資源簡介

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中的應用
［核心素養發展目標］　1.通過設計手機新型電池中的離子導體材料，將研究材料性能問題轉化為研究有機化合物的性質問題，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線，并通過合成路線的選擇和評價活動，體會官能團保護、“綠色化學”等思想。
一、設計手機新型電池中離子導體材料的結構
1.鋰離子電池的工作原理及其有機溶劑的作用
電池組成 工作原理 有機溶劑的作用
負極：_____________________ 正極：_____________________ 離子導體：_________________ 放電時：Li+從　　極移向　　極； 充電時：Li+從　　極移向　　極
2.傳統鋰離子電池的離子導體材料
(1)傳統鋰離子電池的離子導體材料的組成
(2)傳統鋰離子電池中組成離子導體的幾種常見碳酸酯類溶劑
名稱 碳酸丙烯酯 碳酸丁烯酯 碳酸乙烯酯
符號 PC BC EC
結構
名稱 碳酸二甲酯 碳酸甲乙酯 碳酸二乙酯
符號 DMC EMC DEC
結構
3.設計離子導體中有機溶劑的結構
(1)設計離子導體中新型的有機溶劑的思路
溶劑需同時具備　　　并傳導　　　　兩種性能，　　　的存在能夠很好地提高有機溶劑對鋰鹽的溶解性，　　　的存在能提高鋰離子的傳導效果，有機高分子性能穩定且為固態，滿足安全性要求。
(2)科學家對離子導體中有機溶劑合成的設計
1.下列對于鋰離子電池所用材料分類不正確的是(　　)
A B C D
正極(LiCoO2) 負極(C) 電解液(碳酸丙烯酯) 隔膜(聚烯烴)
無機物 有機物 酯類 合成高分子
2.一種3D打印機的柔性電池以碳納米管作電極材料，以吸收ZnSO4溶液的有機高聚物為固態電解質，電池結構如圖1所示，圖2是有機高聚物的結構片段。下列說法錯誤的是(　　)
A.放電時，含有鋅膜的碳納米管纖維作電池負極
B.有機高聚物中含有的化學鍵有極性鍵、非極性鍵和氫鍵
C.合成有機高聚物的單體是
D.有機高聚物能發生水解反應
二、合成離子導體材料中有機溶劑的單體
1.以環氧乙烷為主要原料設計二縮三乙二醇的合成路線，寫出流程圖： _____________________
___________________________________________________________________________________。
2.用逆推法分析以石油裂解氣為原料，結合教材資料卡片的相關信息設計合成丙烯酸丁酯的路線。
示例1
參考合成路線：
示例2
參考合成路線：
如何評價不同合成路線的優劣，并梳理分析評價的角度。
____________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________
1.碳酸二甲酯(簡稱DMC)是一種綠色化學品，可用于鋰離子電池的電解質溶劑。一定條件下，合成DMC的一種方法如圖所示：
+Ⅰ+Ⅱ
回答下列問題：
該合成路線中所有反應的原子利用率均為100%，則化合物Ⅰ的名稱是　　　　，化合物Ⅱ的結構簡式是　　　　　　　　　　，反應②的反應類型是__________________________________。
2.一種有機玻璃的結構簡式為。下列關于它的敘述不正確的是 (　　)
A.該有機玻璃的化學名稱為聚甲基丙烯酸甲酯
B.該有機玻璃可用2 甲基丙烯酸和甲醇為原料，通過酯化反應、加聚反應制得
C.在一定條件下發生水解反應時，可得到另外一種高分子化合物
D.等物質的量的該有機玻璃和2 甲基丙烯酸甲酯完全燃燒，二者耗氧量相同
3.離子液體在有機合成、無機合成等方面有著重要應用。咪唑是合成離子液體的一種原料，其結構如圖所示，下列有關咪唑的說法正確的是 (　　)
A.分子式為C3H3N2
B.分子中有一種非極性鍵和兩種極性鍵
C.可以發生取代、加成、氧化反應
D.一氯取代物共有5種
4.高分子N可用于制備聚合物離子導體，其合成路線如圖。下列說法不正確的是(　　)
A.苯乙烯不存在順反異構體
B.試劑a為
C.試劑b為HO(CH2CH2O)mCH3
