2022-2023学年新教材高中化学第3章有机合成及其应用合成高分子化合物微项目改进手机电池中的离子导体材料课件鲁科版选择性必修3

1、微项目改进手机电池中的离子导体材料第3章有机合成在新型材料研发中的应用 内容索引0102基础落实必备知识全过关重难探究能力素养全提升03学以致用随堂检测全达标素养目标1.通过设计手机新型电池中的离子导体材料,将研究材料性能问题转化为研究有机化合物的性质问题,聚焦有机化合物的功能基团,设计高分子化合物的分子结构,建立从化学视角分析、解决材料问题的思路和方法,培养科学探究与创新意识的化学学科核心素养。2.合理应用逆推法和正推法设计有机材料的合成路线,并通过合成路线的选择和评价活动,体会官能团保护、“绿色化学”等思想,培养科学态度与社会责任的化学学科核心素养。基础落实必备知识全过关必备知识1.锂离子

2、电池工作电压高、体积小、质量轻、能量高、无污染、循环寿命长。2.电池放电时,外电路中电子由负极移动到正极,内电路中锂离子通过有机溶剂的传导从负极移动到正极,形成闭合回路;电池充电时,内电路中锂离子同样通过有机溶剂的传导从正极移动到负极。3.酯基的存在能够很好地提高有机溶剂对锂盐的溶解性,醚键的存在对锂离子传导具有很好的效果。4.有机溶剂应该性能稳定且为固态,具有交联结构的高分子能够满足这一要求。5.通常利用与卤化氢加成再消去的方法进行碳碳双键的保护。【微思考】 写出苯乙烯与丙烯酸甲酯共聚的化学反应方程式。 重难探究能力素养全提升探究一设计手机新型电池中离子导体材料的结构问题探究某种锂离子电池的

3、工作原理示意图 电池充电时负极与外电源的哪一极连接?电池充电时锂离子向哪移动? 提示 电池充电时,负极与外电源的负极连接,正极与外电源的正极相连;充电时,为电解池,内电路中锂离子通过有机溶剂的传导从正极(阳极)移动到负极(阴极)。深化拓展离子导体中有机溶剂需同时具备溶解并传导锂离子两种性能。酯基的存在能够很好地提高有机溶剂对锂盐的溶解性,醚键的存在对锂离子传导具有很好的效果。因此新型的有机溶剂应该是结构单元中有酯基和醚键的高分子。二缩三乙二醇二丙烯酸酯与丙烯酸丁酯的共聚物做有机溶剂的基体,与锂盐复合形成良好的聚合物离子导体材料,推进了固态新型聚合物锂离子电池的发展。应用体验【典例1】2019年

4、诺贝尔化学奖颁给了三位对锂离子电池发展有着巨大贡献的科学家。锂离子电池已广泛应用于手机、笔记本电脑、电动汽车等较多领域。(1)锂元素在元素周期表中的位置为 。(2)氧化锂(Li2O)是制备锂离子电池的重要原料,氧化锂的电子式为。(3)近日华为宣布,利用锂离子能在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出了石墨烯电池,电池反应式为LixC6+Li1-xCoO2 C6+LiCoO2,其工作原理如图。石墨烯的优点是可提高电池的能量密度,石墨烯为层状结构,层与层之间存在的作用力是。锂离子电池不能用水溶液作离子导体的原因是(用离子方程式表示)。锂离子电池放电时正极的电极反应式为。请指出使用锂离子

5、电池应该注意的问题:。(回答一条即可)答案 (1)第2周期A族 (3)范德华力(分子间作用力)2Li+2H2O=2Li+2OH-+H2Li1-xCoO2+xLi+xe-=LiCoO2避免过充、过放、过电流、短路及热冲击,同时可使用保护元件等解析 (1)Li是3号元素,其原子结构示意图为 ， 所以Li在元素周期表的位置为第2周期A族。 (2)Li2O是离子化合物,Li+与O2-之间通过离子键相结合,其电子式为 (3)石墨烯的优点是可提高电池的能量密度,石墨烯为层状结构,在层内碳原子之间以共价键结合,在层与层之间存在的作用力是分子间作用力,也叫范德华力;Li 是碱金属元素,单质比较活泼,易与水反应

6、产生氢气,反应的离子方程式为2Li+2H2O=2Li+2OH-+H2,所以锂离子电池不能用水溶液作离子导体;根据锂离子电池总反应方程式可知,锂离子电池在放电时,正极上Li+得电子变为LiCoO2,电极反应式为Li1-xCoO2+xLi+xe-=LiCoO2;锂离子电池在使用时应该注意避免过充、过放、过电流、短路及热冲击,同时可使用保护元件等。变式训练1(2022全国高二同步训练)一种3D打印机的柔性电池以碳纳米管作电极材料,以吸收ZnSO4溶液的有机高聚物为固态电解质,其电池总反应为A.放电时,含有锌膜的碳纳米管纤维作电池负极B.有机高聚物中含有的化学键有极性键、非极性键和氢键C.合成有机高聚

