研究与实践课
第一章 化学反应的热效应
第3课时 了解火箭推进剂
【研究目的】
火箭推进剂在航天和军事等领域具有广泛的应用。通过查阅资料，了解火箭推进剂的发展历史、现状及趋势，感受火箭推进剂的发展对人类社会进步的促进作用，体会化学反应中能量变化的重要价值
【学习活动】
研究任务
2021 年 9 月 7 日 11 时 01 分，长征四号丙遥四十运载火箭在太原卫星发射中心点火升空，成功将高光谱观测卫星送入预定轨道，本次发射的高光谱观测卫星投入使用后可对内陆水体、陆表生态环境、蚀变矿物、农作物、森林植被等地物目标，以及大气污染气体、温室气体 、PM2.5等环境和气象要素进行全球、长期、定量和综合观测，有效提升我国高光谱综合观测能力。 该系列火箭各级全部使用四氧化二氮和偏二甲阱作推进剂。 （1）了解火箭推进剂的发展历史。 提示：火箭燃料发展历史按火箭的第一级燃料分为4代。 第1代：火药，就像节日放的冲天炮，人工降雨用的小火箭。 第2代：燃料：偏二甲肼。氧化剂是四氧化二氮。特点：技术成熟，价格低廉，但是有剧毒。 第3代：燃料：煤油。氧化剂是液态氧。特点：无毒，性能高，燃料密度高，火箭直径比较小，技术成熟，价格低廉。 第4代 ：燃料：液态氢。氧化剂是液态氧。特点：无毒，性能奇高。 （2）了解我国目前常用的火箭推进剂的类型、成分和特点 提示：目前，火箭推进剂主要有三种类型： 液体推进剂、固体推进剂和混合型推进剂。 ①液体推进剂 液体推进剂，比较常用的有：四氧化二氮—肼类(偏二甲肼，一甲基肼，肼)，液氧－煤油，液氢－液氧等。 四氧化二氮－肼类推进剂被广泛使用，特点是可在室温下储存，技术成熟，可靠性高。但其燃烧效率比较低且有毒污染环境。液氧－煤油推进剂作为常温推进剂，使用方便，安全性好，且价格便宜。液氢－液氧推进剂这种组合是当前最有潜力的组合，其燃烧效率很高，清洁无污染。但是价格昂贵，储存、运输、加注、发动机制造都要求更高。 ②固体推进剂 固体推进剂是燃料和氧化剂的混合体。固体推进剂有聚氨酯、聚丁二烯、端羟基聚丁二烯、硝酸酯增塑聚醚等。固体推进剂火箭主要的优点是结构简单，成本相对较低，使用非常安全，瞬间的爆发推力巨大，缺点是推力无法调节并且推进效率低。 ③混合推进剂 混合推进剂是液体和固体推进剂的混合体。它能够像液体火箭发动机那样进行推力调节，系统比较简单。但混合推进剂火箭发动机的燃速低，燃烧不均匀，效率低。 （3）火箭推进剂的发展趋势。 提示：随着航天技术的不断进步，人类航天事业蓬勃发展，在当前环保压力和经济效益的双重背景下，提出了绿色推进剂的概念。所谓绿色推进剂，其主要界定标准有：(1)生产原料安全无毒，生产运输过程中不对人员和环境造成危害；(2)生产过程不产生有害物质，燃烧反应无毒无害，可回收再利用。 【结果与讨论】 （1）选取自己感兴趣的方向进行研究并撰写研究报告，与同学交流和讨论 （2）通过研究，同学们得到什么启示？ 提示：通过研究，我们可以感受到火箭推进剂的发展对人类社会的发展和进步起到巨大的推动作用，体会到化学反应中能量变化的重要价值，更加坚定我们学好化学的信心。 【理论与应用】 1.目前火箭推进剂中较普遍的组合是肼(N2H4)和N2O4，两者反应生成N2和水蒸气，回答下列问题： 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）则N2H4和N2O4反应的热化学方程式为________________________________。 （2）N2H4和N2O4可作为火箭推进剂的主要原因为 _________________________。 （3）试用化学反应能量图表示该反应过程中能量的变化。 （4）已知相关反应的化学键键能数据如下表所示： 化学键N—HN—NN≡NO—HE/(kJ·mol－1)390190946460
则使1 mol N2O4(g)分子中化学键完全断裂时需要吸收的能量是________。 （5）有人认为若用氟气代替四氧化二氮作氧化剂，反应释放的能量更大(两者反应生成氮气和氟化氢气体)。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请写出肼和氟气反应的热化学方程式： 。 ②尽管氟气与肼反应释放的能量更大，但是氟气至今未被应用在火箭上，主要的原因是 。 （6）通过查阅资料，说明肼作推进剂的缺点主要有哪些？ 参考答案：（1）2N2H4(l)＋N2O4(l)===3N2(g)＋4H2O(g) ΔH＝－1077.1 kJ·mol－1 （2）联氨和N2O4反应释放出大量热、产物无污染、产生大量气体等 （3） （4）1 940.9 （5）N2H4(l)＋2F2(g)===N2(g)＋4HF(g) ΔH＝－1 126.0 kJ·mol－1 氟和氟化物有很强的毒性 （6）剧毒、热稳定性比较差 解析：（1）根据盖斯定律，由③×2－②×2－①得：2N2H4(l)＋N2O4(l)===3N2(g)＋4H2O(g) ΔH＝－1077.1 kJ·mol－1。 （4）假设1 mol N2O4(g)分子中化学键完全断裂时需要吸收的能量为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）根据盖斯定律，由①＋②×4－③×2得：N2H4(l)＋2F2(g)===N2(g)＋4HF(g)ΔH＝－1 126.0 kJ·mol－1。 2.（1）在发射“神舟”十一号的火箭推进器中装有肼(N2H4)和过氧化氢，当两者混合时即产生气体，并放出大量的热。 ①已知下列各物质反应的热化学方程式： 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 则联氨与过氧化氢反应的热化学方程式可表示为 。 ②此反应用于火箭推进，除释放大量热和快速产生大量气体外，还有一个很大的优点是 。 （2）“嫦娥二号”卫星使用液态四氧化二氮和液态偏二甲肼(C2H8N2)作推进剂。N2O4与偏二甲肼燃烧产物只有CO2(g)、H2O(g)、N2(g)，并放出大量热，已知10.0 g液态偏二甲肼与液态四氧化二氮完全燃烧可放出425 kJ热量，该反应的热化学方程式为________________________________________。 （3）液氢液氧——火箭燃料的皇冠，2020年12月22日，我国自主研制的新一代中型运载火箭长征八号首次飞行试验，该火箭采用无毒无污染推进剂，以液氢、液氧为推进剂，燃烧后生成的是水，真正实现了无毒无污染零排放，是一支环保“绿箭”。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 请写出液氢和液氧生成气态水的热化学方程式： ____________________________。 参考答案：（1）①N2H4(g)＋2H2O2(l)===N2(g)＋4H2O(g) ΔH＝－641.63 kJ·mol－1 ②产物不会造成环境污染 （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）根据盖斯定律，将反应Ⅰ+Ⅲ-2×Ⅱ可得目标反应化学方程式,可得N2H4(g)＋2H2O2(l)===N2(g)＋4H2O(g) ΔH＝－641.63 kJ·mol－1。 （2）N2O4与偏二甲肼反应的产物为CO2、N2和气态水，1 mol C2H8N2(l)与N2O4(l)完全燃烧放出的热量为×60 g＝2 550.0 kJ。该反应的热化学方程式为C2H8N2(l)＋2N2O4(l)===2CO2(g)＋4H2O(g)＋3N2(g) ΔH＝－2 550.0 kJ·mol－1。 （3）根据盖斯定律，将反应①－②－③×＋④可得目标反应化学方程式，其反应热ΔH＝ΔH1－ΔH2－ΔH3×＋ΔH4＝－237.46 kJ·mol－1。
2研究与实践课
第一章 化学反应的热效应
第3课时 了解火箭推进剂
【研究目的】
火箭推进剂在航天和军事等领域具有广泛的应用。通过查阅资料，了解火箭推进剂的发展历史、现状及趋势，感受火箭推进剂的发展对人类社会进步的促进作用，体会化学反应中能量变化的重要价值
【学习活动】
研究任务
2021 年 9 月 7 日 11 时 01 分，长征四号丙遥四十运载火箭在太原卫星发射中心点火升空，成功将高光谱观测卫星送入预定轨道，本次发射的高光谱观测卫星投入使用后可对内陆水体、陆表生态环境、蚀变矿物、农作物、森林植被等地物目标，以及大气污染气体、温室气体 、PM2.5等环境和气象要素进行全球、长期、定量和综合观测，有效提升我国高光谱综合观测能力。 该系列火箭各级全部使用四氧化二氮和偏二甲阱作推进剂。 （1）了解火箭推进剂的发展历史。 （2）了解我国目前常用的火箭推进剂的类型、成分和特点 （3）火箭推进剂的发展趋势。 【结果与讨论】 （1）选取自己感兴趣的方向进行研究并撰写研究报告，与同学交流和讨论 （2）通过研究，同学们得到什么启示？ 【理论与应用】 1.目前火箭推进剂中较普遍的组合是肼(N2H4)和N2O4，两者反应生成N2和水蒸气，回答下列问题： 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）则N2H4和N2O4反应的热化学方程式为________________________________。 （2）N2H4和N2O4可作为火箭推进剂的主要原因为 _________________________。 （3）试用化学反应能量图表示该反应过程中能量的变化。 （4）已知相关反应的化学键键能数据如下表所示： 化学键N—HN—NN≡NO—HE/(kJ·mol－1)390190946460
则使1 mol N2O4(g)分子中化学键完全断裂时需要吸收的能量是________。 （5）有人认为若用氟气代替四氧化二氮作氧化剂，反应释放的能量更大(两者反应生成氮气和氟化氢气体)。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请写出肼和氟气反应的热化学方程式： 。 ②尽管氟气与肼反应释放的能量更大，但是氟气至今未被应用在火箭上，主要的原因是 。 （6）通过查阅资料，说明肼作推进剂的缺点主要有哪些？ 2.（1）在发射“神舟”十一号的火箭推进器中装有肼(N2H4)和过氧化氢，当两者混合时即产生气体，并放出大量的热。 ①已知下列各物质反应的热化学方程式： 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 则联氨与过氧化氢反应的热化学方程式可表示为 。 ②此反应用于火箭推进，除释放大量热和快速产生大量气体外，还有一个很大的优点是 。 （2）“嫦娥二号”卫星使用液态四氧化二氮和液态偏二甲肼(C2H8N2)作推进剂。N2O4与偏二甲肼燃烧产物只有CO2(g)、H2O(g)、N2(g)，并放出大量热，已知10.0 g液态偏二甲肼与液态四氧化二氮完全燃烧可放出425 kJ热量，该反应的热化学方程式为________________________________________。 （3）液氢液氧——火箭燃料的皇冠，2020年12月22日，我国自主研制的新一代中型运载火箭长征八号首次飞行试验，该火箭采用无毒无污染推进剂，以液氢、液氧为推进剂，燃烧后生成的是水，真正实现了无毒无污染零排放，是一支环保“绿箭”。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 请写出液氢和液氧生成气态水的热化学方程式： ____________________________。
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