1、章末（六）章末（六）化学素材与命题架构化学素材与命题架构 【最新素材一】 被称为“黑金”的“新材料之王”石墨烯 2019 年 7 月雅迪公布了一项“新技术”， 即由雅迪自主研发的两轮电动车行业首 款石墨烯电池。经国家权威机构监测，该款电池具备循环寿命 1 000 多次，每充 电 1 小时续航 50 公里，续航里程提升 10%等多项突出优势，这一创新研发预示 着电动车行业正式进入了科技能源时代；华为去年 10 月份发布的 mate20X 是全 球首款使用石墨烯技术的手机，虽然只是用于散热系统当中，但 mate20X 的散热 系统要远好于其他手机，这说明了石墨烯在导热方面的强大实力。 作为目前发现
2、的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨 烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变 21 世纪”。极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。石墨烯一层层 叠起来就是石墨，厚 1 毫米的石墨大约包含 300 万层石墨烯。英国曼彻斯特大学 的两位科学家安德烈盖姆(AnD.reGeim)和克斯特亚诺沃消洛夫(Konstantin Novoselov)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(如图
3、)。 【命题背景与学科素养】 从美国断供华为，日本断供韩国可看出，企业的发展离不开科技，离开了自主创 新，就要受制于人，而主要的创新是基于原材料的创新与发展，新材料的创新是 一切创新的源泉，新材料是指新近发展或正在发展的具有优异性能的结构材料和 有特殊性质的功能材料，近几年，世界上研究、发展的新材料主要有新金属材料， 精细陶瓷和光纤等等。 而学科素养要求考试具有“认识化学、技术、社会和环境之间的相互关系，赞赏 化学对社会发展的重大贡献，能运用已有知识和方法综合分析、全面认识化学过 程对自然可能带来的各种影响；具有环境保护和合理开发、利用资源的意识，理 解和赞赏可持续发展和绿色化学的观念；能关心
4、并积极参与和化学有关的社会热 点问题的讨论，能权衡利弊作出正确的价值判断，有社会责任感敢于参与力所能 及的决策和实践活动” ，通过对新材料的认识，从而提高“科学精神与社会责任” 学科素养。 【命题架构】 1.(物质结构方向) 请用化学知识解释科学家为什么可以用特殊的胶带将石墨不断地粘撕得到石墨 烯：_ _。 12 g 石墨烯中含有_NA个如图所示(素材石墨烯图)的六元环。 解析石墨是层状结构，层与层之间是分子间作用力(范德华力)，克服分子间作 用力不会改变石墨烯的六边形结构，故上述方法能得到石墨烯。12 g 石墨烯中含 有 1 mol(NA个)C 原子，由石墨烯的结构可得，每个 C 原子被 3
5、 个六元环共用(1 个 C 原子当 3 个使用)，每个六元环由 6 个 C 原子形成，故 NA个 C 原子可形成六 元环数为：NA360.5 NA。 答案石墨是层状结构，层与层之间是分子间作用力(范德华力)0.5 2.(化学反应热效应方向) 已知 25 ，101 kPa 下，石墨、金刚石燃烧的热化学方程式分别为 C(s，石墨)O2(g)=CO2(g)H393.51 kJmol 1 C(s，金刚石)O2(g)=CO2(g)H395.41 kJmol 1 (1)C(s，金刚石)=C(s，石墨)H_kJmol 1。 (2)石墨和金刚石相比，更稳定的是：_。 解析(1)根据盖斯定律，H395.41 k
6、Jmol 1(393.51 kJmol1)1.90 kJmol 1。(2)由上分析金刚石转变为石墨放出能量，故石墨更稳定。 答案1.90石墨 3.(电化学方向) 华为利用锂离子能在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出石 墨烯电池，可充电 5 分钟，通话 2 小时，一种石墨烯锂硫电池(2LiS8=Li2S8) 工作原理示意图如图。已知参与电极反应的单位质量的电极材料放出电能的大小 称为该电池的比能量，下列有关该电池说法不正确的是() A.金属锂是所有金属中比能量最高的电极材料 B.A 电极为该电源的负极，发生氧化反应 C.B 电极的反应：2Li S82e=Li2S8 D.电子从 A
7、 电极经过外电路流向 B 电极，再经过电解质流回 A 电极 解析A.单位质量的电极材料失去电子的物质的量越多，则得到的电能越多，能 量越高，Li 是所有金属元素中原子量最小的金属，所以金属锂是所有金属中比能 量最高的电极材料，故 A 正确；B.原电池中阳离子向正极移动，由图可知，B 为 正极，A 为负极，负极发生失电子的氧化反应，故 B 正确；C.B 电极上 S8得电子 生成 Li2S8，则 B 电极的反应：2Li S82e=Li2S8，故 C 正确；D.电子只能 在电极和导线中移动，电子不能在电解质溶液中移动，故 D 错误。故选 D。 答案D 测试方向： 选考(一)：3(1)、4(1)了解范
