热点强化课10 离子交换膜电化学装置-【创新教程】2026年高考化学总复习大一轮讲义（人教版2019）

体系构建 核心巧记 １．离子放电“两顺序”(惰性电极) (１)阳极:S２－＞I－＞Br－＞Cl－＞OH－. (２)阴极:Ag＋＞Fe３＋＞Cu２＋＞H＋(酸)＞Sn２＋＞Fe２＋＞Zn２＋＞ H＋(H２O) ＞Al３＋. ２．电解池阴、阳极“四特点” (１)阳极:外接直流电源正极———流出电子———发生氧化反应 ———阴离子移向. (２)阴极:外接直流电源负极———流入电子———发生还原反应 ———阳离子移向. ３．电解原理应用的“四方面” (１)电解饱和食盐水的化学方程式为２NaCl＋２H２O 电解 􀪅􀪅２NaOH＋ H２↑＋Cl２↑. (２)电镀时,待镀的金属制品作阴极,镀层金属作阳极,用含镀 层金属离子的溶液作电镀液. (３)电解精炼铜时,用纯铜作阴极,粗铜作阳极,用CuSO４ 溶液 作电解液. (４)电解熔融Al２O３ 制取铝,电解熔融氯化钠制取钠,电解熔 融 MgCl２ 制取镁. 　　　　　　　离子交换膜电化学装置 学生用书　P２２８ １．常见的离子交换膜 离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液中的离子 具有选择透过功能的膜,通常由特殊高分子材料 制成. 离子交换膜分为: (１)阳离子交换膜,只允许阳离子通过,不允许阴离 子通过. (２)阴离子交换膜,只允许阴离子通过,不允许阳离 子通过. (３)质子交换膜,只允许 H＋通过,不允许其他阳离 子或阴离子通过. (４)双极隔膜,是一种新型离子交换膜,其膜主体可 分为阴离子交换层、阳离子交换层和中间界面层, 水解离催化剂被夹在中间的离子交换聚合物中,水 电离产物 H＋和OH－可在电场力的作用下快速迁 移到两侧溶液中,为膜两侧的半反应提供各自理想 的pH条件. ２．离子交换膜的作用 (１)能将两极区隔离,阻止两极区产生的物质接触, 防止发生化学反应,提高产品的纯度或避免不安全 因素. (２)能选择性地允许离子通过,起到平衡电荷、形成 闭合回路的作用. ３．分析方法 (１)根据膜的性质和离子在溶液中的迁移方向,画 出离子透过膜的方向;(２)寻找迁出室溶液中浓度 较大的迁移离子;(３)分析离子在迁入室的浓度增 大和在迁出室的浓度减小,以及带来的实质变化. [典题应用] [例１]　(２０２３􀅰河北卷)我国科学家发明了一种以 和 MnO２ 为电极材料的新型电池,其 内部结构如下图所示,其中①区、②区、③区电解质 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀅰７９２􀅰 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 第七章　化学反应与能量 溶 液 的 酸 碱 性 不 同. 放 电 时,电 极 材 料 转化为 .下列说法错误 的是 (　　) A．充电时,b电极上发生还原反应 B．充电时,外电源的正极连接b电极 C．放电时,①区溶液中的SO２－４ 向②区迁移 D．放电时,a电极的电极反应式为 MnO２＋４H＋＋ ２e－􀪅􀪅Mn２＋＋２H２O 解析:B　[放电时,电极材料 转化为 ,电 极 反 应 －２ne－ 􀪅􀪅 ＋２nK＋,是原电池的负极,阳离子增 多需要通过阳离子交换膜进入②区;二氧化锰得到 电子变 成 锰 离 子,是 原 电 池 的 正 极,电 极 反 应: MnO２＋４H＋ ＋２e－􀪅􀪅Mn２＋ ＋２H２O,阳离子 减 少,多余的阴离子需要通过阴离子交换膜进入② 区,故③为碱性溶液是 电极,①为酸 性溶液是二氧化锰电极.A．充电时,b电极上得到 电子,发生还原反应,A正确;B．充电时,外电源的 正极连接a电极,电极失去电子,电极反应为 Mn２＋ ＋２H２O－２e－􀪅􀪅MnO２＋４H＋,B错误;C．放 电 时,①区溶液中多余的SO２－４ 向②区迁移,C正确; D．放电时,a电极的电极反应式为 MnO２＋４H＋＋ ２e－􀪅􀪅Mn２＋＋２H２O,D正确.] [例２]　(２０２４􀅰黑吉辽卷)“绿色零碳”氢能前景广 阔.为解决传统电解水制“绿氢”阳极电势高、反应 速率缓慢的问题,科技工作者设计耦合 HCHO高 效制H２ 的方法,装置如图所示.部分反应机理 为: O 􀪅􀪅 H H ＋OH－ －OH－ 􀜩 􀜨􀜑􀜑􀜑 HO H O－ H －e－ 　→ HO H O 􀪅 ＋１２H２ .