(共13张PPT)
火箭推进剂的发展史
——人类的进步史
第一章 化学反应的热效应
一、情境创设
资料：早在公元1世纪我国古代的人们就发现在中空的竹筒里塞满由硝石（主要成分硝酸钾）、硫黄和木炭粉组成的基本燃料，点燃可以产生绚烂的烟花。后来这一原理应用于军事上，就形成了火箭的雏形，因此世界公认是中国创造了最早的火箭。
硝石、硫黄和木炭粉是最早的推进剂，燃烧后的产物主要是K2S和N2等，你能用化学语言表示出反应原理并图示表示热量的变化吗？
S+2KNO3+3C K2S+N2↑+3CO2↑
点燃
焓（H）
反应进程
反应物
生成物
放热反应
反应物的焓>生成物的焓
氧化还原反应 放热反应
二、理论与实际分析：火箭推进剂的选择
资料：虽然古代烟花升空的高度有限，但是仍强烈激发了人们的研究热情。自三国时期起，我国史书上就有了“火箭”的记载，南宋时期则发明了真正由火箭喷射推进的喷气火箭。
如果你是一位科技工作者，要使火箭飞得更高，真正能投入使用，选用的火箭推进剂应该具备哪些特点（火箭的燃料和氧化剂统称为火箭的推进剂）？
燃烧放热多
易获取
运输与储存方便
原料与产物安全
污染少
......
二、理论与实际分析：火箭推进剂的选择
资料：1903年一位研究者提出了一个现在被成为“火箭方程”的早期版本，火箭方程列出燃料和速度之间的关系是指数级的，而非线性关系。如果你想让火箭的速度增加一倍，简单地增加一倍燃料是不行的，而且，增加燃料也会使火箭的体积增大，所以，简单通过增加燃料的方法无法让火箭飞得更高，推进剂的研究方向转为寻找更高效的燃料。
资料：随着资料的不断深入，世界上一些国家先后研制出复合推进剂，复合推进剂由氧化剂（如高氯酸铵）、还原剂（如铝粉、镁粉、沥青）等和一些起到其他作用的物质组成。这种推进剂中的高氯酸铵分解产生的Cl2、O2将铝粉或镁粉等氧化，录用氧化时放出热量较多且快速的特点，经过系列变化最终推动火箭升空。
二、理论与实际分析：火箭推进剂的选择
已知：54g铝粉完全燃烧生成固态的Al2O3时可放出1645.8kJ的热量，1mol碳粉完全燃烧生成气态二氧化碳放出的热量是393.5kJ，写出这两个反应燃烧热的热化学方程式，并比较相同的铝粉和碳粉放出热量的多少。
Al(s)+Al2O3(s) H=-822.9kJ/mol
1g铝粉放出热量30.5kJ
C(s)+CO(s) H=-393.5kJ/mol
1g碳粉放出热量32.8kJ
二、理论与实际分析：火箭推进剂的选择
资料：罗伯特·戈达德受另一位科幻作家HG·威尔斯的启发，独立开发了自己的火箭方程。他还确定，固体火箭燃料燃烧太不均匀，无法精确控制。1926年3月16日，戈达德在马萨诸塞州的奥本成功发射了历史上首枚液体燃料火箭。这枚火箭采用液氧/汽油作为推进剂。汽油和氧（尤其是气态氧）取材方便，成本较低，缺点是比冲低。由此比冲稿的液体推进剂取代固体推进剂成为火箭推进剂的另一个研究方向。
比冲：单位推进剂所产生的冲量，是用于衡量火箭或飞机发动机效率的重要物理参数。比冲相差10%则运载能力相差30%。
二、理论与实际分析：火箭推进剂的选择
比冲：单位推进剂所产生的冲量，是用于衡量火箭或飞机发动机效率的重要物理参数。比冲相差10%则运载能力相差30%。
氧化剂 燃料 混合比 真空比冲（s）
液氧 煤油 3.07 367.2
液氧 92%酒精 1.73 357.1
90%过氧化氢 煤油 7.24 319.2
四氧化二氮 偏二甲肼 2.64 347.2
四氧化二氮 肼 1.29 349.5
液氧 液氢 6 463.4
液氧 甲烷 3.5 379.0
在推力室压力10Mpa，喷管扩张比70条件下的测算结果
