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高中化学鲁科版 (2019)选择性必修1微项目 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获奖ppt课件
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这是一份高中化学鲁科版 (2019)选择性必修1微项目 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获奖ppt课件，共21页。PPT课件主要包含了问题讨论，总结归纳，选择反应，设计结构，优化结构，速率不够满足需求，项目成果展示，富集装置，电解水装置，CH4等内容，欢迎下载使用。
项目活动一 尝试设计载人航天器用化学电池
【项目任务】 为载人航天器设计化学电源。【限定条件】 尽量提高化学电源单位质量所提供的能量(质量尽量小，续航尽量长)。
1．氢氧燃料电池被 称为最适合载人航天器的化学电源，你认为原因是什么？
(1)具有单位质量输出电能较高;(2)运输成本低;(3)反应成的水可作饮用水;(4)氧气可作备用氧源供给呼吸等。
2．构成电池的必要结构是什么？这些结构具有怎样的性质或作用？
电极反应物：得失电子物质； 电极材料：得失电子场所；离子导体：传导离子； 电子导体：传递电子。
【资料】1.铂、镍等金属对燃料电池反应具有催化活性
【探究任务一 优化电极材料】
请尝试为酸性环境和碱性环境中的电池设计电极材料。
【资料】2.现有的燃料电池中电极材料的选择:
【资料】①电池性能与电池内阻有关;②电导率越大，导电性越好;③温度升高，电解质溶液电导率升高。
【探究任务二 优化电极材料 】
【问题】依据上述信息，你会如何选择离子导体及其工作环境，原因是什么?
选择30%左右的硫酸或30%左右的KOH溶液;盐酸有挥发性，盐类电导率小，不能选择;工作温度尽量高
【资料证据】1.最早投入研究的是以硫酸溶液为离子导体的燃料电池，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，碳载镍作为电极材料。
【探究任务三 】解决电解质稀释问题
1.右图是“阿波罗”飞船中使用的氢氧燃料电池部分结构的示意图。
相同点：都是选用 KOH溶液作电池反应时的离子导体。
(1)请将该电池和你在本章第2节中设计的氢氧燃料电池进行比较、说明异同。
不同点：“阿波罗”飞船使用的氢氧燃料电池为多孔碳载镍电极，氢气和氧气是从电池外部输入的，电池反应所生成的水输送到电池外部，而我们设计的氢氧燃料电池为石墨电极，氢气和氧气是用电解水得到的。
2.我们目前设计的以氢氧化钾为离子导体的燃料电池，在工作中会出现内阻增大的问题，你认为可能的原因是什么?如何解决该问题?
电极反应生成水，使电解质离子浓度降低;思考并设计解决方法，重点关注从电池的哪一极将水排出。
【资料证据】碱性燃料电池在负极设置排水装置。方法:①利用氢气流将水蒸气吹出;②利用泵将电解液抽出，在外部浓缩;③利用毛细作用，将水在负极蒸发。
【小结】排水方式虽然不同，但是考虑在哪一极设置排水装置都是必须要考虑的问题，而解决该问题的方法关注电极反应与离子导体存在相互影响(微粒的种类和浓度)。
3、解决电解质变质问题 【资料】在实际使用中，KOH溶液的离子导体还有一些问题，主要舱内二氧化碳污染使电池寿命降低，使用寿命不超过 5000 小时。此外，氢氧化钾有毒，对生成水的饮用造成影响。这促使人们去寻找其他的离子导体。 【问题】你认为，如果开发新型的离子导体，应该具有哪些性质?
质量轻，电导率大，性质稳定，离子浓度稳定，无毒等。
【资料】质子交换膜质子交换膜是一种高分子材料，厚度仅有几百微米，含有酸性基团，被水润湿后可电离出氢离子。质子交换膜内为酸性环境，且只允许氢离子通过，以质子交换膜作为离子导体的氢氧燃料电池工作寿命可高达 57000 小时。电导率优于或等于电解质溶液型离子导体。
【问题】你对质子交换膜的工作原理还有哪些疑问?你认为，质子交换膜作为离子导体的优势有哪些?