8、德华力的含义及对物质性质的影响，了解晶体的类 型及不同类型晶体中结构微粒的区别。 必考：2(5)了解反应热的概念及热化学方程式的含义。 必考：2(5)理解原电池构成、工作原理及应用，能书写电极反应式。 【自主命题】新材料与已有知识的迁移 根据所提供的材料，自编一道相关习题： 材料新型石墨烯电池工作原理如下图，电池反应式为： LixC6Li1xCoO2 放电 充电 C6LiCoO2 A._； B._； C._； D._。 【最新素材二】 葡萄糖是具有潜在的巨大能量密度的生物质燃料，其完全转化为 CO2将转移 24 个电子，经热力计算可得理论能量密度为 4 430 Whkg 11。造纸、酿酒等工业
9、废 水中都含有大量的葡萄糖，且相较于甲醇等生物质燃料，葡萄糖具有无毒无臭、 清洁等特点，可成为代替甲醇作为燃料电池的能源。 美国麻省理工学院的电子工程和计算机科学系的副教授拉胡尔萨派斯卡所领导 基于葡萄糖开发了一种新型燃料电池，有望成为未来医疗植入物的能量来源，并 有助于瘫痪病人四肢运动能力的恢复等。这种燃料电池可从葡萄糖分子中剥离电 子制造微弱的电流，允许其与其他电路结合，而这正是脑部植入物所需的。 【命题背景与学科素养】 新型电池在飞速发展的信息技术中发挥着越来越重要的作用，一些新型高效电池 也应运而生， 学科素养要求学生能科学地加工、 处理创新探究过程中获得的现象、 数据，通过分析、归纳
10、、推理，得出合理的结论；能对创新过程、结果反思，并 通过交流、探讨，进一步完善，能尊重客观事实，独立思考，敢于质疑，敢于发 表自己的见解、看法，有批判精神和创新意识。 【命题架构】 1.微生物燃料电池(MFC)是燃料电池中特殊的一类，它利用微生物作为反应主体， 将有机物的化学能转化为电能。 以葡萄糖溶液作底物为例， 其工作原理如图所示。 已知石墨电极上的反应为 C6H12O66H2O24e =6CO224H (1)电池中的质子交换膜只允许质子和水分子通过，电池工作时，质子移向电池的 _ 极 ( 填 正 或 负 ) ， 铂 碳 上 所 发 生 的 电 极 反 应 式 为 ： _ _。 (2)葡萄
11、糖的燃烧热为 2 800 kJmol 1，写出葡萄糖完全燃烧的热化学方程式： _ _。 (3)化学需氧量(COD)是重要的水质指标，其数值表示将 1 L 水中的有机物氧化为 CO2、H2O 所需消耗的氧气的质量。科学家设想利用微生物燃料电池来处理某些 污水， 并进行发电， 该设想已经在实验室中获得成功， 但如果 1 L 废水中有机物(折 算成葡萄糖)氧化提供的化学能低于 5.6 kJ，就没有发电的必要，则下列污水中， 不适合用微生物燃料电池发电的是_(填序号)。 序号ABCDE 污水类型生活污水印染电镀造纸硫酸工业废水 COD 值/mgL 1 52087020960120 解析(1)燃料电池中
12、，阳离子氢离子移向电池的正极，燃料电池的正极上是氧气 发生得电子的还原反应，即 O24e 4H=2H2O；(2)葡萄糖的燃烧热为 2 800 kJmol 1，则葡萄糖燃烧的热化学方程式为：C6H12O6(s)6O2(g)=6CO2(g) 6H2O(l)H2 800 kJmol 1；(3)根据题意写出葡萄糖氧化分解的热化学方程 式为 C6H12O6(s)6O2(g)=6CO2(g)6H2O(l)H2 800 kJmol 1，则氧化提 供的化学能等于 5.6 kJ 时所需引起氧气的质量变化量 m(O2)32 g/mol65.6 kJ 2 800 kJmol 1 0.384 g，相当于 384 mg
13、，由此可以知道选项 CE 符合题意。 答案(1)正O24e 4H=2H2O (2)C6H12O6(s)6O2(g)=6CO2(g)6H2O(l)H2 800 kJmol 1 (3)CE 测试方向： 必考：2(5)理解原电池构成、工作原理及应用，能书写电极反应式。 必考：2(5)了解反应热的概念及热化学方程式的含义，能正确书写热化学 方程式。 必考：1(3)了解化学反应的本质，以及能量变化规律。 2.中科院董绍俊课题组将二氧化锰和生物质置于一个由滤纸制成的折纸通道内形 成电池，该电池可将可乐(pH2.5)中的葡萄糖作为燃料转化成葡萄糖内酯并获得 能量。下列对于该电池的说法正确的是() A.a 极
14、为正极 B.随着反应不断进行，负极区的 pH 不断增大 C.b 极的电极反应为：MnO22H2O2e =Mn24OH D.当消耗 0.01 mol 葡萄糖时，电路中转移 0.02 mol 电子 解析溶液 pH2.5，溶液显酸性，正极反应式为 MnO22e 4H=Mn2 2H2O，负极反应式为 C6H12O62e =C6H10O62H。A 项，葡萄糖中碳元素的 平均化合价为 0 价， 葡萄糖内酯中碳元素的平均化合价为1 3， 则 a 电极发生失电 子的氧化反应，则 a 为负极，b 为正极，故 A 项错误；B 项，负极反应生成 H ， 溶液 pH 减小，故 B 项错误；C 项，溶液显酸性，b 极的电极反应式为 MnO22e 4H=Mn22H2O， 故 C 项错误。 D 项， 根据负极反应式可知， 当消耗 0.01 mol 葡萄糖时，转移 0.02 mol 电子，故 D 项正确；综上所述，本题正确答案为 D。 答案D 测试方向： 必考：2(5)理解原电池构成、工作原理及应用，能书写电极反应式。 【自主命题】新材料与已有知识的迁移 根据所提供的材料，自编一道相关习题： 材料据报道，美国麻省理工学院基于葡萄糖开发了一种新型燃料电池，以 Pt/TiO2为电极，植入人体就可以进行工作，如图是人工模拟此电池的示意图。 A._； B._； C._； D._。
