新教材2023版高中化學(xué)課時作業(yè)8設(shè)計載人航天器用化學(xué)電池與氧氣再生方案魯科版選擇性必修1

課時作業(yè)8設(shè)計載人航天器用化學(xué)電池與氧氣再生方案[基礎(chǔ)過關(guān)練]1．一種突破傳統(tǒng)電池設(shè)計理念的鎂—銻液態(tài)金屬儲能電池工作原理如圖所示，該電池所用液體密度不同，在重力作用下分為三層，工作時中間層熔融鹽的組成及濃度不變。該電池工作一段時間后，可由太陽能電池充電。下列說法不正確的是()A．放電時，Mg(液)層的質(zhì)量減小B．放電時正極反應(yīng)為Mg2＋＋2e－=MgC．該電池充電時，Mg-Sb(液)層發(fā)生還原反應(yīng)D．該電池充電時，Cl－向中層和下層分界面處移動2.一種將CO2和H2O轉(zhuǎn)化為燃料H2、CO及CH4的裝置如圖所示(電解質(zhì)溶液為稀硫酸)。下列關(guān)于該裝置的敘述錯誤的是()A．該裝置可將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能B．工作時，電極a周圍溶液的pH增大C．電極b上生成CH4的電極反應(yīng)式為CO2＋8H＋＋8e－=CH4＋2H2OD．若電極b上只產(chǎn)生1molCO，則通過質(zhì)子交換膜的H＋數(shù)目為2NA(設(shè)NA為阿伏加德羅常數(shù)的值)3．我國在太陽能光電催化—化學(xué)耦合分解硫化氫研究中獲得新進展，相關(guān)裝置如圖所示。下列說法正確的是()A．該制氫工藝中光能最終轉(zhuǎn)化為化學(xué)能B．該裝置工作時，H＋由b極區(qū)流向a極區(qū)C．a(chǎn)極上發(fā)生的電極反應(yīng)為Fe3＋＋e－=Fe2＋D．a(chǎn)極區(qū)需不斷補充含F(xiàn)e3＋和Fe2＋的溶液4．人工光合系統(tǒng)裝置(如圖)可實現(xiàn)以CO2和H2O合成CH4。下列有關(guān)說法不正確的是()A．該裝置中銅為正極B．電池工作時，H＋向Cu電極移動C．GaN電極的電極反應(yīng)式：2H2O－4e－=O2↑＋4H＋D．反應(yīng)CO2＋2H2O=CH4＋2O2中每消耗1molCO2轉(zhuǎn)移4mole－5．氫能源是最具應(yīng)用前景的能源之一?？衫锰柲芄夥姵仉娊馑聘呒儦?，工作原理如圖所示(電極1、電極2均為惰性電極)。下列說法錯誤的是()A．控制連接開關(guān)K1、K2，可交替得到H2、O2B．堿性電解液改為酸性電解液能達到同樣目的C．接通K1時電極3上的電極反應(yīng)為Ni(OH)2＋OH－－e－=NiOOH＋H2OD．電極3在交替連接K1或K2過程中得以循環(huán)使用6．中科院科學(xué)家設(shè)計出一套利用SO2和太陽能綜合制氫的方案，其基本工作原理如圖所示。下列說法錯誤的是()A．該電化學(xué)裝置中，Pt電極的電勢高于BiVO4電極的電勢B．該裝置中的能量轉(zhuǎn)化為光能→化學(xué)能→電能C．電子流向：BiVO4電極→外電路→Pt電極D．BiVO4電極上的電極反應(yīng)為SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))－2e－＋2OH－=SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))＋H2O7．某科學(xué)家利用二氧化鈰(CeO2)在太陽能作用下將H2O、CO2轉(zhuǎn)變?yōu)镠2、CO。其過程如下：mCeO2eq\o(→,\s\up7(太陽能),\s\do5(①))(m－x)CeO2·xCe＋xO2(m－x)CeO2·xCe＋xH2O＋xCO2eq\o(→,\s\up7(900℃),\s\do5(②))mCeO2＋xH2＋xCO下列說法不正確的是()A．該過程中沒有消耗CeO2B．該過程實現(xiàn)了太陽能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)化C．圖中ΔH1＝ΔH2＋ΔH3D．以CO和O2構(gòu)成的堿性燃料電池的負極反應(yīng)式為CO＋4OH－－2e－=COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))＋2H2O8．2018年5月美國研究人員成功實現(xiàn)在常溫常壓下用氮氣和水生產(chǎn)氨，原理如圖所示。