資源簡(jiǎn)介

研究與實(shí)踐課
第一章 化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)
第3課時(shí) 了解火箭推進(jìn)劑
【研究目的】
火箭推進(jìn)劑在航天和軍事等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。通過(guò)查閱資料，了解火箭推進(jìn)劑的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀及趨勢(shì)，感受火箭推進(jìn)劑的發(fā)展對(duì)人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步的促進(jìn)作用，體會(huì)化學(xué)反應(yīng)中能量變化的重要價(jià)值
【學(xué)習(xí)活動(dòng)】
研究任務(wù)
2021 年 9 月 7 日 11 時(shí) 01 分，長(zhǎng)征四號(hào)丙遙四十運(yùn)載火箭在太原衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火升空，成功將高光譜觀測(cè)衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，本次發(fā)射的高光譜觀測(cè)衛(wèi)星投入使用后可對(duì)內(nèi)陸水體、陸表生態(tài)環(huán)境、蝕變礦物、農(nóng)作物、森林植被等地物目標(biāo)，以及大氣污染氣體、溫室氣體 、PM2.5等環(huán)境和氣象要素進(jìn)行全球、長(zhǎng)期、定量和綜合觀測(cè)，有效提升我國(guó)高光譜綜合觀測(cè)能力。 該系列火箭各級(jí)全部使用四氧化二氮和偏二甲阱作推進(jìn)劑。 （1）了解火箭推進(jìn)劑的發(fā)展歷史。 提示：火箭燃料發(fā)展歷史按火箭的第一級(jí)燃料分為4代。 第1代：火藥，就像節(jié)日放的沖天炮，人工降雨用的小火箭。 第2代：燃料：偏二甲肼。氧化劑是四氧化二氮。特點(diǎn)：技術(shù)成熟，價(jià)格低廉，但是有劇毒。 第3代：燃料：煤油。氧化劑是液態(tài)氧。特點(diǎn)：無(wú)毒，性能高，燃料密度高，火箭直徑比較小，技術(shù)成熟，價(jià)格低廉。 第4代 ：燃料：液態(tài)氫。氧化劑是液態(tài)氧。特點(diǎn)：無(wú)毒，性能奇高。 （2）了解我國(guó)目前常用的火箭推進(jìn)劑的類(lèi)型、成分和特點(diǎn) 提示：目前，火箭推進(jìn)劑主要有三種類(lèi)型： 液體推進(jìn)劑、固體推進(jìn)劑和混合型推進(jìn)劑。 ①液體推進(jìn)劑 液體推進(jìn)劑，比較常用的有：四氧化二氮—肼類(lèi)(偏二甲肼，一甲基肼，肼)，液氧－煤油，液氫－液氧等。 四氧化二氮－肼類(lèi)推進(jìn)劑被廣泛使用，特點(diǎn)是可在室溫下儲(chǔ)存，技術(shù)成熟，可靠性高。但其燃燒效率比較低且有毒污染環(huán)境。液氧－煤油推進(jìn)劑作為常溫推進(jìn)劑，使用方便，安全性好，且價(jià)格便宜。液氫－液氧推進(jìn)劑這種組合是當(dāng)前最有潛力的組合，其燃燒效率很高，清潔無(wú)污染。但是價(jià)格昂貴，儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加注、發(fā)動(dòng)機(jī)制造都要求更高。 ②固體推進(jìn)劑 固體推進(jìn)劑是燃料和氧化劑的混合體。固體推進(jìn)劑有聚氨酯、聚丁二烯、端羥基聚丁二烯、硝酸酯增塑聚醚等。固體推進(jìn)劑火箭主要的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低，使用非常安全，瞬間的爆發(fā)推力巨大，缺點(diǎn)是推力無(wú)法調(diào)節(jié)并且推進(jìn)效率低。 ③混合推進(jìn)劑 混合推進(jìn)劑是液體和固體推進(jìn)劑的混合體。它能夠像液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)那樣進(jìn)行推力調(diào)節(jié)，系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單。但混合推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃速低，燃燒不均勻，效率低。 （3）火箭推進(jìn)劑的發(fā)展趨勢(shì)。 提示：隨著航天技術(shù)的不斷進(jìn)步，人類(lèi)航天事業(yè)蓬勃發(fā)展，在當(dāng)前環(huán)保壓力和經(jīng)濟(jì)效益的雙重背景下，提出了綠色推進(jìn)劑的概念。所謂綠色推進(jìn)劑，其主要界定標(biāo)準(zhǔn)有：(1)生產(chǎn)原料安全無(wú)毒，生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程中不對(duì)人員和環(huán)境造成危害；(2)生產(chǎn)過(guò)程不產(chǎn)生有害物質(zhì)，燃燒反應(yīng)無(wú)毒無(wú)害，可回收再利用。 【結(jié)果與討論】 （1）選取自己感興趣的方向進(jìn)行研究并撰寫(xiě)研究報(bào)告，與同學(xué)交流和討論 （2）通過(guò)研究，同學(xué)們得到什么啟示？ 提示：通過(guò)研究，我們可以感受到火箭推進(jìn)劑的發(fā)展對(duì)人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步起到巨大的推動(dòng)作用，體會(huì)到化學(xué)反應(yīng)中能量變化的重要價(jià)值，更加堅(jiān)定我們學(xué)好化學(xué)的信心。 【理論與應(yīng)用】 1.目前火箭推進(jìn)劑中較普遍的組合是肼(N2H4)和N2O4，兩者反應(yīng)生成N2和水蒸氣，回答下列問(wèn)題： ①2O2(g)＋N2(g)===N2O4(l)　ΔH1＝＋8.7 kJ·mol－1 ②N2(g)＋2H2(g)===N2H4(l)　ΔH2＝＋50.6 kJ·mol－1 ③O2(g)＋2H2(g)===2H2O(g)　ΔH3＝－483.6 kJ·mol－1 （1）則N2H4和N2O4反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為_(kāi)_______________________________。 （2）N2H4和N2O4可作為火箭推進(jìn)劑的主要原因?yàn)?_________________________。 （3）試用化學(xué)反應(yīng)能量圖表示該反應(yīng)過(guò)程中能量的變化。 （4）已知相關(guān)反應(yīng)的化學(xué)鍵鍵能數(shù)據(jù)如下表所示： 化學(xué)鍵N—HN—NN≡NO—HE/(kJ·mol－1)390190946460
則使1 mol N2O4(g)分子中化學(xué)鍵完全斷裂時(shí)需要吸收的能量是________。 （5）有人認(rèn)為若用氟氣代替四氧化二氮作氧化劑，反應(yīng)釋放的能量更大(兩者反應(yīng)生成氮?dú)夂头瘹錃怏w)。已知： Ⅰ、N2H4(l)＋O2(g)===N2(g)＋2H2O(g) ΔH＝－534.0 kJ·mol－1 Ⅱ、H2(g)＋F2(g)===HF(g)　ΔH＝－269.0 kJ·mol－1 Ⅲ、H2(g)＋O2(g)===H2O(g)　ΔH＝－242.0 kJ·mol－1 ①請(qǐng)寫(xiě)出肼和氟氣反應(yīng)的熱化學(xué)方程式： 。 ②盡管氟氣與肼反應(yīng)釋放的能量更大，但是氟氣至今未被應(yīng)用在火箭上，主要的原因是 。 （6）通過(guò)查閱資料，說(shuō)明肼作推進(jìn)劑的缺點(diǎn)主要有哪些？ 