1、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新课程标准学业质量水平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。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。1.科学探究与创新意识:认识科学探究是进行科学解释和发现、创造和应用的科学实践活动;能从原电池的原理出发,设计手机新型电池中离子导体材料的结构。2. 变化观念与平衡思想:能多角度、动态地分析化学变化,运
2、用有机物合成中碳骨架的建立和官能团的引入,合成离子导体材料中有机溶剂的单体。必备知识素养奠基一、锂离子电池的工作原理1.电极材料负极材料石墨正极材料过渡金属氧化物离子导体锂盐的液态有机溶剂2.原理(1)放电外电路电子从负极移动到正极内电路锂离子通过有机溶剂的传导从负极移动到正极(2)充电外电路电子从阳极移动到电源正极;从电源负极移动到阴极内电路锂离子通过有机溶剂的传导从阳极移动到阴极二、手机新型电池中离子导体的结构1.离子导体中有机溶剂的结构特点(1)作为溶剂应具备溶解并传导锂离子的性能。(2)酯基的存在能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的传导具有很好的效果。(3)有机溶剂
3、应该性能稳定且为固态,具有交联结构的高分子满足这一要求。2.离子导体材料我国科学家提出以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基体,通过与锂盐复合形成聚合物离子导体材料。三、合成离子导体材料中有机溶剂的单体1.合成反应中一些反应原理RCN+H2ORCOOH(R为H或烃基)CH2CHCH3CH2CHCHO+ROHROCH2CH2OH(R为H或烃基)CH3CHCH2+CO+H2CH3CH2CH2(或)RCHO+CH3CHORCHCHCHO(R为H或烃基)2.合成二缩三乙二醇的方法+H2O锂-铜空气燃料电池容量高、成本低,具有广阔的发展前景。该电池通过一种复杂的铜腐蚀“现象”产生电力,
4、其中放电过程为2Li+Cu2O+H2O2Cu+2Li+2OH-。(1)放电时,正极的电极反应式是什么?提示:Cu2O+H2O+2e-2OH-+2Cu。(2)放电时,锂离子透过固体电解质向哪极移动?提示:阳离子向正极移动,则Li+透过固体电解质向Cu极移动。(3)整个反应过程中,空气的作用是什么?提示:通空气时,铜电极被腐蚀,表面产生Cu2O,所以空气中的O2起到氧化剂的作用。关键能力素养形成项目活动1:设计手机新型电池中离子导体材料的结构2020年5月31日下午4时53分,我国在酒泉卫星发射中心使用长征二号丁运载火箭,成功将高分九号02星、和德四号卫星送入预定轨道,发射取得圆满成功。此次长二丁
5、火箭遥测系统上采用的一组锂离子蓄电池,替换了原先的一组锌银电池,在满足总体对电池的体积和重量的要求下,同时满足了电性能要求的方案。同时,锂电池在同等能量情况下体积更小、重量更轻,可为其他系统的设计提供更大的余量,在满足火箭小型化、轻型化发展趋势的同时,增强火箭的运载能力。【活动探究】某种聚合物锂离子电池放电时的反应为Li1-xCoO2+LixC66C+LiCoO2,其电池如图所示。(1)放电过程放电时,两极材料分别是什么?提示:根据电池中电子流向可知,该电池的负极材料为LixC6,正极材料为Li1-xCoO2。电池放电前后两极材料在成分上分别发生了什么变化?提示:负极材料为镶嵌有锂的石墨(Li
6、xC6)反应后变成了石墨;正极材料原来是Li1-xCoO2 后来变成了LiCoO2。放电过程电池中移动的阳离子是什么?向哪个方向移动?提示:放电过程中锂离子由负极向正极移动。(2)充电过程电池充电过程中该电池的两极与外电源的两极如何连接?提示:原电池的负极接外电源的负极,原电池的正极接外电源的正极。充电前后电池的两极材料发生了哪些变化?提示:负极材料由石墨又变成了镶嵌有锂的石墨(LixC6)电极;正极材料由LiCoO2又生成了Li1-xCoO2。与电池的放电原理正好相反。(3)从上述可以看出,该电池在选择电解质溶液时有什么要求?提示:该电池的电解质溶液首先不能是水溶液,其次,能够溶解并传导锂离
