《2025年优化探究同步导学案高中化学选择性必修1人教版》

1. 请分析萨巴蒂尔反应有什么缺点?
提示:萨巴蒂尔反应有一个明显的缺陷，即有50％的氢元素存在于甲烷中而没有得到利用。

答案： 1.提示:萨巴蒂尔反应有一个明显的缺陷，即有50％的氢元素存在于甲烷中而没有得到利用。

2. 载人航天器中能量转化形式有哪些?
提示:

答案：
2.提示:

1. 如图是一种航天器能量储存系统原理示意图。
下列说法正确的是
(B)


A.二氧化硅是太阳能电池的光电转换材料
B.装置 X 能实现氢气和氧气再生
C.若装置 Y 中电解质溶液呈碱性，则正极的电极反应为$\mathrm{O_2} + 4\mathrm{H^+} + 4\mathrm{e^-} \longrightarrow 2\mathrm{H_2O}$
D.装置 X、Y 形成的子系统能实现物质的零排放，并能实现化学能与电能间的完全转化

答案： 1.B 硅是太阳能电池的光电转换材料，二氧化硅是光导纤维的主要成分，故A错误；根据图示可知装置X是电解池，电解水生成氢气和氧气，所以装置X能实现氢气和氧气再生，故B正确；氢氧燃料电池中正极上氧气得电子发生还原反应，装置Y中电解质溶液为碱性，所以正极的电极反应为$\mathrm{O_2}+2\mathrm{H_2O}+4\mathrm{e^-}=4\mathrm{OH^-}$，故C错误；化学能与电能间不可能完全转化，还有部分能量转化为其他形式的能量，所以装置X、Y形成的子系统能实现物质的零排放，但不能实现化学能与电能间的完全转化，故D错误。

2. 光电池在光照条件下可产生电压，如图所示装置可以实现光能的充分利用。双极膜复合层间的$\mathrm{H_2O}$能解离为$\mathrm{H^+}$和$\mathrm{OH^-}$，且双极膜能实现$\mathrm{H^+}$、$\mathrm{OH^-}$的定向通过。下列说法错误的是
(D)


A.该装置将光能最终转化为化学能并分解水
B.双极膜可控制其两侧溶液分别呈酸性和碱性
C.光照过程中阳极区溶液中的$n(\mathrm{OH^-})$基本不变
D.再生池中的反应为$2\mathrm{V^{2+}} + 2\mathrm{H_2O} \longrightarrow 2\mathrm{V^{3+}} + 2\mathrm{OH^-} + \mathrm{H_2} \uparrow$

答案： 2.D 在光照条件下光电池将光能转化为电能，电解池中电能又转化为化学能，由题图可知，电解过程中的总反应是$2\mathrm{H_2O}\overset{通电}{=}\mathrm{2H_2}\uparrow+\mathrm{O_2}\uparrow$，A项正确；双极膜复合层间的$\mathrm{H_2O}$能解离为$\mathrm{H^+}$和$\mathrm{OH^-}$，且双极膜能实现$\mathrm{H^+}$、$\mathrm{OH^-}$的定向通过，故双极膜可控制其两侧溶液分别呈酸性和碱性，B项正确；右侧电极反应为$4\mathrm{OH^-}-4\mathrm{e^-}=\mathrm{O_2}\uparrow+2\mathrm{H_2O}$，根据溶液呈电中性可知阳极放电消耗的$\mathrm{OH^-}$与从双极膜中进入右侧的$\mathrm{OH^-}$数目相等，则阳极区溶液中的$n(\mathrm{OH^-})$基本不变，C项正确；放电后溶液中含有$\mathrm{V^{2+}}$和$\mathrm{H^+}$，在催化剂作用下$\mathrm{H^+}$将$\mathrm{V^{2+}}$氧化为$\mathrm{V^{3+}}$，从而实现$\mathrm{V^{3+}}$的再生，即发生反应$2\mathrm{V^{2+}}+2\mathrm{H^+}\overset{催化剂}{=}\mathrm{2V^{3+}}+\mathrm{H_2}\uparrow$，D项错误。