參考答案：（1）2N2H4(l)＋N2O4(l)===3N2(g)＋4H2O(g)　ΔH＝－1077.1 kJ·mol－1 （2）聯(lián)氨和N2O4反應(yīng)釋放出大量熱、產(chǎn)物無(wú)污染、產(chǎn)生大量氣體等 （3） （4）1 940.9 （5）N2H4(l)＋2F2(g)===N2(g)＋4HF(g)　ΔH＝－1 126.0 kJ·mol－1 氟和氟化物有很強(qiáng)的毒性 （6）劇毒、熱穩(wěn)定性比較差 解析：（1）根據(jù)蓋斯定律，由③×2－②×2－①得：2N2H4(l)＋N2O4(l)===3N2(g)＋4H2O(g)　ΔH＝－1077.1 kJ·mol－1。 （4）假設(shè)1 mol N2O4(g)分子中化學(xué)鍵完全斷裂時(shí)需要吸收的能量為x kJ，ΔH＝2×(190 kJ＋390 kJ×4)＋x kJ－946 kJ×3－460 kJ×8＝－1 077.1 kJ，解得x＝1 940.9。 （5）根據(jù)蓋斯定律，由①＋②×4－③×2得：N2H4(l)＋2F2(g)===N2(g)＋4HF(g)ΔH＝－1 126.0 kJ·mol－1。 2.（1）在發(fā)射“神舟”十一號(hào)的火箭推進(jìn)器中裝有肼(N2H4)和過(guò)氧化氫，當(dāng)兩者混合時(shí)即產(chǎn)生氣體，并放出大量的熱。 ①已知下列各物質(zhì)反應(yīng)的熱化學(xué)方程式： Ⅰ、N2H4(g)＋O2(g)===N2(g)＋2H2O(g) ΔH1＝－533.23 kJ·mol－1 Ⅱ、H2O(g)===H2O(l)　ΔH2＝－44 kJ·mol－1 Ⅲ、2H2O2(l)===2H2O(l)＋O2(g) ΔH3＝－196.4 kJ·mol－1 則聯(lián)氨與過(guò)氧化氫反應(yīng)的熱化學(xué)方程式可表示為 。 ②此反應(yīng)用于火箭推進(jìn)，除釋放大量熱和快速產(chǎn)生大量氣體外，還有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)是 。 （2）“嫦娥二號(hào)”衛(wèi)星使用液態(tài)四氧化二氮和液態(tài)偏二甲肼(C2H8N2)作推進(jìn)劑。N2O4與偏二甲肼燃燒產(chǎn)物只有CO2(g)、H2O(g)、N2(g)，并放出大量熱，已知10.0 g液態(tài)偏二甲肼與液態(tài)四氧化二氮完全燃燒可放出425 kJ熱量，該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為_(kāi)_______________________________________。 （3）液氫液氧——火箭燃料的皇冠，2020年12月22日，我國(guó)自主研制的新一代中型運(yùn)載火箭長(zhǎng)征八號(hào)首次飛行試驗(yàn)，該火箭采用無(wú)毒無(wú)污染推進(jìn)劑，以液氫、液氧為推進(jìn)劑，燃燒后生成的是水，真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)毒無(wú)污染零排放，是一支環(huán)保“綠箭”。已知： ①H2(g)===H2(l)　ΔH＝－0.92 kJ·mol－1 ②O2(g)===O2(l)　ΔH＝－6.84 kJ·mol－1 ③H2O(l)===H2O(g)　ΔH＝＋44.0 kJ·mol－1 ④H2(g)＋O2(g)===H2O(l)　ΔH＝－285.8 kJ·mol－1 請(qǐng)寫(xiě)出液氫和液氧生成氣態(tài)水的熱化學(xué)方程式： ____________________________。 參考答案：（1）①N2H4(g)＋2H2O2(l)===N2(g)＋4H2O(g) 　ΔH＝－641.63 kJ·mol－1　 ②產(chǎn)物不會(huì)造成環(huán)境污染 （2）C2H8N2(l)＋2N2O4(l)===2CO2(g)＋4H2O(g)＋3N2(g)　ΔH＝－2 550.0 kJ·mol－1 （3）H2(l)＋O2(l)===H2O(g)　ΔH＝－237.46 kJ·mol－1 解析：（1）根據(jù)蓋斯定律，將反應(yīng)Ⅰ+Ⅲ-2×Ⅱ可得目標(biāo)反應(yīng)化學(xué)方程式,可得N2H4(g)＋2H2O2(l)===N2(g)＋4H2O(g) 　ΔH＝－641.63 kJ·mol－1。 （2）N2O4與偏二甲肼反應(yīng)的產(chǎn)物為CO2、N2和氣態(tài)水，1 mol C2H8N2(l)與N2O4(l)完全燃燒放出的熱量為×60 g＝2 550.0 kJ。該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為C2H8N2(l)＋2N2O4(l)===2CO2(g)＋4H2O(g)＋3N2(g)　ΔH＝－2 550.0 kJ·mol－1。 （3）根據(jù)蓋斯定律，將反應(yīng)①－②－③×＋④可得目標(biāo)反應(yīng)化學(xué)方程式，其反應(yīng)熱ΔH＝ΔH1－ΔH2－ΔH3×＋ΔH4＝－237.46 kJ·mol－1。
2研究與實(shí)踐課
第一章 化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)
第3課時(shí) 了解火箭推進(jìn)劑
【研究目的】
火箭推進(jìn)劑在航天和軍事等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。通過(guò)查閱資料，了解火箭推進(jìn)劑的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀及趨勢(shì)，感受火箭推進(jìn)劑的發(fā)展對(duì)人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步的促進(jìn)作用，體會(huì)化學(xué)反應(yīng)中能量變化的重要價(jià)值
【學(xué)習(xí)活動(dòng)】
研究任務(wù)
2021 年 9 月 7 日 11 時(shí) 01 分，長(zhǎng)征四號(hào)丙遙四十運(yùn)載火箭在太原衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火升空，成功將高光譜觀測(cè)衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，本次發(fā)射的高光譜觀測(cè)衛(wèi)星投入使用后可對(duì)內(nèi)陸水體、陸表生態(tài)環(huán)境、蝕變礦物、農(nóng)作物、森林植被等地物目標(biāo)，以及大氣污染氣體、溫室氣體 、PM2.5等環(huán)境和氣象要素進(jìn)行全球、長(zhǎng)期、定量和綜合觀測(cè)，有效提升我國(guó)高光譜綜合觀測(cè)能力。 該系列火箭各級(jí)全部使用四氧化二氮和偏二甲阱作推進(jìn)劑。 （1）了解火箭推進(jìn)劑的發(fā)展歷史。 （2）了解我國(guó)目前常用的火箭推進(jìn)劑的類(lèi)型、成分和特點(diǎn) （3）火箭推進(jìn)劑的發(fā)展趨勢(shì)。 【結(jié)果與討論】 （1）選取自己感興趣的方向進(jìn)行研究并撰寫(xiě)研究報(bào)告，與同學(xué)交流和討論 （2）通過(guò)研究，同學(xué)們得到什么啟示？ 【理論與應(yīng)用】 1.目前火箭推進(jìn)劑中較普遍的組合是肼(N2H4)和N2O4，兩者反應(yīng)生成N2和水蒸氣，回答下列問(wèn)題： ①2O2(g)＋N2(g)===N2O4(l)　ΔH1＝＋8.7 kJ·mol－1 ②N2(g)＋2H2(g)===N2H4(l)　ΔH2＝＋50.6 kJ·mol－1 ③O2(g)＋2H2(g)===2H2O(g)　ΔH3＝－483.6 kJ·mol－1 （1）則N2H4和N2O4反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為_(kāi)_______________________________。 （2）N2H4和N2O4可作為火箭推進(jìn)劑的主要原因?yàn)?_________________________。 （3）試用化學(xué)反應(yīng)能量圖表示該反應(yīng)過(guò)程中能量的變化。 （4）已知相關(guān)反應(yīng)的化學(xué)鍵鍵能數(shù)據(jù)如下表所示： 化學(xué)鍵N—HN—NN≡NO—HE/(kJ·mol－1)390190946460
