资源简介

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
［核心素养发展目标］　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。
一、设计手机新型电池中离子导体材料的结构
1.锂离子电池的工作原理及其有机溶剂的作用
电池组成 工作原理 有机溶剂的作用
负极：_____________________ 正极：_____________________ 离子导体：_________________ 放电时：Li+从　　极移向　　极； 充电时：Li+从　　极移向　　极
2.传统锂离子电池的离子导体材料
(1)传统锂离子电池的离子导体材料的组成
(2)传统锂离子电池中组成离子导体的几种常见碳酸酯类溶剂
名称 碳酸丙烯酯 碳酸丁烯酯 碳酸乙烯酯
符号 PC BC EC
结构
名称 碳酸二甲酯 碳酸甲乙酯 碳酸二乙酯
符号 DMC EMC DEC
结构
3.设计离子导体中有机溶剂的结构
(1)设计离子导体中新型的有机溶剂的思路
溶剂需同时具备　　　并传导　　　　两种性能，　　　的存在能够很好地提高有机溶剂对锂盐的溶解性，　　　的存在能提高锂离子的传导效果，有机高分子性能稳定且为固态，满足安全性要求。
(2)科学家对离子导体中有机溶剂合成的设计
1.下列对于锂离子电池所用材料分类不正确的是(　　)
A B C D
正极(LiCoO2) 负极(C) 电解液(碳酸丙烯酯) 隔膜(聚烯烃)
无机物 有机物 酯类 合成高分子
2.一种3D打印机的柔性电池以碳纳米管作电极材料，以吸收ZnSO4溶液的有机高聚物为固态电解质，电池结构如图1所示，图2是有机高聚物的结构片段。下列说法错误的是(　　)
A.放电时，含有锌膜的碳纳米管纤维作电池负极
B.有机高聚物中含有的化学键有极性键、非极性键和氢键
C.合成有机高聚物的单体是
D.有机高聚物能发生水解反应
二、合成离子导体材料中有机溶剂的单体
1.以环氧乙烷为主要原料设计二缩三乙二醇的合成路线，写出流程图： _____________________
___________________________________________________________________________________。
2.用逆推法分析以石油裂解气为原料，结合教材资料卡片的相关信息设计合成丙烯酸丁酯的路线。
示例1
参考合成路线：
示例2
参考合成路线：
如何评价不同合成路线的优劣，并梳理分析评价的角度。
____________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________
1.碳酸二甲酯(简称DMC)是一种绿色化学品，可用于锂离子电池的电解质溶剂。一定条件下，合成DMC的一种方法如图所示：
+Ⅰ+Ⅱ
回答下列问题：
该合成路线中所有反应的原子利用率均为100%，则化合物Ⅰ的名称是　　　　，化合物Ⅱ的结构简式是　　　　　　　　　　，反应②的反应类型是__________________________________。
2.一种有机玻璃的结构简式为。下列关于它的叙述不正确的是 (　　)
A.该有机玻璃的化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯
B.该有机玻璃可用2 甲基丙烯酸和甲醇为原料，通过酯化反应、加聚反应制得
C.在一定条件下发生水解反应时，可得到另外一种高分子化合物
D.等物质的量的该有机玻璃和2 甲基丙烯酸甲酯完全燃烧，二者耗氧量相同
3.离子液体在有机合成、无机合成等方面有着重要应用。咪唑是合成离子液体的一种原料，其结构如图所示，下列有关咪唑的说法正确的是 (　　)
A.分子式为C3H3N2
B.分子中有一种非极性键和两种极性键
C.可以发生取代、加成、氧化反应
D.一氯取代物共有5种
4.高分子N可用于制备聚合物离子导体，其合成路线如图。下列说法不正确的是(　　)
A.苯乙烯不存在顺反异构体
B.试剂a为
C.试剂b为HO(CH2CH2O)mCH3
D.反应1为加聚反应，反应2为缩聚反应
