跨学科实践活动10 调查我国航天科技领域中新型材料、新型能源的应用（原卷版）

跨学科实践活动10调查我国航天科技领域中新型材料、新型能源的应用一、化学材料1．材料分类：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料，还有复合材料等。2.无机材料：包括金属材料（包括纯金属、合金）和无机非金属材料（包括陶瓷、玻璃、水泥等）。3．合成材料的种类：塑料、合成纤维、合成橡胶。（1）纤维的种类：天然纤维、人造纤维、合成纤维等。（2）塑料的种类：聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、有机玻璃（PMMA）。（3）橡胶的种类：天然橡胶、合成橡胶。合成橡胶的优点是具有良好的弹性、绝缘性和耐高温性。4.聚乙烯塑料无毒；聚氯乙烯塑料有毒，不直接用于食品包装。5．常见的复合材料有钢筋混凝土、机动车轮胎、玻璃钢、碳纤维等。6．玻璃属于无机非金属材料，有机玻璃属于合成材料，玻璃钢属于复合材料。7.天然纤维：棉、麻、丝、毛；合成纤维：涤纶、腈纶、锦纶合成纤维优点：强度高、弹性好、耐磨、耐化学腐蚀；合成纤维缺点：吸水性透气性差二、能源1.化石能源的缺点（1）三大化石能源包括煤、石油、天然气。（1）化石燃料正面临着日益枯竭的危机。（2）化石燃料的使用还会导致碳排放量的增加。2.开发新能源开发可再生和环境友好的新能源，如风能、太阳能、核能、水能、潮汐能、生物质能等。3.清洁高效的氢能（1）氢能源的优点：①来源广；②热值高；③充分燃烧产物为水，故称为“绿色能源”，是未来最理想的能源。（2）氢能源开发中的问题①电解水制备氢气的能耗问题(成本高)；②氢气的储存和运输等问题(安全问题)。（3）最理想的制氢方法寻找光催化剂，使水在光照条件下分解。命题点一航天科技中的材料选择及其特点【典例1-1】2024年4月30日，神舟十七号载人飞船在东风着陆场成功着陆，航天员汤洪波、唐胜杰、江新林安全顺利出舱。作为返回舱选用的材料最大的优点是（）A．耐高温 B．防腐蚀 C．硬度小 D．密度大、【典例1-2】化学促进科技发展，推动社会进步。（2）2022年6月5日神舟十四号载人飞船成功发射，沈阳航天新光集团有限公司承制生产的连接分离机构再次为发射任务保驾护航。①载人飞船的制造使用了大量合金，合金的硬度一般比各成分金属。②航天员穿着的航天服使用了多种合成纤维，合成纤维属于(填字母序号)。A．无机材料B．合成材料C．复合材料【变式1-1】2024年4月25日“神舟十八号”太空飞船成功发射，标志着我国载人航天进入新的发展阶段。Ⅰ．航天材料（1）航天员舱外航天服使用的聚氨酯橡胶是(填“隔热”或“导热”)材料。（2）太阳能电池板基板材料是玻璃纤维，玻璃纤维属于材料。（3）钛铝合金是制造高推重比航空发动机极具潜力的高温结构材料，该合金可能具有的特性有(写两条)。Ⅱ．生命保障（4）航天食品中包含牛肉和蔬菜，其中主要为航天员提供维生素C的食品是。（5）太空舱的氧气主要来自水的电解，在电源的(填“正”或“负”)极产生氧气Ⅲ．能源系统（6）长征2F型火箭使用的推进剂为偏二甲肼和四氧化二氮。①四氧化二氮()中，氮元素的化合价为。②偏二甲肼与四氧化二氮反应过程中(填“吸收”或“放出”)热量。（7）2024年6月25日，嫦娥六号实现世界首次月球背面取样返回，其返回舱所用燃料是液氧和煤油，其中液氧的作用是。