7、物的单体是D.放电时,电极的正极反应为MnO2+e-+H2O=MnOOH+OH- 答案 B解析 有机高聚物中含有的化学键有极性键和非极性键,氢键属于分子间作用力,不属于化学键,故B错误。变式训练2锂离子电池是一种生活中常见的二次电池,常用于手机、笔记本电脑、电动车等多个领域。锂离子电池主要依靠Li+在正极材料(LixCoO2)和负极材料(石墨)之间往返嵌入和脱嵌来工作。低温时,由于电解液黏度增大,电池中锂离子的迁移能力下降,低温充电时石墨嵌锂速度降低,Li+来不及嵌入石墨中形成LixC,便得到电子被还原,容易在负极表面析出金属锂,降低电池容量,影响电池安全。上海复旦大学开发了一款新型锂离子电池

8、,其放电的工作原理如下图所示。该电池不仅在-40 下放电比容量没有衰降,甚至在-70 下该电池的放电比容量保持率也能够达到常温的70%左右,极大地拓宽了电池的应用范围。复旦大学团队采用凝固点低、可在极端低温条件下导电的乙酸乙酯基电解液,并采用不需要将锂离子嵌入电极中即可完成充、放电的有机化合物电极,避免了低温条件下嵌入过程变慢的问题。请依据材料内容回答下列问题。(1)判断下列说法错误的是(填序号)。新型锂离子电池有望在地球极寒地区使用。在传统锂离子电池中,金属锂是负极材料。若新型锂离子电池在常温下的放电比容量为99 mAhg-1,则其在-40 下的放电比容量为99 mAhg-1。(2)新型锂离

9、子电池放电时,正极是(填“A”或“B”)。(3)下列关于该新型锂离子电池可耐低温的原因推测不正确的是(填字母)。a.采用与传统不同的有机化合物电极b.乙酸乙酯基电解液的凝固点低c.锂离子不需要在正负极间移动答案 (1)(2)A(3)c 解析 (1)新型锂离子电池在-40 下放电比容量没有衰降,在-70 下电池的放电比容量保持率也能达到常温的70%左右,所以新型锂离子电池有望在地球极寒地区使用,故正确;传统锂离子电池中正极材料为LixCoO2,负极材料为石墨,Li+嵌入石墨中形成LixC,LixC失去电子,电池工作放电,故错误;电池在-40 下放电比容量没有衰降,即新型锂离子电池在常温下和-40

10、 下的放电比容量相等,均为99 mAhg-1,故正确。(2)原电池工作时,电解质溶液中阳离子移向正极,阴离子移向负极。由新型锂离子电池放电原理图可知,Li+由B电极移向A电极,TFSI-由A电极移向B电极,所以B电极为负极,A电极为正极。(3)新型锂离子电池可能采用了不需要将锂离子嵌入电极中即可完成充、放电的有机化合物电极,可避免低温条件下嵌入过程变慢的问题,以提高电池的放电比容量,故a正确;新型锂离子电池可能采用了极端低温条件下能导电的乙酸乙酯基电解液,可避免低温条件下嵌入过程变慢的问题,说明乙酸乙酯基电解液凝固点低,故b正确;锂离子电池主要依靠Li+在正负极间移动以形成闭合回路,对外供电,

11、故c不正确。探究二合成离子导体材料中有机溶剂的单体问题探究1.二缩三乙二醇二丙烯酸酯单体是如何获得的? 提示 二缩三乙二醇二丙烯酸酯的合成:可以先合成二缩三乙二醇,然后与丙烯酸酯化。 2.丙烯酸丁酯单体是如何获得的? 提示 合成路线:(1)通过丙烯酸和正丁醇合成丙烯酸丁酯。 (2)通过1-溴丁烷和丙烯酸钠在一定条件下合成丙烯酸丁酯: 深化拓展1.常见碳链成环的方法(1)烯、炔烃的成环烯烃的氧化炔烃的成环 双烯的成环 (2)烃的衍生物的缩合成环羟基和羟基成环 羟基和羧基酯化成环 羧基和羧基成环 羧基和氨基成环 2.常见碳链开环的方法(1)某些氧化反应,如某些含有碳碳双键的环状有机化合物被氧化可以

