2024-2025學年新教材高中化學第3章有機合成及其應用合成高分子化合物微項目改進手機電池中的離子導體材料-有機合成在新型材料研發(fā)中的應用含解析魯科版選擇性必修3

PAGE18-微項目改進手機電池中的離子導體材料——有機合成在新型材料研發(fā)中的應用新課程標準學業(yè)質(zhì)量水平1.通過設計手機新型電池中的離子導體材料,將探討材料性能問題轉(zhuǎn)化為探討有機化合物的性質(zhì)問題,聚焦有機化合物的功能基團,設計高分子化合物的分子結構,建立從化學視角分析、解決材料問題的思路和方法。2.合理應用逆推法和正推法設計有機材料的合成路途,并通過合成路途的選擇和評價活動,體會官能團愛護、“綠色化學”等思想。1.科學探究與創(chuàng)新意識:相識科學探究是進行科學說明和發(fā)覺、創(chuàng)建和應用的科學實踐活動;能從原電池的原理動身,設計手機新型電池中離子導體材料的結構。2.改變觀念與平衡思想:能多角度、動態(tài)地分析化學改變,運用有機物合成中碳骨架的建立和官能團的引入,合成離子導體材料中有機溶劑的單體。必備學問·素養(yǎng)奠基一、鋰離子電池的工作原理1.電極材料負極材料石墨正極材料過渡金屬氧化物離子導體鋰鹽的液態(tài)有機溶劑2.原理(1)放電外電路電子從負極移動到正極內(nèi)電路鋰離子通過有機溶劑的傳導從負極移動到正極(2)充電外電路電子從陽極移動到電源正極;從電源負極移動到陰極內(nèi)電路鋰離子通過有機溶劑的傳導從陽極移動到陰極二、手機新型電池中離子導體的結構1.離子導體中有機溶劑的結構特點(1)作為溶劑應具備溶解并傳導鋰離子的性能。(2)酯基的存在能很好地提高有機溶劑對鋰鹽的溶解性,醚鍵的存在對鋰離子的傳導具有很好的效果。(3)有機溶劑應當性能穩(wěn)定且為固態(tài),具有交聯(lián)結構的高分子滿意這一要求。2.離子導體材料我國科學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溶劑基體,通過與鋰鹽復合形成聚合物離子導體材料。三、合成離子導體材料中有機溶劑的單體1.合成反應中一些反應原理R—C≡N+H2ORCOOH(R為H或烴基)CH2CH—CH3CH2CH—CHO+R—OHRO—CH2—CH2—OH(R為H或烴基)CH3—CHCH2+CO+H2CH3—CH2—CH2—(或)R—CHO+CH3—CHOR—CHCH—CHO(R為H或烴基)2.合成二縮三乙二醇的方法+H2O鋰-銅空氣燃料電池容量高、成本低,具有廣袤的發(fā)展前景。該電池通過一種困難的銅腐蝕“現(xiàn)象”產(chǎn)生電力,其中放電過程為2Li+Cu2O+H2O2Cu+2Li++2OH-。(1)放電時,正極的電極反應式是什么?提示:Cu2O+H2O+2e-2OH-+2Cu。(2)放電時,鋰離子透過固體電解質(zhì)向哪極移動?提示:陽離子向正極移動,則Li+透過固體電解質(zhì)向Cu極移動。(3)整個反應過程中,空氣的作用是什么?提示:通空氣時,銅電極被腐蝕,表面產(chǎn)生Cu2O,所以空氣中的O2起到氧化劑的作用。關鍵實力·素養(yǎng)形成項目活動1:設計手機新型電池中離子導體材料的結構2020年5月31日下午4時53分,我國在酒泉衛(wèi)星放射中心運用長征二號丁運載火箭,勝利將高分九號02星、和德四號衛(wèi)星送入預定軌道,放射取得圓滿勝利。