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高中微项目 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说课课件ppt
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这是一份高中微项目 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说课课件ppt，共45页。PPT课件主要包含了必备知识，探究一，探究二，随堂检测，②炔烃的聚合，素能应用，答案A，答案C等内容，欢迎下载使用。
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。
设计手机新型电池中离子导体材料的结构问题探究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,电池为电解池,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的两种性能。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。
素能应用典例1(2020山东德州高三期末)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 。 (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-xCO2 C6+LiCO2,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)。 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)
(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,正极上Li+得电子变为LiCO2,电极反应式为Li1-xCO2+xLi++xe-==LiCO2;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。
变式训练1固体离子导体依靠离子迁移来传导电流,Ag+可以在RbAg4I5晶体中迁移。下图是一种固体电池,空气中的O2透过聚四氟乙烯膜与AlI3反应生成I2,Ag和I2作用形成原电池。下列说法错误的是( )
A.I2在石墨上被还原B.石墨电极为负极,银电极为正极C.Ag+从负极向正极移动D.银电极的电极反应式为Ag-e-==Ag+
答案:B解析:I2易得电子,在石墨电极上得电子被还原,A项正确;Ag和I2作用形成原电池,Ag为金属作负极,石墨为惰性电极作正极,故B项错误;原电池内部阳离子从负极向正极移动,C项正确;Ag作负极失去电子,电极反应式为Ag-e-==Ag+,D项正确。
变式训练2(2020北京首都师范大学附属中学高一期末)锂离子电池是一种生活中常见的二次电池,常用于手机、笔记本电脑、电动车等多个领域。锂离子电池主要依靠Li+在正极材料(LixCO2)和负极材料(石墨)之间往返嵌入和脱嵌来工作。低温时,由于电解液黏度增大,电池中锂离子的迁移能力下降,低温充电时石墨嵌锂速度降低,Li+来不及嵌入石墨中形成LixC,便得到电子被还原,容易在负极表面析出金属锂,降低电池容量,影响电池安全。上海复旦大学开发了一款新型锂离子电池,其放电的工作原理如下图所示。该电池不仅在-40 ℃下放电比容量没有衰降,甚至在-70 ℃下该电池的放电比容量保持率也能够达到常温的70%左右,极大地拓宽了电池的应用范围。复旦大学团队采用凝固点低、可在极端低温条件下导电的乙酸乙酯基电解液,并采用不需要将锂离子嵌入电极中即可完成充、放电的有机化合物电极,避免了低温条件下嵌入过程变慢的问题。请依据材料内容回答下列问题。
(1)判断下列说法错误的是 (填序号)。 ①新型锂离子电池有望在地球极寒地区使用。②在传统锂离子电池中,金属锂是负极材料。③若新型锂离子电池在常温下的放电比容量为99 mAh·g-1,则其在-40 ℃下的放电比容量为99 mAh·g-1。(2)新型锂离子电池放电时,正极是 (填“A”或“B”)。 (3)下列关于该新型锂离子电池可耐低温的原因推测不正确的是 (填字母)。 a.采用与传统不同的有机化合物电极b.乙酸乙酯基电解液的凝固点低c.锂离子不需要在正负极间移动
答案:(1)② (2)A (3)c
解析:(1)①新型锂离子电池在-40 ℃下放电比容量没有衰降,在-70 ℃下电池的放电比容量保持率也能达到常温的70%左右,所以新型锂离子电池有望在地球极寒地区使用,故①正确;②传统锂离子电池中正极材料为LixCO2,负极材料为石墨,Li+嵌入石墨中形成LixC,LixC失去电子,电池工作放电,故②错误;③电池在-40 ℃下放电比容量没有衰降,即新型锂离子电池在常温下和-40 ℃下的放电比容量相等,均为99 mAh·g-1,故③正确。(2)原电池工作时,电解质溶液中阳离子移向正极,阴离子移向负极。由新型锂离子电池放电原理图可知,Li+由B电极移向A电极,TFSI-由A电极移向B电极,所以B电极为负极,A电极为正极。
(3)新型锂离子电池可能采用了快速完成充、放电的有机化合物电极,可避免低温条件下嵌入过程变慢的问题,以提高电池的放电比容量,故a正确;新型锂离子电池可能采用了极端低温条件下能导电的乙酸乙酯基电解液,可避免低温条件下嵌入过程变慢的问题,说明乙酸乙酯基电解液凝固点低,故b正确;锂离子电池主要依靠Li+在正极材料和负极材料之间往返嵌入和脱嵌来工作,Li+在正负极间移动能形成闭合回路,对外供电,故c不正确。
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)烃的衍生物的缩合成环①羟基——羟基缩合成环
