杭高特级教师解读化学诺奖 上过中学的你肯定能看懂

  • 发布:2019-10-21 13:26:39
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一年一度的诺贝尔奖已经宣布,这对科学界来说是一场盛宴,但对大多数中小学生来说,诺贝尔奖离他们还是太远了。

一名中学生告诉记者,他已经关注诺贝尔奖很多年了,他基本上无法理解获得诺贝尔奖的科学研究。“我的大多数同学不再关注诺贝尔奖了。主要原因是他们无法理解。最好刷一些数学问题。”

如何让高大的科学前沿研究进入中小学生的视野并让他们理解,关键在于解读。诺贝尔奖的结果一出来,杭州高中特级教师、全国第一所高中和蕲城学校的班主任高舒朗就拿起笔,用中学生能够理解的语言和知识解读诺贝尔化学奖。

他告诉记者,诺贝尔化学奖的知识是一个熟悉的电池。他接触过小学和初中科学,高中化学已经介绍了化学原理。“这表明并非诺贝尔奖涉及的所有知识都离我们很远,有时它就在附近。当代年轻人必须首先具有坚持追求真理的精神,改变他们对科学的功利主义态度。第二,我们应该放眼未来,多思考,善于提问,有批判精神。我相信诺贝尔奖离我们不远。”

他的解释如下:

10月9日,瑞典皇家科学院宣布,来自美国和日本的三名科学家因对锂离子电池的研发做出贡献而获得2019年诺贝尔化学奖。他们是美国科学家古德托(生于1922年)、英美科学家惠廷翰(生于1941年)和日本科学家阿基拉·吉野(生于1948年)。诺贝尔奖委员会表示,三人的研究使得锂离子电池的使用更加稳定,从而开启了便携式电子设备的进程,为构建无线互联社会奠定了基础。

众所周知,现代生活离不开电池。世界上有无数的专家研究电池,他们在燃料电池、太阳能电池、核电池等领域做出了杰出的贡献。然而,诺贝尔奖授予了这三位科学家。除了锂电池领域的独特研究之外,还有一个非常重要的方面,那就是这三位科学家在从事科学研究时的精神。获胜者之一古德托已经97岁了。他曾经说过,“我们中的一些人就像乌龟一样,一路缓慢而艰难地行走。我们在壮年时找不到出路。但是乌龟知道他必须下去。”

揭开锂的“庐山”真面目

锂是发现的118种元素中的第三大元素,也就是第三种元素。

元素名称来自希腊语,最初意思是“石头”。1817年,瑞典科学家阿弗森在分析petalite矿时发现,直到1855年,本森和马奇森才通过电解溶解氯化锂而成功。锂在工业生产前后花了76年才被认为是一种元素。锂是一种质软的银白色金属元素,是密度最低(0.534克/厘米)的金属,相对原子量为6.941,因为锂电荷密度高,用于原子反应堆、电池等。

燃烧1kg锂后,可释放42998kj的热量,(4Li+O = 2LiO,6Li+N = 2Lin),因此锂是用作火箭燃料的最佳金属之一。1kg锂通过热核反应释放的能量相当于燃烧2万多吨优质煤。

谁发明了电池?

1799年,意大利物理学家亚历山德罗·沃尔特发明了第一种电池(伏堆)。电池由浸在盐水中的锌片(阳极)和铜片(阴极)以及纸片(电解质)制成,以证明电可以人工制造。(注:积极和消极常用于中学)

1850年,法国物理学家加斯顿·普兰特发明了铅酸电池(阳极是铅,阴极是氧化铅,硫酸溶液是电解质)。这种电池被广泛使用。车载电池和早期电动汽车都使用这种电池。到2014年,全球已售出约4470万块铅酸电池。

1950年后,加拿大工程师刘易斯·厄里发明了现在非常普遍的碱性电池(锌作为阳极,氧化镁作为阴极,氢氧化钾作为电解质),全球销售超过100亿。

1991年,索尼公司推出第一款商用锂离子电池(阳极为石墨,阴极为锂化合物,电极溶液为溶解在有机溶剂中的锂盐)。锂电池因其高能量密度和不同的配方,可以适应不同的使用环境而得到广泛应用。智能手机、笔记本电脑和平板电脑迅速占领了市场。关键是电池技术的突破,给便携式电子设备行业带来了巨大的变化。

这三者对锂离子电池的研究有什么贡献?

