高考化學試題中的“航天”題及答案解析

　　近年來，以航天為背景的命題時有出現，這類試題富有時代感，縮短了教學內容與高科技距離，符合“高起點、低落點”的命題思想，而且可培養同學們的科學精神。

　　1、 2003年元月5日，我國載有模擬航天員的“神舟四號飛船在預定區域成功著陸。運送飛船的長征二號F捆綁式大推力運載火箭的發動機是陜西省某研究所研制的。火箭主要燃料偏二甲肼（化學式為C2H8N2）是（ ）

　　A. 由2個碳原子、4個氫氣分子、一個氮氣分子組成

　　B. 由碳、氫、氮 三種元素組成

　　C. 由2個碳原子、8個氫原子、2個氮原子構成

　　D. 組成元素碳、氫、氮的質量比為1：4：1

　　解析：根據燃燒的化學式分析它的組成或構成。

　　答案：B

　　2、 載人航天飛船必須建立水的循環體系，以保證航天員的生活用水并減少飛船的攜水量。請將下圖各項用箭頭連接成水的循環體系（注：氫氧燃料電池反應產生電能，同時生成水）。

　　航天員 生活用水

　　解析：此題要理清各個流程的作用和相互聯系，其中水的凈化裝置是重要環節，生活污水及人體排泄物和電池反應產生的水經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展，探測火星已成為我國航天科技發展的遠景目標，但要把人類送上火星，還有許多航天技術問題需要解決。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生的二氧化碳就是一個值得研究的問題。已知一個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間，

　　如果在飛船發射時攜帶所需的氧氣，則質量很大，將大大提高發射的成本和難度。

　　（1）若飛船上有三名航天員，請計算來回火星一趟，理論上需要氧氣__________kg。（氧氣的密度是1.43g/L，答案取整數）

　　（2）有人提出在飛船上供氧的兩個方案：

　　①通過太陽能電池產生的電流來電解水。

　　②通過下列化學反應產生氧氣：

　　2Na2O2?2CO2?2Na2CO3?O2

　　從減少飛船發射質量和消除呼吸過程產生的二氧化碳的角度，請你評價這兩個方案最主要的優缺點（各寫一點）。

　　（3）也有科學家提出研究使航天員人工冬眠的技術或加快飛船速度，縮短航行時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的循環處理來看，方案②要優于方案①，但通過計算可知，產生同質量的O2，方案②消耗原料質量大，發射成本高，從這點看，方案①要優于方案②。我們最熟悉的CO2與O2之間的循環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（按氧氣體積分數為21%計算）

　　（2）方案①：優點是產生同質量的氧氣，飛船發射時質量較小；缺點是不能同時消除呼吸過程產生的二氧化碳。方案②：優點是產生氧氣的同時能消除呼吸過程產生的二氧化碳；缺點是產生同質量的氧氣時飛船發射質量較大。

　　（3）在飛船內種植光合作用效率高的植物 二氧化碳和氧氣循環利用，既能減輕飛船發射的質量又能同時消除呼吸過程產生的二氧化碳。

　　4、“天宮一號”目標飛行器上采用了鋁鋰合金為原材料，成功為艙段質量減輕10%，提高了飛行器的載重量。工業上用硫酸與β—鋰輝礦(LiAlSi2O6和少量鈣、鎂雜質)在250～300℃下反應生成Li2SO4、硅鋁化合物及MgSO4等，其工業生產流程如下：

　　請回答下列問題：

　　(1) 鋰鋁合金強度大，質量輕，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與水反應比Li與水反應劇烈 D.鋁和鋰形成的合金改變了材料的化學性質

　　(2)沉淀X的主要成分是 (寫化學式)。

　　(3)請解釋生產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后的`溶液進行蒸干得到固體，再將其熔融電解生產鋰。電解時產生的氯氣中會混有少量氧氣，請解釋混有少量氧氣的原因

　　。

　　(5)“天宮一號”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用這種技術。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)，粗硅與氯氣反應生成四氯化硅，四氯化硅經提純后用氫氣還原可制得高純硅。

　　①已知四氯化硅及雜質的性質如下表所示，據此，提純四氯化硅的最佳方法是 。

　　②為鑒定產品硅中是否含微量鐵單質，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)

　　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，水解和電解相關原理。(1)Li在空氣中燃燒只能生成Li2O，A項錯誤；鋁與熱的濃硫酸能夠發生反應，B項錯誤；K比Al活潑，故K與水反應比Li與水反應劇烈，C項正確；合金只改變材料的物理性質，化學性質基本不變，D項錯誤。(2)溶液中加入OH-、CO32-后產生的沉淀，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+，濃度過大時可能會生成部分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受熱分解產生的Li2O電解時會產生O2。 (5)該題以“天宮一號”的太陽能電池為素材，考查了硅、鐵的相關性質，其中涉及了物質分離和檢驗的方法。由于四氯化硅的沸點較低，但是高于BCl3的，所以可采用多次蒸餾法(精餾)提純。由于鐵單質與稀鹽酸反應的產物是Fe2+，檢驗的方法是先將Fe2+轉化為Fe2+后再進行檢驗，所以應選擇氯水和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+，濃度過大時可能會使部分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受熱分解產生的Li2O電解時會產生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16分許，中國首個目標飛行器“天宮一號”搭乘著“長征二號F”T1運載火箭在酒泉衛星發射中心載人航天發射場成功發射升空，這標志著中國在探索太空的征程上又邁出了一大步，是中華民族太空計劃的一重大里程碑事件。在

