热点强化15 电化学装置中离子交换膜的应用-【优化探究】2026高考化学一轮复习高考总复习配套课件（鲁科版）

第10章　化学反应与能量转化 热点强化15 电化学装置中离子交换膜的应用 优化探究 大单元四　化学反应原理 【讲·热点归纳】 【练·热点突破】 2 【讲·热点归纳】 3 1.离子交换膜在电解池中的作用 (1)隔离：将两极区隔离，阻止两极区产生的物质接触。 ①防止副反应发生，避免影响所制取产品的质量。 ②防止副反应发生，避免引发不安全因素(如爆炸)。 (2)通透：能选择性的通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。 4 (3)形成浓差电池。 分析：左池为AgNO3稀溶液，右池为AgNO3浓溶液。只有两边AgNO3溶液浓度不同，才能形成浓差电池。 5 正、负电极均为Ag单质。随着反应进行，左右两池浓度的差值逐渐减小，外电路中电流将减小，电流表指针偏转幅度逐渐变小。当左右两侧离子浓度相等时，电池将停止工作，不再有电流产生，此时溶液中左、右两边硝酸银溶液的物质的量浓度相等。 离子交换膜的作用是不允许Ag＋穿过，只允许N通过，所以是阴离子交换膜。负极Ag失电子变成Ag＋，为了平衡电荷，正极区的N就通过阴离子交换膜向负极移动。 6 2.常见的离子交换膜(隔膜) (1)阳离子交换膜：简称阳膜，只允许_________离子通过。 (2)阴离子交换膜：简称阴膜，只允许_________离子通过。 (3)质子交换膜：只允许_________通过。 阳 阴 氢离子 7 3.含离子交换膜电化学装置的几个区域 (1)原料区 ①主料区：加入原料的_________溶液，流出原料的_________溶液。 ②辅料区：加入辅料的_________溶液，流出辅料的_________溶液。 (2)产品区：产品中的阴阳离子通过离子交换膜进入该区域。 (3)缓冲区：两侧的离子交换膜属性相同，起防漏的保护作用。 浓 稀 稀 浓 8 (4)计算含交换膜电化学装置中某一区域质量变化，注意离子的迁移。 装置 问题 根据O2~4e－~4H＋，阳极产生1 mol O2时，有4 mol H＋由阳极移向阴极，则阳极溶液的质量减轻32 g＋4 g＝36 g [典例分析] (1)双膜三室处理吸收液(吸收了烟气中的SO2)(或污水) 阳极室：HS－2e－＋H2O====S＋ 3H＋或S－2e－＋H2O====S＋2H＋。 吸收液(或污水)：Na＋穿过阳离子交换膜 进入阴极室(左室)；HS和S穿过阴 离子交换膜进入阳极室(右室)。 阴极室：2H2O＋4e－====2OH－＋H2↑， HS＋OH－====S＋H2O。 产品： 阳极室，较浓的硫酸；阴极室(左室)，亚硫酸钠。 (2)三膜四室制备硼酸[H3BO3( 一元弱酸)] 阳极室：2H2O－4e－====O2↑＋4H＋。 产品室：H＋＋B(OH====H3BO3＋H2O。 原料室：B(OH穿过阴膜进入产品室， Na＋穿过阳膜进入阴极室。 阴极室：4H2O＋4e－====2H2↑＋4OH－。 【练·热点突破】 12 1.(2024·辽宁卷) “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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 。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↑ A 13 解析：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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 反应物，由反应机理 可知：反应 后生成的 转化为HCOOH。由原子守恒和 14 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－。A.