1、(教师用书独具)项目任务探究载人航天器的化学电池与氧气再生方法感受化学反应中能量与物质的转化利用【项目情境】素养解读载人航天工程对科学研究及太空资源开发具有重要意义，其水平是衡量一个国家综合国力的重要指标。航天器按飞行时间分为短寿命航天器(少于30天)和长寿命航天器。例如，美国的“阿波罗”飞船就属于短寿命航天器，而国际空间站与我国的“天宫一号”则属于长寿命航天器。在航天器中，电源是极其重要的组成部分，它好比人的“心脏”，一刻也不能停歇。在太空环境中，载人航天器是航天员赖以生存的空间，必须给航天员提供基本的生存条件，涉及氧气再生、二氧化碳清除、水处理以及食物供给等。载人航天器中的化学电池必须安全
2、、可靠，并且需要单位质量输出的电能较高。其中，短寿命航天器一般使用化学电池供电，长寿命航天器则通常用太阳能电池阵蓄电池组系统供电航天器中常使用的化学电池有镍镉电池、镍氢电池、氢氧燃料电池等。与其他化学电池相比，氢氧燃料电池具有单位质量输出电能较高、运输成本低、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等优点，因此特别适合做短寿命载人航天器的电源。氢氧燃料电池配合电解水装置可实现充放电循环，有望应用于长寿命航天器，该技术目前正在研究之中。1核心素养科学探究与创新意识：能发现和提出有探究价值的问题；能从问题和假设出发，依据探究目的，设计探究方案，运用化学实验等方法进行实验
3、探究。核心素养证据推理与模型认知：建立观点、结论和证据之间的关系。知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律核心素养科学态度与社会责任：深刻认识化学对创造更多物质财富和精神财富、满足人民日益增长的美好生活需要的重大贡献；具有节约资源、保护环境的可持续发展意识，从自身做起，形成简约适度、绿色低碳的生活方式；能对与化学有关的社会热点问题作出正确的价值判断，能参与有关化学问题的社会实践活动。2素养目标：(1)通过探究载人航天器用化学电池与氧气再生方案，尝试利用焓变、盖斯定律和电池原理等知识，分析评价真实环境下
4、化学反应中能量与物质的转化，形成电源选择和氧气再生的基本思路，体验化学的科学探究与创新意识的学科核心素养。(2)通过载人航天器的电源，了解真实化学电池的原理和装置，形成分析化学电池的一般方法，体验化学证据推理与模型认知的学科核心素养。(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，体验化学学科的科学态度与社会责任的学科核心素养。【探究过程】素养评价【探究任务一】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”11号登月飞船的主电源是以KOH溶液为离子导体的碱性氢氧燃料电池。交流讨论以下问题：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
5、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
6、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。1科学探究与创新意识水平3：能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证据推理与模型认知水平4：能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【探究任务二】“ 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。“神舟”飞船中的化学电池镍镉碱性蓄电池总反应式为：Cd2NiOOH2H2O 2Ni(OH)2Cd(OH)21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
7、反应为？提示负极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。2当飞船进入阴影区时，由镍镉电池提供电能，电极反应为？提示负极Cd2OH2e=Cd(OH)2正极2NiOOH2H2O2e=2Ni(OH)22OH【探究任务三】尝试设计载人航天器的氧气再生方案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2H2O2Na2O2=4NaO
8、HO2 2CO22Na2O2=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。3科学态度与社会责任水平3：能感受化学知识在解决实际问题中的应用价值。