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反应热的计算
2020年6月23日9时43分，长征三号乙运载火箭搭载着北斗三号卫星系统的第30颗卫星，在西昌点火升空，标志着我国自主建设、独立运行的北斗卫星导航系统完成全球组网部署。
资料
火箭发动机一般选用化学推进剂，它是由燃料和氧化剂组成的，反应后产生高温气体用于火箭推进。
古代火箭
问题的提出
黑火药
中国古代四大发明之一
最原始的复合固体推进剂
成分：木炭、硝酸钾、硫黄
如何获得火箭推进剂燃烧时的反应热呢?
现代火箭
问题的提出
液体推进剂
固体推进剂
固液混合推进剂
反应热测定装置
有些反应热无法通过实验直接测定
实验测定
C(s)
+
O2(g)
CO(g)
ΔH
=?
难以控制反应的程度
不能直接测定反应热
法国科学家拉瓦锡和拉普拉斯设计了一个简单的冰量热计，利用被融化的冰的重量来测定反应热。
拉瓦锡
拉普拉斯
反应热研究简史
H2SO4
H2SO4·H2O
H2SO4·2H2O
H2SO4·3H2O
G.H.Hess,
1802-1850
ΔH1
ΔH2
ΔH3
ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3
化学家盖斯改进了拉瓦锡和拉普拉斯的冰量热计，从而较为准确地测量了许多化学反应的热效应。通过大量实验，盖斯发现：
反应热研究简史
ΔH
盖斯定律
一个化学反应，不管是一步完成的还是分几步完成的，其反应热是相同的。
即：在一定条件下，化学反应的反应热只与反应体系的始态和终态有关，而与反应进行的途径无关。
h
=
300
m
始态
终态
反应热
盖斯定律
ΔH1
ΔH2
ΔH2=
?ΔH1
盖斯定律的提出，为反应热的研究提供了极大的方便，使一些不易测定或无法测定的化学反应的反应热可以通过推算间接求得。
盖斯定律
任务一
C(s)
+
O2(g)
CO(g)
ΔH
=?
CO2(g)
C(s)
+
O2(g)
CO(g)
+
O2(g)
ΔH2
ΔH3=?
ΔH1
路径I
路径II
ΔH1
=
ΔH2
+
ΔH3
ΔH3
=
ΔH1
?
ΔH2
=
?393.5
kJ/mol
?
(?283.0
kJ/mol)
=
?110.5
kJ/mol
思路1：虚拟路径法
物质
燃烧热
ΔH
(kJ/mol)
C(s)
?393.5
CO(g)
?283.0
思路2：代数运算法
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
任务一
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
未知反应：
C(s)
+
O2(g)
CO(g)
未知反应
设计合理反应路径
核心：实现物质转化
求算反应热
已知反应
运用盖斯定律求算反应热的一般思路：
长征三号乙布局结构
“长征三号乙”运载火箭先后发射过三十多颗北斗卫星
可进行一箭多星发射
是我国执行卫星发射任务的主力火箭
液氢-液氧推进剂
偏二甲肼-四氧化二氮推进剂
任务二
写出偏二甲肼-四氧化二氮推进剂
燃烧的热化学方程式。
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)
【资料】火箭推进剂用偏二甲肼（C2H8N2，l）作燃料，N2O4（l）作氧化剂时，反应生成CO2、N2和水蒸气。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)
任务二
写出偏二甲肼-四氧化二氮推进剂
燃烧的热化学方程式。
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
运用盖斯定律计算反应热
任务二
写出偏二甲肼-四氧化二氮推进剂
燃烧的热化学方程式。
任务三
H2(g)的燃烧热ΔH=
?285.8
kJ/mol，要计算
液氢-液氧推进剂反应生成气态水的热效应，
还需哪些变化过程的ΔH?
H2O
(l)
H2O
(g)
H2(g)
+
O2(g)
H2(l)
+
O2(l)
ΔH1=?
ΔH4
ΔH3
ΔH2
未知反应
已知反应
物态变化
物态变化
基于能量利用需求设计转化路径
路径I
路径II
需要液氢、液氧和水气化的热效应
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
活动1
ΔH1
=
ΔH3
+ΔH2
+ΔH4
活动2
火箭荷载的绝大部分质量来自于推进剂，产生同样推力所需要的推进剂质量越小，火箭的荷载就越低。
计算每克液氢-液氧推进剂恰好完全反应释放的热量。H2(l)
+
O2(l)
H2O(g)
ΔH
=
?237.46
kJ/mol
1
mol×2
g/mol
+
0.5
mol×32g/mol
=
18
g
∴每克推进剂恰好完全反应放出热量
=
13.19
kJ/g
根据热化学方程式计算反应热
常见火箭推进剂
液氢-液氧
偏二甲肼-
四氧化二氮
煤油-液氧
甲烷-液氧
优点
环境友好
高能无毒
来源广泛
常温燃料
运输简单
耐冲击、耐摩擦
成本低廉
无毒无害
无毒无害
不易结焦积碳
缺点
价格较高
低温贮存较难
燃料占空间大
有毒性
有腐蚀性
污染环境
液氧需低温贮存
燃烧易结焦积碳
脱硫成本高
低温贮存
燃料占空间大
如何获得火箭推进剂燃烧时的反应热?
