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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学案设计
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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学案设计，共10页。学案主要包含了化学反应中的能量变化，常见的化学电池等内容，欢迎下载使用。
微项目学案
一、化学反应中的能量变化
1．化学能与热能的相互转化
(1)化学反应从反应热角度分为吸热反应和放热反应。
(2)化学反应中的反应热通常用热化学方程式表示。
(3)盖斯定律：计算反应焓变的一种方法或途径。
2．化学能与电能的相互转化
(1)化学能转化为电能的装置是原电池，利用了自发的氧化还原反应将物质中的化学能以电能的形式释放出来。
(2)电解池是将电能转化为化学能的装置，将电能转化为化学能储存在物质之中。
二、常见的化学电池
(1)(教材二次开发)教材P37图1－5－1是“阿波罗”飞船氢氧燃料电池部分结构示意图，若将此电池的燃料换成甲烷，则电池的负极电极反应式是什么？
提示：负极是甲烷，则电极反应式为：CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O。
(2)(情境思考)天宫二号空间实验室已于北京时间2019年7月19日21时06分受控离轨并再入大气层，少量残骸落入南太平洋预定安全海域。天宫二号受控再入大气层，标志着中国载人航天工程空间实验室阶段全部任务圆满完成。
化学电源的种类很多，你知道载人航天器中使用到的化学电源有哪些吗？
提示：载人航天器中常用的化学电源有镍镉电池、镍氢电池、氢氧燃料电池等。
关键能力·合作学习
项目活动1：尝试设计载人航天器用化学电池
据观察者网2020年1月20日的报道称，我国目前最大的航天器——空间站核心舱初样产品和新一代载人飞船试验船，已经先后安全运抵海南文昌航天发射场。在航天器中，电源是极其重要的组成部分，那么载人航天器上使用的化学电源是什么？其原理是什么？
一、第一代碱性燃料电池——培根碱性氢氧燃料电池
1．尝试画出“阿波罗”11号登月飞船中所使用氢氧燃料电池的内部结构示意图，指出各部分的作用并分析其工作原理。
提示：“阿波罗”11号登月飞船中所使用氢氧燃料电池是培根型碱性氢氧燃料电池，其装置结构示意图：
多孔镍电极作为电池的电极材料，KOH是电解质溶液。
H2在电极上失电子发生氧化反应，O2在电极上得电子发生还原反应，H2失去的电子沿导线定向移动，从而形成了电流。在电解质溶液中阴阳离子定向移向两电极，构成闭合回路。
2．为了保持电池的工作效率、有效利用电极反应产物，该电池还需要解决哪些问题？
提示：在电池的使用过程中会生成水，同时空气中含有一定量的CO2，因此有两个重要问题：①电极反应生成的水会稀释电解质溶液，最终导致电池无法正常工作；②碱性电解质KOH会与CO2反应导致电解质变质。
3．如果你是电池的设计人员，你会提出哪些思路或方案解决以上问题？
提示：①提高H2、O2的浓度；②及时分离出电极上的产物水；③及时更换或补充电解质溶液。
二、第二代质子交换膜燃料电池
1．此电池是怎样解决电解质稀释和变质问题的？
提示：改变了电解质，使用质子交换膜作为离子导体，就不存在吸收CO2变质问题。使用流场板避免了电解质的稀释问题，流场板上带有沟槽，用以引导氢气和氧气流动，并将生成的水排出。
2．若在第一代和第二代的燃料电池装置上分别加装冷凝水接收装置，你认为应该加装在什么位置？
提示：培根型碱性氢氧燃料电池的水是在负极一侧生成，因此冷凝水接收装置应加装在负极一侧；而第二代质子交换膜燃料电池的水在正极上生成，并通过流场板流出，故应在正极一侧加装。
【加固训练】
1．写出第一代培根型碱性氢氧燃料电池的电极反应式和电池方程式。
提示：
负极：H2－2e－＋2OH－===2H2O；
正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－；
电池反应：2H2＋O2===2H2O。
2．写出第二代质子交换膜燃料电池的电极反应式和电池方程式。
提示：负极：H2－2e－===2H＋；
正极：O2＋4e－＋4H＋===2H2O；
电池反应：2H2＋O2===2H2O。
(双选)如图是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量监测与控制的功能，下列有关说法正确的是( )
A．电子由呼气所在的铂电极流出
B．H＋透过质子交换膜流向氧气所在的铂电极
C．电路中流过2 mol电子时，消耗11.2 L O2
D．该电池的负极反应为CH3CH2OH＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋
【解析】选A、B。根据图示，通入氧气的铂电极为正极，呼气所在的铂电极为负极。电子由呼气所在的铂电极流出，A正确；阳离子移向正极，H＋透过质子交换膜流向氧气所在的铂电极，B正确；未指明标准状况下无法计算气体体积，C错误；根据图示，该电池的负极生成醋酸，电极反应式为CH3CH2OH＋H2O－4e－===CH3COOH＋4H＋，D错误。
【加固训练】