　　這之前的火箭推進劑的主要成分是有毒的四氧化二氮和偏二甲肼，現在改用了液氧、煤油。試回答下列問題：（1）在之前的火箭助推器中是以液態的四氧化二氮(N2O4)和液態的偏二甲肼(C2H8N2)為推進劑的。已知10g液態偏二甲肼與足量N2O4完全反應放出425kJ的熱量，生成對環境無害的N2、CO2、水蒸氣。寫出該反應的熱化學方程式 。在該反應中，氧化劑為 ，轉移的電子數為。

　　（2）火箭推進劑采用煤油和液氧，解決了接觸推進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，試計算同等條件下，C12H26和原燃料(偏二甲肼與N2O4)分別燃燒時，放出同等熱量時的C12H26與C2H8N2的質量比 。

　　（3）目前，各國致力發展高效新型燃料，即液氫和液氧，燃燒時生成氣態水。已知lg氫氣完全燃燒生成液態水時放出142.9kJ的熱量，又知1mol液態水變成水蒸氣時需要吸收44.0kJ的熱量，寫出火箭發射時H2(g)燃燒的熱化學方程式 。

　　【解析】(1)首先寫出化學方程式，偏二甲肼的相對分子質量是60，故1 mol C2H8N2燃燒放出2550kJ熱量。C2H8N2中H為+1價，N為–3價，C為–1價，N2O4是氧化劑，因此燃燒量總共失去16e-。(2)根據兩個熱化學方程式的計算，C12H26 ～ 8075kJ·mol-1，C2H8N2 ～ 2550kJ·mol-1， 計算得二者質量之比為17︰19。(3)根據蓋斯定律可得，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年諾貝爾化學獎授予準晶體的發現者以色列科學家達尼埃爾·謝赫特曼，以表彰其在晶體學研究中的突破。達尼埃爾·謝赫特曼是在Al—Mn合金(不含其他元素)中首次發現“準晶體”。研究性學習小組的同學，擬測定該“準晶體”中鋁的含量，現設計下列兩種不同的實驗方案進行探究。請回答下列問題：

　　【實驗方案一】將“準晶體”樣品與足量NaOH溶液反應，測定剩余固體的質量。實驗中發生反應的化學方程式

　　是。

　　【實驗步驟】

　　第一步：稱取一定量的“準晶體”樣品，溶于足量的NaOH溶液中，充分反應。 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，測得鋁的質量分數將 (填“偏高”、“偏低”或“無影響”)。

　　【實驗方案二】將“準晶體”樣品與足量稀鹽酸反應，測量實驗中生成氫氣的體積。

　　【問題討論】(2)同學們擬選用下列實驗裝置完成實驗：

　　①你認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)。

　　②實驗開始時，先取下分液漏斗上口的玻璃塞，再輕輕打開其活塞，反應進行一段時間后稀鹽酸不能順利滴入錐形瓶中，請你幫助分析原因

　　③實驗結束時，在讀取實驗中生成氫氣的體積時，你認為合理的是(填序號)

　　A.待實驗裝置冷卻后再讀數

　　B.上下移動量筒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合的實驗題。本題主要對鋁的性質進行考查，其中對定量實驗的考查是本題的難點。將準晶體與強堿反應后，鋁將轉化為偏鋁酸鈉，錳剩余在濾渣中，如果不進行濾渣洗滌，務必會造成濾渣的質量偏大，所以鋁的含量偏低。定量實驗的關鍵是收集產生的氫氣，本題中可以利用排水法收集產生的氫氣，其中最簡易裝置的連接順序是AEDG。由于鋁與稀鹽酸反應放熱且生成氣體，使錐形瓶中的氣體壓強增大，故反應進行一段時間后，可能造成分液漏斗中的液體無法滴下。實

　　驗結束后進行讀數時要注意待實驗裝置冷卻后再讀數，讀數時視線與凹液面的最低點保持水平后，再讀取量筒中水的體積。

　　【答案】【實驗方案一】2Al + 2NaOH + 2H2O = 2NaAlO2 + 3H2↑【實驗步驟】(1)偏低 【問題討論】(2) ① E D G ②鋁與稀鹽酸反應放熱且生成氣體，使錐形瓶中的氣體壓強變大 ③AC

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