D.反應1為加聚反應，反應2為縮聚反應
5.傳統鋰離子電池中一般使用LiClO4、LiPF6、LiBF4等鋰鹽作為電解質，其在酯類溶劑中有較好的溶解性，酯類溶劑有碳酸乙烯酯等。一種以CH2CH2、CO2及O2為原料，在一定條件下制備碳酸乙烯酯的反應如下：
下列有關碳酸乙烯酯的說法錯誤的是(　　)
A.是一種有機溶劑，可以溶解無機化合物
B.只含酯基官能團
C.是一種離子導體
D.該制備反應的原子利用率為100%
6.在新型鋰離子電池中，需要一種有機聚合物作為正、負極之間鋰離子遷移的介質，該有機聚合物的單體之一(用G表示)的結構簡式為，G的合成方法如圖。
請回答下列問題：
(1)反應①、⑤的反應類型分別為　　　、　　　　。
(2)A的結構簡式是______________________________。
(3)寫出2種含有—OH和—COOH的D的同分異構體的結構簡式：　　　　　　、___________。
(4)寫出B→C反應的化學方程式：____________________________________________________
__________________________________________________________________________________。
(5)寫出E→F反應的化學方程式：____________________________________________________
__________________________________________________________________________________。
答案精析
一、
1.石墨　過渡金屬氧化物　溶解有鋰鹽的有機溶劑　負　正　正　負　溶解鋰鹽，起到傳導鋰離子的作用　
3.(1)溶解　鋰離子　酯基　醚鍵
應用體驗
1.B　[LiCoO2屬于無機物，A項正確；碳為單質，是無機物，B項錯誤；碳酸丙烯酯的結構是，屬于酯類，C項正確；聚烯烴是由烯烴通過加聚反應得到的高分子化合物，D項正確。]
2.B
二、
1.
深度思考
設計出不同的合成路線后，還要通過選擇和優化來確定最佳合成路線。在選擇和優化合成路線時，必須綜合考慮合成路線是否符合化學原理，增強綠色合成的意識，關注合成操作的安全性、原子經濟性、試劑與催化劑的無公害性等問題。工業上，對于合成路線的選擇還會更多地考慮社會、經濟、環境、科技的共同作用和綜合影響。
應用體驗
1.二氧化碳　　取代反應
解析　因所有反應的原子利用率均為100%，則對比反應①的反應物和生成物的結構可知，化合物 Ⅰ 為CO2；對比反應②的反應物和生成物的結構可知，該反應為取代反應，生成物 Ⅱ 為。
2.D　[該高分子化合物的單體為2 甲基丙烯酸甲酯，可以由2 甲基丙烯酸和甲醇通過酯化反應生成，然后再通過加聚反應制得聚甲基丙烯酸甲酯，B項正確；它在一定條件下發生水解反應時，可生成聚甲基丙烯酸和甲醇，C項正確；等物質的量的該有機玻璃和2 甲基丙烯酸甲酯含有的各原子的個數不同，耗氧量不同，D項錯誤。]
3.C　[根據結構簡式確定分子式為C3H4N2，A項錯誤；同種非金屬元素之間易形成非極性鍵，不同非金屬元素之間易形成極性鍵，該分子中有C—C一種非極性鍵，有C—H、N—H、C—N三種極性鍵，B項錯誤；該分子中有4種氫原子，所以其一氯代物不可能有5種，D項錯誤。]
4.D　[碳碳雙鍵的1個C原子上連有2個H原子，所以苯乙烯不存在順反異構體，故A正確；苯乙烯和a發生加聚反應生成高分子M，根據M的結構簡式可知，a的結構簡式為，故B正確；M和b發生加成反應生成N，根據M和N的結構簡式可知，b的結構簡式為HO(CH2CH2O)mCH3，故C正確；反應2為加成反應，故D不正確。]
5.C
6.(1)加成反應　消去反應　(2)
(3)
(答案合理即可)
(4)+O2+2H2O
(5)+
解析　(1)反應①是與溴發生加成反應生成A()；反應⑤是D[HOOCC(OH)(CH3)2]在濃硫酸作用下發生消去反應生成E[CH2C(CH3)COOH]。(2)由(1)中分析可知，A的結構簡式為。(3)含有—OH和—COOH的HOOCC(OH)(CH3)2的同分異構體有、、、。(共40張PPT)
