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
课标定向 心中有丘壑
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。(宏观辨识与微观探析)
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。(科学态度与社会责任)
一、锂离子电池的工作原理
1.电极材料
负极材料 石墨
正极材料 过渡金属氧化物
离子导体 锂盐的液态有机溶剂
2.原理
(1)放电
外电路 电子从负极移动到正极
内电路 锂离子通过有机溶剂的传导从负极移动到正极
(2)充电
外电路 电子从阳极移动到电源正极;从电源负极移动到阴极
内电路 锂离子通过有机溶剂的传导从阳极移动到阴极
[思考]
锂-空气电池是一种新型的二次电池,由于具有较高的比能量而成为未来电动汽车的希望。其放电时的工作原理如图所示。
该电池工作时两极材料分别是什么 锂离子向哪个电极移动 电池充电时过氧化锂电极上发生的电极反应是什么
提示:该电池中金属锂为负极,过氧化锂为正极,电池放电时锂离子向过氧化锂电极移动;充电时,过氧化锂电极上所发生的电极反应为Li2O2-2e-===2Li++O2↑。
二、手机新型电池中离子导体材料
1.离子导体中有机溶剂的结构特点
(1)作为溶剂应具备溶解并传导锂离子的性能。
(2)酯基的存在能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具有很好的效果。
(3)有机溶剂应该性能稳定且为固态,具有交联结构的高分子满足这一要求。
2.离子导体材料
我国科学家提出以二缩三乙二醇二丙烯酸酯与丙烯酸丁酯的共聚物做有机溶剂基体,通过与锂盐复合形成聚合物离子导体材料。
3.合成离子导体材料中有机溶剂的单体
(1)合成反应中一些反应原理
R—C≡N+H2ORCOOH(R为H或烃基)
CH2=CH—CH3CH2=CH—CHO
+R—OHRO—CH2—CH2—OH(R为H或烃基)
CH3—CH=CH2+CO+H2CH3—CH2—CH2—(或)
R—CHO+CH3—CHOR—CHCH—CHO(R为H
或烃基)
(2)合成二缩三乙二醇的方法
+H2O
【质疑辨析】
(1)锂离子电池负极上发生反应的物质一般是锂原子。 (√)
提示:锂电池负极一般为含有锂单质的物质。
(2)锂离子电池中,电解质的状态一般为液态。(×)
提示:在电池中电解质为固态,其作用是溶解并传导锂离子。
(3)传统锂离子电池中,绝大多数使用的是酯类溶剂。 (√)
提示:锂盐在酯类溶剂中有较好的溶解性,能够传导锂离子。
(4)含有醚键的物质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。
(5)制备二缩三乙二醇时,可以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。
探究任务一:设计手机新型电池中离子导体材料的结构
【导学探究】
材料1:长征二号运载火箭遥测系统上有一组锂离子蓄电池,在满足总体对电池的体积和重量的要求下,同时满足了对电性能的要求。
材料2:某锂离子电池的工作原理如图所示。
材料3:传统锂离子电池中一般使用LiClO4、LiPF6、LiBF4等锂盐作为电解质,酯类对其有较好的溶解性。
材料4:醚键的化学和电化学性质稳定,它能通过醚氧原子与锂离子之间不断地结合、分离而实现离子传导。例如,分子中含有—CH2CH2O—、—CH2CH2OCH2CH2O— 、—CH2CH2OCH2CH2OCH2CH2O— 等醚键结构单元的有机化合物,对锂盐均能起到良好的离子导体的作用。
探究点一:认识传统锂离子电池的离子导体的优缺点
(1)传统锂离子电池中离子导体有什么优点
提示:由于金属锂的性质特点,导致离子电池具有工作电压高、体积小、质量轻、能量高、无污染、循环寿命长等优点。
(2)传统锂离子电池有哪些安全隐患
