新教材2023版高中化學(xué)第3章有機(jī)合成及其應(yīng)用合成高分子化合物微項(xiàng)目3改進(jìn)手機(jī)電池中的離子導(dǎo)體材料學(xué)生用書魯科版選擇性必修3

微項(xiàng)目3改進(jìn)手機(jī)電池中的離子導(dǎo)體材料——有機(jī)合成在新型材料研發(fā)中的應(yīng)用課程標(biāo)準(zhǔn)1．通過設(shè)計(jì)手機(jī)新型電池中的離子導(dǎo)體材料，將研究材料性能問題轉(zhuǎn)化為研究有機(jī)化合物的性質(zhì)問題，聚焦有機(jī)化合物的功能基團(tuán)，設(shè)計(jì)高分子化合物的分子結(jié)構(gòu)，建立從化學(xué)視角分析、解決材料問題的思路和方法。2．合理應(yīng)用逆推法和正推法設(shè)計(jì)有機(jī)材料的合成路線，并通過合成路線的選擇和評(píng)價(jià)活動(dòng)，體會(huì)官能團(tuán)保護(hù)、“綠色化學(xué)”等思想。學(xué)法指導(dǎo)1.查閱資料討論法。查閱、搜集與鋰離子電池中離子導(dǎo)體材料有關(guān)的有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)方面的資料，課上討論這些有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，及有關(guān)合成路線的設(shè)計(jì)。2．構(gòu)建有機(jī)合成的思維模型，并能運(yùn)用相關(guān)模型合成一些含有目標(biāo)官能團(tuán)的有機(jī)化合物。必備知識(shí)·自主學(xué)習(xí)——新知全解一遍過知識(shí)點(diǎn)一鋰離子電池的工作原理1.電極材料負(fù)極材料石墨正極材料過渡金屬氧化物離子導(dǎo)體鋰鹽的液態(tài)有機(jī)溶劑2.原理(1)放電外電路電子從負(fù)極移動(dòng)到正極內(nèi)電路鋰離子通過有機(jī)溶劑的傳導(dǎo)從負(fù)極移動(dòng)到正極(2)充電外電路電子從陽極移動(dòng)到電源正極；從電源負(fù)極移動(dòng)到陰極內(nèi)電路鋰離子通過有機(jī)溶劑的傳導(dǎo)從陽極移動(dòng)到陰極知識(shí)點(diǎn)二手機(jī)新型電池中離子導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)1.離子導(dǎo)體中有機(jī)溶劑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(1)作為溶劑應(yīng)具備溶解并傳導(dǎo)鋰離子的性能。(2)酯基的存在能很好地提高有機(jī)溶劑對(duì)鋰鹽的溶解性，醚鍵的存在對(duì)鋰離子的傳導(dǎo)具有很好的效果。(3)有機(jī)溶劑應(yīng)該性能穩(wěn)定且為固態(tài)，具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的高分子滿足這一要求。2．離子導(dǎo)體材料我國(guó)科學(xué)家提出以二縮三乙二醇二丙烯酸酯與丙烯酸丁酯的共聚物做有機(jī)溶劑基體，通過與鋰鹽復(fù)合形成聚合物離子導(dǎo)體材料。3．合成離子導(dǎo)體材料中有機(jī)溶劑的單體(1)合成反應(yīng)中一些反應(yīng)原理(2)合成二縮三乙二醇的方法關(guān)鍵能力·課堂探究——學(xué)科素養(yǎng)全通關(guān)項(xiàng)目活動(dòng)1設(shè)計(jì)手機(jī)新型電池中離子導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)材料1：2020年5月31日下午4時(shí)53分，我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心使用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭，成功將高分九號(hào)02星、和德四號(hào)衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，發(fā)射取得圓滿成功。此次長(zhǎng)二丁火箭遙測(cè)系統(tǒng)上采用的一組鋰離子蓄電池，替換了原先的一組鋅銀電池，在滿足總體對(duì)電池的體積和重量的要求下，同時(shí)滿足了電性能要求的方案。同時(shí)，鋰電池在同等能量情況下體積更小、重量更輕。材料2：某鋰離子電池的工作原理如圖所示。材料3：傳統(tǒng)鋰離子電池中一般使用LiClO4、LiPF6、LiBF4等鋰鹽作為電解質(zhì)，酯類對(duì)其有較好的溶解性。材料4：醚鍵的化學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，它能通過醚氧原子與鋰離子之間不斷地結(jié)合、分離而實(shí)現(xiàn)離子傳導(dǎo)。