7、子。(4)结合上述分析,试仅从物质变化角度来分析两极材料在成分上的变化。提示:该电池的放电与充电过程可以看成锂原子或者锂离子的镶嵌与脱嵌过程。此时,电解质对锂离子的传导作用尤为重要。【思考讨论】1.锂离子电池中,电解质的作用是什么?提示:在电池中电解质的作用是溶解并传导锂离子。2.锂离子新型有机溶剂一般是哪类物质?提示:是一种结构单元中有酯基、醚键的高分子。3.传统锂离子电池中,绝大多数使用的是酯类溶剂,原因是什么?提示:锂盐在酯类溶剂有较好的溶解性,能够传导锂离子。4.含有醚键的物质为什么对锂盐起到良好的离子导体的作用?提示:醚键通过醚氧原子与锂原子之间不断结合、分离从而实现锂离子传导。【探
8、究总结】锂电池有机溶剂的选择1.常见锂电池的有机溶剂的类别:(1)质子溶剂,如乙醇、乙酸等;(2)极性非质子溶剂,如碳酸酯、醚类等;(3)惰性溶剂,如四氯化碳等。锂电池常用的溶剂一般是极性非质子溶剂,这些溶剂中常含有CO、SO、CN、CO等极性基团,能够有效地溶解锂盐并提高电解液的电化学稳定性。2.有机溶剂选择的原则: (1)有机溶剂对电极应是惰性的,在电池充放电过程中不与正负极发生电化学反应,稳定性好。(2)有机溶剂应具有较高的介电常数,以使锂盐有足够高的溶解度,保证电解液高的电导率。(3)溶剂的沸点要高(150 以上),熔点要低(-40 以下),即具有较宽的液程,以使锂电池有较宽的温度范围
9、及优良的高低温性能。(4)与电极材料有较好的相容性,电极在其构成的电解液中能够表现出优良的电化学性能。(5)电池循环效率、成本、环境因素等方面的考虑等,单一溶剂很少能同时满足以上要求,而多种溶剂按一定比例混合得到的混合溶剂能够满足锂电池工作的需要。【迁移应用】1.(2020青岛高二检测)锂-空气电池是一种新型的二次电池,由于具有较高的比能量而成为未来电动汽车的希望。其放电时的工作原理如图所示。下列说法正确的是()A.该电池放电时,锂电极发生了还原反应B.放电时,Li+向锂电极迁移C.电池中的电解液可以是有机电解液或稀盐酸等D.充电时,电池正极的反应式为Li2O2-2e-2Li+O2【解析】选D
10、。该电池放电时为原电池,负极是金属锂失电子,发生了氧化反应,A错误;放电时为原电池,Li+向正极(即多孔电极Li2O2)迁移,B错误;金属锂能与盐酸反应生成氢气,所以电池中电解液可以是有机电解液,但不可以用稀盐酸, C错误;充电时,为电解池,电池正极(阳极)发生氧化反应,Li2O2失电子生成氧气,正极反应式为Li2O2-2e-2Li+O2,D正确。2.锂离子电池已经成为应用最广泛的可充电电池。某种锂离子电池的结构示意图如图,其中两极区间的隔膜只允许Li+通过。电池充电时的总反应化学方程式为LiCoO2Li1-xCoO2+xLi。关于该电池的推论错误的是()A.放电时,Li+主要从负极区通过隔膜
11、移向正极区,因此电解质溶液必须是含有Li+的盐B.该电解质溶液应该选用对锂盐具有很好的溶解性和传导性的有机溶剂C.负极材料是镶嵌有锂原子的石墨D.充电时,负极(C)上锂元素被氧化【解析】选D。该电池LiCoO2为正极,负极材料是镶嵌有锂原子的石墨电极,电解质溶液一般是锂的有机盐。放电时的反应为Li1-xCoO2+xLiLiCoO2,则正极反应为Li1-xCoO2+xe-+xLi+LiCoO2,负极反应为xLi-xe-xLi+,Li+主要从负极区通过隔膜移向正极区;充电时负极(C)接的是外接电源的负极,此时C为阴极,电极反应应该是xLi+xe-xLi,锂元素被还原,D错误。3.下列物质是常见的锂