提示:传统锂离子电池中所用的离子导体多为液态,易发生泄漏、爆炸等危险,安全性低。
(3)为使锂离子电池正常工作,同时避免有机溶剂为液态时带来的安全隐患,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
提示:溶解并传导锂离子,性能稳定且为固态。
探究点二:认识新型有机型溶剂
(1)结合材料3、4中提供的信息,讨论满足上述性能要求的有机溶剂的结构特点。
提示:新型的有机溶剂应该是一种结构单元中有酯基、醚键的高分子。
(2)总结在生产生活中实际开发材料的思路。
提示:首先要依据产品需求充分分析材料性能,进而依据材料性能需求,建立性能与性质之间的关联,依据性质寻找关键结构单元,最终完成分子的结构设计。
【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。
【针对训练】
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
【解析】选D。该电池用LiCoO2作正极,负极材料是镶嵌有锂原子的石墨电极,电解质溶液一般是能溶解Li+的有机溶剂。放电时的反应为
Li1-xCoO2+xLi===LiCoO2,则正极反应为Li1-xCoO2+xe-+xLi+===LiCoO2,负极反应为xLi-xe-===xLi+,Li+主要从负极区通过隔膜移向正极区;充电时负极(C)接的是外接电源的负极,此时C为阴极,电极反应应该是xLi++xe-===xLi,锂元素被还原,D错误。
[拓展思考]
(1)该电池充电时,锂离子向哪个电极移动
提示:该电池充电时锂离子向阴极移动即C电极。
(2)若正极电解质溶液为水溶液,将该电池的隔膜去掉,该电池能否正常工作
提示:不能,负极上有金属锂,若去掉隔膜,水与金属锂反应,电池无法正常工作。
2.某汽车采用Ni-MH电池作为车载电源,Ni-MH电池的充放电原理如图所示,下列说法正确的是( )
A.放电时负极反应式为M+H2O+e-===MH+OH-
B.充电时阳极反应式为Ni(OH)2+OH--e-===NiOOH+H2O
C.放电时正极附近溶液的酸性增强
D.充电时阴极上M转化为M+
【解析】选B。放电时负极反应式为MH+OH--e-===M+H2O,A错;充电时阳极反应式为Ni(OH)2+OH--e-===NiOOH+H2O,B对;放电时正极反应式为NiOOH+H2O+e-===Ni(OH)2+OH-,正极附近溶液的酸性减弱,C错;充电时阴极反应式为M+H2O+e-===MH+OH-,D错。
【补偿训练】据《X-MOL》报道:Robert Pipes等设计的添加PDS()的Li-CO2电池,正极物质转化原理如图所示。下列说法错误的是 ( )
A.PDS起增强导电性作用
B.负极反应式为Li-e-===Li+
C.电池总反应为4Li+3CO2===2Li2CO3+C
D.正极上发生的反应之一为+2CO2+2e-===2
【解析】选A。PDS是非电解质,不能导电,起收集二氧化碳的作用,故A错误;原电池中Li为负极,Li失电子发生氧化反应生成锂离子,电极反应式为2Li-2e-===2Li+,故B正确;负极电极反应式为2Li-2e-===2Li+,正极电极反应式为3CO2+4e-===C+2C,总反应为4Li+3CO2===2Li2CO3+C,故C正确;由图像知道第一步反应:+2CO2+2e-===2,故D正确。
探究任务二:合成离子导体材料中有机溶剂的中间体
【导学探究】
利用已有的有机合成知识所提供的反应信息,以乙烯为基础原料(其他无机试剂任选),设计二缩三乙二醇二丙烯酸酯和丙烯酸丁酯的合成路线,阐述设计思路。
合成以上有机物的中间体有HO—CH2—CH2—OH、、
CH3CH2CH2CH2OH。
探究点:以乙烯为基础原料合成二缩三乙二醇二丙烯酸酯和丙烯酸丁酯的中间体
(1)由乙烯为原料如何制备乙二醇 设计其合成路线。
提示:。
(2)由乙烯为原料合成乙醛后,如何制备正丁醇 设计合成路线。
提示:。