由以上分析可知，阳极反应：①HCHO＋OH－－e－HCOOH＋H2，②HCOOH＋OH－====HCOO－＋H2O，阴极反应2H2O＋2e－====H2↑＋2OH－，即转移 2 mol电子时，阴、阳两极各生成1 mol H2，共2 mol H2，而传统电解 水：2H2O2H2↑＋O2↑，转移2 mol电子，只有阴极生成1 mol H2， 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 15 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＋H2，②HCOOH＋OH－==== HCOO－＋H2O，由(①＋②)×2得阳极反应为2HCHO－2e－＋4OH－====2HCOO－＋2H2O＋H2↑，故D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 16 2.(2023·北京卷)回收利用工业废气中的CO2和SO2，实验原理示意图如图。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 下列说法不正确的是(　　) A.废气中SO2排放到大气中会形成酸雨 B.装置a中溶液显碱性的原因是HC的 水解程度大于HC的电离程度 C.装置a中溶液的作用是吸收废气中的CO2和SO2 D.装置b中的总反应为S＋CO2＋H2OHCOOH＋S C 17 解析：SO2是酸性氧化物，废气中SO2排放到大气中会形成硫酸型酸雨，故A正确；装置a中溶液的溶质为NaHCO3，溶液显碱性，说明HC的水解程度大于其电离程度，故B正确；装置a中NaHCO3溶液的作用是吸收SO2气体，NaHCO3溶液不能吸收CO2，故C错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 18 3.(2023·广东卷)用一种具有“卯榫”结构的双极膜组装电解池(如图)，可实现大电流催化电解KNO3溶液制氨。工作时，H2O在双极膜界面处被催化解离成H＋和OH－，有利于电解反应顺利进行。下列说法不正确 的是(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 A.电解总反应：KNO3＋3H2ONH3·H2O＋2O2↑＋KOH B.每生成1 mol NH3·H2O，双极膜处有9 mol的H2O解离 C.电解过程中，阳极室中KOH的物质的量不因反应而改变 D.相比于平面结构双极膜，“卯榫”结构可提高氨的生成速率 B 19 解析：由大电流催化电解KNO3溶液 制氨可知，在电极a处KNO3放电生 成NH3，发生还原反应，故电极a为 阴极，电极反应为N＋8e－＋ 9H＋====NH3·H2O＋2H2O，电极b 为阳极，电极反应为4OH－－4e－ ====O2↑＋2H2O，电解总反应为KNO3＋3H2ONH3·H2O＋2O2↑＋KOH，故A正确；每生成1 mol NH3·H2O，阴极得8 mol e－，同时双极膜处有8 mol H＋进入阴极室，即有8 mol的H2O解离，故B错误；电解过程中，阳极室每消耗4 mol OH－，同时有4 mol OH－通过双极膜进入阳极室，KOH的物质的量不因反应而改变，故C正确；相比于平面结构双极膜，“卯榫”结构具有更大的膜面积，有利于H2O被催化解离成 H＋和OH－，可提高氨的生成速率，故D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 4.(2023·湖北卷)我国科学家设计如图所 示的电解池，实现了海水直接制备氢气 技术的绿色化。该装置工作时阳极无Cl2 生成且KOH溶液的浓度不变，电解生成 氢气的速率为x mol·h－1。下列说法错误的是(　　) A.b电极反应为2H2O＋2e－====2OH－＋H2↑ B.离子交换膜为阴离子交换膜 C.电解时海水中动能高的水分子可穿过PTFE膜 D.海水为电解池补水的速率为2x mol·h－1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 D 21 解析：b电极为阴极，发生还原反应，电 极反应为2H2O＋2e－====H2↑＋2OH－， 故A正确；该装置工作时阳极无Cl2生成 且KOH浓度不变，阳极发生的电极反应 为4OH－－4e－====O2↑＋2H2O，为保持 OH－浓度不变，则阴极产生的OH－要通 过离子交换膜进入阳极室，即离子交换膜应为阴离子交换膜，故B正确；电解时电解槽中不断有水被消耗，海水中的动能高的水分子可穿过PTFE膜，为电解池补水，故C正确；由电解总反应可知，每生成1 mol H2要消耗1 mol H2O，生成H2的速率为x mol·h－1，则补水的速率也应是x mol·h－1，故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 5.