12、离子电池的有机溶剂,有关说法不正确的是()A.四种物质的共同点就是含有酯基或醚键B.醚键中的氧原子能和锂离子紧密结合C.酯类物质能提高对锂离子的溶解性D.锂离子电池放电时是电能转化为化学能【解析】选D。锂离子电池放电时是化学能转化为电能。项目活动2:合成离子导体材料中有机溶剂的单体聚丁二酸乙二醇酯(PES)是一种生物可降解的聚酯,PES与聚丁二酸丁二醇酯(PBS)是同系物,易被自然界的多种微生物或动植物体内的酶分解代谢,最终生成二氧化碳和水。常作为PBS的替代物或填充物,在保持产品性能不变的情况下不仅可以节省成本,还可以改善材料的某些性能,达到预想不到的效果。基于PES的生物可降解性,其在塑料
13、薄膜、食品包装、生物材料等方面有着巨大的发展前景。研究表明:PES具有较好的体外降解性能,其薄膜在磷酸缓冲溶液中酶解12天时,失重明显,降解很快,在酶解24天后其降解失重达到79.91%。可以与其他生物降解材料混合,调节材料的降解速率,可以在一定的时间内选择性维持材料的生物力学性能。该高分子聚合物的化学式为【活动探究】(1)聚丁二酸乙二醇酯(PES)有两种单体。这两种单体分别是什么?这两种单体以什么方式聚合成该高聚物分子?提示:对应的单体为HOOCCH2CH2COOH和HOCH2CH2OH,二者可发生缩聚反应生成聚酯。若有一种新型的合成材料“丁苯吡橡胶”,结构简式为该高分子的单体是什么?其反应
14、类型是什么?提示:先分析高分子链中主链的结构简式,合成材料是由不饱和的单体发生加聚反应而形成的,后再将高分子链节(即重复结构单元)断成三段:CH2CHCHCH2、,可知有3种单体。这三种单体通过加聚反应生成高分子化合物。若高分子化合物A和B的部分结构如下:A.B.A的单体是什么?反应类型是什么?B的单体是什么?反应类型是什么?提示:由高分子化合物A的结构片段可看出其重复的结构单元为,则A的结构简式为,它是由加聚反应所得的高聚物,其单体是CH2CHCOOH。由高分子化合物B的结构片段,可看出其重复的结构单元为,则B的结构简式为,它是由缩聚反应所得的高聚物,其单体是。对比以上问题,分析如何判断高分
15、子化合物属于加聚反应产物还是缩聚反应的产物?提示:若高分子化合物的中括号的主链上无特殊官能团,只有碳原子则是加聚反应产物;若主链上含有特殊官能团则为缩聚反应的产物。(2)若这两种单体相互之间也可能形成一种八元环状酯,该环状化合物的结构简式是什么?提示:该两种单体可以发生酯化反应生成环酯,其结构为。【思考讨论】1.合成有机化合物,如何构建碳骨架?提示:构建碳骨架要考虑碳链的增长与缩短以及开环与成环。2.制备二缩三乙二醇时,为什么不直接用乙二醇脱水缩合?提示:若用乙二醇脱水缩合制备二缩三乙二醇,无法控制反应的聚合度,因此在制备二缩三乙二醇时利用的是环氧乙烷与水反应开环的方式,以控制乙二醇的聚合程度
16、。3.如何确定有机合成的目标和任务?提示:包括目标化合物分子碳骨架的构建和官能团的转化。其合成过程示意图如图所示。4.绿色化学在有机合成中体现在哪些方面?提示:原子经济性;原材料无毒害;产品无污染;最大限度节约能源。【探究总结】1.有机物的合成路线(1)烃、卤代烃、烃的含氧衍生物之间的转化关系:(2)一元合成路线:RCHCH2卤代烃一元醇一元醛一元羧酸酯(3)二元合成路线:CH2CH2CH2XCH2X二元醇二元醛二元羧酸链酯、环酯、聚酯(4)芳香族化合物合成路线:2.有机合成中官能团的引入(1)引入碳碳双键的方法:卤代烃的消去,醇的消去,炔烃的不完全加成。(2)引入卤素原子的方法:醇(酚)的取
17、代,烯烃(炔烃)的加成,烷烃(苯及苯的同系物)的取代。(3)引入羟基的方法:烯烃与水的加成,卤代烃的水解,酯的水解,醛的还原。3.有机合成中官能团的保护(1)有机合成中酚羟基的保护:由于酚羟基极易被氧化,在有机合成中,如果遇到需要用氧化剂进行氧化时,经常先将酚羟基通过酯化反应转化为酯,保护起来,待氧化过程完成后,再通过水解反应,将酚羟基恢复。(2)有机合成中醛基的保护:醛与醇反应生成缩醛:RCHO+2ROH生成的缩醛比较稳定,与稀碱和氧化剂均难反应,但在稀酸中微热,缩醛会水解为原来的醛。【迁移应用】1.由2-氯丙烷制取少量的1,2-丙二醇()时,需要经过下列哪几步反应()A.加成消去取代B.消
