-(4×415+4×465)] kJ·mol-1=-180 kJ·mol-1。
(2)氢氧燃料电池与电解水装置配合使用,可实现充放电循环,应用于长寿命航天器中。
①CO2的富集与转化是O2再生的核心问题。
“电化学富集法”是一种适合飞行器较长时
间飞行的方法,装置如图所示。b电极为
　　　　　 (填“正”或“负”)极,a电极的电极
反应式为　　　　　　　　　　　　　　。
②负载中电解水可实现O2的再生,阳极为
　　　　　 (填“c”或“d”),电极反应式为　　　　　　　　　　　　　　。
正
d
2H2O-4e-===O2↑+4H+
三、航天器氢氧燃料电池
知能通关
1.传统氢氧燃料电池的装置图
2.装置的优点和缺点
(1)优点: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、氧气可作为备用氧源供给航天员呼吸等优点,因此适合做短寿命载人航天器的电源。
(2)缺点: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CO2反应,会导致电池的内阻增大，进而降低电池的工作效率。
3.改进措施
可以附设电解质溶液循环系统,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CO2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。
[知识链接]
(1)降低电池内阻可以提高电池的工作效率,从而增大电池单位质量输出的电能。电池内阻和离子导体的导电性等因素有关。
(2)铂、镍对燃料电池的反应具有催化作用。
(3)质子交换膜是一种固体高分子材料,厚度仅有几十至几百微米,内部含有酸性基团,在水等极性溶剂存在时能电离出H+。该膜允许H+通过而不允许OH-通过。
4.改进后的氢氧燃料电池
类型 培根型碱性氢氧燃料电池 质子交换膜氢氧燃料电池
部分结
构示意图
注意　氢氧燃料电池若应用于长寿命航天器,需要设置充放电装置,将其与太阳能电解水装置结合可解决氢气和氧气有限的问题,但该技术目前仍在研究中。
培根型碱性氢氧燃料电池 质子交换膜氢氧燃料电池
电解质溶液稀释和
变质问题的解决方法 外界循环设备 使用质子交换膜
作为离子导体
水的收集 水主要以水蒸气的形式在负极生成,在负极一侧的气体出口设置冷凝装置 生成的水从正极
一侧的流场板排出
1.培根型碱性氢氧燃料电池的总反应为2H2+O2===2H2O,电解液为KOH溶液,反应保持在较高温度,使生成的H2O蒸发。下列叙述正确的是(　　)
A.该电池工作时能发出蓝色火焰
B.通入H2的一极为正极,通入O2的一极为负极
C.该电池工作时,电子由通入H2的一极经电解质溶液到通入O2的一极
D.负极的电极反应式为H2+2OH--2e-===2H2O
D
解析　该电池装置中氢气不燃烧,只是将化学能转化为电能,所以电池工作时不会发出蓝色火焰,A项错误;负极上失电子、正极上得电子,所以通入氢气的电极为负极、通入氧气的电极为正极,B项错误;该电池工作时,电子由通入H2的一极经外电路到通入O2的一极,C项错误;碱性氢氧燃料电池中,负极的电极反应式为H2+2OH--2e-===2H2O,正极的电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-,D项正确。
2.阿波罗飞船中使用的燃料电池部分结构的示意图如下,下列说法错误的是(　　)
A.氢氧燃料电池具有单位质量输出电能高、产
物水可作为航天员的饮用水、氧气可作为备用
氧源供航天员呼吸等优点
B.H2SO4溶液导电性好,是早期研究时使用的电
解质,因H2SO4腐蚀性强逐渐被KOH溶液替代
C.使用多孔碳载镍电极,使气体与溶液能充分接
触反应
D.氢氧燃料电池连续工作时,其内部的电解质浓度和成分均不会发生变化
B
解析　A.该氢氧燃料电池,原理是氢气和氧气反应生成水,故具有单位质量输出电能高、产物水可作为航天员的饮用水,氧气可作为备用氧源供航天员呼吸等优点,A项正确;B.飞船中存在很多金属,而H2SO4腐蚀性强,故逐渐被KOH溶液替代,B项正确;C.使用多孔碳载镍电极,使气体与溶液能充分接触反应,加快反应,C项正确;D.氢氧燃料电池连续工作时产生水,其内部的电解质浓度会发生变化,D项错误。
3.碱性氢氧燃料电池用于载人航天器时,其电极反应产生的水经冷凝后可作为航天员的饮用水,其电极反应式分别为负极:2H2+4OH--4e-===4H2O,正极:O2+2H2O+4e-===4OH-。当得到1.8 L饮用水时电池内转移的电子的物质的量约为(　　)
D
四、尝试设计载人航天器的氧气再生方案
知能通关
1.设计氧气再生方案需要考虑的问题
载人航天器中的物质和能量资源都十分宝贵,设计时要保证氧元素的循环和合理利用航天器中有限的能量。
2.利用舱内废物再生氧气的方案
设计从人体代谢的废物(如H2O、CO2)中获取氧气的方案
方案1、利用反应2Na2O2+2CO2===2Na2CO3+O2再生氧气。
根据盖斯定律,由⑤×2-③×4-④×2得:2Na2O2(s)+2CO2(g)===2Na2CO3(s)+O2(g)　ΔH=ΔH5×2-ΔH3×4-ΔH4×2=-452.8 kJ·mol-1;2H2O(g)===2H2(g)+O2(g)　
ΔH=+483.6 kJ·mol-1;根据盖斯定律,由①×4-②得:CO2(g)+4H2(g)===CH4(g)+2H2O(g)　
ΔH=ΔH1×4-ΔH2=-164.9kJ·mol-1,根据以上分析可知,方案2涉及的反应为吸热反应,需要提供能量来维持化学反应的进行,而方案1、3涉及的反应为放热反应。