此次長二丁火箭遙測系統(tǒng)上采納的一組鋰離子蓄電池,替換了原先的一組鋅銀電池,在滿意總體對電池的體積和重量的要求下,同時滿意了電性能要求的方案。同時,鋰電池在同等能量狀況下體積更小、重量更輕,可為其他系統(tǒng)的設計供應更大的余量,在滿意火箭小型化、輕型化發(fā)展趨勢的同時,增加火箭的運載實力?！净顒犹骄俊磕撤N聚合物鋰離子電池放電時的反應為Li1-xCoO2+LixC66C+LiCoO2,其電池如圖所示。(1)放電過程①放電時,兩極材料分別是什么?提示:依據(jù)電池中電子流向可知,該電池的負極材料為LixC6,正極材料為Li1-xCoO2。②電池放電前后兩極材料在成分上分別發(fā)生了什么改變?提示:負極材料為鑲嵌有鋰的石墨(LixC6)反應后變成了石墨;正極材料原來是Li1-xCoO2后來變成了LiCoO2。③放電過程電池中移動的陽離子是什么?向哪個方向移動?提示:放電過程中鋰離子由負極向正極移動。(2)充電過程①電池充電過程中該電池的兩極與外電源的兩極如何連接?提示:原電池的負極接外電源的負極,原電池的正極接外電源的正極。②充電前后電池的兩極材料發(fā)生了哪些改變?提示:負極材料由石墨又變成了鑲嵌有鋰的石墨(LixC6)電極;正極材料由LiCoO2又生成了Li1-xCoO2。與電池的放電原理正好相反。(3)從上述可以看出,該電池在選擇電解質(zhì)溶液時有什么要求?提示:該電池的電解質(zhì)溶液首先不能是水溶液,其次,能夠溶解并傳導鋰離子。(4)結合上述分析,試僅從物質(zhì)改變角度來分析兩極材料在成分上的改變。提示:該電池的放電與充電過程可以看成鋰原子或者鋰離子的鑲嵌與脫嵌過程。此時,電解質(zhì)對鋰離子的傳導作用尤為重要?！舅妓鳌ぬ接憽?.鋰離子電池中,電解質(zhì)的作用是什么?提示:在電池中電解質(zhì)的作用是溶解并傳導鋰離子。2.鋰離子新型有機溶劑一般是哪類物質(zhì)?提示:是一種結構單元中有酯基、醚鍵的高分子。3.傳統(tǒng)鋰離子電池中,絕大多數(shù)運用的是酯類溶劑,緣由是什么?提示:鋰鹽在酯類溶劑有較好的溶解性,能夠傳導鋰離子。4.含有醚鍵的物質(zhì)為什么對鋰鹽起到良好的離子導體的作用?提示:醚鍵通過醚氧原子與鋰原子之間不斷結合、分別從而實現(xiàn)鋰離子傳導?！咎骄靠偨Y】鋰電池有機溶劑的選擇1.常見鋰電池的有機溶劑的類別:(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CO、SO、CN、C—O等極性基團,能夠有效地溶解鋰鹽并提高電解液的電化學穩(wěn)定性。2.有機溶劑選擇的原則:(1)有機溶劑對電極應是惰性的,在電池充放電過程中不與正負極發(fā)生電化學反應,穩(wěn)定性好。(2)有機溶劑應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率。(3)溶劑的沸點要高(150℃以上),熔點要低(-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)良的凹凸溫性能。(4)與電極材料有較好的相容性,電極在其構成的電解液中能夠表現(xiàn)出優(yōu)良的電化學性能。(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滿意以上要求,而多種溶劑按肯定比例混合得到的混合溶劑能夠滿意鋰電池工作的須要?！具w移應用】1.