(2021·三门峡高二检测)某航空站安装了一台燃料电池，该电池可同时提供电和水蒸气。所用燃料为氢气，电解质为熔融的碳酸钾。已知该电池的总反应为2H2＋O2===2H2O，正极反应为O2＋2CO2＋4e－===2CO，则下列推断正确的是( )
A．负极反应为H2＋2OH－－2e－===2H2O
B．该电池可在常温或高温时进行工作，对环境具有较强的适应性
C．该电池供应2 mol水蒸气，同时转移2 mol电子
D．放电时负极有CO2生成
【解析】选D。由总反应式减去正极反应式得到负极反应式：2H2＋2CO－4e－===2H2O＋2CO2，则可判断负极有CO2生成，A项错误，D项正确；该电池使用的电解质是熔融的碳酸钾，在常温下无法工作，B错误；该电池供应2 mol水蒸气时，转移的电子为4 mol，C错误。
项目活动2：尝试设计载人航天器的氧气再生方案
航天员每人每天大约消耗0.48 kg氧气，因载人航天器携带的物品有限，因此一些常规方法都难以满足长时间为飞行队持续供氧的要求。
那么航天员在舱内消耗的氧气是怎样再生的呢？
1．如何在载人航天器长时间飞行时，为航天员持续提供氧气？
提示：由于载人航天中的物质和能量资源均十分有限和宝贵，因此应尽可能将航天员的代谢产物中的氧元素转化为氧气，这样可以保证氧元素的持续循环。
2．在航天器中是通过萨巴蒂尔反应将CO2中的氧元素经过一系列的转化实现氧气的再生的。
萨巴蒂尔反应为
(1)在反应条件下，萨巴蒂尔反应的副反应较多，其反应热难以测定，可通过如下反应进行计算。
H2(g)＋O2(g)===H2O(g) ΔH1＝－241.8 kJ·mol－1
CH4(g)＋2O2(g)===2H2O(g)＋CO2(g)
ΔH2＝－802.3 kJ·mol－1
提示：将上述反应依次编号为①②，利用盖斯定律反应①×4－反应②可以得到萨巴蒂尔反应，因此萨巴蒂尔反应的焓变ΔH＝ΔH1×4－ΔH2＝－241.8 kJ·mol－1×4－(－802.3 kJ·mol－1)＝－164.9 kJ·mol－1。
(2)通过上述计算的结果，请分析如何控制反应器内的温度。
提示：由于此反应放热，因此为了保证转化率、控制反应器内的温度，需要将过多的反应热传走，以便废热的再利用。
(3)萨巴蒂尔反应有什么缺点？
提示：根据萨巴蒂尔反应的方程式可以看出，此反应中50%的氢元素进入甲烷气体中，没有进行再利用。
【加固训练】
(1)利用萨巴蒂尔反应的氧气再生过程中利用到电解，那么电解时的电能来源于哪里？请你设计较为理想的方法。
提示：考虑到载人航天器的实际情况，电解所需要的电能应该来源于太阳能电池，有阳光时将太阳能存储在二次电池中，阴暗处再以电能的形式释放出来。
(2)除用盖斯定律计算反应的焓变外，还可以用哪些方法得到反应的焓变？
提示：通过实验测得；通过计算反应物和生成物的键能等。
1．探究载人航天器用化学电源与氧气再生的一般思路
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%。
4．盖斯定律：间接计算某些反应的反应热。解题模型：
(2021·西安高二检测)Mn2＋催化H2O2分解：2H2O2(l)===2H2O(l)＋O2(g) ΔH1，其反应机理如图。
若反应Ⅱ的焓变为ΔH2，则反应Ⅰ的焓变ΔH为(反应Ⅰ、Ⅱ的计量数均为最简整数比)( )
A．ΔH1－ΔH2 B．ΔH1＋ΔH2
C．2ΔH1－ΔH2 D．ΔH1－2ΔH2
【解析】选A。由图可知反应过程为H2O2＋Mn2＋===2H＋＋MnO2(Ⅰ)、MnO2＋H2O2＋2H＋===Mn2＋＋2H2O＋O2↑(Ⅱ)，题给反应可由两个反应相加获得，有ΔH1＝ΔH＋ΔH2，ΔH＝ΔH1－ΔH2。
【加固训练】
1．(2021·济南高二检测)黑火药是中国古代的四大发明之一，其爆炸的热化学方程式为
S(s)＋2KNO3(s)＋3C(s)===K2S(s)＋N2(g)＋3CO2(g) ΔH＝x kJ·mol－1
已知：碳的摩尔燃烧焓ΔH1＝a kJ·mol－1，S(s)＋2K(s)===K2S(s) ΔH2＝b kJ·mol－1，2K(s)＋N2(g)＋3O2(g)===2KNO3(s) ΔH3＝c kJ·mol－1，则x为( )
A．3a＋b－c B．c－3a－b
C．a＋b－c D．c－a－b
【解析】选A。碳燃烧的热化学方程式为①C(s)＋O2(g)===CO2(g) ΔH1＝a kJ·mol－1，将另外两个热化学方程式进行编号，②S(s)＋2K(s)===K2S(s) ΔH2＝b kJ·mol－1，③2K(s)＋N2(g)＋3O2(g)===2KNO3(s) ΔH3＝c kJ·mol－1，运用盖斯定律，①×3＋②－③得S(s)＋2KNO3(s)＋3C(s)===K2S(s)＋N2(g)＋3CO2(g) ΔH＝(3a＋b－c) kJ·mol－1，则x＝3a＋b－c，故A正确。
2．(2021·长春高二检测)已知下列热化学方程式：
①H2(g)＋O2(g)===H2O(l)
ΔH1＝－285.8 kJ·mol－1
②H2(g)===H2(l) ΔH2＝－0.92 kJ·mol－1
③O2(g)===O2(l) ΔH3＝－6.84 kJ·mol－1
④H2O(l)===H2O(g) ΔH4＝＋44.0 kJ·mol－1
则反应H2(l)＋O2(l)===H2O(g)的反应热ΔH为( )
A．＋237.46 kJ·mol－1 B．－474.92 kJ·mol－1