3. (2023·北京人大附中高二检测)载人航天工程对科学研究及太空资源开发具有重要意义，载人航天器必须给航天员提供基本的生存条件，其中涉及氧气再生、二氧化碳清除、水处理以及食物供给等。
(1)氢氧燃料电池是短寿命载人航天器电源的一个合适的选择。如图是一种碱性氢氧燃料电池结构示意图。

①电池的正极是b(填“a”或“b”)，该极上发生的电极反应是$\mathrm{O_2}+4\mathrm{e^-}+2\mathrm{H_2O}=4\mathrm{OH^-}$。
②电池工作时产生的水会以水蒸气的形式被反应物气体带出，在出口加装冷凝器可以将水回收。冷凝器应装在出口c(填“c”或“d”)处。
③电池工作时，电解质溶液会因稀释及吸收$\mathrm{CO_2}$而变质，此时电解质溶液的 pH 将降低(填“升高”或“降低”)。通过循环泵可及时浓缩或更换变质的电解质溶液，维持电池的正常工作。
(2)我国自行研制的“神舟”飞船使用了镍镉蓄电池组，其充放电时发生的反应为$\mathrm{Cd} + 2\mathrm{NiOOH} + 2\mathrm{H_2O} \underset{ 充电}{\overset{ 放电}{\rightleftharpoons}} 2\mathrm{Ni(OH)_2} + \mathrm{Cd(OH)_2}$，其电池装置如图所示，阴离子交换膜两侧均注入$\mathrm{KOH}$溶液。

①下列对于该镍镉电池的分析正确的是AD(填字母)。
A. 图示中的电池应先充电后，再使用
B. 充电时，$\mathrm{OH^-}$从镍电极区迁移进入镉电极区
C. 放电时，镍电极为电池的负极，镉电极为电池的正极
D. 充电或放电一段时间后，两电极区溶液中$\mathrm{KOH}$的物质的量均未改变
②镍镉电池在充电时，镉电极上发生的电极反应为$\mathrm{Cd(OH)_2}+2\mathrm{e^-}=\mathrm{Cd}+2\mathrm{OH^-}$；当$\mathrm{Cd(OH)_2}$和$\mathrm{Ni(OH)_2}$耗尽后仍继续充电，则会在电极发生副反应而造成安全隐患，称为电池过充电。此时镉电极上将生成气体$\mathrm{H_2}$(填化学式)；镍电极上则会发生反应$4\mathrm{OH^-}-4\mathrm{e^-}=\mathrm{O_2}\uparrow+2\mathrm{H_2O}$(填电极反应)而产生$\mathrm{O_2}$。
(3)载人航天器中氧气的再生是一个重要环节。利用萨巴蒂尔反应可将人呼出的二氧化碳转化为甲烷和水，配合太阳能电解水可以实现氧气的再生(大体流程如图)。

已知：$2\mathrm{H_2(g)} + \mathrm{O_2(g)} \longrightarrow 2\mathrm{H_2O(g)}$
$\Delta H_1 = -483.6\ \mathrm{kJ/mol}$；
$\mathrm{CH_4(g)} + 2\mathrm{O_2(g)} \longrightarrow 2\mathrm{H_2O(g)} + \mathrm{CO_2(g)}$
$\Delta H_2 = -802.3\ \mathrm{kJ/mol}$。
萨巴蒂尔反应：$\mathrm{CO_2(g)} + 4\mathrm{H_2(g)} \longrightarrow \mathrm{CH_4(g)} + 2\mathrm{H_2O(g)}$
①萨巴蒂尔反应的焓变$\Delta H =$$-164.9\ \mathrm{kJ/mol}$。
②电解水装置中$\mathrm{O_2}$产生于阳(填“正”“阴”或“阳”)极。
③通过萨巴蒂尔反应器和电解水装置能否实现$\mathrm{H_2}$与$\mathrm{O_2}$的完全再生? 否(填“能”或“否”)

