2023届高考化学二轮复习石墨烯的结构与应用 课件28张

(共28张PPT)
探析石墨烯的结构、性质与应用
基于真实情境的高三课堂
对题复习：物质结构与性质大题复习
2008年北京奥运会的“水立方”，在2022年冬奥会上华丽转身为“冰立方”，实现了奥运场馆的再利用，其美丽的透光气囊材料由乙烯(CH2=CH2)与四氟乙烯(CF2=CF2)的共聚物(ETFE)制成。回答下列问题：
(1)基态F原子的价电子排布图(轨道表示式)为______。
(2)图a、b、c分别表示C、N、O和F的逐级电离能Ⅰ变化趋势(纵坐标的标度不同)。第一电离能的变化图是___(填标号)，判断的根据是___；第三电离能的变化图是____(填标号)。
(3)固态氟化氢中存在(HF)n形式，画出(HF)3的链状结构_______。
(4) CF2=CF2和ETFE分子中C的杂化轨道类型分别为____和____；聚四氟乙烯的化学稳定性高于聚乙烯，从化学键的角度解释原因__ 。
(5)萤石(CaF2)是自然界中常见的含氟矿物，其晶胞结构如图所示，X代表的离子是____；若该立方晶胞参数为a pm，正负离子的核间距最小为___pm。
2022年全国甲卷：物质结构与性质大题；2023年选考主要参考对象，比此题要难
考查：电负性、电离能（半充满稳定，失电子需要更大能量；F第三电离能形成半充满）、电负性及比较
考查原子核外电子排布
考查氢键的结构表达；σ键，键角？杂化？
考查共价键类型与杂化；键参数比较，键能大小比较
考查晶胞无隙并置分析分析以及晶胞计算（8个小立方体中心是F离子）；
卤素单质及其化合物在科研和工农业生产中有着广泛的应用。回答问题：
（1）氟原子激发态的电子排布式有__，其中能量较高的是___。（填标号）
A． B． C． D．
（2）①一氯乙烯C2H3Cl 分子中，C的一个____杂化轨道与Cl的3px轨道形成_____键，并且Cl的3pz轨道与C的3pz轨道形成3中心4电子的大Π键。
②一氯乙烷、一氯乙烯、一氯乙炔分子中，C-Cl键长的顺序是____，理由：（ⅰ）C的杂化轨道中s成分越多，形成的键越强；（ⅱ）______。
（3）卤化物CsICl2受热发生非氧化还原反应，生成无色晶体X和红棕色液体Y。X为___。解释X的熔点比Y高的原因_____。
（4）α-AgI晶体中I-作体心立方堆积（如图），Ag+主要分布在由I-构成的四面体、八面体等空隙中。在电场作用下，Ag+不需要克服太大的阻力即可发生迁移。因此，α-AgI晶体在电池中可作为________。已知阿伏加德罗常数为NA，则α-AgI晶体的摩尔体积Vm= m3·mol-1 （列出算式）。
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2022年全国乙卷：物质结构与性质大题；2023年选考主要参考对象，难度相当
考查原子核外电子排布(增加概念激发态）
考查共价键类型（σ键Π键）、与杂化；键参数比较，键长大小比较；晶体类型及晶体结构与性质；学科内综合
学科内综合，结构决定性质；考查晶胞无隙并置分析以及晶胞计算（体心立方2个I-）；
全国乙卷答案.（1） ①. ad ②. d
（2） ①. sp2 ②. σ ③. 一氯乙烷>一氯乙烯>一氯乙炔 ④. Cl参与形成的大π键越多，形成的C-Cl键的键长越短
（3） ①. CsCl ②. CsCl为离子晶体，ICl为分子晶体
（4） ①. 电解质 ②.