(2024·青島高二檢測)鋰-空氣電池是一種新型的二次電池,由于具有較高的比能量而成為將來電動汽車的希望。其放電時的工作原理如圖所示。下列說法正確的是 ()A.該電池放電時,鋰電極發(fā)生了還原反應B.放電時,Li+向鋰電極遷移C.電池中的電解液可以是有機電解液或稀鹽酸等D.充電時,電池正極的反應式為Li2O2-2e-2Li++O2↑【解析】選D。該電池放電時為原電池,負極是金屬鋰失電子,發(fā)生了氧化反應,A錯誤;放電時為原電池,Li+向正極(即多孔電極Li2O2)遷移,B錯誤;金屬鋰能與鹽酸反應生成氫氣,所以電池中電解液可以是有機電解液,但不行以用稀鹽酸,C錯誤;充電時,為電解池,電池正極(陽極)發(fā)生氧化反應,Li2O2失電子生成氧氣,正極反應式為Li2O2-2e-2Li++O2↑,D正確。2.鋰離子電池已經(jīng)成為應用最廣泛的可充電電池。某種鋰離子電池的結構示意圖如圖,其中兩極區(qū)間的隔膜只允許Li+通過。電池充電時的總反應化學方程式為LiCoO2Li1-xCoO2+xLi。關于該電池的推論錯誤的是 ()A.放電時,Li+主要從負極區(qū)通過隔膜移向正極區(qū),因此電解質(zhì)溶液必需是含有Li+的鹽B.該電解質(zhì)溶液應當選用對鋰鹽具有很好的溶解性和傳導性的有機溶劑C.負極材料是鑲嵌有鋰原子的石墨D.充電時,負極(C)上鋰元素被氧化【解析】選D。該電池LiCoO2為正極,負極材料是鑲嵌有鋰原子的石墨電極,電解質(zhì)溶液一般是鋰的有機鹽。放電時的反應為Li1-xCoO2+xLiLiCoO2,則正極反應為Li1-xCoO2+xe-+xLi+LiCoO2,負極反應為xLi-xe-xLi+,Li+主要從負極區(qū)通過隔膜移向正極區(qū);充電時負極(C)接的是外接電源的負極,此時C為陰極,電極反應應當是xLi++xe-xLi,鋰元素被還原,D錯誤。3.下列物質(zhì)是常見的鋰離子電池的有機溶劑,有關說法不正確的是 ()A.四種物質(zhì)的共同點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合C.酯類物質(zhì)能提高對鋰離子的溶解性D.鋰離子電池放電時是電能轉(zhuǎn)化為化學能【解析】選D。鋰離子電池放電時是化學能轉(zhuǎn)化為電能。項目活動2:合成離子導體材料中有機溶劑的單體聚丁二酸乙二醇酯(PES)是一種生物可降解的聚酯,PES與聚丁二酸丁二醇酯(PBS)是同系物,易被自然界的多種微生物或動植物體內(nèi)的酶分解代謝,最終生成二氧化碳和水。常作為PBS的替代物或填充物,在保持產(chǎn)品性能不變的狀況下不僅可以節(jié)約成本,還可以改善材料的某些性能,達到預想不到的效果?；赑ES的生物可降解性,其在塑料薄膜、食品包裝、生物材料等方面有著巨大的發(fā)展前景。探討表明:PES具有較好的體外降解性能,其薄膜在磷酸緩沖溶液中酶解12天時,失重明顯,降解很快,在酶解24天后其降解失重達到79.91%?？梢耘c其他生物降解材料混合,調(diào)整材料的降解速率,可以在肯定的時間內(nèi)選擇性維持材料的生物力學性能。該高分子聚合物的化學式為【活動探究】(1)聚丁二酸乙二醇酯(PES)有兩種單體。①這兩種單體分別是什么?這兩種單體以什么方式聚合成該高聚物分子?提示:對應的單體為HOOCCH2CH2COOH和HOCH2CH2OH,二者可發(fā)生縮聚反應生成聚酯。