C．－118.73 kJ·mol－1 D．－237.46 kJ·mol－1
【解析】选D。根据盖斯定律，将反应①－②－③×＋④可得目标反应方程式H2(l)＋O2(l)===H2O(g)，则ΔH＝ΔH1－ΔH2－ΔH3×＋ΔH4＝－237.46 kJ·mol－1。
课堂检测·素养达标
1．(2021·廊坊高二检测)已知：
①2C(s)＋O2(g)===2CO(g) ΔH＝－220 kJ·mol－1
②氢气燃烧的能量变化示意图：
下列说法正确的是( )
A．1 mol C(s)完全燃烧放出110 kJ的热量
B．H2(g)＋O2(g)===H2O(g) ΔH＝－480 kJ·mol－1
C．C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)ΔH＝＋130 kJ·mol－1
D．欲分解2 mol H2O(l)，至少需要提供4×462 kJ的热量
【解析】选C。1 mol C(s)燃烧生成CO气体时放出110 kJ热量，此时不是完全燃烧，A项错误；根据氢气燃烧的能量变化示意图，可得热化学方程式②2H2(g)＋O2(g)===2H2O(g) ΔH＝2×436 kJ·mol－1＋496 kJ·mol－1－4×462 kJ·mol－1＝－480 kJ·mol－1，故H2(g)＋O2(g)===H2O(g) ΔH＝－240 kJ·mol－1，B项错误；根据盖斯定律由×(①－②)可得目标热化学方程式：C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g) ΔH＝＋130 kJ·mol－1，C项正确；由图中信息可知，分解2 mol H2O(g)至少需要提供4×462 kJ的热量，而分解2 mol H2O(l)需要提供的热量更多，D项错误。
2．(双选)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减小
C．X极上得到CH3OH的电极反应式为2CO2＋4H2O＋12e－===2CH3OH＋3O2
D．若X极生成1 mol C2H4和1 mol CH3OH，电路中通过18 mol电子
【解析】选B、D。由图可知，存在太阳能转化为电能，电能转化为化学能的能量转化方式，故A错误；如图所示，X为阴极、Y为阳极，氢离子通过质子交换膜向阴极(X极)区移动，阳极(Y极)发生氧化反应：6H2O－12e－===12H＋＋3O2↑，所以Y极周围溶液的pH减小，故B正确；X极(阴极)上发生还原反应生成CH3OH的电极反应式为CO2＋6H＋＋6e－===CH3OH＋H2O，故C错误；2 mol CO2生成1 mol C2H4，1 mol CO2生成1 mol CH3OH，C元素化合价都是由＋4降低为－2，所以若X极生成1 mol C2H4和1 mol CH3OH，电路中通过的电子为3×[4－(－2)]mol＝18 mol，故D正确。
【加固训练】
(2021·哈尔滨高二检测)2-萘酚()在生产环境中主要以粉尘、气溶胶形式存在,可采用催化剂(Ag@AgBr/mp-TiO2,其中mp-TiO2为介孔二氧化钛,具有很大的比表面积和渗透能力)光照条件下的光降解法除去环境中的该污染物,工作原理如图
。
下列判断正确的是( )
A.该除去方法中的能量转化只有化学能转化为电能
B.mp-TiO2可加快O2的失电子速率
C.负极反应:-46e-+23O2-===10CO2+4H2O
D.该法降解144 g 2-萘酚时,装置吸收空气约为1 288 L
【解析】选C。由原理图可知,太阳能参与了该降解方法,即存在太阳能转化为化学能,A项错误;O2在该装置中得电子,B项错误;负极2-萘酚被氧化,失电子生成二氧化碳和水,C项正确;由正负极反应可知关系式2～23O2,144 g 2-萘酚为1 mol,降解1 mol 2-萘酚时,消耗11.5 mol O2,空气中O2约占五分之一,即消耗空气为57.5 mol,即标准状况下的1 288 L,但该选项缺少标准状况条件,故消耗的空气体积不确定,D项错误。
3．(双选)断裂1 mol化学键所需的能量如表，火箭燃料肼(H2N—NH2)的有关化学反应的能量变化如图所示，则下列说法错误的是( )
化学键
N—N
O＝O
N≡N
N—H
键能(kJ)
154
500
942
a
A. N2(g)比O2(g)稳定
B．N2H4(g)＋O2(g)===N2(g)＋2H2O(g) ΔH1＝－534 kJ·mol－1
C．图中的ΔH3＝－2 218 kJ·mol－1
D．表中的a＝194
【解析】选C、D。由表中数据可知，N≡N键的键能大于O===O键的键能，则N2(g)比O2(g)稳定，A项正确；由能量变化图示可知，反应N2H4(g)＋O2(g)===N2(g)＋2H2O(g)的ΔH1＝－534 kJ·mol－1，B项正确；根据盖斯定律，反应N2H4(g)＋O2(g)===N2(g)＋2H2O(g)的ΔH1＝ΔH2＋ΔH3＝(－2 752 kJ·mol－1)＋ΔH3＝－534 kJ·mol－1，则有ΔH3＝＋2 218 kJ·mol－1，C项错误；N2H4(g)＋O2(g)===2N(g)＋4H(g)＋2O(g)的ΔH3＝(4a kJ·mol－1＋154 kJ·mol－1＋500 kJ·mol－1)＝＋2 218 kJ·mol－1，解得a＝391，D项错误。
【加固训练】
