第三章 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-【创新教程】2025-2026学年高中化学选择性必修3五维课堂同步课件PPT（鲁科版）

该高中化学课件聚焦有机合成在手机电池离子导体材料研发中的应用，通过火箭锂电池替换案例导入，系统衔接锂离子传导原理、高分子结构设计及合成路线分析，搭建从化学视角解决材料问题的学习支架。 其亮点在于以项目活动驱动科学探究，通过共聚反应方程式书写、单体结构推断等任务，培养科学思维与实践能力。融入绿色化学思想和官能团保护方法，结合真实情境案例，助力学生建立“结构决定性质”的化学观念，也为教师提供了情境化、结构化的教学资源。

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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。 项目活动1：设计手机新型电池中离子导体材料的结构 2020年5月31日下午4时53分，我国在酒泉卫星发射中心使用长征二号丁运载火箭，成功将高分九号02星、和德四号卫星送入预定轨道，发射取得圆满成功。此次长二丁火箭遥测系统上采用的一组锂离子蓄电池，替换了原先的一组锌银电池，在满足总体对电池的体积和重量的要求下，同时满足了电性能要求的方案。同时，锂电池在同等能量情况下体积更小、重量更轻，可为其他系统的设计提供更大的余量，在满足火箭小型化、轻型化发展趋势的同时，增强火箭的运载能力。 [活动探究] 某种聚合物锂离子电池放电时的反应为Li1－xCoO2＋LixC6===6C＋LiCoO2，其电池如图所示。 (1)放电过程 ①放电时，两极材料分别是什么？ 提示：根据电池中电子流向可知，该电池的负极材料为LixC6，正极材料为Li1－xCoO2。 ②电池放电前后两极材料在成分上分别发生了什么变化？ 提示：负极材料为镶嵌有锂的石墨(LixC6)反应后变成了石墨；正极材料原来是Li1－xCoO2 后来变成了LiCoO2。 ③放电过程电池中移动的阳离子是什么？向哪个方向移动？ 提示：放电过程中锂离子由负极向正极移动。 (2)充电过程 ①电池充电过程中该电池的两极与外电源的两极如何连接？ 提示：原电池的负极接外电源的负极，原电池的正极接外电源的正极。 ②充电前后电池的两极材料发生了哪些变化？ 提示：负极材料由石墨又变成了镶嵌有锂的石墨(LixC6)电极；正极材料由LiCoO2又生成了Li1－xCoO2。与电池的放电原理正好相反。 (3)从上述可以看出，该电池在选择电解质溶液时有什么要求？ 提示：该电池的电解质溶液首先不能是水溶液，其次，能够溶解并传导锂离子。 (4)结合上述分析，试仅从物质变化角度来分析两极材料在成分上的变化。 提示：该电池的放电与充电过程可以看成锂原子或者锂离子的镶嵌与脱嵌过程。此时，电解质对锂离子的传导作用尤为重要。 [思考讨论] 1．锂离子电池中，电解质的作用是什么？ 提示：在电池中电解质的作用是溶解并传导锂离子。 2．锂离子新型有机溶剂一般是哪类物质？ 提示：是一种结构单元中有酯基、醚键的高分子。 3．传统锂离子电池中，绝大多数使用的是酯类溶剂，原因是什么？ 提示：锂盐在酯类溶剂有较好的溶解性，能够传导锂离子。 4．含有醚键的物质为什么对锂盐起到良好的离子导体的作用？ 提示：醚键通过醚氧原子与锂原子之间不断结合、分离从而实现锂离子传导。 [探究总结] 锂电池有机溶剂的选择 1．常见锂电池的有机溶剂的类别 (1)质子溶剂，如乙醇、乙酸等； (2)极性非质子溶剂，如碳酸酯、醚类等； (3)惰性溶剂，如四氯化碳等。 锂电池常用的溶剂一般是极性非质子溶剂，这些溶剂中常含有C===O、S===O、C===N、C—O等极性基团，能够有效地溶解锂盐并提高电解液的电化学稳定性。 2．有机溶剂选择的原则 (1)有机溶剂对电极应是惰性的，在电池充放电过程中不与正负极发生电化学反应，稳定性好。 (2)有机溶剂应具有较高的介电常数，以使锂盐有足够高的溶解度，保证电解液高的电导率。 (3)溶剂的沸点要高(150 ℃以上)，熔点要低(－40 ℃以下)，即具有较宽的液程，以使锂电池有较宽的温度范围及优良的高低温性能。 (4)与电极材料有较好的相容性，电极在其构成的电解液中能够表现出优良的电化学性能。 (5)电池循环效率、成本、环境因素等方面的考虑等，单一溶剂很少能同时满足以上要求，而多种溶剂按一定比例混合得到的混合溶剂能够满足锂电池工作的需要。 项目活动2：合成离子导体材料中有机溶剂的单体 聚丁二酸乙二醇酯(PES)是一种生物可降解的聚酯，PES与聚丁二酸丁二醇酯(PBS)是同系物，易被自然界的多种微生物或动植物体内的酶分解代谢，最终生成二氧化碳和水。常作为PBS的替代物或填充物，在保持产品性能不变的情况下不仅可以节省成本，还可以改善材料的某些性能，达到预想不到的效果。基于PES的生物可降解性，其在塑料薄膜、食品包装、生物材料等方面有着巨大的发展前景。研究表明：PES具有较好的体外降解性能，其薄膜在磷酸缓冲溶液中酶解12天时，失重明显，降解很快， 在酶解24天后其降解失重达到79.91%。可以与其他生物降解材料混合，调节材料的降解速率，可以在一定的时间内选择性维持材料的生物力学性能。该高分子聚合物的化学式为 [活动探究] (1)聚丁二酸乙二醇酯(PES)有两种单体。 ①这两种单体分别是什么？这两种单体以什么方式聚合成该高聚物分子？ 提示： 对应的单体为HOOCCH2CH2COOH和 HOCH2CH2OH，二者可发生缩聚反应生成聚酯。 ②若有一种新型的合成材料“丁苯吡橡胶”，结构简式为 该高分子的单体是什么？其反应类型是什么？ 提示：先分析高分子链中主链的结构简式，合成材料是由不饱和的单体发生加聚反应而形成的，后再将高分子链节(即重复结构单元)断成三段： —CH2—CH===CH—CH2—、、，可知有3种单体。这三种单体通过加聚反应生成高分子化合物。 ③若高分子化合物A和B的部分结构如下： A的单体是什么？反应类型是什么？ B的单体是什么？反应类型是什么？ 提示：由高分子化合物A的结构片段可看出其重复的结构单元为，则A的结构简式为，它是由加聚反应所得的高聚物，其单体是CH2===CH—COOH。 由高分子化合物B的结构片段，可看出其重复的结构单元为， 则B的结构简式为，它是由缩聚反应所得的高聚物，其单体是。 ④对比以上问题，分析如何判断高分子化合物属于加聚反应产物还是缩聚反应的产物？ 提示：若高分子化合物的中括号的主链上无特殊官能团，只有碳原子则是加聚反应产物；若主链上含有特殊官能团则为缩聚反应的产物。 (2)若这两种单体相互之间也可能形成一种八元环状酯，该环状化合物的结构简式是什么？ 提示：该两种单体可以发生酯化反应生成环酯，其结构为 [思考讨论] 1．合成有机化合物，如何构建碳骨架？ 提示：构建碳骨架要考虑碳链的增长与缩短以及开环与成环。 2．制备二缩三乙二醇时，为什么不直接用乙二醇脱水缩合？ 提示：若用乙二醇脱水缩合制备二缩三乙二醇，无法控制反应的聚合度，因此在制备二缩三乙二醇时利用的是环氧乙烷与水反应开环的方式，以控制乙二醇的聚合程度。 3．如何确定有机合成的目标和任务？ 提示：包括目标化合物分子碳骨架的构建和官能团的转化。其合成过程示意图如图所示。 4．绿色化学在有机合成中体现在哪些方面？ 提示：原子经济性；原材料无毒害；产品无污染；最大限度节约能源。 [探究总结] 1．有机物的合成路线 (1)烃、卤代烃、烃的含氧衍生物之间的转化关系： eq \a\vs4\al(　烃,R—H) eq \o(――→,\s\up17(卤代),\s\do15(　)) eq \a\vs4\al(卤代烃,R—X)eq \o(,\s\up17(水解),\s\do15(取代))eq \a\vs4\al(　醇类,R—OH)eq \o(,\s\up17(氧化),\s\do15(加氢))eq \a\vs4\al(　醛类,R—CHO) eq \o(――→,\s\up17(氧化),\s\do15(　)) eq \a\vs4\al(羧酸,R—COOH)eq \o(,\s\up17(酯化),\s\do15(水解))eq \a\vs4\al(　酯类,RCOOR′) (2)一元合成路线： R—CH===CH2eq \o(――→,\s\up17(HX))卤代烃eq \o(――→,\s\up17(NaOH),\s\do15(水溶液△))一元醇eq \o(――→,\s\up17(氧化),\s\do15(　))一元醛eq \o(――→,\s\up17(氧化),\s\do15(　))一元羧酸―→酯 (3)二元合成路线： CH2===CH2eq \o(――→,\s\up17(X2))CH2X—CH2Xeq \o(――→,\s\up17(NaOH水溶液),\s\do15(△))二元醇eq \o(――→,\s\up17(氧化))二元醛eq \o(――→,\s\up17(氧化))二元羧酸―→链酯、环酯、聚酯 (4)芳香化合物合成路线： 2．