②若有一種新型的合成材料“丁苯吡橡膠”,結構簡式為該高分子的單體是什么?其反應類型是什么?提示:先分析高分子鏈中主鏈的結構簡式,合成材料是由不飽和的單體發(fā)生加聚反應而形成的,后再將高分子鏈節(jié)(即重復結構單元)斷成三段:—CH2—CHCH—CH2—、、,可知有3種單體。這三種單體通過加聚反應生成高分子化合物。③若高分子化合物A和B的部分結構如下:A.B.A的單體是什么?反應類型是什么?B的單體是什么?反應類型是什么?提示:由高分子化合物A的結構片段可看出其重復的結構單元為,則A的結構簡式為,它是由加聚反應所得的高聚物,其單體是CH2CH—COOH。由高分子化合物B的結構片段,可看出其重復的結構單元為,則B的結構簡式為,它是由縮聚反應所得的高聚物,其單體是。④對比以上問題,分析如何推斷高分子化合物屬于加聚反應產(chǎn)物還是縮聚反應的產(chǎn)物?提示:若高分子化合物的中括號的主鏈上無特別官能團,只有碳原子則是加聚反應產(chǎn)物;若主鏈上含有特別官能團則為縮聚反應的產(chǎn)物。(2)若這兩種單體相互之間也可能形成一種八元環(huán)狀酯,該環(huán)狀化合物的結構簡式是什么?提示:該兩種單體可以發(fā)生酯化反應生成環(huán)酯,其結構為?！舅妓鳌ぬ接憽?.合成有機化合物,如何構建碳骨架?提示:構建碳骨架要考慮碳鏈的增長與縮短以及開環(huán)與成環(huán)。2.制備二縮三乙二醇時,為什么不干脆用乙二醇脫水縮合?提示:若用乙二醇脫水縮合制備二縮三乙二醇,無法限制反應的聚合度,因此在制備二縮三乙二醇時利用的是環(huán)氧乙烷與水反應開環(huán)的方式,以限制乙二醇的聚合程度。3.如何確定有機合成的目標和任務?提示:包括目標化合物分子碳骨架的構建和官能團的轉(zhuǎn)化。其合成過程示意圖如圖所示。4.綠色化學在有機合成中體現(xiàn)在哪些方面?提示:原子經(jīng)濟性;原材料無毒害;產(chǎn)品無污染;最大限度節(jié)約能源?！咎骄靠偨Y】1.有機物的合成路途(1)烴、鹵代烴、烴的含氧衍生物之間的轉(zhuǎn)化關系:(2)一元合成路途:R—CHCH2鹵代烴一元醇一元醛一元羧酸酯(3)二元合成路途:CH2CH2CH2X—CH2X二元醇二元醛二元羧酸鏈酯、環(huán)酯、聚酯(4)芳香族化合物合成路途:①②2.有機合成中官能團的引入(1)引入碳碳雙鍵的方法:①鹵代烴的消去,②醇的消去,③炔烴的不完全加成。(2)引入鹵素原子的方法:①醇(酚)的取代,②烯烴(炔烴)的加成,③烷烴(苯及苯的同系物)的取代。(3)引入羥基的方法:①烯烴與水的加成,②鹵代烴的水解,③酯的水解,④醛的還原。3.有機合成中官能團的愛護(1)有機合成中酚羥基的愛護:由于酚羥基極易被氧化,在有機合成中,假如遇到須要用氧化劑進行氧化時,常常先將酚羥基通過酯化反應轉(zhuǎn)化為酯,愛護起來,待氧化過程完成后,再通過水解反應,將酚羥基復原。(2)有機合成中醛基的愛護:醛與醇反應生成縮醛:R—CHO+2R′OH生成的縮醛比較穩(wěn)定,與稀堿和氧化劑均難反應,但在稀酸中微熱,縮醛會水解為原來的醛。【遷移應用】1.由2-氯丙烷制取少量的1,2-丙二醇()時,須要經(jīng)過下列哪幾步反應 ()A.加成→消去→取代B.消去→加成→水解C.取代→消去→加成 D.消去→加成→消去【解析】選B。