18、去加成水解C.取代消去加成D.消去加成消去【解析】选B。先由2-氯丙烷发生消去反应生成丙烯:+NaOHCH2CHCH3+NaCl+H2O;再由丙烯与溴发生加成反应生成1,2-二溴丙烷:CH2CHCH3+Br2;最后由1,2-二溴丙烷发生水解反应可得1,2-丙二醇,+2NaOH+2NaBr。2.绿色化学对化学反应提出了“原子经济性”(原子节约)的新概念及要求。理想的原子经济性反应是原料分子中的原子全部转变成所需产物,不产生副产物,实现零排放。下列生产乙苯()的方法中,原子经济性最好的是(反应均在一定条件下进行)()A.+C2H5Cl+HClB.+C2H5OH+H2OC.+CH2CH2D.+HBr
19、,+H2【解析】选C。符合“原子经济性”即只有乙苯这一种产物,没有其他的副产物。这道题目,只要认真领会题干信息,便很容易解决。 课堂检测素养达标1.以乙醇为原料,用下述6种类型的反应来合成乙二酸乙二酯(结构简式为),正确的顺序是()氧化消去加成酯化水解加聚A.B.C.D.【解析】选C。逆向分析法:再从乙醇开始正向分析反应过程,反应类型依次为消去反应加成反应水解反应氧化反应酯化反应。2.(2020盐城高二检测)有下述有机反应类型:消去反应;水解反应;加聚反应;加成反应;还原反应;氧化反应。以丙醛为原料制取1,2-丙二醇,所需进行的反应类型依次是()A.B.C.D.【解析】选B。用逆推法分析CH2
20、CHCH3HOCH2CH2CH3OHCCH2CH3,然后从原料到产品依次发生还原反应(或加成反应)、消去反应、加成反应、水解反应。3.DAP是电器和仪表部件中常用的一种高分子化合物,其结构简式为。合成它的单体可能有()邻苯二甲酸丙烯醇丙烯乙烯邻苯二甲酸甲酯A.仅B.仅C.仅D.仅【解析】选A。通过分析分子结构,可看出DAP是加聚产物,同时又有酯的结构。先把酯基打开还原,再把高分子还原成单体,得到邻苯二甲酸和丙烯醇。4.A(C2H2)是基本有机化工原料。由A制备聚乙烯醇缩丁醛和顺式聚异戊二烯的合成路线(部分反应条件略去)如图所示:回答下列问题:(1)A的名称是_,B含有的官能团是_。(2)的反应
21、类型是_,的反应类型是_。(3)C和D的结构简式分别为_、_。(4)异戊二烯分子中最多有_个原子共平面,顺式聚异戊二烯的结构简式为_。(5)写出与A具有相同官能团的异戊二烯的所有同分异构体_(填结构简式)。(6)参照异戊二烯的上述合成路线,设计一条由A和乙醛为起始原料制备1,3-丁二烯的合成路线_。【解析】(1)分子式为C2H2的有机物只有乙炔,由B后面的物质推断B为CH3COOCHCH2,含有的官能团为碳碳双键、酯基。(2)为乙炔和乙酸的加成反应,为羟基的消去反应。(3)反应为酯的水解反应,生成和乙酸,由产物可知C为,根据产物的名称可知D为丁醛CH3CH2CH2CHO。(4)根据双键中6原子
22、共面的规律,凡是和双键直接相连的原子均可共面,相连甲基上的3个氢原子最多只有1个可共面,可知最多有11个原子共平面。顺式结构是指两个相同的原子或原子团在双键的同一侧。(5)与A具有相同的官能团是三键,相当于在5个碳原子上放三键,先写5个碳原子的碳骨架,再加上三键,符合条件的有三种。(6)根据上述反应可知,先让乙炔和乙醛发生加成反应生成,再把三键变为双键,最后羟基消去即可。答案:(1)乙炔碳碳双键、酯基(2)加成反应消去反应(3)CH3CH2CH2CHO(4)11(5)HCCCH2CH2CH3、CH3CCCH2CH3、(6)CHCHHCCH2CH2CHCHCH25.(2020泰安高一检测)已知:
23、请运用已学过的知识和上述给出的信息写出由乙烯制正丁醇各步反应的化学方程式(不必写出反应条件)。【解析】由题给信息知:两个醛分子在一定条件下通过自身加成后脱水反应,得到的不饱和醛分子中的碳原子数是原参加反应的两个醛分子的碳原子数之和。根据最终产物正丁醇中有4个碳原子,原料乙烯分子中只有2个碳原子,运用题给信息,将乙烯氧化为乙醛,两个乙醛分子再进行自身加成变成2-丁烯醛,最后用H2与碳碳双键和醛基进行加成反应,便可得到正丁醇。本题基本采用正向思维方法。乙烯乙醛3-羟基丁醛2-丁烯醛正丁醇。本题中乙烯合成乙醛的方法有两种:其一:乙烯乙醇乙醛,其二:乙烯乙醛。答案:CH2CH2+H2OCH3CH2OH