5.传统锂离子电池中一般使用LiClO4、LiPF6、LiBF4等锂盐作为电解质，其在酯类溶剂中有较好的溶解性，酯类溶剂有碳酸乙烯酯等。一种以CH2CH2、CO2及O2为原料，在一定条件下制备碳酸乙烯酯的反应如下：
下列有关碳酸乙烯酯的说法错误的是(　　)
A.是一种有机溶剂，可以溶解无机化合物
B.只含酯基官能团
C.是一种离子导体
D.该制备反应的原子利用率为100%
6.在新型锂离子电池中，需要一种有机聚合物作为正、负极之间锂离子迁移的介质，该有机聚合物的单体之一(用G表示)的结构简式为，G的合成方法如图。
请回答下列问题：
(1)反应①、⑤的反应类型分别为　　　、　　　　。
(2)A的结构简式是______________________________。
(3)写出2种含有—OH和—COOH的D的同分异构体的结构简式：　　　　　　、___________。
(4)写出B→C反应的化学方程式：____________________________________________________
__________________________________________________________________________________。
(5)写出E→F反应的化学方程式：____________________________________________________
__________________________________________________________________________________。
答案精析
一、
1.石墨　过渡金属氧化物　溶解有锂盐的有机溶剂　负　正　正　负　溶解锂盐，起到传导锂离子的作用　
3.(1)溶解　锂离子　酯基　醚键
应用体验
1.B　[LiCoO2属于无机物，A项正确；碳为单质，是无机物，B项错误；碳酸丙烯酯的结构是，属于酯类，C项正确；聚烯烃是由烯烃通过加聚反应得到的高分子化合物，D项正确。]
2.B
二、
1.
深度思考
设计出不同的合成路线后，还要通过选择和优化来确定最佳合成路线。在选择和优化合成路线时，必须综合考虑合成路线是否符合化学原理，增强绿色合成的意识，关注合成操作的安全性、原子经济性、试剂与催化剂的无公害性等问题。工业上，对于合成路线的选择还会更多地考虑社会、经济、环境、科技的共同作用和综合影响。
应用体验
1.二氧化碳　　取代反应
解析　因所有反应的原子利用率均为100%，则对比反应①的反应物和生成物的结构可知，化合物 Ⅰ 为CO2；对比反应②的反应物和生成物的结构可知，该反应为取代反应，生成物 Ⅱ 为。
2.D　[该高分子化合物的单体为2 甲基丙烯酸甲酯，可以由2 甲基丙烯酸和甲醇通过酯化反应生成，然后再通过加聚反应制得聚甲基丙烯酸甲酯，B项正确；它在一定条件下发生水解反应时，可生成聚甲基丙烯酸和甲醇，C项正确；等物质的量的该有机玻璃和2 甲基丙烯酸甲酯含有的各原子的个数不同，耗氧量不同，D项错误。]
3.C　[根据结构简式确定分子式为C3H4N2，A项错误；同种非金属元素之间易形成非极性键，不同非金属元素之间易形成极性键，该分子中有C—C一种非极性键，有C—H、N—H、C—N三种极性键，B项错误；该分子中有4种氢原子，所以其一氯代物不可能有5种，D项错误。]
4.D　[碳碳双键的1个C原子上连有2个H原子，所以苯乙烯不存在顺反异构体，故A正确；苯乙烯和a发生加聚反应生成高分子M，根据M的结构简式可知，a的结构简式为，故B正确；M和b发生加成反应生成N，根据M和N的结构简式可知，b的结构简式为HO(CH2CH2O)mCH3，故C正确；反应2为加成反应，故D不正确。]
5.C
6.(1)加成反应　消去反应　(2)
(3)
(答案合理即可)
(4)+O2+2H2O
(5)+
解析　(1)反应①是与溴发生加成反应生成A()；反应⑤是D[HOOCC(OH)(CH3)2]在浓硫酸作用下发生消去反应生成E[CH2C(CH3)COOH]。(2)由(1)中分析可知，A的结构简式为。(3)含有—OH和—COOH的HOOCC(OH)(CH3)2的同分异构体有、、、。(共40张PPT)