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中的應用
微項目
第3章
<<<
核心素養
發展目標
1.通過設計手機新型電池中的離子導體材料，將研究材料性能問題轉化為研究有機化合物的性質問題，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線，并通過合成路線的選擇和評價活動，體會官能團保護、“綠色化學”等思想。
內容索引
一、設計手機新型電池中離子導體材料的結構
二、合成離子導體材料中有機溶劑的單體
設計手機新型電池中離子導體材料的結構
>
<
一
1.鋰離子電池的工作原理及其有機溶劑的作用
一、設計手機新型電池中離子導體材料的結構
電池組成 工作原理 有機溶劑的作用
負極：_____ 正極：________________ 離子導體：____________ ____________ 放電時：Li+從 極移向 極； 充電時：Li+從 極移向 極 ________________________________
石墨
過渡金屬氧化物
溶解有鋰鹽
的有機溶劑
負
正
正
負
溶解鋰鹽，起到傳導鋰離子的作用
2.傳統鋰離子電池的離子導體材料
(1)傳統鋰離子電池的離子導體材料的組成
(2)傳統鋰離子電池中組成離子導體的幾種常見碳酸酯類溶劑
名稱 碳酸丙烯酯 碳酸丁烯酯 碳酸乙烯酯
符號 PC BC EC
結構
名稱 碳酸二甲酯 碳酸甲乙酯 碳酸二乙酯
符號 DMC EMC DEC
結構
3.設計離子導體中有機溶劑的結構
(1)設計離子導體中新型的有機溶劑的思路
溶劑需同時具備 　　并傳導　　　　兩種性能，　　　的存在能夠很好地提高有機溶劑對鋰鹽的溶解性，　　　的存在能提高鋰離子的傳導效果，有機高分子性能穩定且為固態，滿足安全性要求。
溶解
鋰離子
酯基
醚鍵
(2)科學家對離子導體中有機溶劑合成的設計
應用體驗
1.下列對于鋰離子電池所用材料分類不正確的是
A B C D
正極(LiCoO2) 負極(C) 電解液(碳酸丙烯酯) 隔膜(聚烯烴)
無機物 有機物 酯類 合成高分子
√
應用體驗
LiCoO2屬于無機物，A項正確；
碳為單質，是無機物，B項錯誤；
碳酸丙烯酯的結構是　 　，屬于酯類，C項正確；
聚烯烴是由烯烴通過加聚反應得到的高分子化合物，D項正確。
應用體驗
2.一種3D打印機的柔性電池以碳納米管作電極材料，以吸收ZnSO4溶液的有機高聚物為固態電解質，電池結構如圖1所示，圖2是有機高聚物的結構片段。下列說法錯誤的是
A.放電時，含有鋅膜的碳納米管纖維作電池負極
B.有機高聚物中含有的化學鍵有極性鍵、非極性鍵和氫鍵
C.合成有機高聚物的單體是
D.有機高聚物能發生水解反應
√
返回
合成離子導體材料中有機溶劑的單體
>
<
二
二、合成離子導體材料中有機溶劑的單體
1.以環氧乙烷為主要原料設計二縮三乙二醇的合成路線，寫出流程圖：
_____________________________________________________________
______________________________________________________。
2.用逆推法分析以石油裂解氣為原料，結合教材資料卡片的相關信息設計合成丙烯酸丁酯的路線。
示例1
參考合成路線：
示例2
參考合成路線：
深度思考
如何評價不同合成路線的優劣，并梳理分析評價的角度。
提示　設計出不同的合成路線后，還要通過選擇和優化來確定最佳合成路線。在選擇和優化合成路線時，必須綜合考慮合成路線是否符合化學原理，增強綠色合成的意識，關注合成操作的安全性、原子經濟性、試劑與催化劑的無公害性等問題。工業上，對于合成路線的選擇還會更多地考慮社會、經濟、環境、科技的共同作用和綜合影響。
應用體驗
1.碳酸二甲酯(簡稱DMC)是一種綠色化學品，可用于鋰離子電池的電解質溶劑。一定條件下，合成DMC的一種方法如圖所示：
+Ⅰ
+Ⅱ
應用體驗
回答下列問題：
該合成路線中所有反應的原子利用率均為100%，則化合物Ⅰ的名稱是_____
_____，化合物Ⅱ的結構簡式是　　 　，反應②的反應類型是_________。
+Ⅰ