先由2-氯丙烷發(fā)生消去反應生成丙烯:+NaOHCH2CH—CH3+NaCl+H2O;再由丙烯與溴發(fā)生加成反應生成1,2-二溴丙烷:CH2CH—CH3+Br2;最終由1,2-二溴丙烷發(fā)生水解反應可得1,2-丙二醇,+2NaOH+2NaBr。2.綠色化學對化學反應提出了“原子經(jīng)濟性”(原子節(jié)約)的新概念及要求。志向的原子經(jīng)濟性反應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,實現(xiàn)零排放。下列生產(chǎn)乙苯()的方法中,原子經(jīng)濟性最好的是(反應均在肯定條件下進行) ()A.+C2H5Cl+HClB.+C2H5OH+H2OC.+CH2CH2D.+HBr,+H2【解析】選C。符合“原子經(jīng)濟性”即只有乙苯這一種產(chǎn)物,沒有其他的副產(chǎn)物。這道題目,只要仔細領悟題干信息,便很簡潔解決。課堂檢測·素養(yǎng)達標1.以乙醇為原料,用下述6種類型的反應來合成乙二酸乙二酯(結構簡式為),正確的依次是 ()①氧化②消去③加成④酯化⑤水解⑥加聚A.①⑤②③④ B.①②③④⑤C.②③⑤①④ D.②③⑤①⑥【解析】選C。逆向分析法:再從乙醇起先正向分析反應過程,反應類型依次為消去反應→加成反應→水解反應→氧化反應→酯化反應。2.(2024·鹽城高二檢測)有下述有機反應類型:①消去反應;②水解反應;③加聚反應;④加成反應;⑤還原反應;⑥氧化反應。以丙醛為原料制取1,2-丙二醇,所需進行的反應類型依次是 ()A.⑥④②① B.⑤①④②C.①③②⑤ D.⑤②④①【解析】選B。用逆推法分析CH2CH—CH3HO—CH2—CH2—CH3OHC—CH2—CH3,然后從原料到產(chǎn)品依次發(fā)生還原反應(或加成反應)、消去反應、加成反應、水解反應。3.DAP是電器和儀表部件中常用的一種高分子化合物,其結構簡式為。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①② B.僅④⑤C.僅①③ D.僅③④【解析】選A。通過分析分子結構,可看出DAP是加聚產(chǎn)物,同時又有酯的結構。先把酯基打開還原,再把高分子還原成單體,得到鄰苯二甲酸和丙烯醇。4.A(C2H2)是基本有機化工原料。由A制備聚乙烯醇縮丁醛和順式聚異戊二烯的合成路途(部分反應條件略去)如圖所示:回答下列問題:(1)A的名稱是________,B含有的官能團是________。

(2)①的反應類型是________,⑦的反應類型是________。

(3)C和D的結構簡式分別為________、________。

(4)異戊二烯分子中最多有________個原子共平面,順式聚異戊二烯的結構簡式為_____________________。

(5)寫出與A具有相同官能團的異戊二烯的全部同分異構體________________(填結構簡式)。

(6)參照異戊二烯的上述合成路途,設計一條由A和乙醛為起始原料制備1,3-丁二烯的合成路途__。