发动机点火后煤油燃烧，从燃烧条件的角度分析，点火的作用是。（8）太空舱使用锂电池。Li可以通过Al与在高温下发生置换反应得到，该反应的化学方程式为。命题点二航天科技中能源种类和特点【典例2】长征系列运载火箭是我国自行研制的航天运载工具，火箭升空主要是利用推进剂燃烧释放出的大量高温气体，形成反作用力，推送火箭加速升空。下表为常用的火箭液体推进剂及其性能比较。火箭推进剂优点缺点火箭举例偏二甲肼（C2H8N2）、四氧化二氮（N2O4）较易储存、混合即能燃烧，反应如下：C2H8N2+2N2O4═2CO2+4H2O+3N2毒性大、污染严重，腐蚀性强、热值较低长征4号煤油（主要成分为C12H26）、液态氧价格便宜、使用方便、安全性好、比冲高不易储存、储存加注设施复杂、发射准备时间长长征5号液态氢和液态氧无污染、热值高、比冲高氢气制取成本高、不易储存、发射准备时间长长征7号注：比冲一般指比冲量，指单位推进剂所产生的冲量。下列说法不合理的是A．燃烧不一定要与氧气接触B．火箭升空的过程中，不存在能量转化C．煤油充分燃烧后，可能生成二氧化碳和水D．火箭推进剂的选择需要从环境保护、安全、经济、性能等多角度考虑点拨：【变式2-1】长征七号遥七运载火箭采用液氧和煤油作为推进剂，下列说法不正确的是A．液氧中氧元素的化合价为-2价 B．将氧气压缩为液氧，氧分子间隔减小C．该推进剂中液氧作为助燃剂 D．该推进剂中煤油作为燃料【变式2-2】阅读下列短文并回答问题。2023年12月9日，我国朱雀二号遥三运载火箭一次将三颗航天器顺利送入预定轨道，这是全球首枚成功发射卫星的甲烷火箭。甲烷（化学式：CH4）是天然气的主要成分，密度小、燃烧热值高，且完全燃烧生成二氧化碳和水，不会污染空气，所以被广泛应用于农业生产和人民生活，用液氧和甲烷作燃料的火箭（简称甲烷火箭）相比传统的火箭有着很多的优势：相对同体积的其他火箭可以提供更大更持久的动力；甲烷火箭的另一个优点是可重复使用。由于燃烧的是甲烷，燃烧室内基本不结焦，用过一次之后再添加燃料仍然可以继续使用，这种火箭在完成任务后返回地面，经过维护和燃料补充后就能再次使用，大大降低了成本，并且减少了废弃物的产生。（1）甲烷属于（填“无机物”或“有机物”）。（2）甲烷火箭储存甲烷的容器应具备的性能：。（3）相较传统火箭，甲烷火箭的优点是。【变式2-3】2024年10月30日，神舟十九号载人飞船发射成功，“70后、80后、90后”航天员齐聚“天宫”，完成中国航天史上第5次“太空会师”，是中国航天发展道路上又一个重要的里程碑！材料一：空间站核心舱内的生活污水可通过反渗透膜（只允许水分子和少部分离子通过）处理。材料二：目前，我国长征五号运载火箭的发动机，采用了液氢（沸点为-252.8℃）、液氧（沸点为-183℃）作为推进剂。火箭推进器内采用氢氧燃烧的方法进行。材料三：运载火箭是一种重要的航天工具，它的主要作用是携带物体飞越空间。火箭推进剂主要有液氢、液氧，煤油、液氧，甲烷、液氧，肼类等。（1）反渗透膜的净水方式与实验室中的操作原理相似，该操作中需要用到的玻璃仪器有烧杯、、玻璃棒等。（2）写出火箭推进器内氢气在氧气中燃烧的化学方程式：，该反应属于（填基本反应类型）反应，该反应的燃料被称为最清洁的燃料，理由是。（3）某运载火箭使用的推进剂为偏二甲肼（C2H8N2）和四氧化二氮（N2O4），发生反应的化学方程式为，则X的化学式为。