全国甲卷答案.(1)
(2) 图a 同一周期第一电离能的总体趋势是依次升高的，但由于N元素的2p能级为半充满状态，因此N元素的第一电离能较C、O两种元素高 图b
(3)
(4) sp2 sp3 C-F键的键能大于聚乙烯中C-H的键能，键能越大，化学性质越稳定
(5) Ca2+
a pm
画出键角
试卷 核心知识
2022全国甲 原子结构（电子排布）、氢键、考查共价键类型（σ键Π键）与杂化、键的参数比较（键能大小）、晶体无隙并置分析、晶胞计算
2022全国乙 原子结构（电子排布+激发态）、考查共价键类型（σ键Π键）与杂化、键参数比较，键长长短比较；晶体类型及晶体结构与性质、晶体无隙并置分析、晶胞计算
2021全国甲 原子结构（电子排布）、共价键（杂化类型）、共价键（类型）、晶体和聚集状态（晶体种类）、晶体和聚集状态（计算）
2021全国乙 原子结构（电子排布、运动状态）、配位键、共价键（杂化类型）、分子间作用力与氢键、分子空间构型、晶体和聚集状态（计算）
2020全国1 原子结构（电子排布）、元素周期律表（电离能）、分子空间构型、共价键（杂化类型）、晶体和聚集状态（计算）
2020全国2 原子结构（电子排布）、晶体和聚集状态（晶体种类）、元素周期律表（电负性）、离子键、配位键、晶体和聚集状态（晶体特征&晶胞规则）、晶体和聚集状态（计算）、共价键（杂化类型）
2019全国1 原子结构（电子排布、电离能）、共价键（杂化类型）、配位键、晶体和聚集状态（晶体类型）、晶体和聚集状态（计算）
2019全国2 原子结构（电子排布）、分子空间构型、分子间作用力与氢键、元素周期律表（半径）、晶体和聚集状态（计算）
高频考查点：
原子结构（电子排布）；元素周期律表（电离能、电负性、半径）；共价键（杂化与类型）；分子空间构型 ；分子间作用力与氢键；晶体和聚集状态（晶体类型）；
晶体和聚集状态（计算）
提醒：分子空间结构VESPR模型；配合物结构与配位数；氢键考查；有机分子结构与性质影响（诱导效应；Π键影响）
比较标准：以H为标准
常见的吸电子基团（吸电子诱导效应用-I表示）
NO2 > CN > F > Cl > Br > I > C C > OCH3 > OH > C6H5 > C=C > H
常见的给电子基团（给电子诱导效应用+I表示）
(CH3)3C > (CH3)2C > CH3CH2 > CH3 > H
不同基团诱导机理不同，能力不同；可考查思维的严密性，灵活性，以及逻辑推理能力
分子间氢键：
分子内氢键：
固体(HF)n中的氢键
NaHCO3固体中的氢键
邻硝基苯酚
邻羟基苯甲醛
解释物质的性质：碳酸氢钠溶解度小；邻硝基苯酚酸性弱，熔点低；邻羟基苯甲醛类似
冰的结构示意图：正四面体向空间延伸
DNA的双螺旋结构
硼酸的层状结构
胆矾的结构示意图
解释物质的性质：胆矾容易失去一个结晶水，因为其中一个水分子是通过氢键结合
《探析石墨烯的结构、性质与应用》课堂设计
聚焦：形成“构成微粒--微粒间作用力--微粒空间排布--性质影响--用途解释--改进结构--新用途”认识观念，形成“微粒结构表达，微粒间作用力的类型、参数、比较、分析，微粒空间的表达、参数、比较、分析，对性质的影响及微观探析的精准表达，新结构演绎新用途的认识角度、认识思路”结构化认识。
变革“物质结构与性质”复习课：当下课堂大多关注单个知识点解释，重难点知识内化、转化教学策略（知识的精加工），习题讲练，鲜有从认识角度建构课堂内容，形成结构化的认识思路
特色：学生综合应用所学知识，调用结构化知识、学科思维方式、学科价值观念解决陌生、复杂的真实问题，形成能够进行迁移应用解决一类问题的思路和模型
《物质结构与性质》的结构化认识思路与角度
复习课教学的价值在于整合知识，形成解决问题的认识思路。
2017版课标将“物质结构与性质”模块设定的3个主题分别是：“原子结构与元素性质、微粒间的相互作用与物质性质、研究物质结构的方法与价值”。外显的是“结构（如何）决定性质，性质（如何）决定用途的观念性认识，突出了构成微粒、微粒间相互作用和微粒空间排布的认识视角。因此，基于这个学科认识思路的开展真实情境教学，将有助于巩固学生的学科认知与推理方式，形成可迁移的陌生物质结构研究的能力和品格。