下列说法错误的是 (　　) A．相 同 电 量 下 H２ 理 论 产 量 是 传 统 电 解 水 的 １􀆰５倍 B．阴极反应:２H２O＋２e－􀪅􀪅２OH－＋H２↑ C．电解时OH－通过阴离子交换膜向b极方向移动 D．阳 极 反 应:２HCHO －２e－ ＋４OH－ 􀪅􀪅 ２HCOO－＋２H２O＋H２↑ 解析:A　[据图示可知,b电极上 HCHO 转化为 HCOO－,而HCHO转化为 HCOO－ 为氧化反应, 所以b电极为阳极,a电极为阴极,HCHO为阳极 反应物,由反应机理 O 􀪅􀪅 H H ＋OH－ －OH－ 􀜩 􀜨􀜑􀜑􀜑 HO H O－ H －e－ 　→ HO H O 􀪅 ＋ １２H２ 可 知: O 􀪅􀪅 H H ＋OH－ －OH－ 􀜩 􀜨􀜑􀜑􀜑 HO H O－ H 反 应 后 生 成 的 HO H O－ H 转 化 为 HCOOH.由原 子 守 恒 和 电 荷 守 恒 可 知,在 生 成 HCOOH的同时还生成了H－,生成的HCOOH再 与 氢 氧 化 钾 酸 碱 中 和:HCOOH ＋ OH－ 􀪅􀪅 HCOO－＋H２O,而生成的 H－ 在阳极失电子发生 氧化反应生成氢气,即２H－－２e－􀪅􀪅H２↑,阴极 水 得 电 子 生 成 氢 气:２H２O＋２e－ 􀪅􀪅 H２ ↑ ＋２OH－. 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀅰８９２􀅰 高考总复习　化学 A．由以上分析可知,阳极反应:①HCHO＋OH－－e－ 􀪅􀪅HCOOH＋ １２H２↑ ,②HCOOH＋OH－ 􀪅􀪅 HCOO－＋H２O,阴极反应２H２O＋２e－􀪅􀪅H２↑＋ ２OH－,即转 移２mol电 子 时,阴、阳 两 极 各 生 成 １molH２,共２molH２,而传统电解水:２H２O 电解 　􀪅􀪅 ２H２↑＋O２↑,转 移２mol电 子,只 有 阴 极 生 成 １molH２,所以相同电量下 H２ 理论产量是传统电 解水的２倍,故 A错误;B．阴极水得电子生成氢 气,阴极反应为２H２O＋２e－􀪅􀪅H２↑＋２OH－,故 B正确;C．由电极反应式可知,电解过程中阴极生成 OH－,负电荷增多,阳极负电荷减少,要使电解质溶液 呈电中性,OH－通过阴离子交换膜向阳极移动,即向b 极方向移动,故C正确;D．由以上分析可知,阳极反应涉 及:①HCHO＋OH－－e－􀪅􀪅HCOOH＋１２H２↑ , ②HCOOH＋OH－􀪅􀪅HCOO－ ＋H２O,由(①＋ ②)×２得阳极反应为:２HCHO－２e－＋４OH－􀪅􀪅 ２HCOO－＋２H２O＋H２↑,故D正确.] １．(２０２５􀅰六盘水市高三开学考)研究发现,在酸性乙 醇燃料电池中加入硝酸,可使电池持续大电流放 电,其工作原理如图所示. 下列说法错误的是 (　　) A．加入HNO３ 降低了正极反应的活化能 B．电池工作时正极区溶液的pH增大 C．１molCH３CH２OH 被完全氧化时有６molO２ 被还原 D．负极反应为 CH３CH２OH＋３H２O－１２e－ 􀪅􀪅 ２CO２↑＋１２H＋ 解析:C　[A．由分析知,HNO３ 在正极起催化作 用,作催化剂,则加入 HNO３ 降低了正极反应的活 化能,因而可以加快反应速率,A正确;B．电池工作 时正极上O２ 得到电子发生还原反应,由于电解质 溶液显 酸 性,因 此 正 极 的 总 反 应 为:O２＋４e－ ＋ ４H＋􀪅􀪅２H２O,反应消耗 H＋,使溶液中氢离子浓 度减小,pH增大,B正确;C．乙醇燃烧的化学方程 式为:CH３CH２OH＋３O２ 点燃 →２CO２＋３H２O.根据 反应过程中电子转移数目相等,结合得失电子守恒 可知,１molCH３CH２OH 被 完 全 氧 化 产 生 CO２、 H２O时,转移１２mol电子,同时有３molO２ 得到 电子被还原,C错误;D．在乙醇燃料电池中,通入燃 料乙醇的电极为负极,负极发生失去电子的氧化反 应,由于电解质溶液为酸性,因此负极的电极反应 式为:CH３CH２OH－１２e－＋３H２O􀪅􀪅２CO２↑＋ １２H＋,D正确;故合理选项是C.] ２．(２０２５􀅰武汉市模拟)盐酸羟胺(NH２OH􀅰HCl)是 一种常见的还原剂和显像剂,工业可采用如下电化 学方法制备.装置和正极反应机理如图所示.下 列有关说法不正确的是 (　　) A．X为H＋,Y为NH３OH＋ B．含Fe电极起到导电和催化的作用 C．Pt电极上的反应:H２＋２e－􀪅􀪅２H＋ D．