有机合成中官能团的引入 (1)引入碳碳双键的方法： ①卤代烃的消去，②醇的消去，③炔烃的不完全加成。 (2)引入卤素原子的方法： ①醇(酚)的取代，②烯烃(炔烃)的加成， ③烷烃(苯及苯的同系物)的取代。 (3)引入羟基的方法： ①烯烃与水的加成，②卤代烃的水解，③酯的水解，④醛的还原。 3．有机合成中官能团的保护 (1)有机合成中酚羟基的保护： 由于酚羟基极易被氧化，在有机合成中，如果遇到需要用氧化剂进行氧化时，经常先将酚羟基通过酯化反应转化为酯，保护起来，待氧化过程完成后，再通过水解反应，将酚羟基恢复。 (2)有机合成中醛基的保护： 醛与醇反应生成缩醛： 生成的缩醛比较稳定，与稀碱和氧化剂均难反应，但在稀酸中微热，缩醛会水解为原来的醛。 [项目素养应用] 1．(2022·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CO2 B．可用分液漏斗分离甲基丙烯酸甲酯和甲醇 C．均可发生加成反应、氧化反应、取代反应 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 解析：C　[根据原子个数守恒可知，若反应①的原子利用率为100%，则物质X为CO，A项错误；根据“相似相溶”原理，甲基丙烯酸甲酯作为有机化合物与甲醇互溶不分层，故不能用分液漏斗分离甲基丙烯酸甲酯和甲醇，B项错误；均含碳碳双键，故均可发生加成反应、氧化反应，含有甲基， 能发生取代反应，含有甲基、酯基，能发生取代反应，C项正确；甲基丙烯酸甲酯与H2反应生成，能与NaHCO3溶液反应说明含有—COOH，故分子式为C4H9—COOH，因丁基存在4种结构，故能与NaHCO3溶液反应的Y的同分异构体有4种，D项错误。] 2．(2022·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 解析：B　[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－xMO2 B．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 解析：B　[锂离子电池放电时是原电池，由所给电池正、负极反应式相加可得电池的总反应式为C6Li＋Li1－xMO2===LiMO2＋C6Li1－x，A错误；锂离子电池充电时是电解池，电池内部Li＋向负极所连的电极移动，B正确；在锂离子电池放电时，电池内部的阴离子向负极移动，C错误；锂电池充电时阴极发生还原反应，生成锂的单质，与原电池的负极反应相反，阴极反应的电极反应式为C6Li1－x＋xLi＋＋xe－===C6Li，阳极发生氧化反应，应该是失电子，D错误。] 4．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＋ 解析：B　[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。] 5．常用感光高分子聚肉桂酸乙烯酯，它感光后形成二聚交联高分子，它的结构简式如图。据此请回答下列问题： (1)聚肉桂酸乙烯酯可水解为两种分子，一种不含苯环的名称为　________　。另一种含苯环的名称为肉桂酸，其结构简式为　________________________________　。 (2)乙炔与肉桂酸在催化剂的作用下发生某种反应可获得聚肉桂酸乙烯酯的单体，写出该反应的化学方程式：　________________________________________________　。 解析：聚肉桂酸乙烯酯水解时 $