(3)由乙烯为原料制得乙炔后,如何利用乙炔和氢氰酸制得丙烯酸 设计合成路线。
提示:。
【归纳总结】
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:
烃卤代烃醇类醛类羧酸酯类
(2)一元合成路线:
(3)二元合成路线:
(4)芳香族化合物合成路线:
①
②
【针对训练】
(双选)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,只能溶解有机化合物
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%
【解析】选A、C。碳酸乙烯酯作为传统锂离子电池中离子导体的溶剂,用于溶解锂盐,锂盐为无机化合物,A项错误;由碳酸乙烯酯的结构简式可知其官能团只有酯基,B项正确;碳酸乙烯酯是离子导体的一部分,C项错误;由题干给出的由乙烯、氧气、二氧化碳制备碳酸乙烯酯的反应可知,该反应为加成反应,原子利用率为100%,D项正确。
【补偿训练】1.高分子N可用于制备聚合物离子导体,其合成路线如图。下列说法不正确的是 ( )
A.苯乙烯不存在顺反异构体
B.试剂a为
C.试剂b为HO(CH2CH2O)mCH3
D.反应1为加聚反应,反应2为缩聚反应
【解析】选D。碳碳双键的1个C原子上连有2个H原子,所以苯乙烯不存在顺反异构体,故A正确;苯乙烯和a发生加聚反应生成高分子M,根据M的结构简式可知,a的结构简式为,故B正确;M和b发生加成反应生成N,根据M和N的结构简式可知,b的结构简式为HO(CH2CH2O)mCH3,故C正确;苯乙烯和a发生加聚反应生成M,M和b发生加成反应生成N,所以反应1为加聚反应,反应2为加成反应,故D不正确。
2.(2022·湖南选择考)物质J是一种具有生物活性的化合物。该化合物的合成路线如下:
已知:
①+[Ph3CH2R']Br-
②
参照上述合成路线,以和为原料,设计合成的路线(无机试剂任选)。
【解析】结合G→I的转化过程可知,可先将转化为,再使和反应生成,并最终转化为;综上所述,合成路线为。
答案:
【真题示例】
(2022·广东选择考·21)基于生物质资源开发常见的化工原料,是绿色化学的重要研究方向。以化合物Ⅰ为原料,可合成丙烯酸Ⅴ、丙醇Ⅶ等化工产品,进而可制备聚丙烯酸丙酯类高分子材料。
(1)化合物Ⅰ的分子式为__________,其环上的取代基是__________(写名称)。
(2)已知化合物Ⅱ也能以Ⅱ'的形式存在。根据Ⅱ'的结构特征,分析预测其可能的化学性质,参考①的示例,完成下表。
序 号 结构 特征 可反应 的试剂 反应形成的 新结构 反应 类型
① —CH=CH— H2 —CH2—CH2— 加成反应
② 氧化反应
③
(3)化合物Ⅳ能溶于水,其原因是________________。
(4)化合物Ⅳ到化合物Ⅴ的反应是原子利用率100%的反应,且1 mol Ⅳ与1 mol化合物a反应得到2 mol Ⅴ,则化合物a为__________。
(5)化合物Ⅵ有多种同分异构体,其中含结构的有__________种,核磁共振氢谱图上只有一组峰的结构简式为__________。
(6)选用含二个羧基的化合物作为唯一的含氧有机原料,参考上述信息,制备高分子化合物Ⅷ的单体。
写出Ⅷ的单体的合成路线____________________________(不用注明反应条件)。
[解题思维]解答本题的思维流程如下:
提取 关键点 (1)分子式; (2)结构特征; (3)化合物Ⅳ; (4)原子利用率100%; (5)高分子化合物Ⅷ的单体
转化 知识点 (1)注意拐点和端点上的氢原子不要忘记; (2)由给的例子可知其考察官能团的性质; (3)根据物质结构分析其中含有羧基,能和水分子间形成氢键; (4)根据碳原子和氢原子守恒推断; (5)由高分子的结构推断单体
排除 障碍点 (1)注意正推法和逆推法结合使用; (2)注意官能团的特性
