新教材2023-2024学年高中化学第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-有机合成在新型材料研发中的应用课件鲁科版选择性必修3

第3章微项目改进手机电池中的离子导体材料——有机合成在新型材料研发中的应用基础落实·必备知识全过关重难探究·能力素养全提升目录索引

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。应用体验视角手机电池中离子导体材料的结构及优化1.[2023云南大理高二统考期末]LiPON薄膜锂离子电池是目前研究最广泛的全固态薄膜锂离子电池。如图为其工作示意图,LiPON薄膜只允许Li+通过,放电时Li+移动方向如图中所示,电池反应为LixSi+Li1-xCoO2

Si+LiCoO2。下列有关说法正确的是(

)A.a极电极电势高于b极B.LiPON薄膜在充放电过程中质量发生变化C.放电时b极发生的反应为Li1-xCoO2+xe-+xLi+══LiCoO2D.导电介质c可以是Li2SO4溶液C解析

电池放电时Li+向正极移动,由图示得a极是负极、b极是正极,A不正确;LiPONB薄膜的作用是只允许Li+通过,在充放电过程中质量不变,B不正确;放电时b极反应为Li1-xCoO2+xe-+xLi+══LiCoO2,C正确;Li能与水反应,导电介质c不能是水溶液,D不正确。2.2019年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

。

第2周期ⅠA族

(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。①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

。

②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)。

范德华力(分子间作用力)2Li+2H2O══2Li++2OH-+H2↑③锂离子电池放电时正极的电极反应式为

。

④请指出使用锂离子电池应该注意的问题:

(回答一条即可)。

Li1-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ⅠA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)①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;②Li

是碱金属元素,单质比较活泼,易与水反应产生氢气,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;③根据锂离子电池总反应方程式可知,锂离子电池在放电时,正极电极反应式为Li1-xCoO2+xLi++xe-══LiCoO2;④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。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①烯烃的氧化②炔烃的成环

③双烯的成环

(2)烃的衍生物的缩合成环①羟基和羟基成环

②羟基和羧基酯化成环

③羧基和羧基成环

④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。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溶液等对碳碳双键进行检验。(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:应用体验视角合成离子导体材料中有机溶剂单体的选择

写出以乙烯为起始原料制备化合物二