(2021·海口高二检测)室温下，CuSO4(s)和 CuSO4·5H2O(s)溶于水及CuSO4·5H2O受热分解的能量变化如图所示，下列说法不正确的是( )
A. 将CuSO4·5H2O(s)溶于水会使溶液温度降低
B．将CuSO4(s)溶于水会使溶液温度升高
C．ΔH3＞ΔH2
D．ΔH1＝ΔH2＋ΔH3
【解析】选D。胆矾溶于水时，溶液温度降低，反应为CuSO4·5H2O(s)===Cu2＋(aq)＋SO(aq)＋5H2O(l) ΔH3＞0，故A正确；CuSO4(s)===Cu2＋(aq)＋SO(aq) ΔH2＜0，故B正确；由分析：ΔH2＜0，ΔH3＞0，ΔH3＞ΔH2，故C正确；由图象分析可知：ΔH1＝ΔH3－ΔH2，故D错误。
素养新思维
4．(2021·昆明高二检测) (1)将燃煤产生的二氧化碳回收利用，可达到低碳排放的目的。如图是通过人工光合作用，以CO2和H2O为原料制备HCOOH和O2的原理示意图。电极b作__________极，发生的电极反应式为________________。
(2)浓差电池中的电动势是由于电池中存在浓度差而产生的。某浓差电池的原理如图所示，该电池从浓缩海水中提取LiCl的同时又获得了电能。
①X为________极，Y电极反应式为__________。
②Y极生成1 mol Cl2时，__________mol Li＋移向__________(填“X”或“Y”)极。
【解析】(1)从图示可以看出，左侧H2O转变成O2，氧元素被氧化，电极a为负极，电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，H＋通过质子交换膜进入右侧发生反应，右侧通入的CO2转变成HCOOH，碳元素被还原，电极b为正极，电极反应式为CO2＋2e－＋2H＋===HCOOH。
(2)根据装置可知生成H2的电极为正极，生成Cl2的电极为负极。
答案：(1)正 CO2＋2e－＋2H＋===HCOOH
(2)①正 2Cl－－2e－===Cl2↑ ②2 X
【加固训练】
(2021·吉林高二检测)燃料电池是一种将燃料所具有的化学能直接转换成电能的装置。
(1)以多孔铂为电极，如图甲装置中A、B口分别通入CH3CH2OH和O2构成乙醇燃料电池，则b电极是________(填“正极”或“负极”)，该电池的负极的电极反应式为_____________________________________________________________。
(2)科学家研究了转化温室气体的方法，利用图乙所示装置可以将CO2转化为气体燃料CO，该电池负极反应式为_________________________________，工作时的总反应式为_________________________________________________。
(3)绿色电源“二甲醚氧气燃料电池”的工作原理如图丙所示。
①氧气应从c处通入，则电极Y为________极，发生的电极反应式为________________________________________________________________。
②二甲醚(CH3OCH3)应从b处加入，则电极X上发生的电极反应式为_______
______________________________________________________________。
③电池在放电过程中，电极X周围溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(4)合成气(H2、CO)不仅是化工原料，也是清洁能源。如果H2和CO以体积比1∶1组成的混合气体与空气构成碱性燃料电池(KOH溶液为电解质溶液且足量)，假设CO和H2同时按比例发生反应，则燃料电池负极的电极反应式为_______
______________________________________________________________。
【解析】(1)B口通入O2，发生还原反应，则b电极为正极。乙醇(CH3CH2OH)在负极上发生氧化反应，电解质溶液为KOH溶液，负极反应式为CH3CH2OH＋16OH－－12e－===2CO＋11H2O。
(2)由图乙可知，CO2在N极上发生还原反应生成CO，则N为正极，M为负极。H2O在负极上发生氧化反应生成O2，则电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑。H2O在M极上生成O2，CO2在N极上生成CO，则电池总反应式为2CO2===O2＋2CO。
(3)①二甲醚氧气燃料电池中，O2通入正极，发生还原反应生成H2O，电极反应式为4H＋＋O2＋4e－===2H2O。
②二甲醚(CH3OCH3)在负极发生氧化反应生成CO2，电极反应式为CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2＋12H＋。③放电过程中，电极X上CH3OCH3被氧化生成CO2和H＋，电极X周围溶液中c(H＋)增大，溶液的pH减小。
(4)在碱性条件下，CO和H2均被氧化，则燃料电池负极的电极反应式为CO＋H2＋6OH－－4e－===CO＋4H2O。
答案：(1)正极 CH3CH2OH＋16OH－－12e－===2CO＋11H2O
(2)2H2O－4e－===4H＋＋O2↑ 2CO2===O2＋2CO