②羟基——羧基酯化成环
③羧基——羧基缩合成环
④羧基——氨基缩合成环
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变为—ONa将—OH保护起来,待氧化后再酸化将其转变为—OH。
(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。
(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。防止当KMnO4氧化—CH3时,—NH2(具有还原性)也被氧化。
(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:
在检验碳碳双键时,当有机物中含有醛基、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。
请写出A、B、C、D的结构简式:A ,B ,C ,D 。
变式训练3聚甲基丙烯酸甲酯( )的缩写为PMMA,俗称有机玻璃。下列有关PMMA的说法错误的是( )A.合成PMMA的单体是甲基丙烯酸和甲醇B.聚甲基丙烯酸甲酯的分子式可表示为(C5H8O2)nC.聚甲基丙烯酸甲酯属于有机高分子合成材料D.甲基丙烯酸甲酯[CH2==C(CH3)COOCH3]中碳原子可能都处于同一平面
1.(2020广东佛山三水中学高二期中)有机玻璃的单体甲基丙烯酸甲酯的合成原理如下:
下列说法正确的是( )A.若反应①的原子利用率为100%,则物质X为CO2B.可用分液漏斗分离甲基丙烯酸甲酯和甲醇
D.甲基丙烯酸甲酯与H2反应生成Y,能与NaHCO3溶液反应的Y的同分异构体有3种
2.(2020河北盐山中学高二考试)某高分子材料的结构如图所示: 。已知该高分子材料是由三种单体聚合而成的,以下与此高分子材料相关的说法正确的是( )A.合成该高分子材料的反应是缩聚反应B.形成该高分子材料的单体 中,所有原子可能处于同一平面内C.三种单体中有两种有机化合物互为同系物D.三种单体都可以使溴水褪色,但只有两种能使酸性高锰酸钾溶液褪色
答案:B解析:由高分子材料的结构简式可知,合成该高分子材料的反应是加聚反应,故A错误;苯和乙烯都是平面分子,故苯乙烯中所有原子可能处于同一平面内,故B正确;合成该高分子材料的三种单体是CH3CH==CHCN、苯乙烯、苯乙炔,其中没有互为同系物的物质,故C错误;合成该高分子材料的三种单体CH3CH==CHCN、苯乙烯、苯乙炔都能使酸性高锰酸钾溶液褪色,故D错误。
3.锂离子电池已经成为新一代实用化的蓄电池,该电池具有能量密度大、电压高的特性。以下是锂离子电池放电时的电极反应式。负极反应:C6Li-xe-==C6Li1-x+xLi+(C6Li表示锂原子嵌入石墨形成的复合材料)正极反应:Li1-xMO2+xLi++xe-==LiMO2(LiMO2表示含锂的过渡金属氧化物)下列有关说法正确的是( )A.锂离子电池放电时电池总反应式为LiMO2+C6Li1-x==C6Li+Li1-xMO2B.锂离子电池充电时电池内部Li+向负极所连的电极移动C.锂离子电池放电时电池内部阴离子流向正极D.锂离子电池充电时阳极反应为C6Li1-x+xLi++xe-==C6Li
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。
设计手机新型电池中离子导体材料的结构问题探究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,电池为电解池,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的两种性能。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。
素能应用典例1(2020山东德州高三期末)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 。 (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-xCO2 C6+LiCO2,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)。 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)
(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,正极上Li+得电子变为LiCO2,电极反应式为Li1-xCO2+xLi++xe-==LiCO2;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。
变式训练1固体离子导体依靠离子迁移来传导电流,Ag+可以在RbAg4I5晶体中迁移。下图是一种固体电池,空气中的O2透过聚四氟乙烯膜与AlI3反应生成I2,Ag和I2作用形成原电池。下列说法错误的是( )
A.I2在石墨上被还原B.石墨电极为负极,银电极为正极C.Ag+从负极向正极移动D.银电极的电极反应式为Ag-e-==Ag+
答案:B解析:I2易得电子,在石墨电极上得电子被还原,A项正确;Ag和I2作用形成原电池,Ag为金属作负极,石墨为惰性电极作正极,故B项错误;原电池内部阳离子从负极向正极移动,C项正确;Ag作负极失去电子,电极反应式为Ag-e-==Ag+,D项正确。