下列說法正確的是()A．圖中能量轉(zhuǎn)化方式只有2種B．b極發(fā)生的電極反應(yīng)為N2＋6H＋＋6e－=2NH3C.H＋向a極區(qū)移動D．a(chǎn)極上每產(chǎn)生22.4LO2流過電極的電子數(shù)為2NA[能力提升練]9．如圖是一種染料敏化太陽能電池的示意圖。電池的一個電極由有機光敏染料(S)涂覆在TiO2納米晶體表面制成，另一個電極由鍍鉑導(dǎo)電玻璃構(gòu)成，電池中發(fā)生的反應(yīng)為：TiO2/Seq\o(→,\s\up7(hν))TiO2/S*(激發(fā)態(tài))TiO2/S*→TiO2/S＋＋e－Ieq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))＋2e－→3I－2TiO2/S＋＋3I－→2TiO2/S＋Ieq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))下列關(guān)于該電池的敘述錯誤的是()A．電池工作時，是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能B．電池工作時，I－在鍍鉑導(dǎo)電玻璃電極上放電C．電池中鍍鉑導(dǎo)電玻璃為正極D．電池的電解質(zhì)溶液中I－和Ieq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))的濃度不會減小10．利用光伏電池提供電能處理廢水中的污染物(有機酸陰離子用R－表示)，并回收有機酸HR，裝置如圖所示。下列說法錯誤的是()A．在光伏電池中a極為正極B．石墨(2)極附近溶液的pH降低C．c2<c1D．若兩極共收集到3mol氣體，則理論上轉(zhuǎn)移4mol電子11．截至2017年年底，中國光伏發(fā)電新增裝機容量已達到53GW，光伏發(fā)電累計裝機容量達到130.25GW。圖中Ⅰ為光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置，圖中Ⅱ為電解尿素[CO(NH2)2]的堿性溶液制氫的裝置示意圖(電解池中隔膜僅阻止氣體通過，陰、陽極均為惰性電極)，該裝置實現(xiàn)了能量與物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用。下列敘述中正確的是()A．圖中Ⅰ中N型半導(dǎo)體為正極，P型半導(dǎo)體為負極B．圖中Ⅱ中電子流向：從B極流向A極C．X2為氧氣D．工作時，A極的電極反應(yīng)式為CO(NH2)2＋8OH－－6e－=COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))＋N2↑＋6H2O12．復(fù)旦大學(xué)王永剛的研究團隊制得一種柔性水系鋅電池，該可充電電池以鋅鹽溶液作為電解液，其原理如圖所示。下列說法不正確的是()A．放電時，N極發(fā)生還原反應(yīng)B．充電時，Zn2＋向M極移動C．放電時，每生成1molPTO-Zn2＋，M極溶解Zn的質(zhì)量為260gD．充電時，N極的電極反應(yīng)為2PTO＋8e－＋4Zn2＋=PTO-Zn2＋13．氟離子電池是一種前景廣闊的新型電池，其能量密度是目前鋰電池的十倍以上且不會因為過熱而造成安全風(fēng)險。如圖是氟離子電池工作示意圖，其中充電時F－從乙電極流向甲電極，已知BiF3和MgF2均難溶于水。下列關(guān)于該電池的說法正確的是()A．放電時，甲電極的電極反應(yīng)式為Bi－3e－＋3F－=BiF3B．充電時，外加電源的負極與甲電極相連C．充電時，導(dǎo)線上每通過0.5mole－，乙電極質(zhì)量減少9.5gD．放電時，電子由乙電極經(jīng)外電路流向甲電極，再經(jīng)電解質(zhì)溶液流向乙電極14．某柔性屏手機的柔性電池以碳納米管做電極材料，以吸收ZnSO4溶液的有機高聚物做固態(tài)電解質(zhì)，其電池結(jié)構(gòu)如圖所示。電池總反應(yīng)為MnO2＋eq\f(1,2)Zn＋eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1＋\f(x,6)))H2O＋eq\f(1,6)ZnSO4eq\o(,\s\up7(放電),\s\do5(充電))MnOOH＋eq\f(1,6)ZnSO4[Zn(OH)2]3·xH2O。下列說法中正確的是()A．放電時，Zn2＋移向Zn膜B．