(3)①正 4H＋＋O2＋4e－===2H2O ②CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2＋12H＋ ③减小
(4)CO＋H2＋6OH－－4e－===CO＋4H2O
微项目学案
一、化学反应中的能量变化
1．化学能与热能的相互转化
(1)化学反应从反应热角度分为吸热反应和放热反应。
(2)化学反应中的反应热通常用热化学方程式表示。
(3)盖斯定律：计算反应焓变的一种方法或途径。
2．化学能与电能的相互转化
(1)化学能转化为电能的装置是原电池，利用了自发的氧化还原反应将物质中的化学能以电能的形式释放出来。
(2)电解池是将电能转化为化学能的装置，将电能转化为化学能储存在物质之中。
二、常见的化学电池
(1)(教材二次开发)教材P37图1－5－1是“阿波罗”飞船氢氧燃料电池部分结构示意图，若将此电池的燃料换成甲烷，则电池的负极电极反应式是什么？
提示：负极是甲烷，则电极反应式为：CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O。
(2)(情境思考)天宫二号空间实验室已于北京时间2019年7月19日21时06分受控离轨并再入大气层，少量残骸落入南太平洋预定安全海域。天宫二号受控再入大气层，标志着中国载人航天工程空间实验室阶段全部任务圆满完成。
化学电源的种类很多，你知道载人航天器中使用到的化学电源有哪些吗？
提示：载人航天器中常用的化学电源有镍镉电池、镍氢电池、氢氧燃料电池等。
关键能力·合作学习
项目活动1：尝试设计载人航天器用化学电池
据观察者网2020年1月20日的报道称，我国目前最大的航天器——空间站核心舱初样产品和新一代载人飞船试验船，已经先后安全运抵海南文昌航天发射场。在航天器中，电源是极其重要的组成部分，那么载人航天器上使用的化学电源是什么？其原理是什么？
一、第一代碱性燃料电池——培根碱性氢氧燃料电池
1．尝试画出“阿波罗”11号登月飞船中所使用氢氧燃料电池的内部结构示意图，指出各部分的作用并分析其工作原理。
提示：“阿波罗”11号登月飞船中所使用氢氧燃料电池是培根型碱性氢氧燃料电池，其装置结构示意图：
多孔镍电极作为电池的电极材料，KOH是电解质溶液。
H2在电极上失电子发生氧化反应，O2在电极上得电子发生还原反应，H2失去的电子沿导线定向移动，从而形成了电流。在电解质溶液中阴阳离子定向移向两电极，构成闭合回路。
2．为了保持电池的工作效率、有效利用电极反应产物，该电池还需要解决哪些问题？
提示：在电池的使用过程中会生成水，同时空气中含有一定量的CO2，因此有两个重要问题：①电极反应生成的水会稀释电解质溶液，最终导致电池无法正常工作；②碱性电解质KOH会与CO2反应导致电解质变质。
3．如果你是电池的设计人员，你会提出哪些思路或方案解决以上问题？
提示：①提高H2、O2的浓度；②及时分离出电极上的产物水；③及时更换或补充电解质溶液。
二、第二代质子交换膜燃料电池
1．此电池是怎样解决电解质稀释和变质问题的？
提示：改变了电解质，使用质子交换膜作为离子导体，就不存在吸收CO2变质问题。使用流场板避免了电解质的稀释问题，流场板上带有沟槽，用以引导氢气和氧气流动，并将生成的水排出。
2．若在第一代和第二代的燃料电池装置上分别加装冷凝水接收装置，你认为应该加装在什么位置？
提示：培根型碱性氢氧燃料电池的水是在负极一侧生成，因此冷凝水接收装置应加装在负极一侧；而第二代质子交换膜燃料电池的水在正极上生成，并通过流场板流出，故应在正极一侧加装。
【加固训练】
1．写出第一代培根型碱性氢氧燃料电池的电极反应式和电池方程式。
提示：
负极：H2－2e－＋2OH－===2H2O；
正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－；
电池反应：2H2＋O2===2H2O。
2．写出第二代质子交换膜燃料电池的电极反应式和电池方程式。
提示：负极：H2－2e－===2H＋；
正极：O2＋4e－＋4H＋===2H2O；
电池反应：2H2＋O2===2H2O。
(双选)如图是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量监测与控制的功能，下列有关说法正确的是( )
A．电子由呼气所在的铂电极流出
B．H＋透过质子交换膜流向氧气所在的铂电极
C．电路中流过2 mol电子时，消耗11.2 L O2
D．该电池的负极反应为CH3CH2OH＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋
【解析】选A、B。根据图示，通入氧气的铂电极为正极，呼气所在的铂电极为负极。电子由呼气所在的铂电极流出，A正确；阳离子移向正极，H＋透过质子交换膜流向氧气所在的铂电极，B正确；未指明标准状况下无法计算气体体积，C错误；根据图示，该电池的负极生成醋酸，电极反应式为CH3CH2OH＋H2O－4e－===CH3COOH＋4H＋，D错误。
【加固训练】
(2021·三门峡高二检测)某航空站安装了一台燃料电池，该电池可同时提供电和水蒸气。所用燃料为氢气，电解质为熔融的碳酸钾。已知该电池的总反应为2H2＋O2===2H2O，正极反应为O2＋2CO2＋4e－===2CO，则下列推断正确的是( )
A．负极反应为H2＋2OH－－2e－===2H2O
B．该电池可在常温或高温时进行工作，对环境具有较强的适应性