+Ⅱ
二氧
化碳
取代反應
應用體驗
+Ⅰ
+Ⅱ
因所有反應的原子利用率均為100%，則對比反應①的反應物和生成物的結構可知，化合物Ⅰ為CO2；對比反應②的反應物和生成物的結構可知，該反應為取代反應，生成物Ⅱ為　　 　　　。
應用體驗
2.一種有機玻璃的結構簡式為 　　　　　。下列關于它的敘述不正確的是
A.該有機玻璃的化學名稱為聚甲基丙烯酸甲酯
B.該有機玻璃可用2 甲基丙烯酸和甲醇為原料，通過酯化反應、加聚
　反應制得
C.在一定條件下發生水解反應時，可得到另外一種高分子化合物
D.等物質的量的該有機玻璃和2 甲基丙烯酸甲酯完全燃燒，二者耗氧
　量相同
√
應用體驗
該高分子化合物的單體為2 甲基丙烯酸甲酯，可以由2 甲基丙烯酸和甲醇通過酯化反應生成，然后再通過加聚反應制得聚甲基丙烯酸甲酯，B項正確；
它在一定條件下發生水解反應時，可生成聚甲基丙烯酸和甲醇，C項正確；
等物質的量的該有機玻璃和2 甲基丙烯酸甲酯含有的各原子的個數不同，耗氧量不同，D項錯誤。
應用體驗
3.離子液體在有機合成、無機合成等方面有著重要應用。咪唑是合成離子液體的一種原料，其結構如圖所示，下列有關咪唑的說法正確的是
A.分子式為C3H3N2
B.分子中有一種非極性鍵和兩種極性鍵
C.可以發生取代、加成、氧化反應
D.一氯取代物共有5種
√
應用體驗
根據結構簡式確定分子式為C3H4N2，A項錯誤；
同種非金屬元素之間易形成非極性鍵，不同非金屬元素之
間易形成極性鍵，該分子中有C—C一種非極性鍵，有C—H、
N—H、C—N三種極性鍵，B項錯誤；
該分子中有4種氫原子，所以其一氯代物不可能有5種，D項錯誤。
應用體驗
4.高分子N可用于制備聚合物離子導體，其合成路線如圖。下列說法不正確的是
應用體驗
A.苯乙烯不存在順反異構體
B.試劑a為
C.試劑b為HO(CH2CH2O)mCH3
D.反應1為加聚反應，反應2為縮聚反應
√
應用體驗
碳碳雙鍵的1個C原子上連有2個H原子，所以苯乙烯不存在順反異構體，故A正確；
苯乙烯和a發生加聚反應生成高分子M，根據M的結構簡式可知，a的結構簡式為　 　　　　 ，故B正確；
應用體驗
M和b發生加成反應生成N，根據M和N的結構簡式可知，b的結構簡式為HO(CH2CH2O)mCH3，故C正確；
反應2為加成反應，故D不正確。
應用體驗
5.傳統鋰離子電池中一般使用LiClO4、LiPF6、LiBF4等鋰鹽作為電解質，其在酯類溶劑中有較好的溶解性，酯類溶劑有碳酸乙烯酯等。一種以CH2==CH2、CO2及O2為原料，在一定條件下制備碳酸乙烯酯的反應如下：
下列有關碳酸乙烯酯的說法錯誤的是
A.是一種有機溶劑，可以溶解無機化合物
B.只含酯基官能團
C.是一種離子導體
D.該制備反應的原子利用率為100%
√
應用體驗
6.在新型鋰離子電池中，需要一種有機聚合物作為正、負極之間鋰離子遷移的介質，該有機聚合物的單體之一(用G表示)的結構簡式為
　　　　　　　　　　　　　　　　 ，G的合成方法如圖。
應用體驗
請回答下列問題：
(1)反應①、⑤的反應類型分別為　 　　、
　　 　　。
加成反應
消去反應
應用體驗
反應①是　　　　　與溴發生
加成反應生成A(　　　　　 )；
反應⑤是D[HOOCC(OH)(CH3)2]在濃硫酸作用下發生消去反應生成E[CH2==C(CH3)COOH]。
應用體驗
(2)A的結構簡式是
　　 　　。
應用體驗
由(1)中分析可知，A的結構
簡式為　　　　 　。
應用體驗
(3)寫出2種含有—OH和—COOH的D的同分異構體的結構簡式：
　　　　　　　、　 。
(答案合理即可)
應用體驗
含有—OH和—COOH的HOOCC(OH)(CH3)2的同分異
構體有 　 、
　　　　　　　　　　、　　　　　　　　 　、　　　　　　　　　。
應用體驗
(4)寫出B→C反應的化學方
程式：__________________
______________________。
+O2
+2H2O
(5)寫出E→F反應的化學方程式：
_______________________________
______________________________。
+
應用體驗
返回

展開更多......

收起↑