微项目 设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案（教学课件）化学鲁科版2019选择性必修1

"该高中化学课件聚焦“化学反应与能量转化”，以“设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案”为核心，通过天舟五号发射任务导入，串联化学电池选择、原理分析及氧气再生反应、流程设计，辅以思考问题、资料卡片、典型范例等学习支架，构建知识脉络。\n其亮点在于真实情境驱动的项目式学习，通过设计氢氧燃料电池（如阿波罗飞船案例）、计算萨巴蒂尔反应焓变等活动，培养科学探究与实践、科学思维素养，体现化学应用价值，助力学生提升问题解决能力，为教师提供情境化教学素材。"

第一章 化学反应与能量转化 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 鲁科版2019选择性必修一 设计载人航天器的氧气再生方案 2 设计载人航天器用化学电池 1 知识导航 知识导航 明·学习目标 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。 天舟五号货运飞船发射任务取得圆满成功 引·新课导入 01 设计载人航天器用化学电池 探·知识奥秘 项目活动1 选择合适的化学反应 [思考]　 1. 载人航天器中经常使用的化学电池有哪些？ 2.哪种更适合做短寿命载人航天器的电源? 航天器中经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、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,因此更适合做短寿命载人航天器的电源 探·知识奥秘 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如图所示。 [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。 探·知识奥秘 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如图所示。 [思考]　 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？ 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。 探·知识奥秘 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如图所示。 [思考]　 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？ 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。 探·知识奥秘 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如图所示。 [思考]　 4．如果你是电池设计员，根据资料卡片针对(2)、(3)问出现的问题，你会提出哪些思路或方案来解决？ 资料卡片 1.摩尔电导率越大，溶液导电性越好； 2.电池性能与电池内阻有关； 3.温度升高，电解质溶液电导率升高。 1.硫酸是最早用于燃料电池研究的离子导体，但硫酸溶液腐蚀性强，电池无法长时间工作。 2.最早投入使用的航天器用燃料电池是以KOH溶液为离子导体的燃料电池，碳载镍为电极材料。 探·知识奥秘 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如图所示。 [思考]　 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？ 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·知识奥秘 项目活动1 尝试设计载人航天器用化学电池 [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 ℃) [思考]1．培根型碱性燃料电池中“循环泵”的作用 是什么？ 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。 探·知识奥秘 项目活动1 尝试设计载人航天器用化学电池 [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]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？ 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。 探·知识奥秘 项目活动1 尝试设计载人航天器用化学电池 [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]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。 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·知识奥秘 [拓展视野]“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－ 项目活动1 尝试设计载人航天器用化学电池 1.一种航天器能量储存系统原理示意图如图所示。下列说法正确的是(　　)。 析·典型范例 A.该系统中只存在3种形式的能量转化 B.装置Y中负极的电极反应为O2+2H2O+4e- 4OH- C.装置X能实现燃料电池的燃料和氧化剂再生 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之间的完全转化 = C 02 设计载人航天器的氧气再生方案 探·知识奥秘 项目活动2 尝试设计载人航天器的氧气再生方案 航天员航天员每人每天大约需要消耗0.84kg氧气。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都难以满足长时间飞行时航天员对持续供氧的要求。 思考1：研究载人航天器氧气再生方法的原因是什么？ 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。 思考2：如何从人体代谢的废物(如CO2、H2O)中获取O2? 2H2O＋2Na2O2 = 4NaOH＋O2↑ 2CO2＋2Na2O2 = 2Na2CO3＋O2 2H2O 2H2↑＋O2↑ 阅读课本第40页资料卡片部分，回答问题，并分析萨巴蒂尔反应的流程和缺点。 探·知识奥秘 项目活动2 尝试设计载人航天器的氧气再生方案 思考3：萨巴蒂尔反应是放热反应还是吸热反应？意义？应如何控制反应器内的温度？ 1.计算萨巴蒂尔反应的焓变 H2(g)+½O2(g)=H2O(g) ∆H=-241.8kJ∙moL-1 CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+H2O(g) ∆H=-802.3kJ∙moL-1 Na(s)+½O2(g)=Na2O2(s) ∆H=-510.9kJ∙moL-1 C(s,石墨）+O2(g)=CO2(g) ∆H=-393.5kJ∙moL-1 萨巴蒂尔（Sabatier)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) ∆H=--164.9kJ∙moL-1 300~400℃ 催化剂 300~400℃ 催化剂 探·知识奥秘 项目活动2 2.利用萨巴蒂尔反应再生氧气的大体流程 3.项目成果展示 (1)探究载人航天器的化学电源和氧气再生办法。 尝试设计载人航天器的氧气再生方案 人 CO2 O2 富集装置 萨巴蒂尔反应器 H2O 电解水装置 CH4 H2 能量转化利用物质转化利用 电源配置 氧气再生 限定条件 思考角度 相关知识 电能产生与储存电极产物利用 化学反应热利用元素循环利用 化学电池装置与原理 化学反应焓变 携带物质有限 Cd+2NiOOH+2H2O Cd(OH)2+2Ni(OH)2 探·知识奥秘 “神舟”飞船中的电池 用于轨道舱和推进舱 用于返回舱 镍镉蓄电池组 砷化镓太阳电池 银锌蓄电池 1.镉镍可充电电池的充、放电反应原理如下:Cd+2NiOOH+2H2O Cd(OH)2+2Ni(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Cd+2OH--2e- === Cd(OH)2 析·典型范例 B 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 析·典型范例 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 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 理·核心要点 设计载人航天器用化学电池与氧气再生方案 设计载人航天器用化学电池 设计载人航天器的氧气再生方案 质子交换膜氢氧燃料电池 碱性氢氧燃料电池 1.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 (　　) 　 B 练·技能实战 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 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,其装置如图。下列说法错误的是(　　) C 练·技能实战 A.该装置可以实现CO2的富集 B.负载中电解水,d极可生成O2 C.a极的电极反应为H2+2e-+CO32-=H2O+CO2↑ D.负载中电解水时可加入Na2SO4以增强溶液导电性 感谢 您的聆听 THANKS 鲁科版2019选择性必修一 Lavf59.34.101 $$