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
微项目
第3章
<<<
核心素养
发展目标
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。
内容索引
一、设计手机新型电池中离子导体材料的结构
二、合成离子导体材料中有机溶剂的单体
设计手机新型电池中离子导体材料的结构
>
<
一
1.锂离子电池的工作原理及其有机溶剂的作用
一、设计手机新型电池中离子导体材料的结构
电池组成 工作原理 有机溶剂的作用
负极：_____ 正极：________________ 离子导体：____________ ____________ 放电时：Li+从 极移向 极； 充电时：Li+从 极移向 极 ________________________________
石墨
过渡金属氧化物
溶解有锂盐
的有机溶剂
负
正
正
负
溶解锂盐，起到传导锂离子的作用
2.传统锂离子电池的离子导体材料
(1)传统锂离子电池的离子导体材料的组成
(2)传统锂离子电池中组成离子导体的几种常见碳酸酯类溶剂
名称 碳酸丙烯酯 碳酸丁烯酯 碳酸乙烯酯
符号 PC BC EC
结构
名称 碳酸二甲酯 碳酸甲乙酯 碳酸二乙酯
符号 DMC EMC DEC
结构
3.设计离子导体中有机溶剂的结构
(1)设计离子导体中新型的有机溶剂的思路
溶剂需同时具备 　　并传导　　　　两种性能，　　　的存在能够很好地提高有机溶剂对锂盐的溶解性，　　　的存在能提高锂离子的传导效果，有机高分子性能稳定且为固态，满足安全性要求。
溶解
锂离子
酯基
醚键
(2)科学家对离子导体中有机溶剂合成的设计
应用体验
1.下列对于锂离子电池所用材料分类不正确的是
A B C D
正极(LiCoO2) 负极(C) 电解液(碳酸丙烯酯) 隔膜(聚烯烃)
无机物 有机物 酯类 合成高分子
√
应用体验
LiCoO2属于无机物，A项正确；
碳为单质，是无机物，B项错误；
碳酸丙烯酯的结构是　 　，属于酯类，C项正确；
聚烯烃是由烯烃通过加聚反应得到的高分子化合物，D项正确。
应用体验
2.一种3D打印机的柔性电池以碳纳米管作电极材料，以吸收ZnSO4溶液的有机高聚物为固态电解质，电池结构如图1所示，图2是有机高聚物的结构片段。下列说法错误的是
A.放电时，含有锌膜的碳纳米管纤维作电池负极
B.有机高聚物中含有的化学键有极性键、非极性键和氢键
C.合成有机高聚物的单体是
D.有机高聚物能发生水解反应
√
返回
合成离子导体材料中有机溶剂的单体
>
<
二
二、合成离子导体材料中有机溶剂的单体
1.以环氧乙烷为主要原料设计二缩三乙二醇的合成路线，写出流程图：
_____________________________________________________________
______________________________________________________。
2.用逆推法分析以石油裂解气为原料，结合教材资料卡片的相关信息设计合成丙烯酸丁酯的路线。
示例1
参考合成路线：
示例2
参考合成路线：
深度思考
如何评价不同合成路线的优劣，并梳理分析评价的角度。
提示　设计出不同的合成路线后，还要通过选择和优化来确定最佳合成路线。在选择和优化合成路线时，必须综合考虑合成路线是否符合化学原理，增强绿色合成的意识，关注合成操作的安全性、原子经济性、试剂与催化剂的无公害性等问题。工业上，对于合成路线的选择还会更多地考虑社会、经济、环境、科技的共同作用和综合影响。
应用体验
1.碳酸二甲酯(简称DMC)是一种绿色化学品，可用于锂离子电池的电解质溶剂。一定条件下，合成DMC的一种方法如图所示：
+Ⅰ
+Ⅱ
应用体验
回答下列问题：
该合成路线中所有反应的原子利用率均为100%，则化合物Ⅰ的名称是_____
_____，化合物Ⅱ的结构简式是　　 　，反应②的反应类型是_________。
+Ⅰ
+Ⅱ
二氧
化碳
取代反应
应用体验
+Ⅰ
+Ⅱ