例如，分子中含有—CH2CH2O—、—CH2CH2OCH2CH2O—、—CH2CH2OCH2CH2OCH2CH2O—等醚鍵結(jié)構(gòu)單元的有機(jī)化合物，對(duì)鋰鹽均能起到良好的離子導(dǎo)體的作用?；?dòng)探究問題1認(rèn)識(shí)傳統(tǒng)鋰離子電池的離子導(dǎo)體的優(yōu)缺點(diǎn)(1)傳統(tǒng)鋰離子電池中離子導(dǎo)體有什么優(yōu)點(diǎn)？(2)傳統(tǒng)鋰離子電池有哪些安全隱患？(3)為使鋰離子電池正常工作，同時(shí)避免有機(jī)溶劑為液態(tài)時(shí)帶來的安全隱患，理想的離子導(dǎo)體材料中的有機(jī)溶劑應(yīng)該具備哪些基本性能？問題2認(rèn)識(shí)新型有機(jī)型溶劑(1)結(jié)合材料3、4中提供的信息，討論滿足上述性能要求的有機(jī)溶劑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。(2)總結(jié)在生產(chǎn)生活中實(shí)際開發(fā)材料的思路。歸納提升鋰電池有機(jī)溶劑的選擇1．常見鋰電池的有機(jī)溶劑的類別(1)質(zhì)子溶劑，如乙醇、乙酸等；(2)極性非質(zhì)子溶劑，如碳酸酯、醚類等；(3)惰性溶劑，如四氯化碳等。鋰電池常用的溶劑一般是極性非質(zhì)子溶劑，這些溶劑中常含有C=O、S=O、C=N、C—O等極性基團(tuán)，能夠有效地溶解鋰鹽并提高電解液的電化學(xué)穩(wěn)定性。2．有機(jī)溶劑選擇的原則(1)有機(jī)溶劑對(duì)電極應(yīng)是惰性的，在電池充放電過程中不與正負(fù)極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，穩(wěn)定性好。(2)有機(jī)溶劑應(yīng)具有較高的介電常數(shù)，以使鋰鹽有足夠高的溶解度，保證電解液高的電導(dǎo)率。(3)溶劑的沸點(diǎn)要高(150℃以上)，熔點(diǎn)要低(－40℃以下)，即具有較寬的液程，以使鋰電池有較寬的溫度范圍及優(yōu)良的高低溫性能。(4)與電極材料有較好的相容性，電極在其構(gòu)成的電解液中能夠表現(xiàn)出優(yōu)良的電化學(xué)性能。(5)電池循環(huán)效率、成本、環(huán)境因素等方面的考慮等，單一溶劑很少能同時(shí)滿足以上要求，而多種溶劑按一定比例混合得到的混合溶劑能夠滿足鋰電池工作的需要。[典例1]鋰電池在充電時(shí)因容易形成枝晶而導(dǎo)致穩(wěn)定性和安全性存在問題，近日我國(guó)多個(gè)科研部門聯(lián)合研究出了一種鋰鈉合金作負(fù)極材料的LiNa—O2電池，該電池使用了三氟甲磺酸鈉(NaCF3SO3)的四乙二醇二甲醚(TEGDME)溶液作為電解液，其簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖所示，電池工作時(shí)正極材料表面生成Li2O2和Na2O2A．外電路中電子由鋰鈉合金電極移向碳納米管電極B.電解液中的溶劑四乙二醇二甲醚不能換成水C．電池工作時(shí)消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下的22.4LO2，轉(zhuǎn)移電子數(shù)為4NAD．充電時(shí)陽極反應(yīng)之一是Na2O2－2e－=2Na＋＋O2↑素養(yǎng)訓(xùn)練[訓(xùn)練1]下列物質(zhì)是常見的鋰離子電池的有機(jī)溶劑，有關(guān)說法不正確的是()A.四種物質(zhì)的共同點(diǎn)就是含有酯基或醚鍵B．醚鍵中的氧原子能和鋰離子緊密結(jié)合C．酯類物質(zhì)能提高對(duì)鋰離子的溶解性D．鋰離子電池放電時(shí)是電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能項(xiàng)目活動(dòng)2合成離子導(dǎo)體材料中有機(jī)溶劑的單體材料：我國(guó)科學(xué)家提出以二縮三乙二醇丙烯酸酯與丙烯酸丁酯的共聚物作有機(jī)溶劑的基體，通過與鋰鹽復(fù)合可以形成良好的聚合物離子導(dǎo)體材料，將固態(tài)新型聚合物鋰離子電池的發(fā)展向前推進(jìn)了一步?；?dòng)探究問題1二縮三乙二醇丙烯酸酯與丙烯酸丁酯的合成(1)生成二縮三乙二醇丙烯酸酯需要什么有機(jī)物？并寫出生成過程涉及的化學(xué)反應(yīng)方程式。(2)生成丙烯酸丁酯需要什么有機(jī)物？寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式。問題2以乙烯或丙烯為基礎(chǔ)原料(其他無機(jī)試劑任選)合成HO—CH2—CH2—OH、、CH3CH2CH2CH2OH。