24、2CH3CH2OH+O22CH3CHO+2H2O2CH3CHOCH3CHCHCHO+H2OCH3CHCHCHO+2H2CH3CH2CH2CH2OH二十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(30分钟50分) 一、选择题(本题包括3小题,每小题5分,共15分)1.由环己醇制取己二酸己二酯,最简单的流程途径顺序正确的是()取代反应加成反应氧化反应还原反应消去反应酯化反应中和反应缩聚反应A.B.C.D.【解析】选B。该过程的流程为 己二酸己二酯2.下列高分子化合物是由一种单体缩聚而成的是()A.B.C.D.【解析】选C。A项是由乙烯和丙烯通过加聚反应生成的;B项由两种单体缩聚而成
25、,单体为HOOC(CH2)4COOH和HOCH2CH2OH;C项的单体只有一种,即;D项由两种单体缩聚而成,单体为H2N(CH2)6NH2和HOOC(CH2)4COOH。3.在有机合成中,常会将官能团消除或增加,下列相关过程中反应类型及相关产物不合理的是()A.乙烯乙二醇:CH2CH2B.溴乙烷乙醇:CH3CH2BrCH2CH2CH3CH2OHC.1-溴丁烷1-丁炔:CH3CH2CH2CH2BrCH3CH2CHCH2CH3CH2CCHD.乙烯乙炔:CH2CH2CHCH【解析】选B。由溴乙烷乙醇,只需溴乙烷在碱性条件下水解即可,路线不合理,且由溴乙烷乙烯为消去反应,故B不合理。二、非选择题(本题
26、包括1小题,共15分)4.常用感光高分子聚肉桂酸乙烯酯,它感光后形成二聚交联高分子,它的结构简式如图:据此请回答下列问题:(1)聚肉桂酸乙烯酯可水解为两种分子,一种不含苯环的名称为_。另一种含苯环的名称为肉桂酸,其结构简式为_。(2)乙炔与肉桂酸在催化剂的作用下发生某种反应可获得聚肉桂酸乙烯酯的单体,写出该反应的化学方程式:_。(3)肉桂酸有多种同分异构体,其中含苯环且苯环上只有一个链状取代基并属于酯类的肉桂酸的同分异构体,除和还有两种,请写出其结构简式:_、_。【解析】聚肉桂酸乙烯酯水解时断裂,生成和,聚肉桂酸乙烯酯的单体为。答案:(1)聚乙烯醇(2)CHCH+(3) 一、选择题(本题包括1
27、小题,共8分)5.用乙炔为原料通过2步加成反应制取CH2BrCHBrCl,加成顺序应为()A.先与Cl2加成反应后,再与Br2加成反应B.先与Cl2加成反应后,再与HBr加成反应C.先与HCl加成反应后,再与HBr加成反应D.先与HCl加成反应后,再与Br2加成反应【解析】选D。A途径反应后产物为CHBrClCHBrCl,不符合题意;B途径反应后产物为CH2ClCHBrCl,不符合题意;C途径反应后产物为CH3CHBrCl或CH2BrCH2Cl,不符合题意;D途径反应后产物为CH2BrCHBrCl,符合题意。二、非选择题(本题包括1小题,共12分)6.根据下图回答下列问题。C2H4(1)写出A
28、、D、G的结构简式:A_,D_,G_。(2)反应的化学方程式(注明反应条件)是_;反应的化学方程式(注明反应条件)是_。(3)写出反应、的反应类型:_、_。(4)写出反应的化学方程式:_。【解析】根据的结构可知,合成该高分子化合物的单体是HOCH2CH2OH和,故G为,F为HOCH2CH2OH,结合D(C2H3Cl)和A+BC的转化可知C应为CH2ClCH2Cl,B为Cl2,D为CHClCH2。据此可推知为CH2CH2与Cl2的加成反应,为卤代烃的消去反应,为加聚反应,为卤代烃的水解反应,为缩聚反应。答案:(1)CH2CH2CH2CHClHOOC(CH2)4COOH(2)ClCH2CH2Cl+NaOHCH2CHCl+NaCl+H2OClCH2CH2Cl+2NaOHHOCH2CH2OH+2NaCl(3)加成反应缩聚反应(4)+nHOCH2CH2OH+(2n-1)H2O
