微項目設(shè)計載人航天器用化學電池與氧氣再生方案──化學反應(yīng)中能量及物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用第1章化學反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化通過探究載人航天器用化學電池與氧氣再生方案，嘗試利用原電池原理及焓變、蓋斯定律等知識，分析、評價真實環(huán)境下化學反應(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。通過分析載人航天器上的電源，了解真實化學電池的工作原理與裝置結(jié)構(gòu)，并形成分析化學電池的一般思路。通過本項目的學習，感受化學知識在解決實際問題中的應(yīng)用價值。【必備知識】1．載人航天器中的化學電池的特點：安全、可靠，并且需要單位質(zhì)量輸出的電能較高。2．載人航天器中常用化學電池的種類：鎳鎘電池、鎳氫電池、氫氧燃料電池等。3．氫氧燃料電池的優(yōu)勢(1)具有單位質(zhì)量輸出的電能較高。(2)反應(yīng)生成的水可作飲用水。(3)氧氣可作備用氧源供給呼吸等。[探究任務(wù)1]載人飛船氫氧燃料電池使用存在的問題及解決思路。“阿波羅”飛船的主電源是以KOH溶液為離子導體的堿性氫氧燃料電池。嘗試設(shè)計載人航天器用化學電池【思考】1．根據(jù)所學電化學知識畫出該電池的工作原理示意圖。提示：

2.氫氧燃料電池的反應(yīng)產(chǎn)物對該電池的工作效率有什么影響？提示：根據(jù)電池反應(yīng)：2H2＋O2===2H2O，可知電解質(zhì)溶液濃度降低，會使該電池的工作效率也降低。3．該電池使用的氧氣常用空氣制備，由于制備工藝問題會使氧氣中混有微量CO2，CO2的存在對電池有什么影響？提示：CO2能與KOH溶液反應(yīng)，使電解質(zhì)變質(zhì)，從而影響電池的工作效率。4．如果你是電池設(shè)計員，針對2、3問出現(xiàn)的問題，你會提出哪些思路或方案來解決？提示：要解決以上問題，在設(shè)計電池時，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；也可以更換離子導體，如使用酸性電解質(zhì)溶液作為離子導體，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；等等。[探究任務(wù)2]對培根型堿性氫氧燃料電池和質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池解決電池使用中存在的問題的認知。【思考】1．培根型堿性燃料電池中“循環(huán)泵”的作用是什么？提示：①分離反應(yīng)產(chǎn)生的H2O，濃縮KOH溶液。②電解質(zhì)溶液變質(zhì)時更換電解質(zhì)溶液。2．若在上述兩電池中加冷凝水接收裝置，應(yīng)該加在什么位置？提示：培根型電池應(yīng)加在負極(H2)一側(cè)的氣體出口處；質(zhì)子交換膜電池應(yīng)加在正極(O2)一側(cè)的流場板氣體出口處。3．試分析評價兩種電池解決電解質(zhì)溶液稀釋和變質(zhì)問題的方案。提示：通過分析可知，培根型堿性氫氧燃料電池主要通過外加循環(huán)設(shè)備解決電解質(zhì)溶液稀釋和變質(zhì)問題，質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池則通過改變離子導體使問題從根本上得以解決。[探究任務(wù)3]有的神舟飛船中的太陽能電池陣－鎳鎘蓄電池組系統(tǒng)的工作原理。當飛船進入光照區(qū)時，太陽能電池為用電設(shè)備供電，同時為鎳鎘電池充電，電極反應(yīng)為負極Cd(OH)2＋2e－===Cd＋2OH－正極2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiOOH＋2H2ONiOOH常稱氫氧化氧鎳或堿式氧化鎳，其中Ni為＋3價。當飛船進入陰影區(qū)時，由鎳鎘電池提供電能，電極反應(yīng)為負極Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2正極2NiOOH＋2H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－【思考】1．研究載人航天器氧氣再生方法的原因是什么？嘗試設(shè)計載人航天器的氧氣再生方案提示：因載人航天器攜帶的物品有限，利用高壓存儲氧氣、電解攜帶的水制備氧氣等常規(guī)方法來獲得氧氣都難以滿足長時間飛行對持續(xù)供氧的要求。2．如何從人體代謝的廢物(如CO2、H2O)中獲取O2?