因所有反应的原子利用率均为100%，则对比反应①的反应物和生成物的结构可知，化合物Ⅰ为CO2；对比反应②的反应物和生成物的结构可知，该反应为取代反应，生成物Ⅱ为　　 　　　。
应用体验
2.一种有机玻璃的结构简式为 　　　　　。下列关于它的叙述不正确的是
A.该有机玻璃的化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯
B.该有机玻璃可用2 甲基丙烯酸和甲醇为原料，通过酯化反应、加聚
　反应制得
C.在一定条件下发生水解反应时，可得到另外一种高分子化合物
D.等物质的量的该有机玻璃和2 甲基丙烯酸甲酯完全燃烧，二者耗氧
　量相同
√
应用体验
该高分子化合物的单体为2 甲基丙烯酸甲酯，可以由2 甲基丙烯酸和甲醇通过酯化反应生成，然后再通过加聚反应制得聚甲基丙烯酸甲酯，B项正确；
它在一定条件下发生水解反应时，可生成聚甲基丙烯酸和甲醇，C项正确；
等物质的量的该有机玻璃和2 甲基丙烯酸甲酯含有的各原子的个数不同，耗氧量不同，D项错误。
应用体验
3.离子液体在有机合成、无机合成等方面有着重要应用。咪唑是合成离子液体的一种原料，其结构如图所示，下列有关咪唑的说法正确的是
A.分子式为C3H3N2
B.分子中有一种非极性键和两种极性键
C.可以发生取代、加成、氧化反应
D.一氯取代物共有5种
√
应用体验
根据结构简式确定分子式为C3H4N2，A项错误；
同种非金属元素之间易形成非极性键，不同非金属元素之
间易形成极性键，该分子中有C—C一种非极性键，有C—H、
N—H、C—N三种极性键，B项错误；
该分子中有4种氢原子，所以其一氯代物不可能有5种，D项错误。
应用体验
4.高分子N可用于制备聚合物离子导体，其合成路线如图。下列说法不正确的是
应用体验
A.苯乙烯不存在顺反异构体
B.试剂a为
C.试剂b为HO(CH2CH2O)mCH3
D.反应1为加聚反应，反应2为缩聚反应
√
应用体验
碳碳双键的1个C原子上连有2个H原子，所以苯乙烯不存在顺反异构体，故A正确；
苯乙烯和a发生加聚反应生成高分子M，根据M的结构简式可知，a的结构简式为　 　　　　 ，故B正确；
应用体验
M和b发生加成反应生成N，根据M和N的结构简式可知，b的结构简式为HO(CH2CH2O)mCH3，故C正确；
反应2为加成反应，故D不正确。
应用体验
5.传统锂离子电池中一般使用LiClO4、LiPF6、LiBF4等锂盐作为电解质，其在酯类溶剂中有较好的溶解性，酯类溶剂有碳酸乙烯酯等。一种以CH2==CH2、CO2及O2为原料，在一定条件下制备碳酸乙烯酯的反应如下：
下列有关碳酸乙烯酯的说法错误的是
A.是一种有机溶剂，可以溶解无机化合物
B.只含酯基官能团
C.是一种离子导体
D.该制备反应的原子利用率为100%
√
应用体验
6.在新型锂离子电池中，需要一种有机聚合物作为正、负极之间锂离子迁移的介质，该有机聚合物的单体之一(用G表示)的结构简式为
　　　　　　　　　　　　　　　　 ，G的合成方法如图。
应用体验
请回答下列问题：
(1)反应①、⑤的反应类型分别为　 　　、
　　 　　。
加成反应
消去反应
应用体验
反应①是　　　　　与溴发生
加成反应生成A(　　　　　 )；
反应⑤是D[HOOCC(OH)(CH3)2]在浓硫酸作用下发生消去反应生成E[CH2==C(CH3)COOH]。
应用体验
(2)A的结构简式是
　　 　　。
应用体验
由(1)中分析可知，A的结构
简式为　　　　 　。
应用体验
(3)写出2种含有—OH和—COOH的D的同分异构体的结构简式：
　　　　　　　、　 。
(答案合理即可)
应用体验
含有—OH和—COOH的HOOCC(OH)(CH3)2的同分异
构体有 　 、
　　　　　　　　　　、　　　　　　　　 　、　　　　　　　　　。
应用体验
(4)写出B→C反应的化学方
程式：__________________
______________________。
+O2
+2H2O
(5)写出E→F反应的化学方程式：
_______________________________
______________________________。
+
应用体验
返回

展开更多......

收起↑