(2022·全国甲卷)一种水性电解液Zn－ MnO2离子选择双隔膜电池如图所示[KOH 溶液中，Zn2＋以Zn(OH形式存在]。电 池放电时，下列叙述错误的是(　　) A.Ⅱ区的K＋通过隔膜向Ⅲ区迁移 B.Ⅰ区的S通过隔膜向Ⅱ区迁移 C.MnO2电极反应：MnO2＋4H＋＋2e－====Mn2＋＋2H2O D.电池总反应：Zn＋4OH－＋MnO2＋4H＋====Zn(OH＋Mn2＋＋2H2O 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 A 23 解析：根据图示的电池结构和题目所给信 息可知，Ⅲ区Zn为电池的负极，电极反应 为Zn－2e－＋4OH－====Zn(OH，Ⅰ区 MnO2为电池的正极，电极反应为MnO2＋ 2e－＋4H＋====Mn2＋＋2H2O，K＋从Ⅲ区 通过隔膜向Ⅱ区迁移，A错误、C正确； Ⅰ区的S通过隔膜向Ⅱ区迁移，B正确；电池的总反应为Zn＋4OH－＋MnO2＋4H＋====Zn(OH＋Mn2＋＋2H2O，D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 6.(2025·吉林白山模拟)我国科学团队 研发了一种绿色环保“全氧电池”，有 望减少废旧电池产生的污染。其工作原 理如图所示。下列说法正确的是(　　) A.K＋向电极a移动 B.电极b的电极反应为O2＋4e－＋2H2O====4OH－ C.理论上，当电极a释放22.4 L O2(标准状况下)时，KOH溶液质量减少 32 g D.“全氧电池”工作时总反应为H＋＋OH－====H2O 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 D 25 解析：A.阳离子流向正极，即K＋向电极 b移动，A错误；B.电极b上为O2得电子， 溶液是酸性环境，电极反应为O2＋ 4e－＋4H＋====2H2O，B错误；C.电极a 的电极反应为4OH－－4e－====O2↑＋2H2O，理论上，当电极a释放22.4 L O2(标准状况下)即1 mol O2时，同时有4 mol K＋移向右侧的K2SO4溶液中，所以KOH溶液减少的质量为1 mol×32 g·mol－1＋4 mol× 39 g·mol－1＝188 g，C错误；D.根据正负极反应，“全氧电池”工作时总反应为H＋＋OH－====H2O，D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 7.(2025·辽宁沈阳模拟)香港城市大学、中国科学 院深圳先进技术研究院和深圳大学合作，证明了 TiO2纳米片在酸性条件下具有本征差的析氢活性， 展现出快速选择性地将硝酸根离子还原为氨的催 化性能。下列有关装置放电过程(如图所示)的叙述错误的是(　　) A.电子由a极经用电器流向b极 B.a极为负极，b极发生还原反应 C.b极上的电极反应为＋8e－＋6H2O====NH3↑＋9OH－ D.a极质量减少2.60 g时，双极膜中有0.08 mol H＋向a极区迁移 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 D 27 解析：a极上Zn发生失电子的氧化反应转化成 Zn2＋，a极为负极，b极上硝酸根离子发生得电 子的还原反应转化成NH3，b极为正极。A.放电 时，电子由负极(a极)经用电器流向正极(b极)， A项正确；B.根据分析，a极为负极，b极为正 极，b极上发生还原反应，B项正确；C.b极 上硝酸根离子发生还原反应转化成NH3，电极反应为＋8e－＋6H2O====NH3↑＋9OH－，C项正确；D.a极电极反应为Zn－2e－====Zn2＋，a极减少Zn的物质的量为＝0.04 mol，电路中通过电子的物质的量为0.08 mol，阳离子移向正极，双极膜中有0.08 mol H＋向b极区迁移，D项错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 8.某二氧化氯复合消毒剂发生器的工作原理如图所示。通电后，产生成分为ClO2、Cl2、O3、H2O2的混合气体甲，被水吸收后可制得具有更强 的广谱杀菌灭毒能力的二氧化氯复合消毒剂。下列说法正确的是(　　) A.m端为电源正极，离子交换膜为阴离子 交换膜 B.