【解析】Ⅱ发生催化氧化生成Ⅲ,Ⅲ和水发生开环加成反应生成Ⅳ,化合物Ⅳ到化合物Ⅴ的反应是原子利用率100%的反应,且1 mol Ⅳ与1 mol化合物a反应得到2 mol Ⅴ,则a为CH2=CH2,Ⅴ中—COOH发生反应生成Ⅵ中—CH2OH,Ⅵ中碳碳双键和氢气发生加成反应生成Ⅶ,Ⅱ异构化生成Ⅱ';
(1)化合物Ⅰ的分子式为C5H4O2,其环上的取代基是醛基;
(2)②化合物Ⅱ'含有—CHO,在催化剂条件下被O2氧化生成—COOH,该反应属于氧化反应;
③含有—COOH,可与CH3OH、CH3CH2OH等醇在浓硫酸作催化剂、加热条件下发生酯化反应,生成新的结构为—COOR,该反应属于酯化反应或取代反应;
(3)化合物Ⅳ中—COOH能和水分子形成氢键,所以能溶于水;
(4)化合物Ⅳ到化合物Ⅴ的反应是原子利用率100%的反应,且1 mol Ⅳ与1 mol化合物a反应得到2 mol Ⅴ,则化合物a为CH2=CH2;
(5)化合物Ⅵ有多种同分异构体,其中含结构的有CH3COCH3、CH3CH2CHO,核磁共振氢谱图上只有一组峰的结构简式为CH3COCH3;
(6)Ⅷ的单体结构简式为CH2=C(CH3)COOCH2CH(CH3)2,根据
“CH2=C(CH3)COOCH2CH(CH3)2”及Ⅳ生成Ⅴ的反应知,选取的二元酸为
HOOCC(CH3)=C(CH3)COOH,HOOCC(CH3)=C(CH3)COOH和CH2=CH2反应生成CH2=C(CH3)COOH,CH2=C(CH3)COOH发生反应生成
CH2=C(CH3)CH2OH,CH2=C(CH3)CH2OH和氢气发生加成反应生成(CH3)2CHCH2OH,(CH3)2CHCH2OH和CH2=C(CH3)COOH发生酯化反应生成CH2=C(CH3)COOCH2CH(CH3)2,其合成路线为。
答案:(1)C5H4O2 醛基
(2)
② —CHO O2(或新制氢氧化铜悬浊液或银氨溶液) —COOH (或 —COONH4)
③ —COOH 醇(如: CH3OH、CH3CH2OH等) —COOR 酯化反应(或取代反应)
(3)Ⅳ中羧基能与水分子形成分子间氢键
(4)乙烯 (5)2 CH3COCH3
(6)
【对点演练】
1.由2-氯丙烷制取少量的1,2-丙二醇()时,需要经过下列哪几步反应 ( )
A.加成→消去→取代
B.消去→加成→水解
C.取代→消去→加成
D.消去→加成→消去
【解析】选B。先由2-氯丙烷发生消去反应生成丙烯:+NaOH
CH2CH—CH3+NaCl+H2O;再由丙烯与溴发生加成反应生成1,2-二溴丙烷:
CH2CH—CH3+Br2;最后由1,2-二溴丙烷发生水解反应可得1,2-丙二醇,+2NaOH+2NaBr。
2.有机物G是一种医药中间体。其合成路线如下:
请以、和为原料制备。写出相应的合成路线流程图(无机试剂任用,合成路线流程图示例见本题题干)。
【解析】由给出的原料,可以找出类似于流程中的“D→E→F→G”转化,苯与CH3COCl可以发生取代反应生成,羰基发生加成反应生成羟基,羟基发生消去反应生成碳碳双键,然后碳碳双键与H2发生加成反应可生成饱和碳碳键,得目标产物。
答案:
1.绿色化学对化学反应提出了“原子经济性”的新概念及要求。理想的原子经济性反应是原料分子中的原子全部转变成所需产物,不产生副产物,实现零排放。下列生产乙苯()的方法中,原子经济性最好的是(反应均在一定条件下进行)( )
A.+C2H5Cl+HCl
B.+C2H5OH+H2O
C.+CH2CH2
D.+HBr,
+H2
【解析】选C。符合“原子经济性”即只有乙苯这一种产物,没有其他的副产物。
2.某高聚物的结构简式为。下列分析正确的是 ( )
A.它是缩聚反应的产物
B.其单体是CH2CH2和HCOOCH3
C.其单体为CH2CHCOOCH3
D.它燃烧后产生CO2和H2O的物质的量之比为1∶1
【解析】选C。据该高分子化合物的结构简式可知,它是加聚反应的产物,其单体是CH2CHCOOCH3,A、B不正确,C正确;它燃烧后产生CO2和H2O的物质的量之比为4∶3,D不正确。