C．该电池供应2 mol水蒸气，同时转移2 mol电子
D．放电时负极有CO2生成
【解析】选D。由总反应式减去正极反应式得到负极反应式：2H2＋2CO－4e－===2H2O＋2CO2，则可判断负极有CO2生成，A项错误，D项正确；该电池使用的电解质是熔融的碳酸钾，在常温下无法工作，B错误；该电池供应2 mol水蒸气时，转移的电子为4 mol，C错误。
项目活动2：尝试设计载人航天器的氧气再生方案
航天员每人每天大约消耗0.48 kg氧气，因载人航天器携带的物品有限，因此一些常规方法都难以满足长时间为飞行队持续供氧的要求。
那么航天员在舱内消耗的氧气是怎样再生的呢？
1．如何在载人航天器长时间飞行时，为航天员持续提供氧气？
提示：由于载人航天中的物质和能量资源均十分有限和宝贵，因此应尽可能将航天员的代谢产物中的氧元素转化为氧气，这样可以保证氧元素的持续循环。
2．在航天器中是通过萨巴蒂尔反应将CO2中的氧元素经过一系列的转化实现氧气的再生的。
萨巴蒂尔反应为
(1)在反应条件下，萨巴蒂尔反应的副反应较多，其反应热难以测定，可通过如下反应进行计算。
H2(g)＋O2(g)===H2O(g) ΔH1＝－241.8 kJ·mol－1
CH4(g)＋2O2(g)===2H2O(g)＋CO2(g)
ΔH2＝－802.3 kJ·mol－1
提示：将上述反应依次编号为①②，利用盖斯定律反应①×4－反应②可以得到萨巴蒂尔反应，因此萨巴蒂尔反应的焓变ΔH＝ΔH1×4－ΔH2＝－241.8 kJ·mol－1×4－(－802.3 kJ·mol－1)＝－164.9 kJ·mol－1。
(2)通过上述计算的结果，请分析如何控制反应器内的温度。
提示：由于此反应放热，因此为了保证转化率、控制反应器内的温度，需要将过多的反应热传走，以便废热的再利用。
(3)萨巴蒂尔反应有什么缺点？
提示：根据萨巴蒂尔反应的方程式可以看出，此反应中50%的氢元素进入甲烷气体中，没有进行再利用。
【加固训练】
(1)利用萨巴蒂尔反应的氧气再生过程中利用到电解，那么电解时的电能来源于哪里？请你设计较为理想的方法。
提示：考虑到载人航天器的实际情况，电解所需要的电能应该来源于太阳能电池，有阳光时将太阳能存储在二次电池中，阴暗处再以电能的形式释放出来。
(2)除用盖斯定律计算反应的焓变外，还可以用哪些方法得到反应的焓变？
提示：通过实验测得；通过计算反应物和生成物的键能等。
1．探究载人航天器用化学电源与氧气再生的一般思路
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%。
4．盖斯定律：间接计算某些反应的反应热。解题模型：
(2021·西安高二检测)Mn2＋催化H2O2分解：2H2O2(l)===2H2O(l)＋O2(g) ΔH1，其反应机理如图。
若反应Ⅱ的焓变为ΔH2，则反应Ⅰ的焓变ΔH为(反应Ⅰ、Ⅱ的计量数均为最简整数比)( )
A．ΔH1－ΔH2 B．ΔH1＋ΔH2
C．2ΔH1－ΔH2 D．ΔH1－2ΔH2
【解析】选A。由图可知反应过程为H2O2＋Mn2＋===2H＋＋MnO2(Ⅰ)、MnO2＋H2O2＋2H＋===Mn2＋＋2H2O＋O2↑(Ⅱ)，题给反应可由两个反应相加获得，有ΔH1＝ΔH＋ΔH2，ΔH＝ΔH1－ΔH2。
【加固训练】
1．(2021·济南高二检测)黑火药是中国古代的四大发明之一，其爆炸的热化学方程式为
S(s)＋2KNO3(s)＋3C(s)===K2S(s)＋N2(g)＋3CO2(g) ΔH＝x kJ·mol－1
已知：碳的摩尔燃烧焓ΔH1＝a kJ·mol－1，S(s)＋2K(s)===K2S(s) ΔH2＝b kJ·mol－1，2K(s)＋N2(g)＋3O2(g)===2KNO3(s) ΔH3＝c kJ·mol－1，则x为( )
A．3a＋b－c B．c－3a－b
C．a＋b－c D．c－a－b
【解析】选A。碳燃烧的热化学方程式为①C(s)＋O2(g)===CO2(g) ΔH1＝a kJ·mol－1，将另外两个热化学方程式进行编号，②S(s)＋2K(s)===K2S(s) ΔH2＝b kJ·mol－1，③2K(s)＋N2(g)＋3O2(g)===2KNO3(s) ΔH3＝c kJ·mol－1，运用盖斯定律，①×3＋②－③得S(s)＋2KNO3(s)＋3C(s)===K2S(s)＋N2(g)＋3CO2(g) ΔH＝(3a＋b－c) kJ·mol－1，则x＝3a＋b－c，故A正确。
2．(2021·长春高二检测)已知下列热化学方程式：
①H2(g)＋O2(g)===H2O(l)
ΔH1＝－285.8 kJ·mol－1
②H2(g)===H2(l) ΔH2＝－0.92 kJ·mol－1
③O2(g)===O2(l) ΔH3＝－6.84 kJ·mol－1
④H2O(l)===H2O(g) ΔH4＝＋44.0 kJ·mol－1
则反应H2(l)＋O2(l)===H2O(g)的反应热ΔH为( )
A．＋237.46 kJ·mol－1 B．－474.92 kJ·mol－1
C．－118.73 kJ·mol－1 D．－237.46 kJ·mol－1
【解析】选D。根据盖斯定律，将反应①－②－③×＋④可得目标反应方程式H2(l)＋O2(l)===H2O(g)，则ΔH＝ΔH1－ΔH2－ΔH3×＋ΔH4＝－237.46 kJ·mol－1。
课堂检测·素养达标
1．(2021·廊坊高二检测)已知：
