第3章 微项目3　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 导学案 2024-2025学年高二下学期化学鲁科版（2019）选择性必修3

微项目3 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 课程标准 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。 图说考点 必备知识·自主学习——新知全解一遍过 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 某种锂离子电池的工作原理如图所示。 电池组成 工作原理 有机溶剂的作用 负极：石墨 正极：过渡金属氧化物 离子导体：溶解有锂盐的有机溶剂 放电时：内电路中Li＋从负极移向正极； 充电时：内电路中Li＋从正极移向负极(阳极移向阴极) 溶解并传导锂离子 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 ①电解质：LiClO4、LiPF6、LiBF4等。 ②酯类溶剂：碳酸酯类有机溶剂中的一种或几种的混合物。几种常见的碳酸酯类溶剂如表所示： (2)传统锂离子电池的缺点：离子导体多为液态，易发生泄漏、爆炸等危险，安全性低。 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 名师提醒 (1)醚键传导Li＋的原理：醚键的化学和电化学性质稳定，它能通过醚氧原子与Li＋之间不断地结合、分离而实现离子传导。 (2)常见的传导Li＋的醚键结构单元有—CH2CH2O—、—CH2CH2OCH2CH2O—、—CH2CH2OCH2CH2OCH2CH2O—等。 (2)设计案例 即学即练 1．判断下列说法是否正确，正确的打“√”，错误的打“×”。 (1)锂离子电池负极上发生反应的物质一般是锂原子。(　　) (2)锂离子电池中，电解质的状态一般为液态。(　　) (3)传统锂离子电池中，绝大多数使用的是酯类溶剂。(　　) (4)含有醚键的物质对锂盐起到良好的离子导体的作用。(　　) (5)制备二缩三乙二醇时，可以直接用乙二醇脱水缩合。(　　) 2．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 3.一种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.该有机高聚物中含有的化学键有极性键、非极性键和氢键 C.合成该有机高聚物的单体是 D.该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．利用乙烯和丙烯为原料合成二缩三乙二醇二丙烯酸酯 (1)制备二缩三乙二醇的合成路线 (2)制备丙烯酸的合成路线 (3)利用(1)(2)制备所得的和CH2CHCOOH为原料，通过酯化反应制备二缩三乙二醇二丙烯酸酯。 2．丙烯酸丁酯的合成路线 3．最佳合成路线的选择和优化原则 (1)符合化学原理：合成路线的设计正确，反应能进行。 (2)绿色化学原则：原子经济性，试剂与催化剂的无公害性。 (3)安全性原则：操作安全。 【项目成果展示】　 基于有机合成解决实际材料问题的思路和方法 即学即练 1．以丙烯为基础原料，可制备离子导体材料中有机溶剂的单体丙烯酸丁酯，其合成路线如下： 下列判断错误的是(　　) A.反应①是一个碳链增长的反应 B.反应②是还原反应，可以通过加成的方式实现 C.反应③需要的条件是浓硫酸和加热 D.该合成工艺的原子利用率为100% 2．VC-PMHS()是一种优良的锂离子电池固态聚合物电解质，其合成路线如下： 步骤①：合成CECA() CECA＋2CH3CH2OH 步骤②：合成VC-PMHS CECAVC-PMHS 下列有关说法错误的是(　　) A.VC-PMHS结构中的碳酸丙烯酯基起到溶解锂盐的作用 B.VC-PMHS结构中构成VTMS的醚氧原子起到传导Li＋的作用 C.步骤①和步骤②的反应类型均为取代反应 D.步骤②制备VC-PMHS的合成路线的原子利用率为100%，符合“绿色化学”思想 3．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： 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________________。 随堂检测·强化落实——基础知能练到位 1．锂离子电池已经成为应用最广泛的可充电电池。某种锂离子电池的结构示意图如图，其中两极区间的隔膜只允许Li＋通过。电池充电时的总反应化学方程式为LiCoO2===Li1－xCoO2＋xLi。关于该电池的推论错误的是(　　) A．放电时，Li＋主要从负极区通过隔膜移向正极区 B．该电解质溶液应该选用对LiPF6具有很好的溶解性和传导性的有机溶剂 C．负极材料是镶嵌有锂原子的石墨 D．充电时，负极(C)上锂元素被氧化 2．碳酸亚乙烯酯(VC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)是几种商业化锂离子电池的电解质成分，其结构简式如图。下列说法错误的是(　　) A．1 mol物质完全燃烧的耗氧量：EMC>VC>DMC B．VC的分子式为C3H2O3 C．DMC与EMC互为同系物 D．EMC的同分异构体中，既能与NaHCO3溶液反应，又能发生缩聚反应的有5种(不考虑立体异构) 3．