《2025年优化探究同步导学案高中化学选择性必修1人教版》

利用舱内废物获取氧气的方案及其评价
1. 设计从人体代谢的废物(如$\mathrm{H_2O}$、$\mathrm{CO_2}$)中获取氧气的方案
方案 1：利用$\mathrm{Na_2O_2}$再生氧气，反应的化学方程式为$2\mathrm{Na_2O_2}+2\mathrm{CO_2}=2\mathrm{Na_2CO_3}+\mathrm{O_2}$。
方案 2：利用$\mathrm{H_2O}$电解再生氧气，反应的化学方程式为$2\mathrm{H_2O}\overset{通电}{=}2\mathrm{H_2}\uparrow+\mathrm{O_2}\uparrow$。
方案 3：利用萨巴蒂尔反应配合水的电解再生氧气，反应的化学方程式为$\mathrm{CO_2} + 4\mathrm{H_2} \xrightarrow[300\sim400°\mathrm{C}]{ 催化剂} \mathrm{CH_4} + 2\mathrm{H_2O}$。
2. 方案评价
已知：①$\mathrm{H_2(g)} + \frac{1}{2}\mathrm{O_2(g)} \longrightarrow \mathrm{H_2O(g)}$
$\Delta H_1 = -241.8\ \mathrm{kJ · mol^{-1}}$；
②$\mathrm{CH_4(g)} + 2\mathrm{O_2(g)} \longrightarrow 2\mathrm{H_2O(g)} + \mathrm{CO_2(g)}$
$\Delta H_2 = -802.3\ \mathrm{kJ · mol^{-1}}$；
③$\mathrm{Na(s)} + \frac{1}{2}\mathrm{O_2(g)} \longrightarrow \frac{1}{2}\mathrm{Na_2O_2(s)}$
$\Delta H_3 = -255.4\ \mathrm{kJ · mol^{-1}}$；
④$\mathrm{C(s, 石墨)} + \mathrm{O_2(g)} \longrightarrow \mathrm{CO_2(g)}$
$\Delta H_4 = -393.5\ \mathrm{kJ · mol^{-1}}$；
⑤$2\mathrm{Na(s)} + \mathrm{C(s, 石墨)} + \frac{3}{2}\mathrm{O_2(g)} \longrightarrow \mathrm{Na_2CO_3(s)}$
$\Delta H_5 = -1130.7\ \mathrm{kJ · mol^{-1}}$。
根据盖斯定律，由⑤×2－③×4－④×2 得：
$2\mathrm{Na_2O_2(s)} + 2\mathrm{CO_2(g)} \longrightarrow 2\mathrm{Na_2CO_3(s)} + \mathrm{O_2(g)}$。$\Delta H = \Delta H_5 × 2 - \Delta H_3 × 4 - \Delta H_4 × 2 = -452.8\ \mathrm{kJ · mol^{-1}}$。
由－①×②得：$2\mathrm{H_2O(g)} \longrightarrow 2\mathrm{H_2(g)} + \mathrm{O_2(g)}$
$\Delta H = -\Delta H × 2 = +483.6\ \mathrm{kJ · mol^{-1}}$。
根据盖斯定律，由①×4－②得：$\mathrm{CO_2(g)} + 4\mathrm{H_2(g)} \longrightarrow \mathrm{CH_4(g)} + 2\mathrm{H_2O(g)}$ $\Delta H = \Delta H_1 × 4 - \Delta H_2 = -164.9\ \mathrm{kJ · mol^{-1}}$。
根据以上分析可知，方案 2 涉及的反应均为吸热反应，需要提供能量来维持化学反应的进行，而方案 1、3 涉及的反应均为放热反应。
结论：方案 3 萨巴蒂尔反应可同时解决二氧化碳的清除问题，因此成为一种重要的载人航天器中氧气再生的方法。
3. 利用萨巴蒂尔反应再生氧气的大体流程如图所示：

答案： 1.$2\mathrm{Na_2O_2}+2\mathrm{CO_2}=2\mathrm{Na_2CO_3}+\mathrm{O_2}$ $2\mathrm{H_2O}\overset{通电}{=}2\mathrm{H_2}\uparrow+\mathrm{O_2}\uparrow$