提示：根據(jù)蓋斯定律，①×4－②得：CO2(g)＋4H2(g)===CH4(g)＋2H2O(g)

ΔH＝－164.9kJ·mol-1，故薩巴蒂爾反應(yīng)為放熱反應(yīng)。為控制反應(yīng)溫度，一般將進入反應(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量還可以繼續(xù)利用。

1．探究載人航天器電源配置與氧氣再生的一般思路2．載人航天器中能量轉(zhuǎn)化形式3．根據(jù)載人航天器的限定條件，物質(zhì)轉(zhuǎn)化最理想的方式應(yīng)符合的條件：應(yīng)符合綠色化學原理，原子利用率達到100%。1．為了實現(xiàn)空間站的零排放，循環(huán)利用人體呼出的CO2來提供O2，我國科學家設(shè)計了如圖裝置。反應(yīng)后，電解質(zhì)溶液的pH保持不變。下列說法正確的是(

)A．圖中N型半導體為正極，P型半導體為負極B．Y電極的反應(yīng)：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑C．圖中離子交換膜為陽離子交換膜D．該裝置實現(xiàn)了“太陽能→化學能→電能”的轉(zhuǎn)化√B

[根據(jù)裝置圖中電荷移動的方向可知，N型半導體為負極，P型半導體為正極，A項錯誤；Y電極連接電源的正極，作為陽極，根據(jù)電解原理，電極反應(yīng)為4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，B項正確；反應(yīng)后，電解質(zhì)溶液的pH保持不變，離子交換膜應(yīng)為陰離子交換膜，C項錯誤；該裝置實現(xiàn)了“太陽能→電能→化學能”的轉(zhuǎn)化，D項錯誤。]2．載人航天工程對科學研究及太空資源開發(fā)具有重要意義，其發(fā)展水平是衡量一個國家綜合國力的重要指標。(1)氫氧燃料電池(構(gòu)造示意圖如圖)單位質(zhì)量輸出電能較高，反應(yīng)生成的水可作為航天員的飲用水，氧氣可以作為備用氧源供給航天員呼吸。由此判斷X極為電池的____極，OH－向___(填“正”或“負”)極做定向移動，Y極的電極反應(yīng)為___________________________。負負O2＋2H2O＋4e－===4OH－(2)神舟飛船的電源系統(tǒng)共有3種，分別是太陽能電池帆板、鎘鎳蓄電池和應(yīng)急電池。①飛船在光照區(qū)運行時，太陽能電池帆板將______能轉(zhuǎn)化為____能，除供給飛船使用外，多余部分用鎘鎳蓄電池儲存起來。其工作原理為Cd＋2NiOOH＋2H2O

Cd(OH)2＋2Ni(OH)2，充電時，陽極的電極反應(yīng)為___________________________________;當飛船運行到地影區(qū)時，鎘鎳蓄電池開始為飛船供電，此時負極附近溶液的堿性______(填“增大”“減小”或“不變”)。太陽電Ni(OH)2－e－＋OH－===NiOOH＋H2O減?、诰o急狀況下，應(yīng)急電池會自動啟動，工作原理為Zn＋Ag2O＋H2O

2Ag＋Zn(OH)2，其負極的電極反應(yīng)為_____________________________。Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2[解析]

(1)根據(jù)電子流向可知，X極為電池的負極，原電池中陰離子向負極移動，則OH－向負極作定向移動，Y極是正極，氧氣得到電子，電極反應(yīng)為O2＋2H2O＋4e－===4OH－。(2)①太陽能電池帆板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。鎘鎳蓄電池充電時相當于是電解池，陽極Ni(O