充電時，含有Zn膜的碳納米管纖維一端連接有機高聚物電源正極C．放電時，電子由鋅膜表面經(jīng)有機高聚物至MnO2膜表面D．放電時，電池的正極反應(yīng)為MnO2＋e－＋H2O=MnOOH＋OH－課時作業(yè)8設(shè)計載人航天器用化學(xué)電池與氧氣再生方案1．解析：放電時，負極Mg失電子生成鎂離子，所以Mg(液)層的質(zhì)量減小，故A正確；放電時，正極鎂離子得電子生成Mg，正極反應(yīng)為Mg2＋＋2e－=Mg，故B正確；該電池充電時，Mg－Sb(液)層為陽極，陽極發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，故C錯誤；該電池充電時，陰離子向陽極移動，即Cl－向中層和下層分界面處移動，故D正確。答案：C2．解析：該裝置含有外加電源，屬于電解池，電解質(zhì)溶液為稀硫酸，根據(jù)題圖可知，電極a為陽極，電極反應(yīng)式為2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，電極b為陰極，陰極上生成CH4的電極反應(yīng)式為CO2＋8e－＋8H＋=CH4＋2H2O。該裝置為電解池，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，故A正確；工作時，電極a的電極反應(yīng)式為2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，c(H＋)增大，pH減小，故B錯誤；根據(jù)上述分析可知，電極b上生成CH4的電極反應(yīng)式為CO2＋8e－＋8H＋=CH4＋2H2O，故C正確；若電極b只產(chǎn)生CO，電極反應(yīng)式為CO2＋2e－＋2H＋=CO＋H2O，產(chǎn)生1molCO，消耗2molH＋，即通過質(zhì)子交換膜的H＋的物質(zhì)的量為2mol，數(shù)目為2NA，故D正確。答案：B3．解析：由圖可知，該制氫工藝中光能最終轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，故A正確；該裝置工作時，H＋由a極區(qū)流向b極區(qū)，故B錯誤；a極上Fe2＋失電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，a極上發(fā)生的電極反應(yīng)為Fe2＋－e－=Fe3＋，故C錯誤；由題圖可知，a極區(qū)不需補充含F(xiàn)e3＋和Fe2＋的溶液，故D錯誤。答案：A4．解析：根據(jù)電子流向知，GaN是負極、Cu是正極，負極反應(yīng)式為2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，正極反應(yīng)式為CO2＋8e－＋8H＋=CH4＋2H2O，在原電池中，陽離子向正極移動，據(jù)此分析解答。銅為正極，故A正確；電池工作時，H＋向Cu電極移動，故B正確；GaN是負極，負極反應(yīng)式為2H2O－4e－=4H＋＋O2↑，故C正確；反應(yīng)CO2＋2H2O=CH4＋2O2中每消耗1molCO2轉(zhuǎn)移8mole－，故D錯誤。答案：D5．解析：連接開關(guān)K1時，電極1為陰極，電極反應(yīng)為2H2O＋2e－=2OH－＋H2↑，連接開關(guān)K2時，電極2為陽極，電極反應(yīng)為4OH－－4e－=O2↑＋2H2O，所以通過控制開關(guān)連接K1、K2，可交替得到H2、O2，故A正確。如果堿性電解液改為酸性電解液，電極3上的物質(zhì)Ni(OH)2和NiOOH均能與酸反應(yīng)，故B錯誤。連接K1，電極3為陽極，電極反應(yīng)為Ni(OH)2－e－＋OH－=NiOOH＋H2O，連接K2，電極3為陰極，電極反應(yīng)為NiOOH＋H2O＋e－=Ni(OH)2＋OH－，電極3在交替連接K1或K2過程中得以循環(huán)使用，故C、D正確。答案：B6．解析：Pt電極為正極，BiVO4電極為負極，所以Pt電極的電勢高于BiVO4電極的電勢，故A正確；該裝置中光能沒有轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，故B錯誤；電子從BiVO4電極(負極)經(jīng)導(dǎo)線流向Pt電極(正極)，故C正確；BiVO4電極為負極，發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)為SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))－2e－＋2OH－=SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))＋H2O，故D正確。