本节课结构化知识（物质结构一级与次级知识；性质的一级与次级知识）、学科思维方式（结构决定性质，开发功能与用途）、学科价值观念（为健康、为生活、为能源、为环境提供更有价值的化学物质）分析
结构
微粒间作用
微粒间空间排布
构成微粒
原子核外电子运动、核外电子排布规律
离子键、共价键、配位键、金属键、氢键、范德华力
分子结构（键长、键角）、（分子、离子、共价、金属）晶体结构
次级角度
一级角度
用途（功能化应用及改性
电离能 电负性
次级角度
一级角度
性质
元素性质
物质性质
熔沸点、导电性、水溶性、相似相溶、诱导效应
本节课教学目标设定
以石墨烯材料的结构、性质、用途为真实情境，设计指向物质结构、分析优良性能，突出认识角度在解决当下前沿问题的真实问题，安排合适的学生活动，帮助学生建构结构与性质方面的关联知识结构化体系，进一步形成物质结构研究的观念性认识并能够迁移认识角度去分析陌生问题。比如，基于化学键的视觉理解其超强的导电性和高熔沸点，通过改变空间结构控制器导电性等
1.基于微粒和微粒间作用视角分析石墨烯碳原子的成键特点，认识其空间结构并建立宏观球棍模型建构分析物质结构的一般思路，发展宏观辨识与微观探析的学科核心素养。
2.基于石墨烯的结构特点，解释和预侧其典型性质，理解结构与性质的关联，发展证据推理与模型认知的学科核心素养。
3.基于石墨烯的结构和性质，探究其功能化应用及改性，进一步认识（改变）物质结构对物质性质和用途的影响。
《探析石墨烯的结构、性质与应用》教学流程设计
学习任务
学习活动
设计意图：指向命题视角
任务3：石墨功能化应用及改性
活动1：石墨烯共价键功能化应用
活动2：石墨烯共价键改造开发新功能
基于石墨烯的用途开发实现认识角度的远迁移
任务1：三个角度认识石墨烯结构
活动2：基于微粒间作用认识石墨烯
活动1：基于构成微粒认识石墨烯
活动3：基于微粒空间排布认识石墨烯
初步建构“微粒-微粒间作用-微粒空间排布”的物质结构化分析视角
任务2：石墨烯性质解释和预测
活动1：基于结构视角解释石墨烯的导电性
活动2:基于结构视角预测石墨烯熔点
基于石墨烯的性质分析实现认识角度近迁移
石墨烯的发现
2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆（Andre Geim）和克斯特亚·诺沃消洛夫（Konstantin Novoselov）发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。
正是这种简单方法制备出来的简单物质——石墨烯推翻了科学界一个长久以来的错误认识——任何二维晶体不能在有限的温度下稳定存在。
任务一：认识石墨烯
问题1：阅读题干信息，结合已学过的石墨结构，说一说石墨烯是几个碳原子构成的环是最小的？
认识石墨烯
石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，厚度只有0.335纳米,仅为头发的20万分之一，是构建其它维数碳质材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元，具有极好的结晶性、力学性能和电学质量。
问题2：根据题干信息，你认为石墨烯是属于高分子化合物吗？单个石墨烯分子内，每个碳原子间作用力是什么？如果用分子式表达石墨烯，你认为分子式如何表达？石墨烯与哪些物质属于同素异形体
石墨烯的应用
柔性显示屏
超级电容
发光的二极管的电极材料
锂离子电池的正极材料
问题3：以上关于石墨烯的用途，都跟石墨烯的哪种性质有关？
15秒可以充满电池
任务二：石墨烯的结构分析一，构成微粒的结构问题4：请写出构成石墨烯的碳原子基态电子轨道表示式？价电子核外电子排布式？写出一种碳原子激发态的电子排布式？基态时，未成对电子书？问题5：根据碳原子的结构特点，说一说为什么碳原子不宜形成离子键？写出一种与碳形成离子键的化合物，并用电子式表达？碳碳之间最多可以形成多少个共价键，碳原子能采用哪些杂化方式形成共价键，举出碳原子不同轨道杂化的代表物质的结构式？师过渡：物质的性能是由物质的结构决定的。结构分为构成微粒的微观结构以及微粒通过微粒间作用力形成晶体后宏观结构决定的。任务二：石墨烯的结构分析二，微粒间的作用力问题6：石墨烯中碳原子轨道杂化方式？石墨烯中共价键的键角多少度？石墨烯中碳原子的共价键类型？