高考化學(xué)試題中的“航天”題及答案解析
近年來，以航天為背景的命題時(shí)有出現(xiàn)，這類試題富有時(shí)代感，縮短了教學(xué)內(nèi)容與高科技距離，符合“高起點(diǎn)、低落點(diǎn)”的命題思想，而且可培養(yǎng)同學(xué)們的科學(xué)精神。
1、 2003年元月5日，我國載有模擬航天員的“神舟四號(hào)飛船在預(yù)定區(qū)域成功著陸。運(yùn)送飛船的長征二號(hào)F捆綁式大推力運(yùn)載火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)是陜西省某研究所研制的�；鸺饕剂掀纂拢ɑ瘜W(xué)式為C2H8N2）是（ ）
A. 由2個(gè)碳原子、4個(gè)氫氣分子、一個(gè)氮?dú)夥肿咏M成
B. 由碳、氫、氮 三種元素組成
C. 由2個(gè)碳原子、8個(gè)氫原子、2個(gè)氮原子構(gòu)成
D. 組成元素碳、氫、氮的質(zhì)量比為1：4：1
解析：根據(jù)燃燒的化學(xué)式分析它的組成或構(gòu)成。
答案：B
2、 載人航天飛船必須建立水的循環(huán)體系，以保證航天員的生活用水并減少飛船的攜水量。請將下圖各項(xiàng)用箭頭連接成水的循環(huán)體系（注：氫氧燃料電池反應(yīng)產(chǎn)生電能，同時(shí)生成水）。
航天員 生活用水
解析：此題要理清各個(gè)流程的作用和相互聯(lián)系，其中水的凈化裝置是重要環(huán)節(jié)，生活污水及人體排泄物和電池反應(yīng)產(chǎn)生的水經(jīng)凈化后既保證航天員的生活用水又減少飛船的攜水量。
答案：
3、隨著我國航天科技水平的迅速發(fā)展，探測火星已成為我國航天科技發(fā)展的遠(yuǎn)景目標(biāo)，但要把人類送上火星，還有許多航天技術(shù)問題需要解決。如：如何提供在往返路程中航天員呼吸所需要的氧氣和消除呼吸過程產(chǎn)生的二氧化碳就是一個(gè)值得研究的問題。已知一個(gè)成年人平均每年要呼吸空氣6570000L左右，而目前的飛船飛往火星來回一趟需兩年的時(shí)間，
如果在飛船發(fā)射時(shí)攜帶所需的氧氣，則質(zhì)量很大，將大大提高發(fā)射的成本和難度。
（1）若飛船上有三名航天員，請計(jì)算來回火星一趟，理論上需要氧氣__________kg。（氧氣的密度是1.43g/L，答案取整數(shù)）
�。�2）有人提出在飛船上供氧的兩個(gè)方案：
�、偻ㄟ^太陽能電池產(chǎn)生的電流來電解水。
�、谕ㄟ^下列化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氧氣：
2Na2O2?2CO2?2Na2CO3?O2
從減少飛船發(fā)射質(zhì)量和消除呼吸過程產(chǎn)生的二氧化碳的角度，請你評(píng)價(jià)這兩個(gè)方案最主要的優(yōu)缺點(diǎn)（各寫一點(diǎn)）。
�。�3）也有科學(xué)家提出研究使航天員人工冬眠的技術(shù)或加快飛船速度，縮短航行時(shí)間來減少氧氣的攜帶量。你是否有較好的方案，請舉一例：__________。你提出該方案的簡要理由：__________。
解析：題目提示要從兩方面去考慮問題。從CO2的循環(huán)處理來看，方案②要優(yōu)于方案①，但通過計(jì)算可知，產(chǎn)生同質(zhì)量的O2，方案②消耗原料質(zhì)量大，發(fā)射成本高，從這點(diǎn)看，方案①要優(yōu)于方案②。我們最熟悉的CO2與O2之間的循環(huán)就是植物的光合作用了，它與人的呼吸作用過程恰好相反，且成本低，簡單易行。
答案：（1）11838（按氧氣體積分?jǐn)?shù)為21%計(jì)算）