（4）火箭推进剂中有甲烷、液氧，其中甲烷为燃烧提供了。（填燃烧需要的三个条件之一）命题点三航天科技中材料和能源的未来方向【典例3】C919中型客机（COMAC-C919）是中国首款按照最新国际适航标准研制的干线民用飞机，C919中型客机是建设创新型国家的标志性工程，具有完全自主知识产权。先进材料首次在国产民机大规模应用，第三代铝合金材料、碳纤维复合材料在C919机体结构用量分别达到8.8%和12%。（1）C919由于大量采用碳纤维复合材料，较国外同类型飞机80分贝的机舱噪音，C919机舱内噪音降到60分贝以下。碳纤维复合材料具有的优点是（填A、B、C选项）A弹性好、耐磨B绝缘性好，不易老化C密度小、强度高（2）为减轻飞机结构重量，在机身的设计，上还更多的使用新型的铝合金材料。在铝合金中加入微量的钪（Sc），添加0.5%左右钪的铝合金经超塑性处理后，其延伸率可达到1100%。因此，铝钪合金可望成为新一代的航天、航空、舰船工业用轻质结构材料。金属钪可由电解氯化钪（ScC13）制得，电解氯化钪可得两种单质，其反应的化学方程式为，反应前后氯元素的化合价变化为。此方法中的能量转化为。（3）在减排方面，C919是一款绿色排放、适应环保要求的先进飞机。通过环保的设计理念，飞机碳排放量较同类飞机降低50%。使用的生物航空煤油比普通的航空煤油燃烧减少了（填两种物质的化学式）等计入空气污染指数的污染物。【变式3-1】阅读神舟飞船2023年10月26日19时34分，驾乘神舟十七号载人飞船的航天员汤洪波等成功入驻中国空间站，与神舟十六号航天员成功“太空会师”。2023年10月31日，神舟十六号载人飞船在东风者陆场成功着陆，航天员景海鹏等航天员安全顺利出舱。神舟载人飞船的成功发射、在轨运行及安全着陆。标志者我国航天科技水平已处于世界领先地位。飞船发射时，为增加发射动力和发射过程的有效性，选用偏二甲肼（C2H8N2，有毒）和四氧化二氮（N2O4，有毒）组成双元动力推进剂，二者反应后的生成物对环境无污染，这是因为生成了CO2、H2O等物质。出舱活动时，舱外宇航员的宇航服是由铝合金、橡胶、聚酯材料等制作而成，宇航服的最外层使用了玻璃纤维和一种叫“特氟隆”的合成纤维，足以抵御像枪弹一般的微陨石的袭击，以保证宇航员的安全。返回舱的舱体表面的蜂窝状热控涂层是石棉、玻璃与酚醛等复合而成的一种烧蚀材料制成，在返回舱和大气剧烈摩擦过程中，烧蚀材料会燃烧或分解，此过程将带走绝大部分热量，从而保护返回舱的安全返回。返回舱返回时的动力是液氢和液氧提供的。阅读文本，回答问题：（1）飞船发射时，推进剂发生反应后生成的一种无污染的气体单质可能是；使用推进剂时应注意的一点是。（2）宇航员出舱活动时，宇航员的宇航服具有的特性是（合理即可）。宇航服中的铝合金属于材料。（3）返回舱的舱体表面的蜂窝状热控涂层烧蚀材料具有的一种性质是。（4）返回舱返回时，提供动力发生反应的化学方程式是。、、、、、1．超轻“固态烟”是将SiO2和液体溶剂混合，经加压、干燥后形成的多孔海绵状结构的物质。它能承受超过自身重力几千倍的压力，绝缘性强、耐高温。下列说法中不正确的是A．SiO2中硅元素的质量分数为46.7%B．超轻“固态烟”为新型化合物C．超轻“固态烟”为制造航天深测器提供了新材料D．超轻“固态烟”可用于处理海洋原油污染2．