火箭推進(jìn)劑的發(fā)展史 高二上學(xué)期化學(xué)人教版（2019）選擇性必修1+

第二節(jié)反應(yīng)熱的計算

第2課時火箭推進(jìn)劑的發(fā)展史

1、通過對不同時期使用的火箭推進(jìn)劑的分析，強(qiáng)化熱化學(xué)反應(yīng)方程式的正確書寫。能從鍵能及物質(zhì)能量的角度認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)中能量變化的本質(zhì)，并能根據(jù)化學(xué)鍵鍵能計算反應(yīng)熱或已知反應(yīng)熱求鍵能。能夠熟練運(yùn)用蓋斯定律解決熱化學(xué)問題。

2、以火箭推進(jìn)劑的變遷引發(fā)思考，提出燃料選擇的問題，通過分析、歸納解決化學(xué)反應(yīng)熱的相關(guān)問題，體會應(yīng)用化學(xué)知識解決航空科技中的實際問題。通過對火箭推進(jìn)劑性能的討論，建立綜合分析解決問題的思維模型，樹立科學(xué)發(fā)展觀。

3、通過對火箭推進(jìn)劑性能的分析，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，樹立民族自豪感，體會化學(xué)知識對科技進(jìn)步的推動作用。素養(yǎng)目標(biāo)1、熱化學(xué)方程式的書寫方法；2、微觀角度認(rèn)識反應(yīng)熱；3、蓋斯定律及應(yīng)用。1、從微觀角度認(rèn)識反應(yīng)熱；2、蓋斯定律及應(yīng)用。教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)難點(diǎn)情境引入“上九天攬月”是我們先輩一直就有的夢想，在中國航天人的不斷努力下，終成現(xiàn)實。從嫦娥到祝融火星車，人類對宇宙的探索越來越深入，其中，火箭推進(jìn)劑起到了極其關(guān)鍵的作用，推進(jìn)劑的不斷改進(jìn)使火箭發(fā)射探索的距離越來越遠(yuǎn)。知識回顧資料：早在公元

1世紀(jì)我國古代的人們就發(fā)現(xiàn)在中空的竹筒里塞滿由硝石(主要成分硝酸鉀)、硫黃和木炭粉組成的基本燃料，點(diǎn)燃可以產(chǎn)生絢爛的煙花。后來這一原理應(yīng)用在軍事上，就形成了火箭的雛形，因此世界公認(rèn)是中國創(chuàng)造了最早的火箭。硝石、硫黃和木炭粉是最早的推進(jìn)劑，燃燒后的產(chǎn)物主要有K?S和N?等，你能用化學(xué)語言表示出反應(yīng)原理并用圖示表示熱量的變化嗎?反應(yīng)的化學(xué)方程式為：

點(diǎn)燃S+2KNO3+3C

====K2S+N2

+3CO2

該反應(yīng)是氧化還原反應(yīng)，也是放熱反應(yīng)。焓(H)反應(yīng)物生成物反應(yīng)進(jìn)程一、火藥思考與討論

雖然古代煙花升空的高度有限，但是仍強(qiáng)烈激發(fā)了人們的研究熱情。自三國時期起，我國史書上就有了“火箭”的記載，南宋時期則發(fā)明了真正由火藥噴射推進(jìn)的噴氣火箭。

如果你是一位科技工作者，要使火箭飛得更高，真正能投入使用，選用的火箭推進(jìn)劑應(yīng)該具備哪些特點(diǎn)(火箭的燃料和氧化劑統(tǒng)稱為火箭的推進(jìn)劑)?選擇火箭推進(jìn)劑的思維框架燃燒放熱多易獲取、成本低運(yùn)輸與儲存方便原料與產(chǎn)物安全污染少資料：1903年一位研究者提出了一個現(xiàn)在被稱為“火箭方程”的早期版本，火箭方程列出燃料和速度之間的關(guān)系是指數(shù)級的，而非線性關(guān)系。如果你想讓火箭的速度增加一倍，簡單地增加一倍燃料是不行的，而且，增加燃料也會使火箭的體積增大，所以，簡單通過增加燃料的方法無法讓火箭飛得更高，推進(jìn)劑的研究方向轉(zhuǎn)為尋找更高效的燃料。資料：隨著研究的不斷深入，世界上一些國家先后研制出復(fù)合推進(jìn)劑，復(fù)合推進(jìn)劑由氧化劑(如高氯酸銨)、還原劑(如鋁粉、鎂粉、瀝青)等和一些起到其他作用的物質(zhì)組成。這種推進(jìn)劑中的高氯酸銨分解產(chǎn)生的

Cl?、O?將鋁粉或鎂粉等氧化，利用氧化時放出熱量較多且快速的特點(diǎn)，經(jīng)過系列變化最終推動火箭升空。資料卡片新知學(xué)習(xí)二、固體推進(jìn)劑已知：54g鋁粉完全燃燒生成固態(tài)的

Al?O?時可放出1645.8kJ的熱量，1mol碳粉完全燃燒生成氣態(tài)二氧化碳放出的熱量是

393.5kJ，寫出這兩個反應(yīng)燃燒熱的熱化學(xué)方程式，并比較相同質(zhì)量的鋁粉和碳粉放出熱量的多少。

Al(s)+

3/4

O2(g)=

1/2

Al2O3(s)

ΔH=-822.9kJ/mol

1g鋁粉放出熱量

30.5kJ

C(s)+O?(g)═CO?(g)