长征五号运载火箭
？
二、理论与实际分析：火箭推进剂的选择
反应II
反应I
太阳能
H2SO4
O2
SO2
H2O
反应III
太阳能
HI
I2
H2
反应I：2H2O(l) +SO2(g)+I2(s)=2HI(aq)+H2SO4(aq) ΔH=-151kJ/mol
反应III：2HI(aq)=I2(s)+H2(g) ΔH=+110kJ/mol
反应II？
H2SO4(aq)= H2O(l) +SO2(g)+O2(g) ΔH=+326.8kJ/mol
三、核心内容突破，多角度分析
资料：氢气的热值高、比冲大，但是氢气的密度非常小，同等质量的燃料，H2所占的体积就会很大，因此将其液化是必然趋势。氢气和氧气的沸点都比较低，低温保存对发动机技术要求高，发动机采用液氢、液氧类燃料还会存在蒸发的问题。
因此储存箱不能完全封闭，否则随着温度上升易爆炸。如果军事用途的战备火箭采用这种方式，那无论是从日常管理、安全性（防静电），还是从费用上都是难以保证的。由于肼性能稳定、价格低廉，比冲也比较高，从军用火箭的实用需求出发，20世纪50年代以来肼被广泛实用。
三、核心内容突破，多角度分析
利用信息尽可能多地设计问题。
信息一：
16g气态肼在氧气中燃烧，生成氮气和水蒸气，放出267kJ热量。
信息二：键能数据如下表所示。
键能/（kJ/mol） N≡N O=O N—N H—O
946 498 167 462
信息三：现实中使用肼做燃料时，氧化剂使用N2O4取代液氧，利用肼和四氧化二氮做推进剂。
2O2(g)+N2(g)=N2O4(g) ΔH=+10.7kJ/mol
N2(g)+2H2(g)=N2H4(g) ΔH=+50.4kJ/mol
四、太空运载火箭的未来
资料：液氢效率高，但存在很多安全问题和技术问题；肼类物质的毒性是一大弊端。而液氧、甲烷火箭发动性能好、比冲高、资源丰富、成本低、无毒、无污染、使用维护方便，代表了航天动力技术发展的方向。2020年5月朱雀二号运载火箭，成功在地面点火试车，标志着全球第一台拥有泵后摇摆技术的大力推力液氧、甲烷发动机正式诞生，这在我国航天史上是里程碑式的存在。
四、太空运载火箭的未来
甲烷燃烧产生的CO2可以进行资源化利用，方法之一是合成二甲醚（CH3OCH3）。CO2催化加氢合成二甲醚的过程主要发生下列反应：反应I：CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) H=+41.2kJ/mol
反应II：2CO2(g)+6H2(g) CH3OCH3(g)+3H2O(g) H=-122.5kJ/mol
（1）反应II分以下①②两步完成，请写出反应①的热化学方程式。
① 。
②2CH3OH(g) CH3OCH3(g)+H2O(g) H=-23.5kJ/mol
（2）若想生成更多的二甲醚应该如何调控反应的发生？
调控温度
CO2(g)+3H2(g) CH3OCH3(g)+H2O(g) H=-49.5kJ/mol
课堂小结
火箭推进剂的发展史——人类的进步史
反应热
表征
迁移应用
选择火箭推进剂
四个核心问题的解决
1.基础热化学方程式
2.从微观角度认识反应热
3.逆向思维训练
4.复杂盖斯定律的应用
宏观
微观
符号(共11张PPT)
反应热及其测定
第一章 化学反应的热效应
第1节 反应热
一、创设情境，提出任务
汽车内燃机燃料的历史变迁过程
煤气
汽油
乙醇汽油
氢气
汽车燃料为什么会出现这样的历史变迁？
一、创设情境，提出任务
汽车内燃机燃料的历史变迁过程
煤气
汽油
乙醇汽油
氢气
综合评价不同种类汽车燃料
燃料来源
