火箭推进剂的发展史 高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1+

第二节反应热的计算

第2课时火箭推进剂的发展史

1、通过对不同时期使用的火箭推进剂的分析，强化热化学反应方程式的正确书写。能从键能及物质能量的角度认识化学反应中能量变化的本质，并能根据化学键键能计算反应热或已知反应热求键能。能够熟练运用盖斯定律解决热化学问题。

2、以火箭推进剂的变迁引发思考，提出燃料选择的问题，通过分析、归纳解决化学反应热的相关问题，体会应用化学知识解决航空科技中的实际问题。通过对火箭推进剂性能的讨论，建立综合分析解决问题的思维模型，树立科学发展观。

3、通过对火箭推进剂性能的分析，激发学生学习化学的兴趣，树立民族自豪感，体会化学知识对科技进步的推动作用。素养目标1、热化学方程式的书写方法；2、微观角度认识反应热；3、盖斯定律及应用。1、从微观角度认识反应热；2、盖斯定律及应用。教学重点教学难点情境引入“上九天揽月”是我们先辈一直就有的梦想，在中国航天人的不断努力下，终成现实。从嫦娥到祝融火星车，人类对宇宙的探索越来越深入，其中，火箭推进剂起到了极其关键的作用，推进剂的不断改进使火箭发射探索的距离越来越远。知识回顾资料：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。后来这一原理应用在军事上，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，燃烧后的产物主要有K₂S和N₂等，你能用化学语言表示出反应原理并用图示表示热量的变化吗?反应的化学方程式为：

点燃S+2KNO3+3C

====K2S+N2

+3CO2

该反应是氧化还原反应，也是放热反应。焓(H)反应物生成物反应进程一、火药思考与讨论

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药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)?选择火箭推进剂的思维框架燃烧放热多易获取、成本低运输与储存方便原料与产物安全污染少资料：1903年一位研究者提出了一个现在被称为“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：随着研究的不断深入，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，利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。资料卡片新知学习二、固体推进剂已知：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，并比较相同质量的铝粉和碳粉放出热量的多少。

Al(s)+

3/4

O2(g)=

1/2

Al2O3(s)

ΔH=-822.9kJ/mol

1g铝粉放出热量

30.5kJ

C(s)+O₂(g)═CO₂(g)

ΔH

=-393.5kJ/mol

1g碳粉放出热量

32.8kJ思考与讨论资料：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，比冲高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。选择火箭推进剂的思维框架燃烧放热多易获取、成本低运输与储存方便原料与产物安全污染少容易控制、比冲高思考与讨论比冲：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%。不同火箭推进剂的真空比冲如下表所示：氧化剂燃料混合比真空比冲（S）液氧煤油3.07367.2液氧92%酒精1.73357.190%过氧化氢煤油7.24319.2四氧化二氮偏二甲肼2.64347.2四氧化二氮肼1.29349.5液氧液氢6463.4液氧甲烷3.5379.0在推力室压力10MPa，喷管扩张比70条件下的测算结果

技术成熟，价格低廉，但有剧毒

技术成熟，价格低廉，无毒，性能高

无毒，性能奇高

性能稳定、价格低廉，比冲也高,有毒新知学习三、液体推进剂液氢的比冲是最大的，有较高的运载能力，我国发射嫦娥五号所使用的长征五号运载火箭就是使用了液氢、液氧推进剂。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。利用Cu₂O高效催化剂分解水是获得氢气的绿色有效法。方法一：利用(Cu₂O催化分解水得到氢气H₂O(l)=H₂(g)+1/2O₂(g),当获得1gH₂时，吸热142.9kJ。方法二：以太阳能为热源，热化学硫碘循环分解水，其反应过程如下图所示：新知学习反应Ⅰ:

2H₂O(l)+SO₂(g)+I₂(s)=2HI(aq)+H₂SO₄(aq)

ΔH=-151kJ/mol反应Ⅲ:

2HI(aq)=H₂(g)+I₂(s)

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

ΔH2=+326.8kJ/mol思考与讨论资料：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。新知学习甲烷燃烧产生的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中主要发生下列反应：反应Ⅰ:

CO₂(g)+H₂(g)

⇌CO(g)+H₂O(g)

ΔH=+41.2kJ/mol反应Ⅱ:

2CO₂(g)+6H₂(g)

⇌CH₃OCH₃(g)+3H₂O(g)

ΔH=-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)

ΔH=-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?

CO₂(g)+3H₂(g)⇌CH₃OH(g)+H₂O(g)△H=-49.5kJ/mol

反应Ⅰ吸热，反应Ⅱ放热，可通过调控反应温度让反应Ⅱ发生，抑制反应Ⅰ的进行。化学作为一门中心学科在促进科技发展中所发挥的作用——不仅可以获得能量，还可以通过调控能量让反应朝着我们所需要的方向。探索太空火箭推进剂的发展史，就是一部人类进步史。但这并不是终点，伴随着科技的不断进步，我们还会发现或研究出性能更好的火箭推进剂。新知学习课堂小结N2(g)+2O2(g)==2NO2(g)ΔH1=+67.2kJ/molN2H4(g)+O2(g)==N2(g)+2H2O(l)ΔH2=-534kJ/mol请写出发射火箭反应的热化学方程式。2N2H4(g)+2NO2(g)=