火箭推进剂在火箭发动机中快速燃烧，为火箭飞行提供能量，液氢-液氧、液态甲烷-液氧都是优良的运载火箭推进剂。下列说法错误的是A．液氢、液氧都是单质，液态甲烷是化合物B．火箭推进剂气化时，分子间距离大大增加C．制造火箭发动机需用多种金属、合金以及复合材料D．等质量的氢气、甲烷完全燃烧，氢气消耗氧气更少3．我国新一代运载火箭采用的是低温推进剂——液氢、液氧，如长征五号火箭。下列说法中属于液氢的化学性质的是A．液氢可燃，燃烧后生成水B．液氢是密度最小的液体C．液氢的沸点极低（）D．液氢是透明、无色的4．（2024·四川成都·中考真题）2024年4月25日，搭载神舟十八号载人飞船的火箭成功发射。下列材料用途的对应性质解释不合理的是（）A．偏二甲肼作火箭燃料——可燃性 B．铝合金作火箭的骨架——密度大C．碳纤维复合材料作飞船外壳——耐高温 D．特种橡胶制成太空服加压层——弹性好5．北京时间2024年10月30日4时27分，神舟十九号载人飞船乘夜色飞向浩瀚太空，发射取得圆满成功。神舟十九号航天员乘组顺利入驻“天宫”与神舟十八号航天员乘组会师。液氢、液氧可用作神舟飞船运载火箭的推进剂，下列说法不正确的是（）A．火箭升空是化学能转化为内能并最终转化为机械能的结果B．用液氧来做推进剂是利用了液态氧的可燃性C．液氢是高能清洁燃料，其本身无毒，燃烧产物是水，热值很大D．运载火箭的铝合金外壳具有密度小、耐腐蚀、强度高的特性6．新型材料、新型能源的应用，是人类共同关注的问题。“航天新征程，十六问苍穹”。北京时间2023年5月30日9时31分，搭载神舟十六号载人飞船在酒泉卫星发射中心成功发射。请回答下列问题：（1）钛和钛合金具有很多优良的性能，广泛用于火箭、航天飞机等。钛和钛合金属于(填“金属材料”或“复合材料”)。（2）肼(N2H4)又称联氨，是火箭推进器的常用燃料之一。试写出N2H4在氧气中燃烧生成氮气和水的化学方程式：。7．2024年4月25日，“神舟十八号”太空飞船成功发射，标志着我国载人航天进入新的发展阶段。（1）航天员舱外航天服使用的聚氨酯橡胶是（填“隔热”或“导热”）材料；（2）太阳能电池板工作时可将太阳能转化为能；（3）航天食品中包含牛肉和蔬菜，其中主要为航天员提供维生素C的食品是；（4）长征2F型火箭使用的推进剂为偏二甲肼和四氧化二氮。偏二甲肼与四氧化二氮反应过程中（填“吸收”或“放出”）热量；（5）太空舱使用锂电池。Li可以通过Al与Li2O在高温下发生置换反应得到，该反应的化学方程式为。8．科学技术的发展加速了火箭推进剂的更新换代。（1）第一代采用四氧化二氮(N2O4)和偏二甲肼(C2H8N2)为推进剂，反应的化学方程式为2N2O4+C2H8N2=2X+3N2+4H2O。X的化学式为，N2O4中氮元素的化合价为。（2）第二代以煤油为燃料。将煤油喷成雾状进入燃烧室，这是通过的方法使煤油充分燃烧。（3）第三代采用液氢、液氧推进剂作为动力来源，液氢、液氧推进剂被称为“环保型推进剂”的原因是。9．2024年4月24日是我国第九个航天日。我国空间站的建设、载人飞船和月球探测器的成功发射等，向世界展示了我国的航天实力。（1）我国液体捆绑式火箭用偏二甲肼和四氧化二氮做推进剂，反应的化学方程式为：，其中X的化学式为。（2）空间站利用太阳能电池板提供电能，通过电解水制备氧气。请写出电解水反应的化学方程式：。（3）我国科学家研发的舱外航天服用到了涤纶，涤纶属于_____(填字母)。A．