①2C(s)＋O2(g)===2CO(g) ΔH＝－220 kJ·mol－1
②氢气燃烧的能量变化示意图：
下列说法正确的是( )
A．1 mol C(s)完全燃烧放出110 kJ的热量
B．H2(g)＋O2(g)===H2O(g) ΔH＝－480 kJ·mol－1
C．C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)ΔH＝＋130 kJ·mol－1
D．欲分解2 mol H2O(l)，至少需要提供4×462 kJ的热量
【解析】选C。1 mol C(s)燃烧生成CO气体时放出110 kJ热量，此时不是完全燃烧，A项错误；根据氢气燃烧的能量变化示意图，可得热化学方程式②2H2(g)＋O2(g)===2H2O(g) ΔH＝2×436 kJ·mol－1＋496 kJ·mol－1－4×462 kJ·mol－1＝－480 kJ·mol－1，故H2(g)＋O2(g)===H2O(g) ΔH＝－240 kJ·mol－1，B项错误；根据盖斯定律由×(①－②)可得目标热化学方程式：C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g) ΔH＝＋130 kJ·mol－1，C项正确；由图中信息可知，分解2 mol H2O(g)至少需要提供4×462 kJ的热量，而分解2 mol H2O(l)需要提供的热量更多，D项错误。
2．(双选)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减小
C．X极上得到CH3OH的电极反应式为2CO2＋4H2O＋12e－===2CH3OH＋3O2
D．若X极生成1 mol C2H4和1 mol CH3OH，电路中通过18 mol电子
【解析】选B、D。由图可知，存在太阳能转化为电能，电能转化为化学能的能量转化方式，故A错误；如图所示，X为阴极、Y为阳极，氢离子通过质子交换膜向阴极(X极)区移动，阳极(Y极)发生氧化反应：6H2O－12e－===12H＋＋3O2↑，所以Y极周围溶液的pH减小，故B正确；X极(阴极)上发生还原反应生成CH3OH的电极反应式为CO2＋6H＋＋6e－===CH3OH＋H2O，故C错误；2 mol CO2生成1 mol C2H4，1 mol CO2生成1 mol CH3OH，C元素化合价都是由＋4降低为－2，所以若X极生成1 mol C2H4和1 mol CH3OH，电路中通过的电子为3×[4－(－2)]mol＝18 mol，故D正确。
【加固训练】
(2021·哈尔滨高二检测)2-萘酚()在生产环境中主要以粉尘、气溶胶形式存在,可采用催化剂(Ag@AgBr/mp-TiO2,其中mp-TiO2为介孔二氧化钛,具有很大的比表面积和渗透能力)光照条件下的光降解法除去环境中的该污染物,工作原理如图
。
下列判断正确的是( )
A.该除去方法中的能量转化只有化学能转化为电能
B.mp-TiO2可加快O2的失电子速率
C.负极反应:-46e-+23O2-===10CO2+4H2O
D.该法降解144 g 2-萘酚时,装置吸收空气约为1 288 L
【解析】选C。由原理图可知,太阳能参与了该降解方法,即存在太阳能转化为化学能,A项错误;O2在该装置中得电子,B项错误;负极2-萘酚被氧化,失电子生成二氧化碳和水,C项正确;由正负极反应可知关系式2～23O2,144 g 2-萘酚为1 mol,降解1 mol 2-萘酚时,消耗11.5 mol O2,空气中O2约占五分之一,即消耗空气为57.5 mol,即标准状况下的1 288 L,但该选项缺少标准状况条件,故消耗的空气体积不确定,D项错误。
3．(双选)断裂1 mol化学键所需的能量如表，火箭燃料肼(H2N—NH2)的有关化学反应的能量变化如图所示，则下列说法错误的是( )
化学键
N—N
O＝O
N≡N
N—H
键能(kJ)
154
500
942
a
A. N2(g)比O2(g)稳定
B．N2H4(g)＋O2(g)===N2(g)＋2H2O(g) ΔH1＝－534 kJ·mol－1
C．图中的ΔH3＝－2 218 kJ·mol－1
D．表中的a＝194
【解析】选C、D。由表中数据可知，N≡N键的键能大于O===O键的键能，则N2(g)比O2(g)稳定，A项正确；由能量变化图示可知，反应N2H4(g)＋O2(g)===N2(g)＋2H2O(g)的ΔH1＝－534 kJ·mol－1，B项正确；根据盖斯定律，反应N2H4(g)＋O2(g)===N2(g)＋2H2O(g)的ΔH1＝ΔH2＋ΔH3＝(－2 752 kJ·mol－1)＋ΔH3＝－534 kJ·mol－1，则有ΔH3＝＋2 218 kJ·mol－1，C项错误；N2H4(g)＋O2(g)===2N(g)＋4H(g)＋2O(g)的ΔH3＝(4a kJ·mol－1＋154 kJ·mol－1＋500 kJ·mol－1)＝＋2 218 kJ·mol－1，解得a＝391，D项错误。
【加固训练】
(2021·海口高二检测)室温下，CuSO4(s)和 CuSO4·5H2O(s)溶于水及CuSO4·5H2O受热分解的能量变化如图所示，下列说法不正确的是( )
A. 将CuSO4·5H2O(s)溶于水会使溶液温度降低
B．将CuSO4(s)溶于水会使溶液温度升高
C．ΔH3＞ΔH2
D．ΔH1＝ΔH2＋ΔH3