首先,普及电池产生电流的基本原理:在闭合电路中,当电子定向运动时,电流就形成了。电池正常工作的关键是选择两个电极和在它们之间导电的介质。(电池就像汉堡,两面都有两个电极,三明治相当于介质。)

约翰·古德的贡献

古德于1922年出生在德国。古德托30岁开始为医生学习,58岁发明锂钴氧化物电池,75岁用磷酸铁锂电池再次改变世界,90岁后开始研究全固态电池。他让锂电池变得更小、更大、更稳定。

主要贡献:

1.钴酸锂作为电极材料,解决了锂电池容易爆炸的问题。钴酸锂、化学式licoo2、钴和氧原子结合得更紧密,形成规则的八面体板,锂原子层嵌在两个“板”之间。由于这种特殊的结构,锂原子可以在钴酸锂晶体中快速移动。

如果你把钴酸锂想象成汉堡包,钴氧形成两片面包,那么锂原子就是中间的牛排,很容易被提取出来。

2.解决了钴酸锂太贵问题。钴元素本身是一种战略资源,太贵了,被磷酸铁锂取代。磷酸铁锂(lifepo4),简称lfp,在其晶体结构中,铁和氧形成feo6八面体,磷和氧形成po4四面体。这些八面体和六面体根据一定的规则形成骨架,形成z形链结构,而锂原子占据空间骨架中形成的空位。

磷酸铁锂的晶体结构,其中白色球体代表锂原子,红色代表氧原子,紫色代表磷原子,黄色代表铁原子)

3.用固体介质代替液体介质使锂电池更安全。锂离子电池中使用的电解质是有机物、易燃易爆的混合液体,这也是禁止使用飞机等锂离子电池的重要原因。全固体电池用一种全新的固体电解质代替了原来的液体有机电解池。固体电解质不仅能保证原有的储电性能,还能防止枝晶问题的发生,而且更安全、更便宜。

M.stanley wittingham

惠廷翰1941年出生于英国。他目前是纽约州立大学宾汉姆顿材料研究所所长和材料科学与工程专业的杰出教授。

主要贡献:寻找新的储能材料,显著提高电化学装置的储能能力。

经过多年的实验和研究,威丁厄姆以锂钛硫化物(lixtis2)为负极材料,锂金属为正极材料,制成锂电池。其电压可达2.5v,循环1100次,功耗极小。2015年,他因在锂离子电池领域的开创性研究获得诺贝尔奖领头羊克尔维特化学领域的桂冠。

日本的吉野昭夫

1948年出生于日本平田,现为日本东京朝日Kasei有限公司名誉研究员,日本美茹大学教授。

主要贡献:

吉野·阿基拉在古德伊尔锂电池的基础上,将阳极材料从石墨改为石油焦。虽然它由碳元素组成,但它重量轻,经久耐用。1985年,吉野·阿基拉基于先前的研究发明了第一个商业上可行的锂离子电池。结果,一种轻便耐用的电池诞生了,它可以充电数百次。

看看锂电池的发展,从Goodtoy开始,这两种锂电池不再是化学反应产生的电能,而是由阴极和阳极之间的“纯”电子流产生的,这种能量纯粹来自从外部充电的“多余”电子,储存在两极之间,用于工作。因此,这两种锂电池实际上并不是锂电池,而是锂离子电池。目前锂电池行业的年产量接近几十亿美元。世界仍然需要锂离子电池,甚至需要一个绿色的未来。

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