天然纤维 B．合成纤维（4）嫦娥六号月球车的红外成像光谱仪采用了二氧化碲晶体，如图是碲元素在元素周期表中的部分信息及其原子结构示意图。下列说法中，正确的有(填序号)。①碲元素属于金属元素②碲原子的核内质子数为52③碲原子与氧原子的最外层电子数相同（5）镁铝合金广泛应用于航空领域，大量的镁是从海水蒸发结晶得到粗盐后的苦卤水中提取的，如图是工业制镁的主要流程。①请写出步骤1中发生反应的化学方程式：。②已知试剂a是一种常见的酸，请写出它的名称：。10．2023年5月30日“神舟十六号”太空飞船成功发射，标志着我国载人航天进入新的发展阶段。（1）航天员舱外航天服使用的聚氨酯橡胶是（填“隔热”或“导热”）材料。（2）太阳能电池板需要使用铝合金箔片，铝合金能加工成箔片是利用了金属的性。（3）航天食品中包含牛肉和蔬菜，其中主要为航天员提供维生素C的食品是。（4）长征2F型火箭使用的推进剂为偏二甲肼和四氧化二氮。偏二甲肼与四氧化二氮反应过程中（填“吸收”或“放出”）热量。11．2023年5月30日“神舟十六号”太空飞船成功发射，标志着我国载人航天进入新的发展阶段。(一)航天材料（1）航天员舱外航天服使用的聚氨酯橡胶是(填“隔热”或“导热”)材料。（2）太阳能电池板需要使用铝合金，铝合金相比纯铝的优点是_____(填字母)。A．硬度高 B．熔点高 C．抗腐蚀性强(二)生命保障（3）下列航天食品中，富含蛋白质的是_____(填字母)。A．脱水米饭 B．酱牛肉 C．冻干草莓（4）太空舱的氧气主要来自于水的电解，电解水反应的化学方程式为。（5）王亚平在天宫课堂实验中将油和水混合振荡，得到了不分层的油水混合物，请判断王亚平得到的不分层的油水混合物(填“是”或“不是”)溶液。(三)能源系统（6）长征2F型火箭使用的推进剂为偏二甲肼和四氧化二氮。①四氧化二氮()中氮元素的化合价为。②偏二甲肼()与四氧化二氮()反应的化学方程式为：，则X的化学式为。(四)能源开发氢气是最理想的高热值清洁能源，制取与贮存是氢能源利用领域的研究热点。（7）全球制氢工业中，不同原料制得的氢气比例如图1.目前氢气的最主要来源是。（8）利用贮氢合金通过化学反应贮存氢气如图2.在高温下通入氩气做保护气的目的是，该贮氢反应的化学方程式为。12．化学与社会发展心怀山河，眼有星辰；祖国荣耀，写满太空。北京时间2024年1月17日晚，搭载着天舟七号货运飞船的长征七号遥八运载火箭成功发射，随后天舟七号货运飞船与火箭成功分离并进入预定轨道，飞船太阳能帆板顺利展开工作，发射取得圆满成功，18日成功对接“天宫空间站”天和核心舱。空间站采用了众多先进科技，如空间站天和核心舱的外壳是高强度的纤维材料，天线为形状记忆金属钛镍合金，以稀有气体“氙”作为动力的推进器，分别以环氧树脂和碳纤维为基体材料与增强材料的防热夹层等。I.化学与材料（1）下列有关说法不正确的是______。A．天宫空间站钛镍合金天线属于金属材料B．防热夹层材料属于复合材料C．宇航服的制作材料氯丁尼龙胶布、聚酯纤维薄膜等是合成材料D．空间站天和核心舱的外壳的高强度的纤维材料，属于无机非金属材料（2）推动器以稀有气体氙为动力，氙由(填“原子”“分子”或“离子”)构成。（3）2023年6月，神舟十五号载人飞船的返回舱经过大气层时，经受住了高速冲击、一千多度高温的考验，最终成功返回地面，这说明返回舱表面所用材料具有特点。飞船往返过程中，宇