轻薄、内阻小、可以隔绝氢气氧气、无二氧化碳污染。
设计裁人航天器中的化学电源
性质稳定、质量、成本
电导率、性质稳定、离子种类浓度稳定、质量
项目活动二 尝试设计载人航天器的氧气再生方案
【项目任务】设计载人航天器内的氧气再生方法。【限定条件】航天器内携带物品(物质及能源)有限。
1．人呼出的气体中含有水和二氧化碳，请你思考氧气再生的方案？并对这些方案作出评价。
①过氧化钠与水和二氧化碳反应：②光合作用：③电解水：
过氧化钠不能循环，不能完全满足物质稀缺的限制条件
可以将水中的氧元素完全转化，得到的氢气可再利用，但电解水耗能。
2．载人航天器中能量转化形式
3．根据载人航天器的限定条件，物质转化最理想的方式应符合的条件：应符合绿色化学原理，原子利用率达到100%。
【思考】如何根据以上资料设计将水和二氧化碳转化为氧气的方法？
萨巴蒂尔反应在300～400 ℃时转化率较高，显然控制反应器内的温度非常重要。要设计控制反应器内温度的方案，需要知道该反应的热效应。在该条件下，副反应比较多，测定萨巴蒂尔反应的热效应困难较大，我们可以通过理论计算来了解该反应的热效应。
根据盖斯定律，将4×①－②得，CO2(g)＋4H2(g)=4CH4(g)＋2H2O(g) ΔH＝－164.9 kJ·ml－1，ΔH<0。将进入反应器的气体提前加热至反应温度。反应器配有冷却装置，及时将过多的反应热传走。冷却装置传走的热量及从反应器出来的气体带走的热量可以继续利用。
载人航天器的氧气再生方案
Sabatier反应器
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 ( )
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＋3O2D．若X极生成1 ml C2H4和1 ml CH3OH，电路中通过18 ml电子
2．利用如图所示装置可以将温室气体CO2转化为燃料气体CO，下列说法正确的是( )
A．该过程是将太阳能转化为化学能的过程 B．电极a上发生还原反应C．该装置工作时，H＋从b极区向a极区移动 D．该装置中每生成1 ml CO，同时生成1 ml O2
3.一种“全氢电池”的工作原理如图所示。下列说法不正确的是( )
A.电子流向是从吸附层M通过导线到吸附层NB.Na+从左边穿过离子交换膜向右边移动C.离子交换膜可用质子交换膜D.负极的电极反应是:H2-2e-+2OH- === 2H2O
4.太阳能光电池具有可靠稳定、寿命长、安装维护简便等优点,现已得到广泛应用。氮化镓(GaN)光电池的结构如图所示。下列说法中正确的是( )
A.该装置系统中只存在光能与电能之间的转化B.Cu电极上的电极反应为CO2+8H+-8e- === CH4+2H2OC.工作时,产生的O2、CH4体积比为1∶1(同温同压)D.离子交换膜为质子交换膜,H+从左池移向右池
项目活动一 尝试设计载人航天器用化学电池
【项目任务】 为载人航天器设计化学电源。【限定条件】 尽量提高化学电源单位质量所提供的能量(质量尽量小，续航尽量长)。
1．氢氧燃料电池被 称为最适合载人航天器的化学电源，你认为原因是什么？
(1)具有单位质量输出电能较高;(2)运输成本低;(3)反应成的水可作饮用水;(4)氧气可作备用氧源供给呼吸等。
2．构成电池的必要结构是什么？这些结构具有怎样的性质或作用？
电极反应物：得失电子物质； 电极材料：得失电子场所；离子导体：传导离子； 电子导体：传递电子。
【资料】1.铂、镍等金属对燃料电池反应具有催化活性
【探究任务一 优化电极材料】
请尝试为酸性环境和碱性环境中的电池设计电极材料。
【资料】2.现有的燃料电池中电极材料的选择:
【资料】①电池性能与电池内阻有关;②电导率越大，导电性越好;③温度升高，电解质溶液电导率升高。
【探究任务二 优化电极材料 】
【问题】依据上述信息，你会如何选择离子导体及其工作环境，原因是什么?
选择30%左右的硫酸或30%左右的KOH溶液;盐酸有挥发性，盐类电导率小，不能选择;工作温度尽量高
【资料证据】1.最早投入研究的是以硫酸溶液为离子导体的燃料电池，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，碳载镍作为电极材料。
【探究任务三 】解决电解质稀释问题
1.右图是“阿波罗”飞船中使用的氢氧燃料电池部分结构的示意图。
相同点：都是选用 KOH溶液作电池反应时的离子导体。
(1)请将该电池和你在本章第2节中设计的氢氧燃料电池进行比较、说明异同。
不同点：“阿波罗”飞船使用的氢氧燃料电池为多孔碳载镍电极，氢气和氧气是从电池外部输入的，电池反应所生成的水输送到电池外部，而我们设计的氢氧燃料电池为石墨电极，氢气和氧气是用电解水得到的。
2.我们目前设计的以氢氧化钾为离子导体的燃料电池，在工作中会出现内阻增大的问题，你认为可能的原因是什么?如何解决该问题?