问题7：请你从多个角度否定石墨烯不是平面正方形向二维延伸？（教师提示：导电性？SP3、sp2杂化都不会是正方形？）活动1：请你试着画出石墨烯的微观结构图（表达出大Π键）。并用课桌上所给的球棍组装球棍模型。石墨烯为平面结构，每一个碳原子与周围三个碳原子形成平面三角形（夹角120），由于碳原子一共有4个价电子，因此还剩余一个电子在未杂化的2p轨道里，每一个未杂化的2p轨道互相平行重叠可形成大任务二：石墨烯的结构分析三，微粒间空间排布问题8：要从空间视角研究石墨烯，首先要找出石墨烯的晶胞。请你说出找晶胞的方法（无隙并置）？并在图中画出石墨烯晶胞（如图所示：2种）？晶胞形状是什么？形状夹角多少度（60°、120°）？请说一说你是如何找到晶胞（确定晶体中的某一（通常是某微粒或图形的中心点），沿着水平X轴间距相等的点排成一行直线点阵；同样沿着与X轴某一种夹角（按照晶体中二维图形夹角）的直线点阵排列而形成Y轴平面点阵，如此形成了二维的晶体的晶胞；若是三维晶体，则按照画Y轴的方法画出Z轴点阵）？平常我们学到的三维晶体的晶胞都是什么形状的呢（平行六面体）？一定是正四面体型吗？问题9：石墨烯的一个晶胞中碳原子数目如何？石墨烯是已知高强度材料中最轻的材料，根据图给的信息（碳碳键长0.142纳米）你能计算其密度吗？平行四边形的一个顶点一个碳是4个晶胞共用，所以石墨烯晶胞碳原子数为2个。密度7.61×10-8g/cm2小结：从微粒结构、微粒间作用力、微粒空间排布三个视觉进行分析，发展宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知
物质结构分析视角
构成微粒结构
微粒间作用力
微粒间空间排布
杂化轨道理论
基于微粒间作用类型判断晶体类型；
晶胞判断；晶胞包含微粒数，晶胞中微粒间距离，晶胞密度等
基于电子排斥作用判断分子构型
VSEPR 模型
基于微粒种类判断微粒间作用类型
基于原子或分子或离子结构判断成键方式、类型、轨道杂化
价层电子对互斥理论
共价键---共价晶体
金属键---金属晶体
离子键---离子晶体
分子间作用力---分子晶体
原子间---共价键
金属离子、自由电子间---金属键
离子键---离子键
分子间---分子间作用力（含氢键）
问题10：请你结合前面的9个问题，提出今后遇到新材料或新晶体，你认为从哪些认识结构角度认识这种物质？从构成微粒结构角度讲，又有哪些认识角度呢？微粒间作用的认识有哪些？微粒间排布角度有哪些？
问题11：石墨烯作为非金属单质具有超强的导电性，其导电能力是硅的100倍，电阻率比铝、铜和银低很多。请从石墨烯结构角度予以解释？
任务三：石墨烯的结构解释和预测其性质
（石墨烯采用sp2杂化形成平面结构，未杂化的2p轨道含有单电子，且互相平行，形成大Π键，电子具有良好的流动性。相比铝、铜、银等导电性极好的金属材料，石墨烯的电子流动比金属晶体中“电子气”少了金属阳离子的吸引与热碰撞）
问题12：石墨烯和富勒烯，同为碳的同素异形体，试比较两者的熔点高低？据此，请你给出不同物质的熔沸点比较的认识思路？按照这个思路，请你比较石墨烯与金刚石熔点高低（石墨烯熔点更高，学生好奇）？
（先比较晶体类型，同一种类型晶体，从结构加以比较。共价晶体，比较键长短，键能大，熔点高；离子晶体键长短，离子带电荷高，熔点高；分子晶体，存在氢键则反常，结构相似可以根据分子量大熔点高）
任务四：基于结构与性质开发石墨烯功能与应用
问题12：我国科学家利用氧化石墨烯GO（见图9)作为温敏传感器研制出了火灾自动报警耐火墙纸。火情发生时，室温下是绝缘体的 GO 就会转变为导体触发警报。请从结构视角分析 GO 中 C 原子的杂化方式，并解释为什么在室温下 GO 是绝缘体，火情发生时却又能导电？
［过渡］完美的石墨烯晶体是碳原子构成的六元环组合而成的二维平面结构，性质过于稳定，限制了其功能化应用。科学家利用物理和化学方法改变石墨烯的表面结构，从而实现了其在众多领域的应用。
（从结构视角看，引人含氧基团后，存在 sp2 和 sp3杂化的两种 C 原子， sp3杂化的 C 原子破坏了平面结构，从而不满足形成大Π键的条件，故不再能导电。而火焰产生的高温可以破坏GO中的含氧基团，使得C原子又恢复了sp2杂化形式，重新形成了大Π键，恢复了导电能力
任务四：基于结构与性质开发石墨烯功能与应用
