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
2、出电能较高；(2)运输成本低；(3)反应生成的水可作饮用水；(4)氧气可作备用氧源供给呼吸等。项目活动1尝试设计载人航天器用化学电池探究任务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。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：2H2O2=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
3、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，既为浓缩电解质溶液或补充电解质，也为方便更换被污染的电解质溶液；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。一种培根型碱性氢氧燃料电池部分结构示意图(电池工作温度为200 )质子交换膜氢氧燃料电池部分结构示意图思考
4、1培根型碱性燃料电池中“循环泵”的作用是什么？提示：分离反应产生的H2O，浓缩KOH溶液。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“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
5、备供电，同时为镍镉电池充电，电极反应为：负极Cd(OH)22e=Cd2OH正极2Ni(OH)22OH2e=2NiOOH2H2ONiOOH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Cd2OH2e=Cd(OH)2正极2NiOOH2H2O2e=2Ni(OH)22OH项目活动2尝试设计载人航天器的氧气再生方案思考1研究载人航天器氧气再生方法的原因是什么？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：2H
6、2O2Na2O2=4NaOHO22CO22Na2O2=2Na2CO3O22H2O2H2O23萨巴蒂尔反应是放热反应还是吸热反应？应如何控制反应器内的温度？已知：H2(g)O2(g)=H2O(g)H1241.8 kJmol1；CH4(g)2O2(g)=2H2O(g)CO2(g)H2802.3 kJmol1；萨巴蒂尔反应为：利用萨巴蒂尔反应的氧气再生方法提示：根据盖斯定律，4得：CO2(g)4H2(g)=CH4(g)2H2O(g)H164.9 kJmol1，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
7、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镉镍可充电电池的充、放电反应原理如下：Cd2NiOOH2H2OCd(OH)22Ni(OH)2。下列说法错误的是()A放电时，Cd作为负极B放电时，NiOOH作为负极C电解质溶液为碱性溶液D放电时，负极反应为Cd2OH2e=Cd(OH)2B镉镍电池放电时，Cd作为负极，电极反应为Cd2OH2e=Cd(OH)2；NiOOH作为正极，电解质溶液为碱性溶液，B项错
8、误。2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BY电极的反应：4OH4e=2H2OO2C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4OH4e=2H2OO2，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。3(1)天
9、然气的主要成分为甲烷(CH4)，部分氧化的热化学方程式为CH4(g)O2(g)=CO(g)2H2(g)H35.6 kJmol1。有人认为甲烷部分氧化的机理为CH4(g)2O2(g)=CO2(g)2H2O(l)H1890.3 kJmol1CH4(g)CO2(g)=2CO(g)2H2(g)H2247.3 kJmol1CH4(g)H2O(l)=CO(g)3H2(g)H3则H3_。(2)N2H4和H2O2混合可作火箭推进剂。已知：16 g液态N2H4和足量氧气反应生成N2(g)和H2O(l)，放出310.6 kJ的热量；2H2O2(l)=O2(g)2H2O(l)H196.4 kJmol1。则反应N2H
10、4(l)O2(g)=N2(g)2H2O(l)的H_ kJmol1；N2H4和H2O2反应生成N2(g)和H2O(l)的热化学方程式为_。(3)已知：2Mo(s)3O2(g)=2MoO3(s)H1MoS2(s)2O2(g)=Mo(s)2SO2(g)H2MoS2(s)7O2(g)=2MoO3(s)4SO2(g)H3则H3_(用含H1、H2的代数式表示)，在反应中若有0.2 mol MoS2参加反应，则转移电子为_ mol。(4)研究氮氧化物与悬浮的大气中海盐粒子的相互作用时，涉及如下反应：.2NO2(g)NaCl(s)=NaNO3(s)ClNO(g)H10.2NO(g)Cl2(g)=2ClNO(g
11、)H20则反应4NO2(g)2NaCl(s)=2NaNO3(s)2NO(g)Cl2(g)的H_(用H1、H2表示)。解析(1)将题干中的反应编号为，根据盖斯定律，由2可得CH4(g)H2O(l)=CO(g)3H2(g)，则有H32(35.6 kJmol1)(890.3 kJmol1)(247.3 kJmol1)250.3 kJmol1。(2)16 g液态N2H4的物质的量为0.5 mol，与足量氧气反应生成N2(g)和H2O(l)，放出310.6 kJ的热量，据此写出热化学方程式：N2H4(l)O2(g)=N2(g)2H2O(l)H621.2 kJmol1。又已知2H2O2(l)=O2(g)2
12、H2O(l)H196.4 kJmol1，根据盖斯定律，由可得N2H4(l)2H2O2(l)=N2(g)4H2O(l)，则有H(621.2 kJmol1)(196.4 kJmol1)817.6 kJmol1。(3)分析热化学方程式，根据盖斯定律，由2可得2MoS2(s)7O2(g)=2MoO3(s)4SO2(g)，则有H3H12H2，反应中MoS2是还原剂，被氧化生成MoO3和SO2，1 mol MoS2被氧化转移14 mol电子，若有0.2 mol MoS2参加反应，则转移电子为2.8 mol。(4)分析热化学方程式和，根据盖斯定律，由2可得4NO2(g)2NaCl(s)=2NaNO3(s)2NO(g)Cl2(g)，则有H2H1H2。答案(1)250.3 kJmol1(2)621.2N2H4(l)2H2O2(l)=N2(g)4H2O(l)H817.6 kJmol1(3)H12H22.8(4)2H1H2