电极反应生成水，使电解质离子浓度降低;思考并设计解决方法，重点关注从电池的哪一极将水排出。
【资料证据】碱性燃料电池在负极设置排水装置。方法:①利用氢气流将水蒸气吹出;②利用泵将电解液抽出，在外部浓缩;③利用毛细作用，将水在负极蒸发。
【小结】排水方式虽然不同，但是考虑在哪一极设置排水装置都是必须要考虑的问题，而解决该问题的方法关注电极反应与离子导体存在相互影响(微粒的种类和浓度)。
3、解决电解质变质问题 【资料】在实际使用中，KOH溶液的离子导体还有一些问题，主要舱内二氧化碳污染使电池寿命降低，使用寿命不超过 5000 小时。此外，氢氧化钾有毒，对生成水的饮用造成影响。这促使人们去寻找其他的离子导体。 【问题】你认为，如果开发新型的离子导体，应该具有哪些性质?
质量轻，电导率大，性质稳定，离子浓度稳定，无毒等。
【资料】质子交换膜质子交换膜是一种高分子材料，厚度仅有几百微米，含有酸性基团，被水润湿后可电离出氢离子。质子交换膜内为酸性环境，且只允许氢离子通过，以质子交换膜作为离子导体的氢氧燃料电池工作寿命可高达 57000 小时。电导率优于或等于电解质溶液型离子导体。
【问题】你对质子交换膜的工作原理还有哪些疑问?你认为，质子交换膜作为离子导体的优势有哪些?
轻薄、内阻小、可以隔绝氢气氧气、无二氧化碳污染。
设计裁人航天器中的化学电源
性质稳定、质量、成本
电导率、性质稳定、离子种类浓度稳定、质量
项目活动二 尝试设计载人航天器的氧气再生方案
【项目任务】设计载人航天器内的氧气再生方法。【限定条件】航天器内携带物品(物质及能源)有限。
1．人呼出的气体中含有水和二氧化碳，请你思考氧气再生的方案？并对这些方案作出评价。
①过氧化钠与水和二氧化碳反应：②光合作用：③电解水：
过氧化钠不能循环，不能完全满足物质稀缺的限制条件
可以将水中的氧元素完全转化，得到的氢气可再利用，但电解水耗能。
2．载人航天器中能量转化形式
3．根据载人航天器的限定条件，物质转化最理想的方式应符合的条件：应符合绿色化学原理，原子利用率达到100%。
【思考】如何根据以上资料设计将水和二氧化碳转化为氧气的方法？
萨巴蒂尔反应在300～400 ℃时转化率较高，显然控制反应器内的温度非常重要。要设计控制反应器内温度的方案，需要知道该反应的热效应。在该条件下，副反应比较多，测定萨巴蒂尔反应的热效应困难较大，我们可以通过理论计算来了解该反应的热效应。
根据盖斯定律，将4×①－②得，CO2(g)＋4H2(g)=4CH4(g)＋2H2O(g) ΔH＝－164.9 kJ·ml－1，ΔH<0。将进入反应器的气体提前加热至反应温度。反应器配有冷却装置，及时将过多的反应热传走。冷却装置传走的热量及从反应器出来的气体带走的热量可以继续利用。
载人航天器的氧气再生方案
Sabatier反应器
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 ( )
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＋3O2D．若X极生成1 ml C2H4和1 ml CH3OH，电路中通过18 ml电子
2．利用如图所示装置可以将温室气体CO2转化为燃料气体CO，下列说法正确的是( )
A．该过程是将太阳能转化为化学能的过程 B．电极a上发生还原反应C．该装置工作时，H＋从b极区向a极区移动 D．该装置中每生成1 ml CO，同时生成1 ml O2
3.一种“全氢电池”的工作原理如图所示。下列说法不正确的是( )
A.电子流向是从吸附层M通过导线到吸附层NB.Na+从左边穿过离子交换膜向右边移动C.离子交换膜可用质子交换膜D.负极的电极反应是:H2-2e-+2OH- === 2H2O
4.太阳能光电池具有可靠稳定、寿命长、安装维护简便等优点,现已得到广泛应用。氮化镓(GaN)光电池的结构如图所示。下列说法中正确的是( )
A.该装置系统中只存在光能与电能之间的转化B.Cu电极上的电极反应为CO2+8H+-8e- === CH4+2H2OC.工作时,产生的O2、CH4体积比为1∶1(同温同压)D.离子交换膜为质子交换膜,H+从左池移向右池
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