【解析】(1)分子式為C2H2的有機物只有乙炔,由B后面的物質(zhì)推斷B為CH3COOCHCH2,含有的官能團為碳碳雙鍵、酯基。(2)①為乙炔和乙酸的加成反應,⑦為羥基的消去反應。(3)反應③為酯的水解反應,生成和乙酸,由產(chǎn)物可知C為,依據(jù)產(chǎn)物的名稱可知D為丁醛CH3CH2CH2CHO。(4)依據(jù)雙鍵中6原子共面的規(guī)律,凡是和雙鍵干脆相連的原子均可共面,相連甲基上的3個氫原子最多只有1個可共面,可知最多有11個原子共平面。順式結構是指兩個相同的原子或原子團在雙鍵的同一側。(5)與A具有相同的官能團是三鍵,相當于在5個碳原子上放三鍵,先寫5個碳原子的碳骨架,再加上三鍵,符合條件的有三種。(6)依據(jù)上述反應⑤⑥⑦可知,先讓乙炔和乙醛發(fā)生加成反應生成,再把三鍵變?yōu)殡p鍵,最終羥基消去即可。答案:(1)乙炔碳碳雙鍵、酯基(2)加成反應消去反應(3)CH3CH2CH2CHO(4)11(5)HC≡C—CH2CH2CH3、CH3C≡C—CH2CH3(6)CH≡CHHC≡CH2CH2CH—CHCH25.(2024·泰安高一檢測)已知:請運用已學過的學問和上述給出的信息寫出由乙烯制正丁醇各步反應的化學方程式(不必寫出反應條件)?！窘馕觥坑深}給信息知:兩個醛分子在肯定條件下通過自身加成后脫水反應,得到的不飽和醛分子中的碳原子數(shù)是原參與反應的兩個醛分子的碳原子數(shù)之和。依據(jù)最終產(chǎn)物正丁醇中有4個碳原子,原料乙烯分子中只有2個碳原子,運用題給信息,將乙烯氧化為乙醛,兩個乙醛分子再進行自身加成變成2-丁烯醛,最終用H2與碳碳雙鍵和醛基進行加成反應,便可得到正丁醇。本題基本采納正向思維方法。乙烯乙醛3-羥基丁醛2-丁烯醛正丁醇。本題中乙烯合成乙醛的方法有兩種:其一:乙烯乙醇乙醛,其二:乙烯乙醛。答案:①CH2CH2+H2OCH3CH2OH②2CH3CH2OH+O22CH3CHO+2H2O③2CH3CHO④CH3CHCHCHO+H2O⑤CH3CHCHCHO+2H2CH3CH2CH2CH2OH二十改進手機電池中的離子導體材料——有機合成在新型材料研發(fā)中的應用(30分鐘50分)一、選擇題(本題包括3小題,每小題5分,共15分)1.由環(huán)己醇制取己二酸己二酯,最簡潔的流程途徑依次正確的是()①取代反應②加成反應③氧化反應④還原反應⑤消去反應⑥酯化反應⑦中和反應⑧縮聚反應A.③②⑤⑥B.⑤③④⑥C.⑤②③⑥ D.⑤③④⑦【解析】選B。該過程的流程為己二酸己二酯2.下列高分子化合物是由一種單體縮聚而成的是()A.B.C.D.【解析】選C。A項是由乙烯和丙烯通過加聚反應生成的;B項由兩種單體縮聚而成,單體為HOOC(CH2)4COOH和HOCH2CH2OH;C項的單體只有一種,即;D項由兩種單體縮聚而成,單體為H2N(CH2)6NH2和HOOC(CH2)4COOH。3.在有機合成中,常會將官能團消退或增加,下列相關過程中反應類型及相關產(chǎn)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:CH3CH2CH2CH2BrCH3CH2CHCH2CH3CH2C≡CHD.乙烯乙炔:CH2CH2CH≡CH【解析】選B。由溴乙烷→乙醇,只需溴乙烷在堿性條件下水解即可,路途不合理,且由溴乙烷→乙烯為消去反應,故B不合理。二、非選擇題(本題包括1小題,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聯(lián)高分子,它的結構簡式如圖:據(jù)此請回答下列問題:(1)聚肉桂酸乙烯酯可水解為兩種分子,一種不含苯環(huán)的名稱為________。另一種含苯環(huán)的名稱為肉桂酸,其結構簡式為__。

(2)乙炔與肉桂酸在催化劑的作用下發(fā)生某種反應可獲得聚肉桂酸乙烯酯的單體,寫出該反應