設(shè)計(jì)載人航天器用化學(xué)電池與氧氣再生方案-化學(xué)反應(yīng)中能量及物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用課件魯科高中化學(xué)選擇性必修1

設(shè)計(jì)載人航天器用化學(xué)電池與氧氣再生方案——化學(xué)反應(yīng)中能量及物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用項(xiàng)目學(xué)習(xí)目標(biāo)1.通過(guò)探究載人航天器用化學(xué)電池與氧氣再生方案,嘗試?yán)渺首?、蓋斯定律和電池原理等知識(shí),分析評(píng)價(jià)真實(shí)環(huán)境下化學(xué)反應(yīng)中能量與物質(zhì)的轉(zhuǎn)化,形成電源選擇和氧氣再生的基本思路,體驗(yàn)科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)的學(xué)科核心素養(yǎng)。2.通過(guò)載人航天器的電源,了解真實(shí)化學(xué)電池的原理和裝置,形成分析化學(xué)電池的一般方法,體驗(yàn)證據(jù)推理與模型認(rèn)知的學(xué)科核心素養(yǎng)。

3.通過(guò)本項(xiàng)目的學(xué)習(xí),感受化學(xué)知識(shí)在解決實(shí)際問(wèn)題中的應(yīng)用價(jià)值,體驗(yàn)科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任的學(xué)科核心素養(yǎng)。項(xiàng)目探究過(guò)程項(xiàng)目活動(dòng)一：嘗試設(shè)計(jì)載人航天器用化學(xué)電池項(xiàng)目活動(dòng)二：嘗試設(shè)計(jì)載人航天器的氧氣再生方案選擇反應(yīng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)構(gòu)物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用能量轉(zhuǎn)化利用物質(zhì)的循環(huán)利用項(xiàng)目活動(dòng)一：嘗試設(shè)計(jì)載人航天器用化學(xué)電池1.單位質(zhì)量輸出電能較高；2.反應(yīng)生成的水可作為飲用水；3.氧氣可作為備用氧源。1.你知道航天器中經(jīng)常使用的化學(xué)電池有哪些？2.現(xiàn)階段的載人航天器中使用的是哪種電池？【問(wèn)題組】項(xiàng)目活動(dòng)一：嘗試設(shè)計(jì)載人航天器用化學(xué)電池探究任務(wù)1：請(qǐng)仔細(xì)觀察并分析比較氫氧燃料電池有何異同？【環(huán)節(jié)一】確定電池反應(yīng)并展示初步設(shè)計(jì)請(qǐng)畫(huà)出燃料電池裝置圖并寫(xiě)出電極反應(yīng)式電極材料離子導(dǎo)體項(xiàng)目活動(dòng)一：嘗試設(shè)計(jì)載人航天器用化學(xué)電池1.優(yōu)化電極材料【環(huán)節(jié)二】?jī)?yōu)化裝置，提升性能探究任務(wù)2：請(qǐng)根據(jù)資料卡片設(shè)計(jì)酸性和堿性環(huán)境的氫氧燃料電池的電極材料。燃料電池中電極材料的選擇：酸性環(huán)境

多孔碳載鉑堿性環(huán)境

多孔碳載鎳資料卡片1

鉑、鎳對(duì)燃料電池反應(yīng)有催化作用。

項(xiàng)目活動(dòng)一：嘗試設(shè)計(jì)載人航天器用化學(xué)電池2.優(yōu)化離子導(dǎo)體【環(huán)節(jié)二】?jī)?yōu)化裝置，提升性能探究任務(wù)3：請(qǐng)根據(jù)資料卡片選擇離子導(dǎo)體及工作環(huán)境并說(shuō)明理由。資料卡片2

1.摩爾電導(dǎo)率越大，溶液導(dǎo)電性越好；2.電池性能與電池內(nèi)阻有關(guān)；3.溫度升高，電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率升高。1.硫酸是最早用于燃料電池研究的離子導(dǎo)體，但硫酸溶液腐蝕性強(qiáng)，電池?zé)o法長(zhǎng)時(shí)間工作。2.最早投入使用的航天器用燃料電池是以KOH溶液為離子導(dǎo)體的燃料電池，碳載鎳為電極材料。項(xiàng)目活動(dòng)一：嘗試設(shè)計(jì)載人航天器用化學(xué)電池2.優(yōu)化離子導(dǎo)體【環(huán)節(jié)二】?jī)?yōu)化裝置，提升性能資料卡片2