(1)設(shè)計(jì)乙二醇(HO—CH2—CH2—OH)的合成路線。(2)若以乙烯為原料，請(qǐng)盡可能多地設(shè)計(jì)丙烯酸()的合成路線。(3)若以丙烯為原料，請(qǐng)盡可能多地設(shè)計(jì)丙烯酸()的合成路線。(4)分別以乙烯和丙烯為原料設(shè)計(jì)正丁醇的合成路線。歸納提升1.烴、鹵代烴、烴的含氧衍生物之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系2．一元合成路線3．二元合成路線4．芳香族化合物合成路線典例示范[典例2]聚甲基丙烯酸甲酯是一種重要的醫(yī)用高分子材料。已知烯烴在一定條件下可被酸性KMnO4溶液氧化成二元醇，如CH2=CH2HOCH2請(qǐng)寫出A、B、C、D的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式：A________________，B________________，C________________，D________________。素養(yǎng)訓(xùn)練[訓(xùn)練2]香豆素是廣泛存在于植物中的一類芳香族化合物，大多具有光敏性，有的還具有抗菌和消炎作用。它的核心結(jié)構(gòu)是芳香內(nèi)酯A，其分子式為C9H6O2。該芳香內(nèi)酯A經(jīng)下列步驟轉(zhuǎn)變?yōu)樗畻钏岷鸵叶?。已知?1)寫出C的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式。(2)A在NaOH溶液中水解，1molA消耗多少摩爾NaOH？試寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式。(3)在上述轉(zhuǎn)化過程中，反應(yīng)步驟B→C的目的是什么？·課堂總結(jié)·知識(shí)導(dǎo)圖誤區(qū)警示1.醚鍵傳導(dǎo)Li＋原理：醚鍵的化學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，它能通過醚氧原子與Li＋之間不斷地結(jié)合、分離而實(shí)現(xiàn)離子傳導(dǎo)。2．常見的傳導(dǎo)Li＋的醚鍵結(jié)構(gòu)單元有—CH2CH2O—、—CH2CH2OCH2CH2O—、—CH2CH2OCH2CH2OCH2CH2O—等。3．優(yōu)選有機(jī)合成路線。分析合成路線是否符合化學(xué)原理、安全可靠、原子經(jīng)濟(jì)等要求。隨堂檢測(cè)·強(qiáng)化落實(shí)——基礎(chǔ)知能練到位1．下列對(duì)于鋰離子電池所用材料分類不正確的是()ABCD正極(LiCoO2)負(fù)極(C)電解液(碳酸丙烯酯)隔膜(聚烯烴)無機(jī)物有機(jī)物酯類合成高分子2.有下述有機(jī)反應(yīng)類型：①消去反應(yīng)；②水解反應(yīng)；③加聚反應(yīng)；④加成反應(yīng)；⑤還原反應(yīng)；⑥氧化反應(yīng)。以丙醛為原料制取1，2-丙二醇，所需進(jìn)行的反應(yīng)類型依次是()A．⑥④②①B．⑤①④②C．①③②⑤D．⑤②④①3．DAP是電器和儀表部件中常用的一種高分子化合物，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為合成它的單體可能有()①鄰苯二甲酸②丙烯醇③丙烯④乙烯⑤鄰苯二甲酸甲酯A．僅①②B．僅④⑤C．僅①③D．僅③④4．綠色化學(xué)對(duì)化學(xué)反應(yīng)提出了“原子經(jīng)濟(jì)性”(原子節(jié)約)的新概念及要求。理想的原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)是原料分子中的原子全部轉(zhuǎn)變成所需產(chǎn)物，不產(chǎn)生副產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)零排放。下列生產(chǎn)乙苯()的方法中，原子經(jīng)濟(jì)性最好的是(反應(yīng)均在一定條件下進(jìn)行)()5．現(xiàn)在廣泛使用的鋰離子電池有多種類型。某可充電鈷酸鋰電池的工作原理如圖所示：(1)該電池放電時(shí)，其中一極的電極反應(yīng)式是LixC6－xe－=6C＋xLi＋，則該極應(yīng)為圖中的________(填“A”或“B”)。(2)碳酸乙烯酯(EC)常用作電解液的溶劑，其結(jié)構(gòu)為，熔點(diǎn)為35℃，可燃，可由二氧化碳和有機(jī)物X在一定條件下合成。X與乙醛互為同分異構(gòu)體，核磁共振氫譜顯示只有一組峰。寫出合成EC的化學(xué)方程式：________________________________________________________________________________________________________________________________________________。