資源簡介

(共22張PPT)
反應(yīng)熱的計算
2020年6月23日9時43分，長征三號乙運載火箭搭載著北斗三號衛(wèi)星系統(tǒng)的第30顆衛(wèi)星，在西昌點火升空，標(biāo)志著我國自主建設(shè)、獨立運行的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)完成全球組網(wǎng)部署。
資料
火箭發(fā)動機(jī)一般選用化學(xué)推進(jìn)劑，它是由燃料和氧化劑組成的，反應(yīng)后產(chǎn)生高溫氣體用于火箭推進(jìn)。
古代火箭
問題的提出
黑火藥
中國古代四大發(fā)明之一
最原始的復(fù)合固體推進(jìn)劑
成分：木炭、硝酸鉀、硫黃
如何獲得火箭推進(jìn)劑燃燒時的反應(yīng)熱呢?
現(xiàn)代火箭
問題的提出
液體推進(jìn)劑
固體推進(jìn)劑
固液混合推進(jìn)劑
反應(yīng)熱測定裝置
有些反應(yīng)熱無法通過實驗直接測定
實驗測定
C(s)
+
O2(g)
CO(g)
ΔH
=?
難以控制反應(yīng)的程度
不能直接測定反應(yīng)熱
法國科學(xué)家拉瓦錫和拉普拉斯設(shè)計了一個簡單的冰量熱計，利用被融化的冰的重量來測定反應(yīng)熱。
拉瓦錫
拉普拉斯
反應(yīng)熱研究簡史
H2SO4
H2SO4·H2O
H2SO4·2H2O
H2SO4·3H2O
G.H.Hess,
1802-1850
ΔH1
ΔH2
ΔH3
ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3
化學(xué)家蓋斯改進(jìn)了拉瓦錫和拉普拉斯的冰量熱計，從而較為準(zhǔn)確地測量了許多化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)。通過大量實驗，蓋斯發(fā)現(xiàn)：
反應(yīng)熱研究簡史
ΔH
蓋斯定律
一個化學(xué)反應(yīng)，不管是一步完成的還是分幾步完成的，其反應(yīng)熱是相同的。
即：在一定條件下，化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱只與反應(yīng)體系的始態(tài)和終態(tài)有關(guān)，而與反應(yīng)進(jìn)行的途徑無關(guān)。
h
=
300
m
始態(tài)
終態(tài)
反應(yīng)熱
蓋斯定律
ΔH1
ΔH2
ΔH2=
?ΔH1
蓋斯定律的提出，為反應(yīng)熱的研究提供了極大的方便，使一些不易測定或無法測定的化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱可以通過推算間接求得。
蓋斯定律
任務(wù)一
C(s)
+
O2(g)
CO(g)
ΔH
=?
CO2(g)
C(s)
+
O2(g)
CO(g)
+
O2(g)
ΔH2
ΔH3=?
ΔH1
路徑I
路徑II
ΔH1
=
ΔH2
+
ΔH3
ΔH3
=
ΔH1
?
ΔH2
=
?393.5
kJ/mol
?
(?283.0
kJ/mol)
=
?110.5
kJ/mol
思路1：虛擬路徑法
物質(zhì)
燃燒熱
ΔH
(kJ/mol)
C(s)
?393.5
CO(g)
?283.0
思路2：代數(shù)運算法
C(s)
+
O2(g)
CO2(g)
ΔH1
=
?393.5
kJ/mol
+)
CO2(g)
CO(g)
+
O2(g)
ΔH2′
=
?ΔH2
=
+283.0
kJ/mol
ΔH3
=
ΔH1
?
ΔH2=
?110.5
kJ/mol
任務(wù)一
C(s)
+
O2(g)
CO(g)
ΔH
=?
已知
①
C(s)
+
O2(g)
CO2(g)
ΔH1=
?393.5
kJ/mol
②
CO(g)
+
O2(g)
CO2(g)
ΔH2=
?283.0
kJ/mol
未知反應(yīng)：
C(s)
+
O2(g)
CO(g)
未知反應(yīng)
設(shè)計合理反應(yīng)路徑
核心：實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化
求算反應(yīng)熱
已知反應(yīng)
運用蓋斯定律求算反應(yīng)熱的一般思路：
長征三號乙布局結(jié)構(gòu)
“長征三號乙”運載火箭先后發(fā)射過三十多顆北斗衛(wèi)星
可進(jìn)行一箭多星發(fā)射
是我國執(zhí)行衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)的主力火箭
液氫-液氧推進(jìn)劑
偏二甲肼-四氧化二氮推進(jìn)劑
任務(wù)二
寫出偏二甲肼-四氧化二氮推進(jìn)劑
燃燒的熱化學(xué)方程式。
C2H8N2(l)
+
4NO2(g)
2CO2(g)
+
3N2(g)
+
4H2O
(g)
ΔH1
2NO2(g)
N2O4(l)
ΔH2
C2H8N2(l)
+
2N2O4(l)
2CO2(g)
+
3N2(g)
+
4H2O
(g)
【資料】火箭推進(jìn)劑用偏二甲肼（C2H8N2，l）作燃料，N2O4（l）作氧化劑時，反應(yīng)生成CO2、N2和水蒸氣。已知：
C2H8N2(l)
+
4NO2(g)
2CO2(g)
+
3N2(g)
+
4H2O
(g)
ΔH1
2NO2(g)
N2O4(l)
ΔH2
2CO2(g)
+
3N2(g)
+
4H2O
(g)
C2H8N2(l)
+
4NO2(g)
C2H8N2(l)
+
2N2O4(l)
ΔH=?