探究任務(wù)4：我們?cè)O(shè)計(jì)的氫氧化鉀為離子導(dǎo)體的燃料電池，電極反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)電池的效率有什么影響？如何解決該問(wèn)題？項(xiàng)目活動(dòng)一：嘗試設(shè)計(jì)載人航天器用化學(xué)電池2.優(yōu)化離子導(dǎo)體【環(huán)節(jié)二】?jī)?yōu)化裝置，提升性能資料卡片2

一種培根型堿性氫氧燃料電池部分結(jié)構(gòu)示意圖(電池工作溫度為200℃)濃縮電解質(zhì)溶液或者補(bǔ)充電解質(zhì)或更換已污染的電解質(zhì)溶液水在負(fù)極生成，利用氫氣流將水蒸氣吹出或者利用毛細(xì)作用將水在負(fù)極蒸發(fā)。項(xiàng)目活動(dòng)一：嘗試設(shè)計(jì)載人航天器用化學(xué)電池2.優(yōu)化離子導(dǎo)體【環(huán)節(jié)二】?jī)?yōu)化裝置，提升性能資料卡片2

探究任務(wù)5：我們?cè)O(shè)計(jì)的氫氧化鉀為離子導(dǎo)體的燃料電池，該電池使用的氧氣常用空氣制備，由于制備工藝問(wèn)題會(huì)使氧氣中混有微量CO2，CO2的存在對(duì)電池有什么影響？如何解決該問(wèn)題？項(xiàng)目活動(dòng)一：嘗試設(shè)計(jì)載人航天器用化學(xué)電池【環(huán)節(jié)三】利用質(zhì)子交換膜設(shè)計(jì)化學(xué)電池資料卡片3

質(zhì)子交換膜是一種高分子材料，厚度僅有幾百微米，含有酸性基團(tuán)，被水潤(rùn)濕后可電離出氫離子，質(zhì)子交換膜內(nèi)為酸性環(huán)境，只允許氫離子通過(guò)，以質(zhì)子交換膜作為離子導(dǎo)體的氫氧燃料電池工作壽命可高達(dá)57000小時(shí)。電導(dǎo)率優(yōu)于或等于電解質(zhì)溶液型離子導(dǎo)體。探究任務(wù)6：結(jié)合本節(jié)課所學(xué)知識(shí)，利用質(zhì)子交換膜設(shè)計(jì)一個(gè)能長(zhǎng)時(shí)間工作的氫氧燃料電池。項(xiàng)目活動(dòng)一：嘗試設(shè)計(jì)載人航天器用化學(xué)電池【環(huán)節(jié)三】利用質(zhì)子交換膜設(shè)計(jì)化學(xué)電池資料卡片3

項(xiàng)目活動(dòng)一：嘗試設(shè)計(jì)載人航天器用化學(xué)電池【環(huán)節(jié)三】利用質(zhì)子交換膜設(shè)計(jì)化學(xué)電池資料卡片3

拓展視野：“神州”飛船中的電池資料卡片2

用于軌道艙和推進(jìn)艙用于返回艙項(xiàng)目活動(dòng)二：嘗試設(shè)計(jì)載人航天器的氧氣再生方案資料卡片2

探究任務(wù)7：因載人航天器攜帶的物品有限，利用高壓存儲(chǔ)氧氣等常規(guī)方法來(lái)獲得氧氣都難以滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)間飛行對(duì)持續(xù)供氧的要求。能否從人體代謝的廢物(如CO2、H2O)中獲取O2?項(xiàng)目活動(dòng)二：嘗試設(shè)計(jì)載人航天器的氧氣再生方案資料卡片2

資料卡片4

探究任務(wù)8：如何根據(jù)以上資料設(shè)計(jì)將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣的方法？項(xiàng)目活動(dòng)二：嘗試設(shè)計(jì)載人航天器的氧氣再生方案資料卡片2

資料卡片5

Sabatier反應(yīng)：4H?+CO2

CH4+2H2