消耗１molNO,有３molH＋通过交换膜 解析:C　[由图可知,含铁的电极为原电池的正极, 盐酸作用下一氧化氮在正极得到电子发生还原反 应生成盐酸羟胺,电极反应式为 NO＋３e－＋４H＋ 􀪅􀪅NH３OH＋,铂电极为负极,氢气在负极失去电 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀅰９９２􀅰 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 第七章　化学反应与能量 子发生氧化反应生成氢离子,电极反应式为H２－２e－ 􀪅􀪅２H＋,原电池工作时氢离子通过氢离子交换膜由 负极区进入正极区.A．Y为反应机理最终产物,故 Y为盐酸羟胺的阳离子,分析正极反应机理,结合 元素守恒可以判断X为氢离子,A正确;B．Fe电极 为正极,导电,同时根据反应机理可知,铁起着催化 剂的作用,故含Fe电极起到导电和催化的作用,B 正确;C．由分析,铂电极为负极,氢分子失去电子生 成氢离 子,正 确 的 电 极 反 应 式 为 H２－２e－ 􀪅􀪅 ２H＋,C错误;D．根据分析正极电极反应式,消耗 １molNO,外 电 流 有 ３ mol电 子 转 移,同 时 有 ３molH＋通过交换膜,D正确.] ３．(２０２５􀅰承德市高三开学考)我国在光电催化——— 化学耦合烟气脱硫并进行能量转化的研究中取得 重大突破,其工作原理如图所示.下列说法正确 的是 (　　) A．负极的电极反应为SO２＋２H２O－２e－􀪅􀪅SO２－４ ＋４H＋ B．右室中H２SO４ 溶液的浓度基本保持不变 C．每吸收１molSO２,理论上装置的总质量增加 ６４g D．电子由光催化电极通过导线流向多孔电极 解析:B　[由题干装置图示信息可知,多孔电极上 发生Fe２＋－e－􀪅􀪅Fe３＋,发生氧化反应,故该电极 为负 极,然 后 再 发 生２Fe３＋ ＋SO２＋２H２O 􀪅􀪅 ２Fe２＋＋４H＋＋SO２－４ ,光催化电极上发生２H＋＋ ２e－􀪅􀪅H２↑,发生还原反应,则该电极为正极,负 极室产生的H＋经质子交换膜移向正极室,据此分 析解题.A．由分析可知,负极的电极反应为Fe２＋ －e－􀪅􀪅Fe３＋,而不是SO２＋２H２O－２e－􀪅􀪅SO２－４ ＋４H＋,A错误;B．由分析可知,右室中即光催化 电极上发生２H＋＋２e－􀪅􀪅H２↑,根据电荷守恒可 知,每消耗２molH＋则有２molH＋从左室经质子 交换膜进入右室,故右室中 H２SO４ 溶液的浓度基 本保持不变,B正确;C．由分析可知,根据电荷守恒 可知,每吸收１molSO２,将产生２gH２,即理论上 装置的总质量增加６４g－２g＝６２g,C错误;D．由 分析可知,多孔电极为负极,光催化电极为正极,故 电子由负极即多孔电极通过导线流向正极即光催 化电极,D错误;故答案为B.] ４．(２０２５􀅰哈尔滨市高三开学考)为实现CO２ 的资源 化利用与电能储存,设计如图所示的三室隔膜电解 装置(阴极室中注入溶有大量CO２ 且含有少量水 的有机复合电解液),该装置将CO２ 还原为CO,同 时得到副产物 Cl２ 和碳酸氢盐.下列说法错误 的是 (　　) A．离子交换膜a为阴离子交换膜 B．阳极反应式:２Cl－－２e－􀪅􀪅Cl２↑ C．浓度:食盐水１＞食盐水２ D．每通过２mole－,消耗２２􀆰４LCO２ 解析:D　[阴极CO２ 得电子转化为CO,电极反应 式为３CO２＋２e－ ＋H２O􀪅􀪅CO＋２HCO－３ ,阳极 Cl－失电 子 转 化 为 Cl２,电 极 反 应 式 为２Cl－２e－ 􀪅􀪅Cl２↑,要得到副产物Cl２ 和碳酸氢盐,故阴极 产生的碳酸氢根离子和阳极电解液中的钠离子进 入中间室,则a为阴离子交换膜,b为阳离子交换 膜.A．根据分析可知,阴极产生的碳酸氢根离子 进入中间室,则a为阴离子交换膜,A正确;B．根据 分析可知,阳极反应式:２Cl－－２e－􀪅􀪅Cl２↑,B正 确;C．由于阳极区产生氯气消耗氯离子且钠离子向 中间室迁移,故氯化钠浓度减小,浓度:食盐水１＞ 食盐水２,C正确;D．根据电极反应:３CO２＋２e－＋ H２O􀪅􀪅CO＋２HCO－３ ,每通过２mole－,消耗标 准状况下６７􀆰２LCO２,D错误.] 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 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