�。�2）方案①：優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生同質(zhì)量的氧氣，飛船發(fā)射時(shí)質(zhì)量較小；缺點(diǎn)是不能同時(shí)消除呼吸過程產(chǎn)生的二氧化碳。方案②：優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生氧氣的同時(shí)能消除呼吸過程產(chǎn)生的二氧化碳；缺點(diǎn)是產(chǎn)生同質(zhì)量的氧氣時(shí)飛船發(fā)射質(zhì)量較大。
（3）在飛船內(nèi)種植光合作用效率高的植物 二氧化碳和氧氣循環(huán)利用，既能減輕飛船發(fā)射的質(zhì)量又能同時(shí)消除呼吸過程產(chǎn)生的二氧化碳。
4、“天宮一號(hào)”目標(biāo)飛行器上采用了鋁鋰合金為原材料，成功為艙段質(zhì)量減輕10%，提高了飛行器的載重量。工業(yè)上用硫酸與β—鋰輝礦(LiAlSi2O6和少量鈣、鎂雜質(zhì))在250～300℃下反應(yīng)生成Li2SO4、硅鋁化合物及MgSO4等，其工業(yè)生產(chǎn)流程如下：
請回答下列問題：
(1) 鋰鋁合金強(qiáng)度大，質(zhì)量輕，適宜用作航空航天材料。下列敘述正確的是()
A. Li在氧氣中燃燒主要生成Li2O2B.鋁制容器可盛裝熱的濃硫酸
C.K與水反應(yīng)比Li與水反應(yīng)劇烈 D.鋁和鋰形成的合金改變了材料的化學(xué)性質(zhì)
(2)沉淀X的主要成分是 (寫化學(xué)式)。
(3)請解釋生產(chǎn)流程中前后兩次使用的Na2CO3溶液濃度不同的原因
(4)將鹽酸與碳酸鋰完全反應(yīng)后的`溶液進(jìn)行蒸干得到固體，再將其熔融電解生產(chǎn)鋰。電解時(shí)產(chǎn)生的氯氣中會(huì)混有少量氧氣，請解釋混有少量氧氣的原因
。
(5)“天宮一號(hào)”的晶體硅太陽能電池片被固定在高壓半剛性太陽能電池翼上，我國航天器電源首次應(yīng)用這種技術(shù)。單晶硅是太陽能電池板的主要材料。通常在高溫下還原二氧化硅制得粗硅(含鐵、鋁、硼和磷等雜質(zhì))，粗硅與氯氣反應(yīng)生成四氯化硅，四氯化硅經(jīng)提純后用氫氣還原可制得高純硅。
�、僖阎穆然杓半s質(zhì)的性質(zhì)如下表所示，據(jù)此，提純四氯化硅的最佳方法是 。
②為鑒定產(chǎn)品硅中是否含微量鐵單質(zhì)，將試樣用稀鹽酸溶解，取上層清液后需再加入的試劑是(填序號(hào))
a. 碘水 b. 氯水 c. NaOH溶液d. KSCN溶液e. Na2SO3溶液
【解析】本題以工業(yè)制鋰為載體考查了硅酸鹽不同形式的改寫，Ca、Mg等元素化合物知識(shí)，水解和電解相關(guān)原理。(1)Li在空氣中燃燒只能生成Li2O，A項(xiàng)錯(cuò)誤；鋁與熱的濃硫酸能夠發(fā)生反應(yīng)，B項(xiàng)錯(cuò)誤；K比Al活潑，故K與水反應(yīng)比Li與水反應(yīng)劇烈，C項(xiàng)正確；合金只改變材料的物理性質(zhì)，化學(xué)性質(zhì)基本不變，D項(xiàng)錯(cuò)誤。(2)溶液中加入OH-、CO32-后產(chǎn)生的沉淀，主要成分為CaCO3、Mg(OH)2。(3)前者使用稀碳酸鈉溶液的目的是除去溶液中的Ca2+，濃度過大時(shí)可能會(huì)生成部分Li+沉淀；故Ca2+濃度越大越利于Li2CO3生成。(4)混有O2的原因必須從反應(yīng)物特征入手尋找，由于加熱蒸干LiCl溶液可獲得固體，但是由于LiCl受熱易水解成LiOH，LiOH受熱分解產(chǎn)生的Li2O電解時(shí)會(huì)產(chǎn)生O2。 (5)該題以“天宮一號(hào)”的太陽能電池為素材，考查了硅、鐵的相關(guān)性質(zhì)，其中涉及了物質(zhì)分離和檢驗(yàn)的方法。由于四氯化硅的沸點(diǎn)較低，但是高于BCl3的，所以可采用多次蒸餾法(精餾)提純。由于鐵單質(zhì)與稀鹽酸反應(yīng)的產(chǎn)物是Fe2+，檢驗(yàn)的方法是先將Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe2+后再進(jìn)行檢驗(yàn)，所以應(yīng)選擇氯水和KSCN溶液。
