第1章微項(xiàng)目設(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)化利用課件高二上學(xué)期化學(xué)選擇性必修1

第1章化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化設(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1.通過探究載人航天器用化學(xué)電池與氧氣再生方案，嘗試?yán)迷姵卦砑办首?、蓋斯定律等知識，分析、評價(jià)真實(shí)環(huán)境下化學(xué)反應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化與物質(zhì)轉(zhuǎn)化問題，并形成電源選擇和氧氣再生的基本思路。2.通過分析載人航天器上的電源，了解真實(shí)化學(xué)電池的工作原理與裝置結(jié)構(gòu)，并形成分析化學(xué)電池的一般思路。3.通過本項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，感受化學(xué)知識在解決實(shí)際問題中的應(yīng)用價(jià)值。1.嘗試設(shè)計(jì)載人航天器用化學(xué)電池(1)小組討論：如圖是“阿波羅”飛船中使用的氫氧燃料電池部分結(jié)構(gòu)的示意圖。請將該電池和你在本章第2節(jié)中設(shè)計(jì)的氫氧燃料電池進(jìn)行比較、說明異同，并結(jié)合資料嘗試解釋“阿波羅”飛船使用的氫氧燃料電池中各部分材料選擇的理由。二者不同之處在于“阿波羅”飛船使用的氫氧燃料電池為多孔碳載鎳電極，而我們設(shè)計(jì)的氫氧燃料電池為石墨電極；鎳對燃料電池反應(yīng)有催化作用。(2)為了保持電池的工作效率、有效地利用電極反應(yīng)產(chǎn)物，你認(rèn)為上圖所示電池還需要解決哪些問題？以電解質(zhì)溶液作為離子導(dǎo)體的氫氧燃料電池在使用時生成的水會稀釋電解質(zhì)溶液，堿性電解質(zhì)溶液還會與二氧化碳反應(yīng)，這些問題都會導(dǎo)致電池內(nèi)阻增大，從而降低電池的工作效率。(3)如果你是電池設(shè)計(jì)人員，你會提出哪些思路或方案來解決以上問題？要解決以上問題，在設(shè)計(jì)電池時，可以附設(shè)電解質(zhì)溶液循環(huán)系統(tǒng)，這樣既便于濃縮電解質(zhì)溶液或補(bǔ)充電解質(zhì)，又便于更換已污染的電解質(zhì)溶液；也可以更換離子導(dǎo)體，如使用酸性電解質(zhì)溶液作為離子導(dǎo)體，避免電解質(zhì)與二氧化碳反應(yīng)，或采用固體材料離子導(dǎo)體，避免電解質(zhì)被生成的水稀釋，同時將生成的水冷凝回收再利用。(4)下述兩種改進(jìn)后的氫氧燃料電池是如何解決電解質(zhì)溶液稀釋和變質(zhì)問題的？培根型堿性氫氧燃料電池主要通過外加循環(huán)設(shè)備的方式解決電解質(zhì)溶液稀釋和變質(zhì)的問題。由于電池工作溫度較高，生成的水主要以氣態(tài)形式存在，水蒸氣可以由氣態(tài)反應(yīng)物帶出并在出口冷凝。電解質(zhì)循環(huán)泵使燃料電池的電解質(zhì)溶液不斷濃縮、循環(huán)；如果電解質(zhì)已變質(zhì)，可以很方便地更換新溶液。質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池則通過使用質(zhì)子交換膜作為離子導(dǎo)體，從根本上解決了電解質(zhì)溶液的稀釋和變質(zhì)問題。(5)若在上述兩種電池中加裝水蒸氣冷凝裝置回收生成的水，應(yīng)該分別加裝在什么位置？培根型堿性氫氧燃料電池中水主要以水蒸氣的形式在負(fù)極生成，應(yīng)在負(fù)極一側(cè)的氣體出口設(shè)置冷凝裝置；質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池生成的水從正極一側(cè)的流場板排出，應(yīng)在正極一側(cè)的流場板氣體出口設(shè)置冷凝裝置。2.“阿波羅”飛船燃料電池的工作原理(1)“阿波羅”飛船燃料電池(離子導(dǎo)體為KOH溶液)的電極反應(yīng)為負(fù)極：2H2＋4OH－－4e－===4H2O；正極：O2＋2H2O＋4e－===4OH－。(2)“阿波羅”登月飛船一代燃料電池(離子導(dǎo)體為H2SO4溶液)的電極反應(yīng)為負(fù)極：2H2－4e－===4H＋；正極：O2＋4H＋＋4e－===2H2O。3.“神舟”飛船中鎳鎘堿性蓄電池反應(yīng)原理(1)當(dāng)飛船進(jìn)入光照區(qū)時，太陽能電池為用電設(shè)備供電，同時為鎳鎘電池充電，鎳鎘電池的電極反應(yīng)為陰極：Cd(OH)2＋2e－===Cd＋2OH－；陽極：2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiOOH＋2H2O。(2)當(dāng)飛船進(jìn)入陰影區(qū)時，由鎳鎘電池提供電能，電極反應(yīng)為負(fù)極：Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2；正極：2NiOOH＋2H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－。1.根據(jù)以下信息回答問題：Ⅱ.CH4(g)＋2O2(g)===2H2O(g)＋CO2(g)

ΔH＝－802.3kJ·mol－1②薩巴蒂爾反應(yīng)為利用薩巴蒂爾反應(yīng)再生氧氣的大體流程如圖所示：4.嘗試設(shè)計(jì)載人航天器的氧氣再生方案薩巴蒂爾反應(yīng)在300～400℃時轉(zhuǎn)化率較高，顯然控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度非常重要。要設(shè)計(jì)控制反應(yīng)器內(nèi)溫度的方案，需要知道該反應(yīng)的熱效應(yīng)。在該條件下，副反應(yīng)比較多，測定薩巴蒂爾反應(yīng)的熱效應(yīng)困難較大，我們可以通過理論計(jì)算來了解該反應(yīng)的熱效應(yīng)。(1)請計(jì)算薩巴蒂爾反應(yīng)的焓變，并考慮如何控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度？

根據(jù)蓋斯定律，將4×Ⅰ－Ⅱ得：CO2(g)＋4H2(g)===CH4(g)＋2H2O(g)

ΔH＝－164.9kJ·mol－1，則薩巴蒂爾反應(yīng)是放熱反應(yīng)(ΔH<0)。為保證轉(zhuǎn)化率、控制反應(yīng)器內(nèi)溫度，一般會將進(jìn)入反應(yīng)器的氣體提前加熱至反應(yīng)溫度。同時，反應(yīng)器配有冷卻裝置，以便及時將過多的反應(yīng)熱傳走。冷卻裝置傳走的熱量，以及從反應(yīng)器出來的氣體帶走的熱