12、生成链状有机化合物。(2)某些水解反应,如环状的酯可以水解生成链状有机化合物。 3.官能团的保护有机合成时,往往向有机化合物分子中引入多个官能团,但有时在引入某一个官能团时容易对其他官能团造成破坏,导致不能实现目标化合物的合成。因此,在制备过程中要把分子中的某些官能团通过恰当的方法保护起来,在适当的时候再将其转变回来,从而达到有机合成的目的。(1)酚羟基的保护因酚羟基易被氧化,所以在氧化其他基团前可以先使其与NaOH反应,把OH(酚羟基)变为ONa将OH(酚羟基)保护起来,待氧化后再酸化将其转变为OH(酚羟基)。(2)碳碳双键的保护碳碳双键也容易被氧化,在氧化其他基团前可以利用其与卤素单质、卤

13、化氢等的加成反应将其保护起来,待氧化后再利用消去反应转变为碳碳双键。例如,已知烯烃中 在某些强氧化剂的作用下易发生断裂,因而在有机合成中有时需要对其进行保护,过程可简单表示如下:(3)氨基(NH2)的保护如在对硝基甲苯合成对氨基苯甲酸的过程中应先把CH3氧化成COOH,再把NO2还原为NH2。防止KMnO4氧化CH3时,NH2(具有还原性)也被氧化。(4)醛基的保护醛基可被弱氧化剂氧化,为避免在反应过程中受到影响,对其保护和恢复过程为:在检验碳碳双键时,当有机化合物中含有醛基、碳碳双键等多种官能团时,可以先用弱氧化剂,如银氨溶液、新制Cu(OH)2悬浊液等氧化醛基,再用溴水、酸性KMnO4溶液

14、等对碳碳双键进行检验。应用体验请写出A、B、C、D的结构简式:A,B,C,D。答案 (CH3)2COHCH2OHCH2=C(CH3)COOHCH2=C(CH3)COOCH3变式训练3聚甲基丙烯酸甲酯( )的缩写为PMMA,俗称有机玻璃。下列有关PMMA的说法错误的是()A.合成PMMA的单体是甲基丙烯酸和甲醇B.聚甲基丙烯酸甲酯的分子式可表示为(C5H8O2)nC.聚甲基丙烯酸甲酯属于有机高分子合成材料D.甲基丙烯酸甲酯CH2=C(CH3)COOCH3中碳原子可能都处于同一平面答案 A 解析 聚甲基丙烯酸甲酯的单体为CH2=C(CH3)COOCH3,故A错误;由结构简式可知,聚甲基丙烯酸甲酯的

15、分子式可表示为(C5H8O2)n,故B正确;聚甲基丙烯酸甲酯属于有机高分子合成材料,故C正确;甲基丙烯酸甲酯中 、 均为平面结构且直接相连,则分子中所有碳原子可能都处于同一平面,故D正确。学以致用随堂检测全达标随堂检测1.有机玻璃的单体甲基丙烯酸甲酯的合成原理如下:下列说法正确的是()A.若反应的原子利用率为100%,则物质X为CO2B.可用分液漏斗分离甲基丙烯酸甲酯和甲醇D.甲基丙烯酸甲酯与H2反应生成Y,能与NaHCO3溶液反应的Y的同分异构体有3种答案 C 丙烯酸甲酯与H2反应生成 ,能与NaHCO3溶液反应说明含有COOH,故分子式为C4H9COOH,因丁基存在4种结构,故能与NaHC

16、O3溶液反应的Y的同分异构体有4种,D项错误。2.(2022湖南怀化高二期中)聚碳酸酯(L)是滑雪镜镜片的主要材料,透明性好、强度高、不易碎,能够给运动员提供足够的保护,其结构简式如图。种链状单体通过该反应制备。下列关于L的说法不正确的是()A.制备L的反应是缩聚反应B.制备L的每个单体分子中均含两个苯环C.L中的官能团是酯基和醚键D.通过蒸馏出苯酚可促进L的合成答案 C 3.锂离子电池已经成为新一代实用化的蓄电池,该电池具有能量密度大、电压高的特性。以下是锂离子电池放电时的电极反应式。负极反应:C6Li-xe-=C6Li1-x+xLi+(C6Li表示锂原子嵌入石墨形成的复合材料)正极反应:Li1-xMO2+xLi+xe-=LiMO2(LiMO2表示含锂的过渡金属氧化物)下列有关说法正确的是()A.锂离子电池放电时电池总反应式为LiMO2+C6Li1-x=C6Li+Li1-xMO2B.锂离子电池充电时电池内部Li+向负极所连的电极移动C.锂离子电池放电时电池内部阴离子流向正极