变式训练2(2020北京首都师范大学附属中学高一期末)锂离子电池是一种生活中常见的二次电池,常用于手机、笔记本电脑、电动车等多个领域。锂离子电池主要依靠Li+在正极材料(LixCO2)和负极材料(石墨)之间往返嵌入和脱嵌来工作。低温时,由于电解液黏度增大,电池中锂离子的迁移能力下降,低温充电时石墨嵌锂速度降低,Li+来不及嵌入石墨中形成LixC,便得到电子被还原,容易在负极表面析出金属锂,降低电池容量,影响电池安全。上海复旦大学开发了一款新型锂离子电池,其放电的工作原理如下图所示。该电池不仅在-40 ℃下放电比容量没有衰降,甚至在-70 ℃下该电池的放电比容量保持率也能够达到常温的70%左右,极大地拓宽了电池的应用范围。复旦大学团队采用凝固点低、可在极端低温条件下导电的乙酸乙酯基电解液,并采用不需要将锂离子嵌入电极中即可完成充、放电的有机化合物电极,避免了低温条件下嵌入过程变慢的问题。请依据材料内容回答下列问题。
(1)判断下列说法错误的是 (填序号)。 ①新型锂离子电池有望在地球极寒地区使用。②在传统锂离子电池中,金属锂是负极材料。③若新型锂离子电池在常温下的放电比容量为99 mAh·g-1,则其在-40 ℃下的放电比容量为99 mAh·g-1。(2)新型锂离子电池放电时,正极是 (填“A”或“B”)。 (3)下列关于该新型锂离子电池可耐低温的原因推测不正确的是 (填字母)。 a.采用与传统不同的有机化合物电极b.乙酸乙酯基电解液的凝固点低c.锂离子不需要在正负极间移动
答案:(1)② (2)A (3)c
解析:(1)①新型锂离子电池在-40 ℃下放电比容量没有衰降,在-70 ℃下电池的放电比容量保持率也能达到常温的70%左右,所以新型锂离子电池有望在地球极寒地区使用,故①正确;②传统锂离子电池中正极材料为LixCO2,负极材料为石墨,Li+嵌入石墨中形成LixC,LixC失去电子,电池工作放电,故②错误;③电池在-40 ℃下放电比容量没有衰降,即新型锂离子电池在常温下和-40 ℃下的放电比容量相等,均为99 mAh·g-1,故③正确。(2)原电池工作时,电解质溶液中阳离子移向正极,阴离子移向负极。由新型锂离子电池放电原理图可知,Li+由B电极移向A电极,TFSI-由A电极移向B电极,所以B电极为负极,A电极为正极。
(3)新型锂离子电池可能采用了快速完成充、放电的有机化合物电极,可避免低温条件下嵌入过程变慢的问题,以提高电池的放电比容量,故a正确;新型锂离子电池可能采用了极端低温条件下能导电的乙酸乙酯基电解液,可避免低温条件下嵌入过程变慢的问题,说明乙酸乙酯基电解液凝固点低,故b正确;锂离子电池主要依靠Li+在正极材料和负极材料之间往返嵌入和脱嵌来工作,Li+在正负极间移动能形成闭合回路,对外供电,故c不正确。
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)烃的衍生物的缩合成环①羟基——羟基缩合成环
②羟基——羧基酯化成环
③羧基——羧基缩合成环
④羧基——氨基缩合成环
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变为—ONa将—OH保护起来,待氧化后再酸化将其转变为—OH。
(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。
(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。防止当KMnO4氧化—CH3时,—NH2(具有还原性)也被氧化。
(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:
在检验碳碳双键时,当有机物中含有醛基、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。
请写出A、B、C、D的结构简式:A ,B ,C ,D 。
变式训练3聚甲基丙烯酸甲酯( )的缩写为PMMA,俗称有机玻璃。下列有关PMMA的说法错误的是( )A.合成PMMA的单体是甲基丙烯酸和甲醇B.聚甲基丙烯酸甲酯的分子式可表示为(C5H8O2)nC.聚甲基丙烯酸甲酯属于有机高分子合成材料D.甲基丙烯酸甲酯[CH2==C(CH3)COOCH3]中碳原子可能都处于同一平面
1.(2020广东佛山三水中学高二期中)有机玻璃的单体甲基丙烯酸甲酯的合成原理如下:
下列说法正确的是( )A.若反应①的原子利用率为100%,则物质X为CO2B.可用分液漏斗分离甲基丙烯酸甲酯和甲醇
D.甲基丙烯酸甲酯与H2反应生成Y,能与NaHCO3溶液反应的Y的同分异构体有3种
2.(2020河北盐山中学高二考试)某高分子材料的结构如图所示: 。已知该高分子材料是由三种单体聚合而成的,以下与此高分子材料相关的说法正确的是( )A.合成该高分子材料的反应是缩聚反应B.形成该高分子材料的单体 中,所有原子可能处于同一平面内C.三种单体中有两种有机化合物互为同系物D.三种单体都可以使溴水褪色,但只有两种能使酸性高锰酸钾溶液褪色
答案:B解析:由高分子材料的结构简式可知,合成该高分子材料的反应是加聚反应,故A错误;苯和乙烯都是平面分子,故苯乙烯中所有原子可能处于同一平面内,故B正确;合成该高分子材料的三种单体是CH3CH==CHCN、苯乙烯、苯乙炔,其中没有互为同系物的物质,故C错误;合成该高分子材料的三种单体CH3CH==CHCN、苯乙烯、苯乙炔都能使酸性高锰酸钾溶液褪色,故D错误。
3.锂离子电池已经成为新一代实用化的蓄电池,该电池具有能量密度大、电压高的特性。以下是锂离子电池放电时的电极反应式。负极反应:C6Li-xe-==C6Li1-x+xLi+(C6Li表示锂原子嵌入石墨形成的复合材料)正极反应:Li1-xMO2+xLi++xe-==LiMO2(LiMO2表示含锂的过渡金属氧化物)下列有关说法正确的是( )A.锂离子电池放电时电池总反应式为LiMO2+C6Li1-x==C6Li+Li1-xMO2B.锂离子电池充电时电池内部Li+向负极所连的电极移动C.锂离子电池放电时电池内部阴离子流向正极D.锂离子电池充电时阳极反应为C6Li1-x+xLi++xe-==C6Li
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