資源簡介

微項目　設計載人航天器用化學電池與氧氣再生方案
基礎過關練
1.空間實驗室“天宮一號”的供電系統中有再生氫氧燃料電池(RFC),RFC是一種將水電解技術與氫氧燃料電池技術相結合的可充電電池。RFC的工作原理如圖所示。下列有關說法正確的是 (　　)
A.當有0.1 mol電子轉移時,a電極上產生2.24 L(標準狀況)H2
B.b電極上發生的電極反應為4H2O+4e- 2H2↑+4OH-
C.c電極上發生還原反應,B池中的H+可以通過隔膜進入A池
D.d電極上發生的電極反應為O2+4H++4e- 2H2O
2.(不定項)(易錯題)一種電化學“大氣固碳”電池工作原理如圖所示,該電池在充電時,通過催化劑的選擇性控制,只有Li2CO3發生氧化,釋放出CO2和O2。下列說法不正確的是 (　　)
A.圖中Li+的移動方向是放電時的移動方向
B.充電時陽極發生的反應為C+2Li2CO3-4e- 3CO2↑+4Li+
C.該電池可選用含Li+的水溶液作電解質溶液
D.該電池每循環充、放電一次各轉移4 mol電子時,理論上可固定標準狀況下22.4 L CO2
3.載人航天器中利用薩巴蒂爾反應再生O2的流程如圖所示。
(1)薩巴帝爾反應是放熱反應,控制反應器內的溫度非常重要,反應溫度過低則會造成　　　　　。已知此反應在300~400 ℃時轉化率較高,所以一般會將進入反應器的氣體預熱到此溫度,同時反應器配有
　　　　裝置,以便及時將過多的反應熱傳走。
(2)這種方法再生O2的最大缺點是需要不斷補充　　　　(填化學式)。
(3)載人航天器中CO2的富集與轉化是O2再生的核心問題,如圖是電化學富集CO2的方法。
①離子導體中,K+向多孔碳載鎳　　　　(填“A”或“B”)電極移動。
②負極的電極反應式是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
③在多孔碳載鎳A電極上消耗1 mol H2,理論上多孔碳載鎳B電極轉化的CO2在標準狀況下的體積是　　　　L。
答案與分層梯度式解析
基礎過關練
1.C　電解池中,b電極為陽極,發生氧化反應:4OH--4e- 2H2O+O2↑,a電極為陰極,發生還原反應:4H++4e- 2H2↑;原電池中電解質溶液呈酸性,d電極為負極,發生氧化反應:2H2-4e- 4H+,c電極為正極,發生還原反應:O2+4H++4e- 2H2O。當有0.1 mol電子轉移時,a電極產生1.12 L(標準狀況)H2,故A錯誤;b電極上發生的電極反應是4OH--4e- 2H2O+O2↑,故B錯誤;c電極為正極,發生還原反應,B池中的H+可以通過隔膜進入A池,故C正確;d電極上發生的電極反應為H2-2e- 2H+,故D錯誤。
2.BC　根據裝置圖可知,放電時,電極A為原電池的負極,電極B為正極,則圖中Li+的移動方向是放電時的移動方向,A正確;充電時,通過催化劑的選擇性控制,只有Li2CO3發生氧化,釋放出CO2和O2,陽極(電極B)電極反應式為2Li2CO3-4e- 4Li++2CO2↑+O2↑,放電時,正極(電極B)的電極反應式為3CO2+4e-+4Li+ 2Li2CO3+C,則該電池每循環充、放電一次各轉移4 mol電子時,理論上可固定1 mol CO2,標準狀況下體積為22.4 L,B錯誤、D正確;金屬鋰與水反應,該電池不可選用含鋰離子的水溶液作電解質溶液,C錯誤。
易錯分析
(1)由于2Li+2H2O 2LiOH+H2↑,所以鋰電池不能用含鋰離子的水溶液作電解質溶液。
(2)本題已知信息中指出,該電池在充電時,通過催化劑的選擇性控制,電池放電時的正極反應式與充電時的陽極電極反應式不能簡單地顛倒來寫。
3.答案　(1)反應速率下降　冷卻　(2)H2　(3)①B　②H2-2e-+C H2O+CO2　③5.6
解析　(1)若反應溫度過低,會造成反應速率下降;薩巴帝爾反應是放熱反應,且此反應在300~400 ℃時轉化率較高,則反應器應該配有冷卻裝置。(2)根據轉化關系圖示知薩巴帝爾反應為CO2+4H2 CH4+2H2O,而2H2O 2H2↑+O2↑,說明用這種方法再生O2的最大缺點是需要不斷補充H2。(3)①由題圖可知,H2在多孔碳載鎳A上失電子,CO2在多孔碳載鎳B上得電子生成CH4,故多孔碳載鎳A電極為負極,多孔碳載鎳B電極為正極,原電池工作時陽離子向正極移動,則離子導體中,K+向多孔碳載鎳B電極移動。②H2在負極失電子得到H+,生成的H+結合C生成CO2,負極的電極反應式為H2-2e-+C H2O+CO2。③正極的電極反應式為CO2+8e-+6H2O CH4+8OH-,多孔碳載鎳A電極上消耗1 mol H2,轉移2 mol e-,根據得失電子守恒,理論上多孔碳載鎳B電極轉化的CO2為0.25 mol,在標準狀況下的體積是5.6 L。
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