答案：B7．解析：根據(jù)題目給出的反應(yīng)，可得總反應(yīng)為H2O＋CO2eq\o(=,\s\up7(一定條件))H2＋CO＋O2，沒有消耗CeO2，故A正確；該過程在太陽能作用下將H2O、CO2轉(zhuǎn)變?yōu)镠2、CO、O2，實現(xiàn)了太陽能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，故B正確；根據(jù)蓋斯定律，可得－ΔH1＝ΔH2＋ΔH3，故C錯誤；CO在負極上失電子生成CO2，在堿性條件下CO2與OH－反應(yīng)生成COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))，故負極反應(yīng)式為CO＋4OH－－2e－=COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))＋2H2O，故D正確。答案：C8．解析：圖中能量轉(zhuǎn)化方式有風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能、太陽能轉(zhuǎn)化為電能、化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能等，所以能量轉(zhuǎn)化方式不止2種，故A錯誤；b極為原電池的正極，正極上氮氣轉(zhuǎn)化為氨氣，b極發(fā)生的電極反應(yīng)為N2＋6H＋＋6e－=2NH3，故B正確；b極為原電池的正極，所以H＋向b極區(qū)移動，故C錯誤；a極為負極，電極反應(yīng)為2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，每產(chǎn)生標準狀況下22.4LO2，流過電極的電子數(shù)為4NA，但題干未指明氣體所處狀況，故D錯誤。答案：B9．解析：根據(jù)示意圖可知該裝置將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，A項正確；在外電路中電子由負極流向正極，則鍍鉑導(dǎo)電玻璃電極作正極，正極反應(yīng)式為Ieq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))＋2e－=3I－，B項錯誤，C項正確；該電池的電解質(zhì)溶液中I－和Ieq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))的濃度不會減小，D項正確。答案：B10．解析：根據(jù)電子移動的方向，可知在光伏電池中a極為正極，b極為負極，故A正確；石墨(2)為電解池的陰極，陰極上H＋得電子生成氫氣，c(H＋)減小，pH升高，故B錯誤；石墨(1)為電解池的陽極，陽極上OH－失電子生成氧氣，c(H＋)增大，H＋透過陽膜進入濃縮室，石墨(2)為電解池的陰極，陰極上H＋得電子生成氫氣，R－透過陰膜進入濃縮室，使得濃縮室中HR的濃度增大，所以c2<c1，故C正確；根據(jù)陽極的電極反應(yīng)：2H2O－4e－=4H＋＋O2↑，陰極的電極反應(yīng)：4H＋＋4e－=2H2↑，可知若兩極共收集到3mol氣體，則理論上轉(zhuǎn)移4mol電子，故D正確。答案：B11．解析：電解池反應(yīng)時，氮元素化合價由－3價變?yōu)?價，則生成氮氣的電極A是陽極，電極B是陰極，所以I中N型半導(dǎo)體為負極，P型半導(dǎo)體為正極，故A錯誤；電解時，電子的流向：陽極(A極)→電源正極，電源負極→陰極(B極)，故B錯誤；陰極上水得電子生成氫氣和氫氧根離子，電極反應(yīng)式為2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－，故C錯誤；A極為陽極，電極反應(yīng)式為CO(NH2)2＋8OH－－6e－=COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))＋N2↑＋6H2O，故D正確。答案：D12．解析：放電時，金屬Zn發(fā)生失電子的氧化