4.2.2元素周期表、元素周期律的应用 课件 2024-2025学年高一上学期化学人教版（2019）必修第一册

元素周期表、元素周期律的应用 ——以制冷剂的改良为例 人教版 化学 必修 第一册 你知道冰箱是怎么制冷的吗？ 制冷原理 制冷剂通过加压在冷凝器中液化放热，通过减压在蒸发器中汽化吸热。 早期的工业制冷剂 有毒 易燃 腐蚀性 【课堂任务】 寻找并设计一种 无毒、稳定、高效的制冷剂 M1：从降低毒性角度优化制冷剂 M2：从提升稳定性角度优化制冷剂 M3：从沸点角度优化制冷剂 【研究思路】 在已知制冷剂的结构基础上，参考元素性质递变规律，优化组成，改善性能 基于已有的一些物质或元素，寻找与其性质相似的物质或元素？ 元素周期表和元素周期律：根据元素在周期表中的位置，推测原子结构、预测元素性质，发现新材料，合成新物质 课前案内容展示（元素周期表、元素周期律及其应用） 【研究思路】 霓虹灯 光电材料 半导体 催化剂、特种合金 低毒农药 【任务1】从毒性角度优化制冷剂 优化思路： 参考含As剧毒农药→含P、S、Cl低毒农药的设计思路，尝试在已有制冷剂结构中引入Cl、F等原子，降低物质毒性 改变组成元素，农药毒性减弱趋势 【任务2】从稳定性角度优化制冷剂 烷烃类制冷剂： 相对于其他制冷剂，烷烃性质稳定，通常情况下，与强酸、强碱等都不反应。同时，对金属设备无腐蚀。 但烷烃存在受热分解、与O2反应（易燃易爆）等问题。 任务目标： 以CH4为观察对象，借助元素周期律，寻找提升热稳定性和降低与O2反应剧烈程度的思路。 元素非金属性的增强趋势 简单气态氢化物稳定性的增强趋势 【任务2】从稳定性角度优化制冷剂 简单气态氢化物的热稳定性 请比较下列气态氢化物的稳定性： （1）同主族：CH4__SiH4__GeH4 （2）同周期：CH4__NH3__H2O__HF 【任务2】从稳定性角度优化制冷剂 简单气态氢化物与O2反应的剧烈程度 请比较下列气态氢化物与O2反应的剧烈程度 （1）同主族：CH4__SiH4 （2）同周期：CH4__NH3__H2O__HF 已知：SiH4在空气中能自燃；NH3可以在纯氧中安静燃烧 从这些实例得到的递变规律能否推广到整个元素周期表？ 【任务2】从稳定性角度优化制冷剂 氧化还原角度： 元素的非金属性越强 原子越容易______电子 元素越______从0价降至最低负价 其逆过程，最低负价则会越______回到0价 简单气态氢化物与O2反应的剧烈程度 气态氢化物的______强弱 还原性 得到 容易 难 【任务2】从稳定性角度优化制冷剂 元素非金属性的增强趋势 最低负价非金属原子还原性的减弱趋势 氧化还原角度：气态氢化物的还原性强弱 元素的非金属性越强 原子越容易得到电子 元素越容易从0价降至最低负价 其逆过程，最低负价则会越难回到0价 简单气态氢化物与O2反应的剧烈程度 -4 优化思路 将烷烃分子中的氢原子替换成非金属性更强的元素原子，其稳定性可能会增强，与O2反应能力也会降低 δ- 非金属性强于碳的元素原子 δ+ 非金属性强于碳的元素原子 非金属性强于碳的元素原子 非金属性强于碳的元素原子 【任务2】从稳定性角度优化制冷剂 【任务2】从稳定性角度优化制冷剂 CH4 CH3Cl CCl4 可燃性 易燃 易燃 不燃 优化思路 将烷烃分子中的氢原子替换成非金属性更强的元素原子，其稳定性可能会增强，与O2反应能力也会降低 【任务3】从沸点角度优化制冷剂 1.通常，制冷剂常温时为什么状态？ 2.制冷剂的沸点与常温的高低关系？ 制冷原理 制冷剂通过加压在冷凝器中液化放热，通过减压在蒸发器中汽化吸热。 【任务3】从沸点角度优化制冷剂 沸点/℃ 烷烃相对分子质量与沸点关系图 丁烷的加压液化 【任务3】从沸点角度优化制冷剂 常温下，制冷剂为气态，沸点最好临近常温，稍加压降温就可液化 CH4常温为气态，但沸点低（-161.5℃） 能否通过改变组成元素，提高CH4的沸点到常温附近？ CH4是共价化合物，构成微粒为分子，影响其沸点的微观因素是什么？ 分子间作用力 范德华力是普遍存在的一种分子间作用力，物质的相对分子质量是其影响因素之一，相对分子质量越大，范德华力逐渐增强，物质的熔沸点逐渐升高 【任务3】从沸点角度优化制冷剂 优化思路 将烷烃分子中的氢原子替换为相对原子质量更大的某些原子，改变分子间作用力的强弱，进而调节熔沸点 CH4 CH3Cl CCl4 相对分子质量 16 50.5 154 沸点/℃ -161.5 -23.3 76.8 优化沸点 提升制冷剂稳定性 降低制冷剂毒性 【阅读】氟利昂 凭借对元素周期表和元素周期律的通晓与推究，化学家托马斯·米奇里仅用3天时间就锁定了CF2Cl2，商品名叫做氟利昂。 