3.(2023·潍坊高二检测)高分子材料在疾病防控和治疗中起到了重要的作用。下列说法正确的是 ( )
A.聚乙烯是生产隔离衣的主要材料,能使酸性高锰酸钾溶液褪色
B.聚丙烯酸树脂是3D打印护目镜镜框材料的成分之一,可以与NaOH溶液反应
C.天然橡胶是制作医用无菌橡胶手套的原料,它是异戊二烯发生缩聚反应的产物
D.聚乙二醇可用于制备治疗病毒感染的药物,聚乙二醇的结构简式为
【解析】选B。A项,乙烯通过加聚反应生成聚乙烯,聚乙烯中不含碳碳双键,不能使酸性高锰酸钾溶液褪色,故A错误;B项,丙烯酸的结构简式为CH2CHCOOH,它通过加聚反应生成聚丙烯酸树脂,该聚合物中含有羧基,具有酸性,可与氢氧化钠溶液发生中和反应,故B正确;C项,天然橡胶的主要成分是聚异戊二烯,它由异戊二烯通过加聚反应所生成,故C错误;D项,乙二醇分子含有两个羟基,可发生缩聚反应生成聚乙二醇,该聚合物的结构简式为HO CH2—CH2O H,故D错误。
4.DAP是电器和仪表部件中常用的一种高分子化合物,其结构简式为。合成它的单体可能有 ( )
①邻苯二甲酸 ②丙烯醇 ③丙烯 ④乙烯 ⑤邻苯二甲酸甲酯
A.仅①② B.仅④⑤
C.仅①③ D.仅③④
【解析】选A。通过分析分子结构,可看出DAP是加聚产物,同时又有酯的结构。先把酯基打开还原,再把高分子还原成单体,得到邻苯二甲酸和丙烯醇。
5.已知:
请运用已学过的知识和上述给出的信息写出由乙烯制正丁醇各步反应的化学方程式(不必写出反应条件)。
【解析】由题给信息知,两个醛分子在一定条件下通过自身加成反应后脱水,得到的不饱和醛分子中的碳原子数是原参加反应的两个醛分子的碳原子数之和。根据最终产物正丁醇中有4个碳原子,原料乙烯分子中只有2个碳原子,运用题给信息,将乙烯氧化为乙醛,两个乙醛分子再进行自身加成变成丁烯醛,最后用H2与丁烯醛中的碳碳双键和醛基进行加成反应,便可得到正丁醇。本题基本采用正向思维方法。
乙烯乙醛2-羟基丁醛丁烯醛正丁醇。
本题中乙烯合成乙醛的方法有两种:
其一:乙烯乙醇乙醛,
其二:乙烯乙醛。
答案:(1)CH2CH2+H2OCH3CH2OH
(2)2CH3CH2OH+O22CH3CHO+2H2O
(3)2CH3CHO
(4)CH3CHCHCHO+H2O
(5)CH3CHCHCHO+2H2CH3CH2CH2CH2OH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
课标定向 心中有丘壑
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。(宏观辨识与微观探析)
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。(科学态度与社会责任)
一、锂离子电池的工作原理
1.电极材料
负极材料
正极材料
离子导体
2.原理
(1)放电
外电路 电子从 极移动到 极
内电路 锂离子通过 的传导从 极移动到 极
(2)充电
外电路 电子从 极移动到电源 极;从电源 极移动到 极
内电路 锂离子通过 的传导从 极移动到 极
[思考]
锂-空气电池是一种新型的二次电池,由于具有较高的比能量而成为未来电动汽车的希望。其放电时的工作原理如图所示。
该电池工作时两极材料分别是什么 锂离子向哪个电极移动 电池充电时过氧化锂电极上发生的电极反应是什么
二、手机新型电池中离子导体材料
1.离子导体中有机溶剂的结构特点
(1)作为溶剂应具备 锂离子的性能。
(2) 的存在能很好地提高有机溶剂对锂盐的溶解性, 的存在对锂离子的传导具有很好的效果。
(3)有机溶剂应该性能稳定且为 态,具有交联结构的高分子满足这一要求。
2.离子导体材料
我国科学家提出以二缩三乙二醇二丙烯酸酯与丙烯酸丁酯的共聚物做有机溶剂基体,通过与锂盐复合形成聚合物离子导体材料。
3.合成离子导体材料中有机溶剂的单体
(1)合成反应中一些反应原理
R—C≡N+H2O (R为H或烃基)
CH2=CH—CH3
+R—OH (R为H或烃基)
CH3—CH=CH2+CO+H2