微項(xiàng)目3改進(jìn)手機(jī)電池中的離子導(dǎo)體材料——有機(jī)合成在新型材料研發(fā)中的應(yīng)用關(guān)鍵能力項(xiàng)目活動(dòng)1[互動(dòng)探究]問題1：提示：（1）由于金屬鋰的性質(zhì)特點(diǎn)，導(dǎo)致離子電池具有工作電壓高、體積小、質(zhì)量輕、能量高、無污染、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。（2）傳統(tǒng)鋰離子電池中所用的離子導(dǎo)體多為液態(tài)，易發(fā)生泄漏、爆炸等危險(xiǎn)，安全性低。（3）溶解并傳導(dǎo)鋰離子，性能穩(wěn)定且為固態(tài)。問題2：提示：（1）新型的有機(jī)溶劑應(yīng)該是一種結(jié)構(gòu)單元中有酯基、醚鍵的高分子。（2）首先要依據(jù)產(chǎn)品需求充分分析材料性能，進(jìn)而依據(jù)材料性能需求，建立性能與性質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)，依據(jù)性質(zhì)尋找關(guān)鍵結(jié)構(gòu)單元，最終完成分子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。[典例1]解析：鋰鈉合金是電池負(fù)極，碳納米管是正極，外電路中電子由負(fù)極移向正極，A項(xiàng)正確；鋰、鈉均與水反應(yīng)，因此電極直接與電解質(zhì)液接觸時(shí)必須使用非水溶劑，B項(xiàng)正確；由于生成的是Li2O2和Na2O2，因此每消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下的22.4LO2，轉(zhuǎn)移電子數(shù)為2NA，C項(xiàng)錯(cuò)誤；充電時(shí)陽極的Li2O2和Na2O2均失去電子轉(zhuǎn)化為O2和相應(yīng)的金屬離子，因此陽極反應(yīng)之一是Na2O2－2e－=2Na＋＋O2，D項(xiàng)正確。答案：C[訓(xùn)練1]解析：鋰離子電池放電時(shí)是原電池工作過程，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。答案：D項(xiàng)目活動(dòng)2[互動(dòng)探究]（2）根據(jù)物質(zhì)的名稱和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式進(jìn)行拆分，可以得到生成丙烯酸丁酯的有機(jī)物分別是、CH3CH2CH2CH2OH。反應(yīng)的化學(xué)方程式為問題2：提示：根據(jù)正、逆合成分析法探究：（1）根據(jù)碳原子數(shù)應(yīng)該由乙烯合成乙二醇，因此可以先與鹵素單質(zhì)加成生成二元鹵代烴，再水解得到，合成路線為：（2）合成路徑1：合成路徑2：（3）合成路徑1：合成路徑2：（4）合成路徑1：合成路徑2：[典例2]解析：根據(jù)烯烴可被酸性KMnO4溶液氧化成二元醇可知，過程發(fā)生氧化反應(yīng)，則A的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為（CH3）2COHCH2OH；再根據(jù)過程發(fā)生的是消去反應(yīng)，所以B的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為CH2=C（CH3）COOH；再根據(jù)Beq\o(→,\s\up7(CH3OH、濃硫酸),\s\do5(酯化))C過程發(fā)生酯化反應(yīng)，則C的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為CH2=C（CH3）COOCH3，然后C發(fā)生加聚反應(yīng)生成D，D的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為。答案：（CH3）2COHCH2OHCH2=C（CH3）COOHCH2=C（CH3）COOCH3[訓(xùn)練2]答案：（1）（2）2mol（3）保護(hù)酚羥基，使之不被高錳酸鉀氧化。隨堂檢測(cè)1．解析：LiCoO2屬于無機(jī)物，A項(xiàng)正確；碳為單質(zhì)，是無機(jī)物，B項(xiàng)錯(cuò)誤；碳酸丙烯酯的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式是，屬于酯類，C項(xiàng)正確；聚烯烴是由烯烴通過加聚反應(yīng)得到的高分子化合物，D項(xiàng)正確。答案：B2．答案：B3．解析：因DAP鏈節(jié)中含有酯基