【解析】选D。胆矾溶于水时，溶液温度降低，反应为CuSO4·5H2O(s)===Cu2＋(aq)＋SO(aq)＋5H2O(l) ΔH3＞0，故A正确；CuSO4(s)===Cu2＋(aq)＋SO(aq) ΔH2＜0，故B正确；由分析：ΔH2＜0，ΔH3＞0，ΔH3＞ΔH2，故C正确；由图象分析可知：ΔH1＝ΔH3－ΔH2，故D错误。
素养新思维
4．(2021·昆明高二检测) (1)将燃煤产生的二氧化碳回收利用，可达到低碳排放的目的。如图是通过人工光合作用，以CO2和H2O为原料制备HCOOH和O2的原理示意图。电极b作__________极，发生的电极反应式为________________。
(2)浓差电池中的电动势是由于电池中存在浓度差而产生的。某浓差电池的原理如图所示，该电池从浓缩海水中提取LiCl的同时又获得了电能。
①X为________极，Y电极反应式为__________。
②Y极生成1 mol Cl2时，__________mol Li＋移向__________(填“X”或“Y”)极。
【解析】(1)从图示可以看出，左侧H2O转变成O2，氧元素被氧化，电极a为负极，电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，H＋通过质子交换膜进入右侧发生反应，右侧通入的CO2转变成HCOOH，碳元素被还原，电极b为正极，电极反应式为CO2＋2e－＋2H＋===HCOOH。
(2)根据装置可知生成H2的电极为正极，生成Cl2的电极为负极。
答案：(1)正 CO2＋2e－＋2H＋===HCOOH
(2)①正 2Cl－－2e－===Cl2↑ ②2 X
【加固训练】
(2021·吉林高二检测)燃料电池是一种将燃料所具有的化学能直接转换成电能的装置。
(1)以多孔铂为电极，如图甲装置中A、B口分别通入CH3CH2OH和O2构成乙醇燃料电池，则b电极是________(填“正极”或“负极”)，该电池的负极的电极反应式为_____________________________________________________________。
(2)科学家研究了转化温室气体的方法，利用图乙所示装置可以将CO2转化为气体燃料CO，该电池负极反应式为_________________________________，工作时的总反应式为_________________________________________________。
(3)绿色电源“二甲醚氧气燃料电池”的工作原理如图丙所示。
①氧气应从c处通入，则电极Y为________极，发生的电极反应式为________________________________________________________________。
②二甲醚(CH3OCH3)应从b处加入，则电极X上发生的电极反应式为_______
______________________________________________________________。
③电池在放电过程中，电极X周围溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(4)合成气(H2、CO)不仅是化工原料，也是清洁能源。如果H2和CO以体积比1∶1组成的混合气体与空气构成碱性燃料电池(KOH溶液为电解质溶液且足量)，假设CO和H2同时按比例发生反应，则燃料电池负极的电极反应式为_______
______________________________________________________________。
【解析】(1)B口通入O2，发生还原反应，则b电极为正极。乙醇(CH3CH2OH)在负极上发生氧化反应，电解质溶液为KOH溶液，负极反应式为CH3CH2OH＋16OH－－12e－===2CO＋11H2O。
(2)由图乙可知，CO2在N极上发生还原反应生成CO，则N为正极，M为负极。H2O在负极上发生氧化反应生成O2，则电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑。H2O在M极上生成O2，CO2在N极上生成CO，则电池总反应式为2CO2===O2＋2CO。
(3)①二甲醚氧气燃料电池中，O2通入正极，发生还原反应生成H2O，电极反应式为4H＋＋O2＋4e－===2H2O。
②二甲醚(CH3OCH3)在负极发生氧化反应生成CO2，电极反应式为CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2＋12H＋。③放电过程中，电极X上CH3OCH3被氧化生成CO2和H＋，电极X周围溶液中c(H＋)增大，溶液的pH减小。
(4)在碱性条件下，CO和H2均被氧化，则燃料电池负极的电极反应式为CO＋H2＋6OH－－4e－===CO＋4H2O。
答案：(1)正极 CH3CH2OH＋16OH－－12e－===2CO＋11H2O
(2)2H2O－4e－===4H＋＋O2↑ 2CO2===O2＋2CO
(3)①正 4H＋＋O2＋4e－===2H2O ②CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2＋12H＋ ③减小
(4)CO＋H2＋6OH－－4e－===CO＋4H2O
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