R—CHO+CH3—CHO (R为H
或烃基)
(2)合成二缩三乙二醇的方法
+H2O
【质疑辨析】
(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。 ( )
探究任务一:设计手机新型电池中离子导体材料的结构
【导学探究】
材料1:长征二号运载火箭遥测系统上有一组锂离子蓄电池,在满足总体对电池的体积和重量的要求下,同时满足了对电性能的要求。
材料2:某锂离子电池的工作原理如图所示。
材料3:传统锂离子电池中一般使用LiClO4、LiPF6、LiBF4等锂盐作为电解质,酯类对其有较好的溶解性。
材料4:醚键的化学和电化学性质稳定,它能通过醚氧原子与锂离子之间不断地结合、分离而实现离子传导。例如,分子中含有—CH2CH2O—、—CH2CH2OCH2CH2O— 、—CH2CH2OCH2CH2OCH2CH2O— 等醚键结构单元的有机化合物,对锂盐均能起到良好的离子导体的作用。
探究点一:认识传统锂离子电池的离子导体的优缺点
(1)传统锂离子电池中离子导体有什么优点
(2)传统锂离子电池有哪些安全隐患
(3)为使锂离子电池正常工作,同时避免有机溶剂为液态时带来的安全隐患,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
探究点二:认识新型有机型溶剂
(1)结合材料3、4中提供的信息,讨论满足上述性能要求的有机溶剂的结构特点。
(2)总结在生产生活中实际开发材料的思路。
【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。
【针对训练】
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( )上锂元素被氧化
[拓展思考]
(1)该电池充电时,锂离子向哪个电极移动
(2)若正极电解质溶液为水溶液,将该电池的隔膜去掉,该电池能否正常工作
2.某汽车采用Ni-MH电池作为车载电源,Ni-MH电池的充放电原理如图所示,下列说法正确的是( )
A.放电时负极反应式为M+H2O+e-===MH+OH-
B.充电时阳极反应式为Ni(OH)2+OH--e-===NiOOH+H2O
C.放电时正极附近溶液的酸性增强
D.充电时阴极上M转化为M+
【补偿训练】据《X-MOL》报道:Robert Pipes等设计的添加PDS()的Li-CO2电池,正极物质转化原理如图所示。下列说法错误的是 ( )
A.PDS起增强导电性作用
B.负极反应式为Li-e-===Li+
C.电池总反应为4Li+3CO2===2Li2CO3+C
D.正极上发生的反应之一为+2CO2+2e-===2
探究任务二:合成离子导体材料中有机溶剂的中间体
【导学探究】
利用已有的有机合成知识所提供的反应信息,以乙烯为基础原料(其他无机试剂任选),设计二缩三乙二醇二丙烯酸酯和丙烯酸丁酯的合成路线,阐述设计思路。
合成以上有机物的中间体有HO—CH2—CH2—OH、、
CH3CH2CH2CH2OH。
探究点:以乙烯为基础原料合成二缩三乙二醇二丙烯酸酯和丙烯酸丁酯的中间体
(1)由乙烯为原料如何制备乙二醇 设计其合成路线。
(2)由乙烯为原料合成乙醛后,如何制备正丁醇 设计合成路线。
(3)由乙烯为原料制得乙炔后,如何利用乙炔和氢氰酸制得丙烯酸 设计合成路线。
【归纳总结】
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:
烃卤代烃醇类醛类羧酸酯类
(2)一元合成路线:
(3)二元合成路线:
(4)芳香族化合物合成路线:
①
②
【针对训练】
(双选)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,只能溶解有机化合物
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%
【补偿训练】1.高分子N可用于制备聚合物离子导体,其合成路线如图。下列说法不正确的是 ( )
