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 学案（含答案） 2023-2024学年高二化学鲁科版（2019）选择性必修3

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 【学习目标】 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。 【合作探究】 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 【活动探究】 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 　　【答案】在设计离子导体中有机溶剂的结构时,应使溶剂同时具备溶解和传导锂离子两种能力。此外,还应考虑安全问题,有机溶剂应该具有稳定的性能且为固态。 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。 　　【答案】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的传导有利。例如 HO—CH2—CH2—O—CH2—CH2—O—CH2—CH2—OH 二缩三乙二醇 丙烯酸丁酯 二缩三乙二醇二丙烯酸酯 【归纳总结】 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CO、SO、CN、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,在电流充放电过程中不与正负极发生电化学反应,稳定性好。 (2)应同时具备溶解并传导锂离子两种性能。 (3)有机溶剂应该性能稳定且为固态。 【迁移应用】 1.一种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,其电池总反应为MnO2+Zn+(1+)H2O+ZnSO4MnOOH+ZnSO4·3Zn(OH)2·xH2O,其电池结构如图1所示,图2是有机高聚物的结构片段。下列说法不正确的是(　　)。 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.放电时,电极的正极反应为MnO2+e-+H2OMnOOH+OH- 　　【答案】B 【解析】有机高聚物中含有的化学键有极性键和非极性键,氢键属于分子间作用力,不属于化学键,故B项错误。 2.尿素()分子中氮原子连接的氢原子可以像苯酚分子中苯环上的氢原子那样与甲醛发生反应,生成交联脲醛树脂,其结构片段如下图所示(图中表示链延长)。 下列说法不正确的是(　　)。 A.尿素可以与甲醛发生加成反应生成 B.脲醛树脂的合成反应为缩聚反应 C.交联脲醛树脂在一定条件下可以发生水解反应,重新生成尿素和甲醛 D.甲醛可以与交联成网状结构的脲醛树脂 　　【答案】C 【解析】尿素分子中N原子连接的H原子可以与甲醛发生加成反应,该反应与苯酚和甲醛的反应相似,则尿素与甲醛发生加成反应的产物为,A项正确;尿素和甲醛发生缩聚反应生成脲醛树脂和水,B项正确;交联脲醛树脂存在,故可以发生水解反应,但水解产物不是尿素和甲醛,C项错误;甲醛可以和发生加成反应生成网状结构的脲醛树脂,D项正确。 项目活动2　合成离子导体材料中有机溶剂的单体 【活动探究】 1.以乙烯和丙烯为基础原料(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。 　　【答案】 CH2CH2 2.如何评价不同合成路线的优劣,梳理分析评价的角度。 　　【答案】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 ... ...