第四章 专题突破(八) 离子交换膜在电化学中的应用-【金版新学案】2025-2026学年新教材高二化学选择性必修1同步课堂高效讲义教师用书word（人教版 双选）

本讲义聚焦离子交换膜在电化学中的应用这一核心知识点，系统梳理其定义、功能、四类类型（阳离子、阴离子、质子、双极膜）及应用原理，通过“单膜”“双膜”“双极膜”“多膜”池分类例题与针对练习，构建从基础概念到复杂应用的学习支架。 资料以科学思维为核心，通过分类例题解析培养学生证据推理与模型建构能力，如双极膜H⁺和OH⁻定向移动分析；结合工业制备案例（如KMnO₄、Ca(H₂PO₄)₂）渗透科学态度与责任。课中辅助教师分层教学，课后针对练习助学生查漏补缺，提升解决电化学实际问题的能力。

　　离子交换膜是一种含有离子基团的、对溶液中离子具有选择透过性的高分子膜。其功能是在于选择性通过某些离子和阻断某些离子或隔离某些物质，从而制备、分离或提纯某些物质。 1.离子交换膜的功能 使离子选择性定向迁移(目的是平衡整个溶液的离子浓度或电荷)。 2.离子交换膜在电化学中的作用 (1)隔离某些物质防止发生反应。 (2)用于物质的制备。 (3)物质分离、提纯等。 3.离子交换膜的类型 离子交换膜由高分子特殊材料制成。离子交换膜分四类： (1)阳离子交换膜：简称阳膜，只允许阳离子通过，即允许H＋和其他阳离子通过，不允许阴离子通过。 (2)阴离子交换膜：简称阴膜，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，不允许其他阳离子和阴离子通过。 (4)双极膜：由一张阳膜和一张阴膜复合制成的阴、阳复合膜。该膜特点是在直流电的作用下，阴、阳膜复合层间的H2O解离成H＋和OH－并分别通过阳膜和阴膜，作为H＋和OH－的离子源。 4.应用原理 (1)阳(阴)离子交换膜有很多微孔，孔道上有许多带负(正)电荷的基团，阳(阴)离子可以自由通过孔道，而阴(阳)离子移动到孔道处，受到孔道带负(正)电荷基团的排斥而不能进入孔道中，因而不能通过交换膜。 质子交换膜是阳离子交换膜的特例，仅允许质子(H＋)通过，其他离子不能通过。 (2)交换膜隔离两种电解质溶液，避免负极材料与能发生反应的电解质溶液直接接触，能提高电流效率。在这种装置中，交换膜起到盐桥作用，且优于盐桥(盐桥需要定时替换或再生)。通过限制离子迁移，使指定离子在溶液中定向移动形成闭合回路，完成氧化剂和还原剂在不接触条件下发生氧化还原反应。 类型一　“单膜”池 镍氢电池的工作原理如图所示，放电时，电流由a极经外电路流向 b极。下列叙述正确的是(　　) A.放电时，b极发生还原反应 B.充电时，a极与电流负极连接 C.放电时，a极的电极反应式为NiO(OH)＋e－＋H2ONi(OH)2＋OH－ D.充电时，b极的电极反应式为MHx＋OH－－e－MHx－1＋H2O 答案：C 解析：放电时，电流由a极流向b极，说明a极为正极，b极为负极，b极发生氧化反应，故A错误；充电时，a为阳极，与电源正极连接，故B错误；放电时，a极为正极，发生还原反应，电极反应式为NiO(OH)＋e－＋H2ONi(OH)2＋OH－，故C正确；充电时，b极为阴极，电极反应式为MHx－1＋H2O＋e－MHx＋OH－，故D错误。 含离子交换膜电化学装置题的解题步骤 针对练1.KMnO4是一种重要的化学试剂，电解K2MnO4及某种稀碱性溶液可得到KMnO4、KOH， 学生用书⬇第119页 其工作原理如图所示(电极材料是铁与铂)，电解中M电极周围溶液逐渐变成紫红色，下列说法错误的是(　　) A.电极电势：a＞b B.N电极电极反应式为 2H2O＋2e－2OH－＋H2↑ C.当电路中有2 mol电子转移时，会有78 g离子通过X膜 D.M电极是铁、N电极是铂 答案：D 解析：由M电极周围溶液颜色的变化可确定有Mn生成，过程中锰元素价态升高，由此知M是阳极、N是阴极，a是正极、b是负极。正极的电势高于负极，A项正确；阴极上水中＋1价氢得到电子转化为H2，B项正确；电路中通过的电子物质的量与通过X膜的离子物质的量相同，当电路中有2 mol电子转移时，有2 mol K＋通过X膜，其质量为78 g，C项正确；若铁作阳极，则Mn无法放电转化为Mn，D项错误。 类型二　“双膜”池 利用热再生氨电池可实现CuSO4电镀废液的浓缩再生，同时利用该电池电解Na2SO4溶液(a、b电极均为石墨电极)，可以制得O2、H2、H2SO4和NaOH，装置如图所示，甲、乙两室均预加相同的CuSO4电镀废液，向甲室加入足量氨水后电池开始工作。下列说法正确的是(　　) A.隔膜为阳离子交换膜 B.当电路中转移2 mol电子时，1 mol S通过膜d向右移动 C.