A.苯乙烯不存在顺反异构体
B.试剂a为
C.试剂b为HO(CH2CH2O)mCH3
D.反应1为加聚反应,反应2为缩聚反应
2.(2022·湖南选择考)物质J是一种具有生物活性的化合物。该化合物的合成路线如下:
已知:
①+[Ph3CH2R']Br-
②
参照上述合成路线,以和为原料,设计合成的路线(无机试剂任选)。
【真题示例】
(2022·广东选择考·21)基于生物质资源开发常见的化工原料,是绿色化学的重要研究方向。以化合物Ⅰ为原料,可合成丙烯酸Ⅴ、丙醇Ⅶ等化工产品,进而可制备聚丙烯酸丙酯类高分子材料。
(1)化合物Ⅰ的分子式为__________,其环上的取代基是__________(写名称)。
(2)已知化合物Ⅱ也能以Ⅱ'的形式存在。根据Ⅱ'的结构特征,分析预测其可能的化学性质,参考①的示例,完成下表。
序 号 结构 特征 可反应 的试剂 反应形成的 新结构 反应 类型
① —CH=CH— H2 —CH2—CH2— 加成反应
② 氧化反应
③
(3)化合物Ⅳ能溶于水,其原因是________________。
(4)化合物Ⅳ到化合物Ⅴ的反应是原子利用率100%的反应,且1 mol Ⅳ与1 mol化合物a反应得到2 mol Ⅴ,则化合物a为__________。
(5)化合物Ⅵ有多种同分异构体,其中含结构的有__________种,核磁共振氢谱图上只有一组峰的结构简式为__________。
(6)选用含二个羧基的化合物作为唯一的含氧有机原料,参考上述信息,制备高分子化合物Ⅷ的单体。
写出Ⅷ的单体的合成路线____________________________(不用注明反应条件)。
[解题思维]解答本题的思维流程如下:
提取 关键点 (1)分子式; (2)结构特征; (3)化合物Ⅳ; (4)原子利用率100%; (5)高分子化合物Ⅷ的单体
转化 知识点 (1)注意拐点和端点上的氢原子不要忘记; (2)由给的例子可知其考察官能团的性质; (3)根据物质结构分析其中含有羧基,能和水分子间形成氢键; (4)根据碳原子和氢原子守恒推断; (5)由高分子的结构推断单体
排除 障碍点 (1)注意正推法和逆推法结合使用; (2)注意官能团的特性
【对点演练】
1.由2-氯丙烷制取少量的1,2-丙二醇()时,需要经过下列哪几步反应 ( )
A.加成→消去→取代
B.消去→加成→水解
C.取代→消去→加成
D.消去→加成→消去
2.有机物G是一种医药中间体。其合成路线如下:
请以、和为原料制备。写出相应的合成路线流程图(无机试剂任用,合成路线流程图示例见本题题干)。
1.绿色化学对化学反应提出了“原子经济性”的新概念及要求。理想的原子经济性反应是原料分子中的原子全部转变成所需产物,不产生副产物,实现零排放。下列生产乙苯()的方法中,原子经济性最好的是(反应均在一定条件下进行)( )
A.+C2H5Cl+HCl
B.+C2H5OH+H2O
C.+CH2CH2
D.+HBr,
+H2
2.某高聚物的结构简式为。下列分析正确的是 ( )
A.它是缩聚反应的产物
B.其单体是CH2CH2和HCOOCH3
C.其单体为CH2CHCOOCH3
D.它燃烧后产生CO2和H2O的物质的量之比为1∶1
3.(2023·潍坊高二检测)高分子材料在疾病防控和治疗中起到了重要的作用。下列说法正确的是 ( )
A.聚乙烯是生产隔离衣的主要材料,能使酸性高锰酸钾溶液褪色
B.聚丙烯酸树脂是3D打印护目镜镜框材料的成分之一,可以与NaOH溶液反应
C.天然橡胶是制作医用无菌橡胶手套的原料,它是异戊二烯发生缩聚反应的产物
D.聚乙二醇可用于制备治疗病毒感染的药物,聚乙二醇的结构简式为
4.DAP是电器和仪表部件中常用的一种高分子化合物,其结构简式为。合成它的单体可能有 ( )
①邻苯二甲酸 ②丙烯醇 ③丙烯 ④乙烯 ⑤邻苯二甲酸甲酯
A.仅①② B.仅④⑤
C.仅①③ D.仅③④
5.已知:
请运用已学过的知识和上述给出的信息写出由乙烯制正丁醇各步反应的化学方程式(不必写出反应条件)。