ΔH1
2×ΔH2
ΔH1=
2ΔH2
+
ΔH
ΔH=ΔH1?2ΔH2
C2H8N2(l)
+
2N2O4(l)
2CO2(g)
+
3N2(g)
+
4H2O
(g)
任務(wù)二
寫出偏二甲肼-四氧化二氮推進(jìn)劑
燃燒的熱化學(xué)方程式。
C2H8N2(l)
+
4NO2(g)
2CO2(g)
+
3N2(g)
+
4H2O
(g)
ΔH1
+)
2N2O4(l)
4NO2(g)
?2ΔH2
C2H8N2(l)
+
4NO2(g)
2CO2(g)
+
3N2(g)
+
4H2O
(g)
ΔH1
2NO2(g)
N2O4(l)
ΔH2
C2H8N2(l)
+
2N2O4(l)
2CO2(g)
+
3N2(g)
+
4H2O
(g)
ΔH=ΔH1?2ΔH2
運用蓋斯定律計算反應(yīng)熱
任務(wù)二
寫出偏二甲肼-四氧化二氮推進(jìn)劑
燃燒的熱化學(xué)方程式。
任務(wù)三
H2(g)的燃燒熱ΔH=
?285.8
kJ/mol，要計算
液氫-液氧推進(jìn)劑反應(yīng)生成氣態(tài)水的熱效應(yīng)，
還需哪些變化過程的ΔH?
H2O
(l)
H2O
(g)
H2(g)
+
O2(g)
H2(l)
+
O2(l)
ΔH1=?
ΔH4
ΔH3
ΔH2
未知反應(yīng)
已知反應(yīng)
物態(tài)變化
物態(tài)變化
基于能量利用需求設(shè)計轉(zhuǎn)化路徑
路徑I
路徑II
需要液氫、液氧和水氣化的熱效應(yīng)
ΔH1=
(+0.92+6.84×?285.8+44.0)?kJ/mol
=
?237.46
kJ/mol
?
285.8
kJ/mol
已知：H2(l)
H2(g)　
ΔH=
+
0.92?kJ/mol
O2(l)
O2(g)　
ΔH=
+
6.84?kJ/mol
H2O
(l)
H2O
(g)
ΔH=
+
44.0?kJ/mol
H2O
(l)
H2O
(g)
H2(g)
+
O2(g)
H2(l)
+
O2(l)
ΔH1=?
ΔH4
ΔH3
ΔH2
活動1
ΔH1
=
ΔH3
+ΔH2
+ΔH4
活動2
火箭荷載的絕大部分質(zhì)量來自于推進(jìn)劑，產(chǎn)生同樣推力所需要的推進(jìn)劑質(zhì)量越小，火箭的荷載就越低。
計算每克液氫-液氧推進(jìn)劑恰好完全反應(yīng)釋放的熱量。H2(l)
+
O2(l)
H2O(g)
ΔH
=
?237.46
kJ/mol
1
mol×2
g/mol
+
0.5
mol×32g/mol
=
18
g
∴每克推進(jìn)劑恰好完全反應(yīng)放出熱量
=
13.19
kJ/g
根據(jù)熱化學(xué)方程式計算反應(yīng)熱
常見火箭推進(jìn)劑
液氫-液氧
偏二甲肼-
四氧化二氮
煤油-液氧
甲烷-液氧
優(yōu)點
環(huán)境友好
高能無毒
來源廣泛
常溫燃料
運輸簡單
耐沖擊、耐摩擦
成本低廉
無毒無害
無毒無害
不易結(jié)焦積碳
缺點
價格較高
低溫貯存較難
燃料占空間大
有毒性
有腐蝕性
污染環(huán)境
液氧需低溫貯存
燃燒易結(jié)焦積碳
脫硫成本高
低溫貯存
燃料占空間大
如何獲得火箭推進(jìn)劑燃燒時的反應(yīng)熱?

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