【答案】(1) C (2) CaCO3、Mg(OH)2(3)前考使用稀碳酸鈉溶液的目的是除去溶液中的Ca2+，濃度過大時(shí)可能會(huì)使部分Li+沉淀；后者使用碳酸鈉溶液的目的是使Li+沉淀，所以CO32-濃度越大越有利于Li2CO3的生成(其他合理答案也可)。 (4)加熱蒸干LiCl溶液可獲得固體，但是由于LiCl受熱易水解成LiOH，LiOH受熱分解產(chǎn)生的Li2O電解時(shí)會(huì)產(chǎn)生O2(其他合理答案也可)。(5) ① 多次蒸餾(精餾) ② b d
【例2】2011年9月29日21時(shí)16分許，中國首個(gè)目標(biāo)飛行器“天宮一號(hào)”搭乘著“長征二號(hào)F”T1運(yùn)載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心載人航天發(fā)射場成功發(fā)射升空，這標(biāo)志著中國在探索太空的征程上又邁出了一大步，是中華民族太空計(jì)劃的一重大里程碑事件。在
這之前的火箭推進(jìn)劑的主要成分是有毒的四氧化二氮和偏二甲肼，現(xiàn)在改用了液氧、煤油。試回答下列問題：（1）在之前的火箭助推器中是以液態(tài)的四氧化二氮(N2O4)和液態(tài)的偏二甲肼(C2H8N2)為推進(jìn)劑的。已知10g液態(tài)偏二甲肼與足量N2O4完全反應(yīng)放出425kJ的熱量，生成對(duì)環(huán)境無害的N2、CO2、水蒸氣。寫出該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式 。在該反應(yīng)中，氧化劑為 ，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為。
�。�2）火箭推進(jìn)劑采用煤油和液氧，解決了接觸推進(jìn)劑的工作人員的安全問題，是目
前各國常用的燃料。已知煤油（以十二烷C12H26為例）的燃燒熱為8075kJ·mol-1，試計(jì)算同等條件下，C12H26和原燃料(偏二甲肼與N2O4)分別燃燒時(shí)，放出同等熱量時(shí)的C12H26與C2H8N2的質(zhì)量比 。
�。�3）目前，各國致力發(fā)展高效新型燃料，即液氫和液氧，燃燒時(shí)生成氣態(tài)水。已知lg氫氣完全燃燒生成液態(tài)水時(shí)放出142.9kJ的熱量，又知1mol液態(tài)水變成水蒸氣時(shí)需要吸收44.0kJ的熱量，寫出火箭發(fā)射時(shí)H2(g)燃燒的熱化學(xué)方程式 。
【解析】(1)首先寫出化學(xué)方程式，偏二甲肼的相對(duì)分子質(zhì)量是60，故1 mol C2H8N2燃燒放出2550kJ熱量。C2H8N2中H為+1價(jià)，N為–3價(jià)，C為–1價(jià)，N2O4是氧化劑，因此燃燒量總共失去16e-。(2)根據(jù)兩個(gè)熱化學(xué)方程式的計(jì)算，C12H26 ～ 8075kJ·mol-1，C2H8N2 ～ 2550kJ·mol-1， 計(jì)算得二者質(zhì)量之比為17︰19。(3)根據(jù)蓋斯定律可得，2H2(g)+O2(g)＝2H2O(g) △H=－483.6 kJ·mol-1 (注意H2的量的計(jì)算)。
【答案】(1) C2H8N2(l)+2N2O4(l)＝2CO2(g)+4H2O(g)+3N2(g) △H=－2550 kJ·mol-1 N2O4 16e-
(2) 17︰19 (3) 2H2(g)+O2(g)＝2H2O(g) △H=－483.6 kJ·mol-1