ΔH

=-393.5kJ/mol

1g碳粉放出熱量

32.8kJ思考與討論資料：羅伯特·戈達(dá)德受另一位科幻作家

HG·威爾斯的啟發(fā)，獨(dú)立開發(fā)了自己的火箭方程。他還確定，固體火箭燃料燃燒太不均勻，無法精確控制。1926

年

3月

16

日，戈達(dá)德在馬薩諸塞州的奧本成功發(fā)射了歷史上首枚液體燃料火箭。這枚火箭采用液氧/汽油作為推進(jìn)劑。汽油和氧(尤其是氣態(tài)氧)取材方便，成本較低，缺點(diǎn)是比沖低。由此，比沖高的液體推進(jìn)劑取代固體推進(jìn)劑成為火箭推進(jìn)劑的另一個研究方向。選擇火箭推進(jìn)劑的思維框架燃燒放熱多易獲取、成本低運(yùn)輸與儲存方便原料與產(chǎn)物安全污染少容易控制、比沖高思考與討論比沖：單位推進(jìn)劑所產(chǎn)生的沖量，是用于衡量火箭或飛機(jī)發(fā)動機(jī)效率的重要物理參數(shù)。比沖相差10%則運(yùn)載能力相差30%。不同火箭推進(jìn)劑的真空比沖如下表所示：氧化劑燃料混合比真空比沖（S）液氧煤油3.07367.2液氧92%酒精1.73357.190%過氧化氫煤油7.24319.2四氧化二氮偏二甲肼2.64347.2四氧化二氮肼1.29349.5液氧液氫6463.4液氧甲烷3.5379.0在推力室壓力10MPa，噴管擴(kuò)張比70條件下的測算結(jié)果

技術(shù)成熟，價格低廉，但有劇毒

技術(shù)成熟，價格低廉，無毒，性能高

無毒，性能奇高

性能穩(wěn)定、價格低廉，比沖也高,有毒新知學(xué)習(xí)三、液體推進(jìn)劑液氫的比沖是最大的，有較高的運(yùn)載能力，我國發(fā)射嫦娥五號所使用的長征五號運(yùn)載火箭就是使用了液氫、液氧推進(jìn)劑。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，清潔無污染。但是價格昂貴，儲存、運(yùn)輸、加注、發(fā)動機(jī)制造都要求更高。利用Cu?O高效催化劑分解水是獲得氫氣的綠色有效法。方法一：利用(Cu?O催化分解水得到氫氣H?O(l)=H?(g)+1/2O?(g),當(dāng)獲得1gH?時，吸熱142.9kJ。方法二：以太陽能為熱源，熱化學(xué)硫碘循環(huán)分解水，其反應(yīng)過程如下圖所示：新知學(xué)習(xí)反應(yīng)Ⅰ:

2H?O(l)+SO?(g)+I?(s)=2HI(aq)+H?SO?(aq)

ΔH=-151kJ/mol反應(yīng)Ⅲ:

2HI(aq)=H?(g)+I?(s)

ΔH=+110kJ/mol反應(yīng)Ⅱ:H2SO4(aq)=SO2(g)+H2O(l)+1/2O2(g)

ΔH2=+326.8kJ/mol思考與討論資料：液氫效率高，但存在很多安全問題和技術(shù)問題；肼類物質(zhì)的毒性是一大弊端。而液氧、甲烷火箭發(fā)動性能好、比沖高、資源豐富、成本低、無毒、無污染、使用維護(hù)方便，代表了航天動力技術(shù)發(fā)展的方向。2020年5月朱雀二號運(yùn)載火箭，成功在地面點(diǎn)火試車，標(biāo)志著全球第一臺擁有泵后搖擺技術(shù)的大推力液氧、甲烷發(fā)動機(jī)正式誕生，這在我國航天史上是里程碑式的存在。新知學(xué)習(xí)甲烷燃燒產(chǎn)生的CO?可以進(jìn)行資源化利用，方法之一是合成二甲醚(CH?OCH?)。CO?催化加氫合成二甲醚的過程中主要發(fā)生下列反應(yīng)：反應(yīng)Ⅰ:

CO?(g)+H?(g)

?CO(g)+H?O(g)

ΔH=+41.2kJ/mol反應(yīng)Ⅱ:

2CO?(g)+6H?(g)

?CH?OCH?(g)+3H?O(g)

ΔH=-122.5kJ/mol(1)反應(yīng)Ⅱ分以下①②兩步完成，請寫出反應(yīng)①的熱化學(xué)方程式。

①

_

②2CH3OH(g)

?CH3OCH3(g)+H2O(g)

ΔH=-23.5kJ/mol(2)若想生成更多的二甲醚應(yīng)該如何調(diào)控反應(yīng)的發(fā)生?

CO?(g)+3H?(g)?CH?OH(g)+H?O(g)△H=-49.5kJ/mol

反應(yīng)Ⅰ吸熱，反應(yīng)Ⅱ放熱，可通過調(diào)控反應(yīng)溫度讓反應(yīng)Ⅱ發(fā)生，抑制反應(yīng)Ⅰ的進(jìn)行。化學(xué)作為一門中心學(xué)科在促進(jìn)科技發(fā)展中所發(fā)揮的作用——不僅可以獲得能量，還可以通過調(diào)控能量讓反應(yīng)朝著我們所需要的方向。探索太空火箭推進(jìn)劑的發(fā)展史，就是一部人類進(jìn)步史。但這并不是終點(diǎn)，伴隨著科技的不斷進(jìn)步，我們還會發(fā)現(xiàn)或研究出性能更好的火箭推進(jìn)劑。新知學(xué)習(xí)課堂小結(jié)N2(g)+2O2(g)==2NO2(g)ΔH1=+67.2kJ/molN2H4(g)+O2(g)==N2(g)+2H2O(l)ΔH2=-534kJ/mol請寫出發(fā)射火箭反應(yīng)的熱化學(xué)方程式。2N2H4(g)+2NO2(g)=