Question

由我國自行研制的載人飛船“神舟七號”實現了中華民族的飛天夢想．為了飛船正常和穩定運行，且保證航天器座艙內容氣成分的穩定，科學家進行了大量的科學探索．
方法一：有的科學家提出“金屬過氧化物處理系統”，即不斷把座艙內的空氣通過盛有金屬過氧化物（以過氧化鈉為例）的容器，并把處理后的氣體充入座艙．
（1）有關反應的化學方程式是：

 

；

 

．
（2）若平均每名航天員每天消耗0.96kg氧氣，若以10天計算，每人至少消耗

 

kg過氧化鈉．
方法二：有的科學家根據電化學原理設計了航天器座艙內空氣更新系統，該系統結構示意圖如下：

（1）管道①把飛船座艙中含有較多二氧化碳的潮濕空氣通入A裝置N極室，該裝置可以為航天器提供電能，N極電極反應式為：

 

；二氧化碳被吸收后轉化為CO^2-₃離子，通過膈膜CO^2-₃離子進入M極室，最后二氧化碳與該極反應的產物作用而放出，并保持整個系統的pH穩定，則M極電極反應式為

 

．
（2）航天員的生活用水可以由A裝置提供，已知這種電池生成350g水時能發電1度（約3600kJ），能量的轉化效率為

 

．
已知：2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H=-572kJ?mol^-1
（3）管道②補充新鮮的氧氣，供航天員呼吸，這些氧氣來自B裝置電解水系統，X極的電極反應式

 

．

Answer 1

考點：電解原理

專題：電化學專題

分析：方法一：（1）宇航員呼出的二氧化碳與過氧化鈉反應，每44克二氧化碳會變為32克氧氣，宇航員呼出的水蒸氣與過氧化鈉反應，每36克水蒸氣會變為32克氧氣，能保持飛船座艙內空氣成分的穩定；
（2）若平均每名航天員每天消耗0.96kg氧氣，若以10天計算消耗氧氣9.6kg，依據化學方程式計算需要的氧氣；
方法二、（1）含CO₂的空氣通入“電化學CO₂處理系統”的N極室，N極上氧氣得電子為正極，M極上氫氣失去電子，氫離子與碳酸根離子反應生成二氧化碳和水；
（2）依據熱化學方程式結合題干條件計算能力轉化效率；
（3）由圖可知，Y極上氫離子得到電子生成氫氣，為陰極，而X極上氫氧根離子失去電子生成氧氣，電極反應為4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑；

解答： 解：方法一：（1）在長期載人太空飛行的宇航器中，每個宇航員平均每天需要消耗0.9kg氧氣，呼出1.0kg二氧化碳，為了能保持飛船座艙內空氣成分的穩定，不斷把座艙內的空氣通過盛有過氧化鈉的容器，此時宇航員呼出的二氧化碳與過氧化鈉反應，2Na₂O₂+CO₂=2Na₂CO₃+O₂，每44克二氧化碳會變為32克氧氣，宇航員呼出的水蒸氣與過氧化鈉反應，2Na₂O₂+2H₂O═4NaOH+O₂↑，每36克水蒸氣會變為32克氧氣，能保持飛船座艙內空氣成分的穩定；
故答案為：2CO₂+2Na₂O₂═2Na₂CO₃+O₂；2H₂O+2Na₂O₂═4NaOH+O₂
（2）若平均每名航天員每天消耗0.96kg氧氣，若以10天計算消耗氧氣9.6kg，計算得到需要過氧化鈉的質量為：
2Na₂O₂～O₂；
2×78   32
m       9.6kg
m=46.8kg；
故答案為：46.8；
方法二：：（1）含CO₂的空氣通入“電化學CO₂處理系統”的N極室，N極上氧氣得電子為正極，電極反應為：2H₂O+O₂+4e^-=4OH^-，吸收CO₂的離子方程式為2OH^-+CO₂=CO₃^2-+H₂O，M極上氫起失去電子，該電極反應為H₂+2e^-=2H⁺，氫離子與碳酸根離子反應生成二氧化碳和水，所以CO₂逸出的離子方程式為2H⁺+CO₃^2-=CO₂+H₂O，
故答案為：2H₂O+O₂+4e^-=4OH^-；H₂+2e^-=2H⁺；
（2）航天員的生活用水可以由A裝置提供，已知這種電池生成350g水時能發電1度（約3600kJ），2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H=-572kJ?mol^-1 ；理論上生成350g水依據熱化學方程式計算為，

350g×572KJ/mol

36g/mol

=5561KJ
能量的轉化效率=

3600KJ

5561KJ

×100%=64.7%
故答案為：64.7%
（3）由圖可知，Y極上氫離子得到電子生成氫氣，為陰極，而X極上氫氧根離子失去電子生成氧氣，電極反應為4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑（或2H₂O-4e^-=4H⁺+O₂↑），
故答案為：4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑；

點評：本題主要考查了堿金屬的重要化合物Na₂O₂，原電池原理的應用，電極反應和產物分析，注意把握題目信息，解題須具有一定的知識遷移能力，平時多注意培養，題目難度不大．