结论:方案3可同时解决二氧化碳的清除问题,因此成为一种重要的载人航天器中氧气再生的方法。
1.中国研究人员研制出一种新型复合光催化剂,在航天器中利用太阳光在催化剂表面实现高效分解水,实现氧气的再生。主要过程如图所示:
下列说法不正确的是(　　)
A.整个过程实现了光能向化学能
的转化
B.过程Ⅱ放出能量并生成了O―O键
D
解析　由图示可知,利用太阳光在催化剂表面实现水分解为氢气和氧气,光能转化为化学能,故A正确;过程Ⅱ中生成了O―O键,释放能量,故B正确;该过程的总反应是水分解为氢气和氧气,故C正确;由图可知,过程Ⅲ中H2O2转化为氢气和氧气,属于氧化还原反应,故D错误。
2.人工光合系统装置(如图)可实现以CO2和H2O合成CH4。下列有关说法不正确的是(　　)
A.该装置中铜为正极
B.电池工作时,H+向Cu电极移动
C.GaN电极的电极反应式:2H2O-4e-===
O2↑+4H+
D.反应CO2+2H2O===CH4+2O2中每消
耗1 mol CO2转移4 mol e-
D
解析　根据电子流向知,GaN是负极、Cu是正极,负极反应式为2H2O-4e-===O2↑+ 4H+,正极反应式为CO2+8e-+8H+===CH4+2H2O,在原电池中,阳离子向正极移动,据此分析解答。铜为正极,故A正确;电池工作时,H+向Cu电极移动,故B正确;GaN是负极,负极反应式为2H2O-4e-===4H++O2↑,故C正确;反应CO2+2H2O===CH4+2O2中每消耗1 mol CO2转移8 mol e-,故D错误。
3.请回答下列问题:
(1)“神舟七号”飞船的太空舱里,NiFe2O4可用来促进航天员呼出的CO2转化为O2,而NiFe2O4的质量和化学性质保持不变,则在这个转化过程中NiFe2O4可能起
　　　　作用。
(2)航天员出舱行走所穿航天服中的CO2可用LiOH来吸收,已知LiOH与NaOH具有相似的化学性质,则有关反应的化学方程式为
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
催化
CO2+2LiOH===Li2CO3+H2O
解析　(1)由题意可知NiFe2O4促进了反应的发生,但反应前后其质量和化学性质不变,则NiFe2O4可能起催化作用;(2)由题意可知反应物为CO2、LiOH,生成物为Li2CO3、H2O,根据质量守恒定律,可以写出LiOH与CO2反应的化学方程式: CO2+2LiOH===Li2CO3+H2O。
课堂 达标训练
1.如图是一种航天器能量储存系统原理示意图。下列说法正确的是(　　)
A.二氧化硅是太阳能电池的光电转换材料
B.装置X能实现氢气和氧气再生
C.若装置Y中电解质溶液呈碱性,则正极的
电极反应式为O2+4H++4e-===2H2O
D.装置X、Y形成的子系统能实现物质的零
排放,并能实现化学能与电能间的完全转化
B
解析　硅是太阳能电池的光电转换材料,二氧化硅是光导纤维的主要成分,故A错误;根据图示可知装置X是电解池,电解水生成氢气和氧气,所以装置X能实现氢气和氧气再生,故B正确;氢氧燃料电池中正极上氧气得电子发生还原反应,装置Y中电解质溶液为碱性,所以正极的电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-,故C错误;化学能与电能间不可能完全转化,还有部分能量转化为其他能量形式,所以装置X、Y形成的子系统能实现物质的零排放,但不能实现化学能与电能间的完全转化,故D错误。
2.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增大
C.X极上得到CH3OH的电极反应式为
2CO2+4H2O+12e-===2CH3OH+3O2
D.若X极生成1 mol C2H4和1 mol CH3OH,
电路中通过18 mol电子
D
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错误;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;2 mol CO2生成1 mol C2H4,1 mol CO2生成1 mol CH3OH,C元素化合价都是由+4价降低为-2价,所以若X极生成1 mol C2H4和1 mol CH3OH,电路中通过的电子为3×[4-(-2)] mol=18 mol,故D正确。
3.水是生命之源。请结合如图所示的空间站水、气整合循环系统,回答下列问题:
(1)“萨巴蒂尔反应器”内发生反应
的化学方程式为
　　　　　　　　　　　　　　。
(2)通过“萨巴蒂尔反应器”生成的
水可以电解,实现氧气的再生,电解
水的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 。
4.“神舟二十号”成功发射标志着我国的航天事业迈上了新的台阶。
(1)某空间站局部能量转化系统如图所示,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　　　　　　　　　　　　　　　 。
如果某段时间内氢氧储罐中共收集到33.6 L(已折算成标况)气体,则该段时间内水电解系统中转移电子的物质的量为　　　　 mol。
H2-2e-+2OH-===2H2O
2
CO2+2e-+H2O===CO+2OH-

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