氟利昂类制冷剂无毒、价廉，极大促进了民用制冷的发展，因为它，空调、冰箱才能进入寻常百姓家。 Thomas Midgley （1889-1944 ） 【书写】 请绘制CF2Cl2的电子式、结构式 【科学的反思】 消耗量巨大，却又如此“稳定”的氟利昂究竟去了那里？ 通过化学分析、模型推演、仪器监测，科学家们发现，氟利昂正在破坏我们的臭氧层，地球面临“塌天之祸” 【科学与资本的拉锯战】 科 《Science》1974.6 同温层因氟利昂而沦陷 资 资 《纽约时报》1975 对氟利昂的指控缺乏科学依据 《化学周刊》1975 科幻小说，一派胡言 资 美国公共电视台，1975 末日预言者 【科学与资本的拉锯战】 科 大气学家，1975 在同温层探测到氟利昂 科 科 大气学家，1976 在同温层捕捉到Cl和ClO 气象学家法曼，1982 光谱仪：发现紫外线急剧增强 科 气象学家法曼，1984 臭氧层已损失40% 【科学与资本的拉锯战】 【活动】设计氟利昂的替代品 参考下列资料，尝试从乙烷C2H6出发，设计CF2Cl2的替代品，并画出它的结构式： CF2Cl2 乙烷C2H6 相对分子质量 121 30 沸点/℃ -29.7 -88.6 相对原子质量：H-1,C-12,F-19,Cl-35.5 【活动】设计氟利昂的替代品 思路整理 乙烷，沸点低（-88.6℃） 引入相对原子质量更大的原子 增强范德华力 提升熔沸点 在乙烷分子将氢原子替换为氟原子，使其熔沸点与CF2Cl2接近 C-Cl键受紫外线照射断裂，但C-F键相对稳定 在乙烷分子中只使用氟原子来替换氢原子 【活动】设计氟利昂的替代品 沸点/℃ 相关性质 CH3CH2F -33.7 易燃气体，高浓度时有毒性 CH3CHF2 -24.7 易燃气体，有强毒性 CH3CF3 -47 可燃气体，有毒性 CH2FCF3 -26.2 无毒不可燃气体 CHF2CF3 -48.45 无毒不可燃气体 CF3CF3 -78.2 不可燃气体，高浓度时有毒性 【活动】设计氟利昂的替代品 氟利昂的替代品 考虑到C-Cl键的问题，科学家将乙烷分子中部分氢原子只替换为氟原子，得到了性能接近CF2Cl2、对臭氧层无害的以CF3CH2F为代表的系列制冷剂。 【资料卡片】 研究人员利用Aura卫星上的微波探测器（MLS），对南极臭氧层中氯含量进行了测量。 结果表明，氯含量每年下降大约0.8%，南极冬季的臭氧损耗量比2005年下降了20%。 毫无疑问，准确的数据告诉我们来自氟氯化碳的氯正在不断减少，臭氧损耗正在快速降低，这一变化可归因于《蒙特利尔议定书》。 ——《Geophysical Research Letters(地球物理通讯）》，2018 【资料卡片】 责任与担当 中国政府始终是保护臭氧层活动的主力军，我国对消耗臭氧层物质的违法行为始终采取“零容忍态度”，我国将不断推动《蒙特利尔议定书》履约能力建设。 ——新华社，北京，2019年3月19日电 探索，从未止步…… 研究发现，这类氟利昂的替代品，温室效应竟然是CO2的成千上万倍。 安全、高效、环保制冷剂的研发，仍然任重道远…… 【拓展任务】 锂离子电池是我们生活当中非常常见的一种二次电池，大量应用于手机、笔记本电脑、电动汽车等家用小电器上。它有着能量密度大、使用寿命长、重量轻以及绿色环保等特点，但由于锂盐储量低，生产成本很高。 假设你是一名化学工程师，结合本节课的学习内容，请你对电池进行改良，降低生产成本。 【拓展任务】 【结语】 2007年《金属杂志》（JOM）评选的材料科学与工程领域历史上50项“最伟大的材料事件”，“门捷列夫（Dmitri Mendeleev）设计出元素周期表”位列第一。 “最伟大的材料事件”的定义为：一项人类的观测或者介入，导致人类对材料行为的理解产生标志性进展的关键事件或决定性事件，它开辟了材料利用的新纪元，或者产生了由材料引发的社会经济重大变化。 【课后作业】 1.完成课后案的习题； 2.查阅资料，寻找更多通过元素周期表、元素周期律得以发现或发展的材料，对其发展过程中元素周期表、元素周期律所起到的作用进行整理与阐述。 Lavf57.62.100 Lavf57.62.100 $$