第3章 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-2021-2022学年新教材高中化学选择性必修3【名师导航】同步Word教参(鲁科版)

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 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。 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。 项目活动1　设计手机新型电池中离子导体材料的结构 某种锂离子电池的工作原理示意图 1．为使锂离子电池正常工作，同时避免有机溶剂为液态时所带来的安全隐患，理想的离子导体材料中的有机溶剂应该具备哪些基本性能？ 提示：在设计离子导体中有机溶剂的结构时，应考虑作为溶剂需同时具备溶解并传导锂离子两种性能。此外，还应考虑安全性问题，有机溶剂应该性能稳定且为固态。 2．小组合作，结合教材中“资料卡片”提供的信息，讨论满足上述性能要求的有机溶剂的结构特点，写出相应的有机化合物的结构简式，并交流讨论。 提示：分析教材中“资料卡片”的信息可知，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。例如 项目活动2　合成离子导体材料中有机溶剂的单体 1．以乙烯为基础原料(其他无机试剂任选)，设计二缩三乙二醇二丙烯酸酯的合成路线，画出流程图。 提示： 2．如何评价不同合成路线的优劣，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。 总结在项目完成的整个过程中基于有机合成解决实际材料问题的思路和方法，示例如下： 1.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，下列有关咪唑说法正确的是(　　) A．分子式为C3H3N2 B．分子中含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．一氯取代物的同分异构体共有5种 C　[根据结构简式确定分子式为C3H4N2，A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，该分子中含有C—C一种非极性键，含有C—H、N—H、C—N三种极性键，B错误；该物质中含有碳碳双键和氨基，具有烯烃性质和氨基的性质，能发生取代反应、加成反应和氧化反应，C正确；该分子中含有4种氢原子，有几种氢原子其一氯代物就有几种，所以其一氯代物有4种，D错误。] 2．阅读下面科普短文。 锂离子电池构造图 锂电池是指电极材料含金属锂或含锂化合物，使用非水溶液做离子导体的电池。银白色的金属锂是所有金属中最轻的一种，它的化学性质活泼，常温下就能和空气中的氧气化合成氧化锂；锂还能和水剧烈反应变成氢氧化锂(LiOH)，同时放出一种可燃性气体。 最早出现的锂电池利用化学反应Li＋MnO2===LiMnO2提供电能。随着科技的发展，锂电池的应用范围逐步扩大，一类新型锂电池——锂离子电池大量应用在手机、笔记本电脑和家用小电器上。锂离子电池由正极、负极、隔膜和电解液构成，正极材料(如石墨)和负极材料(如LiCoO2)均能传导电子，电解液在正、负两极之间起输运离子、传导电流的作用。锂离子电池采用一种类似摇椅式的工作原理，充放电过程中锂离子在正负极间来回穿梭，从一边“摇”到另一边，往复循环，实现电池的充放电过程。 由于锂离子电池中包含的电解液多含有机物，普遍存在易燃问题，在过充、过放、短路及热冲击等滥用的状态下，电池温度迅速升高，常常会导致电池起火，甚至爆炸。因此，目前大多数数码产品都会配备相应的保护元件，当检测到电池到达满电状态，会自动切断充电电路。 依据文章内容，回答下列问题： (1)金属锂的物理性质有________(答一条即可)。 (2)锂离子电池由________________构成。 (3)锂离子电池负极材料为LiCoO2，其中Li为＋1价，则Co的化合价为________。 (4)锂电池使用非水溶液做离子导体的原因是__________________________ ____________________________________________(用化学方程式表示)。 (5)安全使用锂离子电池的措施有___________________________________ _______________________________________________________________。 [解析]　(3)在LiCoO2中Li为＋1价，氧为－2价，设Co元素的化合价为x，则(＋1