产生ClO2的电极反应为Cl－＋5e－＋2H2O ====ClO2↑＋4H＋ C.通电后d口所在极室pH升高，e口排出NaOH溶液 D.标准状况下，b口每收集到2.24 L气体乙，电路中转移电子0.4NA 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 C 29 解析：左室中氯元素化合价升高，发生氧化反应，为阳极室，故m端为电源的正极，n端为电源的负极，右室发生还原反应，水放电生成氢气与氢氧根离子，离子交换膜为阳离子交换膜，左室中的钠离子通过离子交换膜进入右室，溶液丙为NaOH溶液。A项，由上述分析可知，离子交换膜为阳离子交换膜，故A错误；B项，Cl－转化为ClO2发生氧化反应，应是失去电子，故B错误；C项，右室是水放电生成氢气与氢氧根离子，右室pH升高，左室中的钠离子通过离子交换膜进入右室，e口排出NaOH溶液，故C正确；D项，标准状况下，b口每收集到2.24 L(0.1 mol)气体乙(H2)，电路中转移电子0.2NA，故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 9.普通电解精炼铜的方法所制备的铜中仍 含杂质，利用如图所示的双膜(阴离子交 换膜和过滤膜)电解装置可制备高纯度的 Cu。下列有关叙述正确的是(　　) A.电极a为粗铜，电极b为纯铜 B.甲膜为过滤膜，可阻止阳极泥及漂浮物杂质进入阴极区 C.乙膜为阴离子交换膜，可阻止杂质阳离子进入阴极区 D.当电路中通过1 mol电子时，可生成32 g纯铜 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 D 31 解析：由题意结合电解原理可知，电极a是阴极，为纯铜，电极b是阳极，为粗铜，A项错误；甲膜为阴离子交换膜，可阻止杂质阳离子进入阴极区，B项错误；乙膜为过滤膜，可阻止阳极泥及漂浮物杂质进入阴极区，C项错误；当电路中通过1 mol电子时，可生成0.5 mol 纯铜，其质量为32 g，D项正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 10.(2025·广东江门模拟)有机电化学合成法具有绿色高效的特性,可将硝基苯合成对氨基苯酚的过程由原来的4步简化为1步,合成过程如图所示。下列说法正确的是(　　) A.b是电源的负极 B.电解时,电子从左往右穿过质子交换膜 C.电解时每转移4 mol电子,右室溶液质量减少32 g D.电极X的电极反应为 +4H++4e-=== +H2O D 33 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 解析:硝基苯转化为对氨基苯酚为还原反应,阴极发生还原反应,所以电极X为阴极,则电极Y为阳极,阴极电极反应为 +4H++4e-=== +H2O,阳极电极反应为2H2O-4e-===O2↑+4H+。据以上分析可知,电极X为阴极,电极Y为阳极,则b是电源的正极,故A错误; 电解时,电子不能通过溶液,故B错误;电解时阴极电极反应为 +4H++ 4e-=== +H2O,阳极电极反应为2H2O-4e-===O2↑+4H+,每转移4 mol电子,阳极室有4 mol H+通过质子交换膜进入阴极室,所以右室溶液减少的质量为1 mol O2和4 mol H+质量之和,为32 g+4 g=36 g,故C错误;据以上分析可知,电极X为阴极,其电极反应为 +4H++4e-=== +H2O,故D正确。 11.利用电解法制备Ca(H2PO4)2并得到副产物NaOH和Cl2。下列说法正确 的是(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 A.C膜可以为质子交换膜 B.阴极室的电极反应为2H2O－4e－====O2↑＋4H＋ C.可用铁电极替换阴极的石墨电极 D.每转移2 mol e－时，阳极室中c(Ca2＋)就降低1 mol·L－1 C 35 解析：通过图示分析C膜只能是阳离子交换膜，A项错误；阴极室的电极反应为2H2O＋2e－====H2↑＋2OH－，B项错误；阴极电极材料不参与反应，故可用铁电极替换阴极的石墨电极，C项正确；未给出溶液体积，无法计算离子的浓度，D项错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 $$