使用性能
对环境的影响
二、建构模型，问题指引
化学方程式需表达物质转化和能量变化
如何定量描述燃料在燃烧反应过程中释放的能量呢？
体系
环境
热量
汽车内燃机燃料的历史变迁过程
燃料
氧气
燃烧产物
其余
以盐酸与氢氧化钠的反应为例
在等温条件下，化学反应体系向环境释放或从环境吸收的热量，称为化学反应的热效应，简称反应热。
三、利用模型，实验探究
燃烧反应反应热
中和反应反应热的测定
进行实验探究的一般思路是什么？
实验目的
实验数据处理
实验仪器和试剂
实验步骤
实验原理
实验结论
实验反思
Q=c·m· t
如何设计实验装置来完成实验呢？
三、利用模型，实验探究
为了尽可能减少实验误差，实验步骤应如何设计？
保温装置？
搅拌装置？
请按照下列步骤，用简易量热计测量盐酸与 NaOH 溶液反应前后的温度。
(1)反应物温度的测量。
①用量筒量取50 mL 0.50 mol/L 盐酸，打开杯盖，倒入量 热计的内筒，盖上杯盖，插入温度计，测量并记录盐酸的温度 (数据填入下表)。用水把温度计上的酸冲洗干净，擦干备用。
②用另一个量筒量取50 mL 0.55 mol/L NaOH 溶液① ，用 温度计测量并记录NaOH 溶液的温度(数据填入下表)。
( 2 )反应后体系温度的测量。
打开杯盖，将量筒中的 NaOH 溶液迅速倒入量热计的内筒，立即盖上杯盖，插入温 度计，用搅拌器匀速搅拌。密切关注温度变化，将最高温度记为反应后体系的温度(t2 )。
(3)重复上述步骤( 1 )至步骤( 2 )两次。
三、利用模型，实验探究
实验中采取了那些措施提高反应热的准确性？
根据温度差和比热容等计算反应热。
为了计算简便，可以近似地认为实验所用酸、碱稀溶液的密度、比热容与水的相 同，并忽略量热计的比热容，则：
① 50 mL 0.50 mol/L 盐酸的质量m1=50 g ，50 mL 0.55 mol/L NaOH 溶液的质量 m2=50 g；
②反应后生成的溶液的比热容c=4. 18 J/(g ·℃ ) ，50 mL 0.50 mol/L 盐酸与 50 mL 0.55 mol/L NaOH 溶液发生中和反应时放出的热量为：
(m1+m2) ·c ·(t2 -t1)= ；
③生成 1 mol H2O 时放出的热量为 。
三、利用模型，实验探究
为什么实验数据与理论数据有偏差？
大量实验测得，在25 ℃和 101 kPa 下，强酸的稀溶液与 强碱的稀溶液发生中和反应生成 1mol H2O 时，放出57.3 kJ 的热量。
保温效果？
保温装置比热容？
量取体积？
四、迁移应用，解决问题
请利用体系与环境界定模型，类比中和反应反应热测定的装置设计思路，尝试燃烧反应反应热测定装置的设计。
氧弹式量热计装置
氧弹剖面图
1-充气阀（兼作电极）
2-电极
3-排气孔
4-氧弹盖
5-螺帽
6-垫圈
7-厚壁圆筒
8-燃烧皿
9-样品
10-点火线
11-火焰遮板
12-电极（兼作进气管）
1-测温探头
2-氧弹盖
3-搅拌器
4-搅拌马达
5-衬垫
6-氧弹
7-内桶
8-外壳
9-温度计
四、迁移应用，解决问题
请利用体系与环境界定模型，类比中和反应反应热测定的装置设计思路，尝试燃烧反应反应热测定装置的设计。
除了实验测定的方法外，还可以通过理论计算获得反应热
课堂小结
反应热及其测定
1.反应热：在等温条件下，化学反应体系向环境释放或从环境吸收的热量，称为化学反应的热效应，简称反应热。
2.反应热的测定
流程：
目的→原理→仪器和试剂→步骤→数据处理→结论→反思
Q=c·m· t
保温隔热
迅速混合
最高温度
取平均值
偶然误差
系统误差