DXR 分子之间离子键和氢键； DXR 和G0结构中都存在含氧（含氢）基团，具备形成分子间氢键的条件，故 DXR 能够负载在GO上有氢键的作用，因为氨基与羧基存在，也会有离子作用。且在不同PH环境中，氢键作用力会发生变化，离子键也会发生变化，导致在不同的PH环境中实现可控释放
问题13：将抗肿瘤药物盐酸阿霉素（ DXR )（见图10）与 GO 进行处理，可实现GO对 DXR 的有效负载和在不同PH环境中的可控释放，使其在生物医药方面有重要应用。请分析 DXR 药物分子之间存在的作用力有哪些？试从结构的角度分析 DXR 能够负载在G0上的本质原因？
设计意图：从石墨烯结构分析到石墨烯功能化应用，进一步体会结构与性质的关系，认识改变物质结构对物质性质的重要影响。在陌生的学术情境中面对复杂的物质结构，评价学生能否基于结构视角分析和解决实际问题。
任务四：课堂检测问题15：超分子化学是基于分子间的非共价键相互作用而形成的分子聚集体的化学。在与材料科学、生命科学、信息科学、纳米科学与技术等其它学科的交叉融合中，超分子化学已发展成了超分子科学，被认为是21世纪新概念和高技术的重要源头之一。如图所示，尿素在有正烷烃分子存在时，会形成尿素和烷烃包合物，尿素[ (NH)2CO]可以与正烷烃(CxHy，m≥8) 形成超分子包合物。尿素分子作为接受体形成如图所示的具有六边形通道的晶体结构；正烷烃分子作为底物嵌在六边形的通道中，形成如图所示。请你说一说尿素分子间依靠何种作用力形成蜂窝状六边形通道结构？尿素分子与正烷烃分子通过何种作用力能形成稳定的晶体结构？试猜想其用途？（可以用于分离）”问题14：纯净的尿素结晶析出的晶体，其晶胞如图所示。请说出该晶胞的类型？尿素分子氮原子、氧原子的轨道杂化方式？尿素分子的空间构型？若该六面体的边长非别为a pm、b pm、c pm，用NA代表阿伏伽德罗常数，则尿素晶体的密度？课后反思
1.基于真实情境复习有利于从整体视角建构学科认知角度
本项目以石墨烯的结构和性质分析为线索，建构从结构角度认识物质性质和改变结构进而改进物质性质的思维模型，体验科学研究的一般过程。整个学习过程是从物质结构分析过渡到物质性质和功能探究，精心设计探究型、分析型、评价型等高阶学习任务，在推进过程中，将学科核心知识、学科方法和学科观念进行结构化整合，促进学生从整体视角建构学科认知角度。
2.基于基于真实情境复习有利于认识角度的建构与迁移
倡导学生在真实情境中综合利用所学知识解决陌生复杂的问题。在真实情境中学生能切身感受认识角度的功能价值。如基于“石墨烯的结构分析”任务帮助学生建构物质结构分析视角，并基于结构视角解决“石墨烯性质解释和预测”“石墨烯功能化应用和改性”两个应用性问题，充分体现认识角度的功能性。教学实明，多数学生在面对GO和DXR等陌生结构的远迁移问题时，能够主动从结构视角进行较为准确的解释与说明
课后反思3.更好认识选考命题者的命题思路与角度选考命题追求新情境下，学生应用已有认识角度与认识思路，结合已掌握的学科知识解决问题的过程。对学生来讲，解决新情境下问题，认识思路与角度远比迁移已掌握的知识重要，也就是我们常说的“方向比努力重要”。因此，学科解决问题的认识方式是学科能力、学科核心素养的实质内涵，也是命题者最想考查的要素。课堂当堂检测提供的问题（1）尿素中N原子的杂化方式和空间构型的判断；(2）尿素分子间依靠何种作用力形成蜂窝状六边形通道结构；(3）尿素分子与正烷烃为什么能形成稳定的晶体结构，试猜想其用途（可以用于分离）”等三个递进性问题测查生的学习效果。包合物与络合物完全不同。包合物是由一个主体和一个客体的两种物质所组成的。主体有一较大空腔的晶格，足以容纳客体（相当于分子筛）。由于主体分子和客体分子彼此靠近，使得在正常情况下不能将分子结合起来的微弱的范德瓦尔斯力，在包合物中起着重要的作用。形成包合物的物质，主体对客体的直径大小有明显的选择性。尿素包合物，其主体分子是尿素，客体是六个碳原子以上的直链饱和烷烃或其衍生物。直径为500pm，把客体装进管道里后，结构变得紧密，能量减小，化合物变得较稳定Thanks for Your Attention!1.走得慢些——化学味多些，习题味少些；2.注重本质——学科观念浓些，技巧归类淡些；才识不逮而忠实有余所有话语仅供参考！