二缩三乙二醇可用于制备新型的手机电池离子导体材料，其高产率合成过程如图，下列说法错误的是(　　) A.反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均为加成反应 B．二缩三乙二醇中只有一种官能团 C．反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ原子利用率均为100% D．一定条件下能与NH3反应生成H2NCH2CH2OH 4．聚合物N可用于制备锂离子全固态电解质材料，其合成方法如下： 下列说法正确的是(　　) A.K中所有碳、氧原子在同一平面内 B．K→M，参与反应的K与CO2分子个数比为x∶(x＋y) C．由M合成N的过程中发生了加聚反应 D．聚合物N的重复结构单元中含有2种含氧官能团 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% 6．二缩三乙二醇二丙烯酸酯与丙烯酸丁酯单体借助适当的助剂，在适当条件下发生共聚所形成的高分子作为有机溶剂与锂盐复合在一起，是一种新型的手机电池离子导体材料。现以乙烯为原料合成丙烯酸丁酯的一种流程如下： (1)②的反应类型是________________；C中含氧官能团的名称是______________。 (2)C中___________(填“含有”或“不含有”)手性碳原子。 (3)D的结构简式为______________。 (4)与F含有相同官能团的同分异构体有________种(不考虑立体异构)。 (5)写出反应⑤的化学方程式：________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 温馨提示：请完成课时作业26 微项目3　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 必备知识·自主学习 一、 [即学即练] 1．答案：(1)√　(2)×　(3)√　(4)√　(5)× 2．解析：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，即合成高分子，D项正确。 答案：B 3．答案：B 二、 [即学即练] 1．解析：对比反应①的反应物和生成物，可知反应①是一个碳链增长的反应，A项正确；反应②是醛基被还原为羟基，在一定条件下，醛基与H2发生加成反应可得到羟基，B项正确；反应③是酯化反应，反应条件是浓硫酸和加热，C项正确；反应③有水生成，故该合成工艺的原子利用率小于100%，D项错误。 答案：D 2．解析：VC-PMHS结构中酯基的C===O双键、C—O键均具有较强的极性，能很好地提高其对锂盐的溶解性，A项正确。醚键中的O原子上有孤电子对，而Li＋的2s轨道为空轨道，故Li＋与O原子可形成配位键，从而起到传导Li＋的作用，B项正确。对比步骤①的反应物与生成物的结构可知，该反应可以看作中的2个羟基H原子被取代，除生成目标产物CECA外，还生成2分子的乙醇；对比步骤②的反应物和生成物的结构可知，该反应为加成反应，原子利用率为100%，符合“绿色化学”思想，C项错误，D项正确。 答案：C 3．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为二氧化碳；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。 答案：二氧化碳　　取代反应 随堂检测·强化落实 1．答案：D 2．解析：碳酸亚乙烯酯(VC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)的分子式分别是C3H2O3、C3H6O3、C4H8O3，所以1 mol物质完全燃烧的耗氧量：EMC>DMC>VC，A错误，B正确；DMC与EMC的结构相似，在分子组成上相差1个CH2，二者互为同系物，C正确；EMC的同分异构体中，既能与NaHCO3溶液反应，又能发生缩聚反应，说明含有羧基和羟基，符合条件的有HOCH2CH2CH2COOH、CH3CHOHCH2COOH、，共有5种，D正确。 答案：A 3．解析：反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均为开环加成反应，原子利用率均为100%，A、C正确；二缩三乙二醇中有羟基、醚键两种官能团，B错误；根据与H2O反应可推测，一定条件下能与NH3反应生成，D正确。 答案：B 4．解析：K中所有碳、氧原子均采用sp3杂化，所以K中所有碳、氧原子不可能在同一平面内，故A错误；由题图转化信息可知，K→M，参与反应的K与CO2分子个数 比为x∶(x＋y)，故B正确；由M合成N的过程中发生了加成反应，不是加聚反应，故C错误；聚合物N的重复结构单元中含有的含氧官能团不止2种，故D错误。 答案：B 5．答案：C 6．解析：(1)根据流程图可知，反应②为CH3CHO与HCN发生加成反应生成CH3CH(OH)CN；中含氧官能团为羟基。(2)中与羟基相连的碳原子为手性碳原子。(3)根据C、E的结构及反应③的条件可知，反应③为C发生消去反应生成CH2===CHCN(D)。(4)E与F发生酯化反应生成G，则F为CH3CH2CH2CH2OH，丁基有4种，则与F含有相同官能团的同分异构体有3种。 答案：(1)加成反应　羟基　(2)含有 (3)CH2===CHCN　(4)3 (5)CH2===CHCOOH＋CH3CH2CH2CH2OHCH2===CHCOOCH2CH2CH2CH3＋H2O 学科网（北京）股份有限公司 $$