【例3】2011年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予準(zhǔn)晶體的發(fā)現(xiàn)者以色列科學(xué)家達(dá)尼埃爾·謝赫特曼，以表彰其在晶體學(xué)研究中的突破。達(dá)尼埃爾·謝赫特曼是在Al—Mn合金(不含其他元素)中首次發(fā)現(xiàn)“準(zhǔn)晶體”。研究性學(xué)習(xí)小組的同學(xué)，擬測定該“準(zhǔn)晶體”中鋁的含量，現(xiàn)設(shè)計(jì)下列兩種不同的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行探究。請回答下列問題：
【實(shí)驗(yàn)方案一】將“準(zhǔn)晶體”樣品與足量NaOH溶液反應(yīng)，測定剩余固體的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式
是。
【實(shí)驗(yàn)步驟】
第一步：稱取一定量的“準(zhǔn)晶體”樣品，溶于足量的NaOH溶液中，充分反應(yīng)。 第二步：過濾、洗滌、干燥、稱量固體。
(1)若上述操作中未洗滌固體，測得鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)將 (填“偏高”、“偏低”或“無影響”)。
【實(shí)驗(yàn)方案二】將“準(zhǔn)晶體”樣品與足量稀鹽酸反應(yīng)，測量實(shí)驗(yàn)中生成氫氣的體積。
【問題討論】(2)同學(xué)們擬選用下列實(shí)驗(yàn)裝置完成實(shí)驗(yàn)：
①你認(rèn)為最簡易裝置的連接順序是A接( ) ( )接( ) ( )接( ) (填接口字母，可不填滿)。
�、趯�(shí)驗(yàn)開始時(shí)，先取下分液漏斗上口的玻璃塞，再輕輕打開其活塞，反應(yīng)進(jìn)行一段時(shí)間后稀鹽酸不能順利滴入錐形瓶中，請你幫助分析原因
�、蹖�(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，在讀取實(shí)驗(yàn)中生成氫氣的體積時(shí)，你認(rèn)為合理的是(填序號(hào))
A.待實(shí)驗(yàn)裝置冷卻后再讀數(shù)
B.上下移動(dòng)量筒F，使其中的液面與廣口瓶中的液面相平
C.視線與凹液面的最低點(diǎn)相平，讀取量筒中水的體積
【解析】本題是一組以定性分析的定量分析相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)題。本題主要對(duì)鋁的性質(zhì)進(jìn)行考查，其中對(duì)定量實(shí)驗(yàn)的考查是本題的難點(diǎn)。將準(zhǔn)晶體與強(qiáng)堿反應(yīng)后，鋁將轉(zhuǎn)化為偏鋁酸鈉，錳剩余在濾渣中，如果不進(jìn)行濾渣洗滌，務(wù)必會(huì)造成濾渣的質(zhì)量偏大，所以鋁的含量偏低。定量實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是收集產(chǎn)生的氫氣，本題中可以利用排水法收集產(chǎn)生的氫氣，其中最簡易裝置的連接順序是AEDG。由于鋁與稀鹽酸反應(yīng)放熱且生成氣體，使錐形瓶中的氣體壓強(qiáng)增大，故反應(yīng)進(jìn)行一段時(shí)間后，可能造成分液漏斗中的液體無法滴下。實(shí)
驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行讀數(shù)時(shí)要注意待實(shí)驗(yàn)裝置冷卻后再讀數(shù)，讀數(shù)時(shí)視線與凹液面的最低點(diǎn)保持水平后，再讀取量筒中水的體積。
【答案】【實(shí)驗(yàn)方案一】2Al + 2NaOH + 2H2O = 2NaAlO2 + 3H2↑【實(shí)驗(yàn)步驟】(1)偏低 【問題討論】(2) ① E D G ②鋁與稀鹽酸反應(yīng)放熱且生成氣體，使錐形瓶中的氣體壓強(qiáng)變大 ③AC
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