答案： 3.答案:
(1)①b $\mathrm{O_2}+4\mathrm{e^-}+2\mathrm{H_2O}=4\mathrm{OH^-}$ ②c ③降低
(2)①AD ②$\mathrm{Cd(OH)_2}+2\mathrm{e^-}=\mathrm{Cd}+2\mathrm{OH^-}$ $\mathrm{H_2}$ $4\mathrm{OH^-}-4\mathrm{e^-}=\mathrm{O_2}\uparrow+2\mathrm{H_2O}$
(3)①$-164.9\ \mathrm{kJ/mol}$ ②阳 ③否
解析:
(1)①由图可知，电极b通入氧气，氧气得到电子，发生还原反应，则电极b为正极；电极反应为$\mathrm{O_2}+4\mathrm{e^-}+2\mathrm{H_2O}=4\mathrm{OH^-}$；
②由图可知，在电极a处通入氢气，电极反应为$\mathrm{H_2}+2\mathrm{OH^-}+2\mathrm{e^-}=2\mathrm{H_2O}$，则水从c口回收；
③电解质溶液会因稀释及吸收$\mathrm{CO_2}$而变质，则会导致溶液中氢氧根离子浓度降低，则溶液的pH降低。
(2)①电池组装时，Cd和Ni电极固定，$\mathrm{Cd(OH)_2}$和$\mathrm{Ni(OH)_2}$浓度较大，所以开始时应先充电，再使用，A正确；根据方程式$\mathrm{Cd}+2\mathrm{NiOOH}+2\mathrm{H_2O}\overset{放电}{\underset{充电}{\rightleftharpoons}}2\mathrm{Ni(OH)_2}+\mathrm{Cd(OH)_2}$可知，充电时，Cd电极为阴极，Ni电极为阳极，充电时氢氧根离子向阳极移动，即$\mathrm{OH^-}$向Ni电极移动，B错误；根据方程式$\mathrm{Cd}+2\mathrm{NiOOH}+2\mathrm{H_2O}\overset{放电}{\underset{充电}{\rightleftharpoons}}2\mathrm{Ni(OH)_2}+\mathrm{Cd(OH)_2}$，放电时，Cd为负极，Ni为正极，C错误；根据总方程式$\mathrm{Cd}+2\mathrm{NiOOH}+2\mathrm{H_2O}\overset{放电}{\underset{充电}{\rightleftharpoons}}2\mathrm{Ni(OH)_2}+\mathrm{Cd(OH)_2}$可知，该反应没有氢氧根离子参与反应，则充电或放电一段时间后，两电极区溶液中KOH的物质的量均未改变，D正确；
②充电时，镉电极发生还原反应，电极反应为$\mathrm{Cd(OH)_2}+2\mathrm{e^-}=\mathrm{Cd}+2\mathrm{OH^-}$；充电时，Cd电极为阴极，则电池过充电后，继续充电的电极反应为$2\mathrm{H_2O}+2\mathrm{e^-}=\mathrm{H_2}\uparrow+2\mathrm{OH^-}$，故生成的气体为$\mathrm{H_2}$；此时镍电极为阳极，电极反应为$4\mathrm{OH^-}-4\mathrm{e^-}=\mathrm{O_2}\uparrow+2\mathrm{H_2O}$。
(3)①设反应Ⅰ$2\mathrm{H_2(g)}+\mathrm{O_2(g)}=2\mathrm{H_2O(g)}$；反应Ⅱ$\mathrm{CH_4(g)}+2\mathrm{O_2(g)}=2\mathrm{H_2O(g)}+\mathrm{CO_2(g)}$，反应Ⅲ$\mathrm{CO_2(g)}+4\mathrm{H_2(g)}=\mathrm{CH_4(g)}+2\mathrm{H_2O(g)}$，则根据盖斯定律可知，Ⅲ$=2×$Ⅰ$-Ⅱ$，则$\Delta H=2×(-483.6\ \mathrm{kJ/mol})-(-802.3\ \mathrm{kJ/mol})=-164.9\ \mathrm{kJ/mol}$；
②电解水装置中，阳极水中的-2价氧原子失去电子生成氧气；
③否，萨巴蒂尔反应器和电解水装置中发生的两个反应可以实现氧气的再生，但有50％的氢元素存在于甲烷中而没有得到利用，即不能实现$\mathrm{H_2}$的完全再生。