則使1 mol N2O4(g)分子中化學(xué)鍵完全斷裂時(shí)需要吸收的能量是________。 （5）有人認(rèn)為若用氟氣代替四氧化二氮作氧化劑，反應(yīng)釋放的能量更大(兩者反應(yīng)生成氮?dú)夂头瘹錃怏w)。已知： Ⅰ、N2H4(l)＋O2(g)===N2(g)＋2H2O(g) ΔH＝－534.0 kJ·mol－1 Ⅱ、H2(g)＋F2(g)===HF(g)　ΔH＝－269.0 kJ·mol－1 Ⅲ、H2(g)＋O2(g)===H2O(g)　ΔH＝－242.0 kJ·mol－1 ①請(qǐng)寫(xiě)出肼和氟氣反應(yīng)的熱化學(xué)方程式： 。 ②盡管氟氣與肼反應(yīng)釋放的能量更大，但是氟氣至今未被應(yīng)用在火箭上，主要的原因是 。 （6）通過(guò)查閱資料，說(shuō)明肼作推進(jìn)劑的缺點(diǎn)主要有哪些？ 2.（1）在發(fā)射“神舟”十一號(hào)的火箭推進(jìn)器中裝有肼(N2H4)和過(guò)氧化氫，當(dāng)兩者混合時(shí)即產(chǎn)生氣體，并放出大量的熱。 ①已知下列各物質(zhì)反應(yīng)的熱化學(xué)方程式： Ⅰ、N2H4(g)＋O2(g)===N2(g)＋2H2O(g) ΔH1＝－533.23 kJ·mol－1 Ⅱ、H2O(g)===H2O(l)　ΔH2＝－44 kJ·mol－1 Ⅲ、2H2O2(l)===2H2O(l)＋O2(g) ΔH3＝－196.4 kJ·mol－1 則聯(lián)氨與過(guò)氧化氫反應(yīng)的熱化學(xué)方程式可表示為 。 ②此反應(yīng)用于火箭推進(jìn)，除釋放大量熱和快速產(chǎn)生大量氣體外，還有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)是 。 （2）“嫦娥二號(hào)”衛(wèi)星使用液態(tài)四氧化二氮和液態(tài)偏二甲肼(C2H8N2)作推進(jìn)劑。N2O4與偏二甲肼燃燒產(chǎn)物只有CO2(g)、H2O(g)、N2(g)，并放出大量熱，已知10.0 g液態(tài)偏二甲肼與液態(tài)四氧化二氮完全燃燒可放出425 kJ熱量，該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為_(kāi)_______________________________________。 （3）液氫液氧——火箭燃料的皇冠，2020年12月22日，我國(guó)自主研制的新一代中型運(yùn)載火箭長(zhǎng)征八號(hào)首次飛行試驗(yàn)，該火箭采用無(wú)毒無(wú)污染推進(jìn)劑，以液氫、液氧為推進(jìn)劑，燃燒后生成的是水，真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)毒無(wú)污染零排放，是一支環(huán)保“綠箭”。已知： ①H2(g)===H2(l)　ΔH＝－0.92 kJ·mol－1 ②O2(g)===O2(l)　ΔH＝－6.84 kJ·mol－1 ③H2O(l)===H2O(g)　ΔH＝＋44.0 kJ·mol－1 ④H2(g)＋O2(g)===H2O(l)　ΔH＝－285.8 kJ·mol－1 請(qǐng)寫(xiě)出液氫和液氧生成氣態(tài)水的熱化學(xué)方程式： ____________________________。
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