汽車安全氣囊有關的化學問題

文章編號:1005-6629(2010)05-0077-02 中圖分類號:G633.8 文獻標識碼:B

[題目]隨著汽車進入尋常百姓家，人們對駕駛汽車的安全性越來越關注。在新型汽車的方向盤和前排乘客座位前的儀表板內都有折疊安全氣囊，該安全氣囊中含有疊氮化鈉(NaN3)50 %、硝酸鉀、二氧化硅粉等。

(1)一旦汽車發生有足夠強度的意外碰撞時，一個碰撞傳感器將激活特定的電路，使疊氮化鈉放電并在0.03 秒內全部分解，生成鈉并放出單質氣體X，則X的化學式為__________，寫出該分解反應的化學方程式為__________________。

(2)生成的金屬鈉與硝酸鉀發生二次反應，又有X生成，同時生成氧化鉀和氧化鈉，請寫出該反應的化學方程式___________________________;將該反應中的氧化劑與還原劑填入下列空格中，并標出電子轉移的數目和方向。

其中產物氧化鉀和氧化鈉，能與安全氣囊中二氧化硅發生反應，生成硅酸鹽。

(3)碰撞后瞬間釋放的氣體使安全氣囊脹大，從而能阻擋人體前沖。若安全氣囊內放有260 克疊氮化鈉，產生的氣體有______升(假定此時氣囊內壓強為101325 Pa，溫度為300 K)。在此后的0.1 秒內，氣體通過氣囊上的小孔迅速消散，氣囊收縮。

(4)在上述安全氣囊的配方中二氧化硅的質量分數至少為_______________。

(5)氣囊中的二氧化硅是為了與氧化鉀和氧化鈉發生反應生成硅酸鹽，這一步有必要性嗎?請談談你的看法:______________________________。

[命題意圖]本題是受一道初中試題[1]的啟發創作而來。以汽車發生意外碰撞時安全氣囊中的物質發生的化學反應為載體，融化學反應原理、氧化還原反應的概念及其方程式配平、阿佛加德羅定律、化學計算等知識于一體，實現了“情境載體——知識融通——能力實現”的基本命題思路，對學生接受與處理信息的能力、思維能力、計算能力和科學素養等進行綜合考查。本題以生活實際中情境為切入點，期望引導學生關心生活、科技和社會現實，激發學習興趣，促進學生感悟、體驗化學的價值與意義等情感目標的落實，發揮考試的教育功能。

[試題點評]

1. 情境來自現實，貼近學生生活。隨著社會的發展，汽車、汽車安全氣囊對學生來說都不再是陌生的話題，不少學生家里都有私家車。解決汽車安全氣囊中的化學反應問題，讓學生感受到化學就在自己身邊，聯通化學知識與現實生活，使學生培增學習化學的興趣，從而運用化學的理念思考和解決現實問題——而這正是科學素養的體現之一。

2. 弘揚化學學科的價值。汽車安全氣囊可提高汽車安全性的作用無容置疑。本題讓學生領略和感受到化學的價值和意義，為學生樹立積極健康的學科形象，拓展知識視野。試題的內容和解題的過程有著鮮活的時代氣息。

3. 體現人文關懷、體現綠色化學的思想。安全氣囊中的主要反應結束之后，對產生的K2O和Na2O的處理，正是從環保角度思考，使解題過程充分體現科學和人文的融合。

4. 強調主干知識。試題考查的內容——化學反應原理、氧化還原反應方程式配平、氧化還原反應的概念、阿佛加德羅定律、化學計算等都是化學學科的主干知識。主干知識的考查一直是高考重點，上述這些主干知識也一直是高考的重中之重。

5. 問題設置由易到難，具有較好的梯度。第一問是疊氮化鈉的分解，題干的表述非常清楚， X是氮氣可以說是一目了然。第二問是鈉與硝酸鉀的反應，對反應產物題干中亦有明確的表述，用化合價升降法配平此方程式、標出電子轉移的數目及方向也是最基本的要求，難度大于第一問。第三問要求算出300 K時的氮氣的體積，必須先根據第一、二問的方程式算出氮氣物質的量，氮氣在標準狀況下的體積，然后根據阿佛加德羅定律算出300 K的氮氣體積。第四問由化學方程式算出K2O和Na2O的物質的量，再由堿性氧化物和酸性氧化物反應的方程式算出所需SiO2的物質的量，然后根據疊氮化鈉的質量與百分含量算出SiO2的質量分數。最后一問，要求學生從題干中提取信息，K2O和Na2O會隨氣體一起從氣囊中散出，會噴到駕駛員、乘客身上以及環境中，聯想到K2O和Na2O都是典型堿性氧化物，極易與水反應生成具有強腐蝕性的強堿，對駕駛員、乘客與環境都有危害，利用它們與二氧化硅反應生成無毒、無污染的硅酸鹽。本問對學生提取信息的能力、思維能力、語言表達能力要求較高。

[試題解析]

(1)疊氮化鈉分解，題干的表述非常清楚，不難得到X是氮氣，但需要注意的是在書寫化學方程式時疊氮化鈉的分解條件——放電。

(2)鈉與硝酸鉀的反應，反應的產物題干中亦有明確的表述，用化合價升降法配平此方程式、標出電子轉移的數目及方向也是最基本的要求。

得到產生氮氣物質的量共為6.4 mol，設氣囊溫度是300 K，要算氮氣的體積必須根據阿佛加德羅定律:同壓下，一定量氣體物質的體積之比等于溫度之比，即6.4 mol×22.4 mol·L-1/273 K=V/300 K，求算出300 K時氮氣的體積。

(4)根據方程式②算出K2O和Na2O分別是0.4 mol和2 mol，再根據方程式:

算出所需二氧化硅的最小質量:2.4 mol×60 g·mol-1=144 g，這是與氧化鉀和氧化鈉恰好反應所需的二氧化硅質量，其質量分數為:

144 g×0.5/260 g=0.277。

(5)從材料中提煉信息:氣體會通過氣囊上的小孔迅速消散，不可避免氧化鉀和氧化鈉也會從氣囊里散出，就會與駕駛員和乘客的皮膚直接接觸，生成對人和環境都有危害的物質，所以利用它們與二氧化硅反應生成無毒、無污染的硅酸鹽。

[答案]

(1)N2 ， 2NaN3 2Na+3N2

(2)10Na+2KNO3→K2O+5Na2O+N2

(3) 157.5; (4) 0.277

(5)有必要。因為氧化鉀和氧化鈉都能與水反應生成強堿。氧化鉀和氧化鈉隨氮氣從安全氣囊逸出，就可能與駕駛員和乘客的皮膚直接接觸，在與空氣環境中可發生反應生成強堿，對人和環境都有危害。所以，可利用它們與二氧化硅反應生成無毒、無污染的硅酸鹽把它們處理掉。

參考文獻:

[1]汪朝陽.新課程課標下的命題趨勢[J].化學教學，2005，(1～2):97～99.

[2]楊林.汽車安全氣囊電子控制模塊ECU設計研究.南京理工大學碩士學位論文，2007.