电池总反应为Cu2＋＋4NH3[Cu(NH3)4]2＋ D.M、P、X、Y对应的物质分别是稀硫酸、稀NaOH溶液、H2、O2 答案：C 解析：向甲室加入足量氨水后电池开始工作，则甲室电极溶解，铜失去电子发生氧化反应变为铜离子与氨气形成[Cu(NH3)4]2＋：Cu－2e－＋4NH3[Cu(NH3)4]2＋，因此甲室电极为负极，乙室电极为正极。硫酸根离子通过隔膜向负极移动，进入甲室，则隔膜为阴离子交换膜，A错误；b为阴极，电解池中阴离子向阳极移动，B错误；原电池中左侧负极是Cu－2e－＋4NH3[Cu(NH3)4]2＋，正极上铜离子得到电子发生还原反应生成铜：Cu2＋＋2e－Cu，则电池总反应为Cu2＋＋4NH3[Cu(NH3)4]2＋，C正确；结合A、B、C项分析可知，Y为阴极，X为阳极，该装置为电解硫酸钠的装置，在阳极产生氧气和硫酸，在阴极产生氢气和氢氧化钠，D错误。 有“膜”条件下离子定向移动方向的判断方法 根据物质转化中，元素化合价的变化或离子的移动(阳离子移向正极区域，阴离子移向负极区域)判断电池的正、负极，是分析该电池的关键。 针对练2.一种水性电解液Zn-MnO2离子选择双隔膜电池如下图所示。已知在KOH溶液中，Zn2＋以[Zn(OH )4]2－存在。下列叙述不正确的是(　　) A.放电时Zn作负极 B.a为阳离子交换膜，b为阴离子交换膜 C.放电时MnO2电极上发生的反应：MnO2＋4H＋＋2e－Mn2＋＋2H2O D.电路中每通过1 mol电子，Zn电极的质量减小32.5 g 答案：B 解析：根据题意可知，此装置为原电池，Zn为负极，发生氧化反应，电极反应为Zn－2e－＋4OH－[Zn(OH )4]2－，负极区K＋剩余，通过隔膜迁移到Ⅱ室；MnO2电极为正极，发生还原反应：MnO2＋2e－＋4H＋Mn2＋＋2H2O，正极区S通过隔膜迁移到Ⅱ室，故Ⅱ室中K2SO4溶液的浓度增大。由分析知Zn为负极，故A正确；Ⅰ室的S通过隔膜向Ⅱ室迁移，a为阴离子交换膜，K＋从Ⅲ室通过隔膜迁移到Ⅱ室，b为阳离子交换膜，故B错误；MnO2电极作正极，电极反应为MnO2＋4H＋＋2e－Mn2＋＋2H2O，故C正确；Zn电极反应式为Zn－2e－＋4OH－[Zn(OH )4]2－，所以电路中通过1 mol电子，负极锌溶解的质量为0.5 mol×65 g/mol＝32.5 g，故D正确。 类型三　双极膜 双极膜电渗析法制巯基乙酸(HSCH2COOH)和高纯度NaOH溶液的原理如图所示，其中a、b为离子交换膜，双极膜在直流电压下可解离出H＋和OH－。 学生用书⬇第120页 已知：双极膜复合层间H2O能解离为H＋和OH－，且实现H＋和OH－的定向通过。下列说法正确的是(　　) A.M极连接电源的正极，电极反应式为2H2O－4e－4H＋＋O2↑ B.膜a和膜b均为阳离子交换膜，Na＋经膜a由盐室移向碱室1 C.电解一段时间后，碱室2中NaOH溶液浓度变大 D.若将盐室中原料换成Na2SO4溶液，当外电路中通过2 mol e－时，可生成2 mol H2SO4 答案：B 解析：根据双极膜中H＋和OH－的移动方向知，M极为阴极连接电源的负极，其电极反应式为2H2O＋2e－2OH－＋H2↑，A错误；根据题意分析可知，膜a和膜b均为阳离子交换膜，盐室中Na＋经膜a由盐室移向碱室1，碱室1中产生OH－，使碱室1中NaOH溶液浓度变大，碱室2中Na＋经膜b移向纯水室生成NaOH溶液，B正确；N极为阳极，OH－失电子生成O2和水，结合B项分析知，碱室2中NaOH溶液浓度变小，C错误；外电路有2 mol电子通过时，盐室中有2 mol Na＋移向碱室1，双极膜中有2 mol H＋移向盐室，即得到1 mol H2SO4，D错误。 　　根据双极膜中H＋和OH－的移动方向(阳离子移向阴极区域，阴离子移向阳极区域)判断电解池的阴、阳极，是分析该电解池的关键。 针对练3.我国科研人员以二硫化钼(MoS2)作为电极催化剂，研发出一种Zn-NO电池系统，该电池同时具备合成氨和对外供电的功能，其工作原理如图所示(双极膜可将水解离成H＋和OH－，并实现其定向通过)。下列说法正确的是(　　) A.外电路中电子从MoS2电极流向Zn/ZnO电极 B.双极膜右侧为阴离子交换膜 C.当电路中转移0.2 mol电子时负极质量减小6.5 g D.使用MoS2电极能加快合成氨的速率 答案：D 解析：电子流向：负极→负载→正极，Zn/ZnO电极为负极，MoS2电极为正极，外电路中电子从Zn/ZnO电极流向MoS2电极，故A错误；Zn/ZnO电极为负极，电极反应式为Zn－2e－＋2OH－ZnO＋H2O，OH－移向Zn/ZnO电极，双极膜左侧为阴离子交换膜，故B错误；负极电极反应式为Zn－2e－＋2OH－ZnO＋H2O，负极由Zn→ZnO，增加质量为O元素质量，转移0.2 mol电子时增加0.1 mol氧原子，负极增加质量m＝nM＝0.1 mol×16 g/mol＝1.6 g，故C错误；结合提示，科研人员以二硫化钼MoS2作为电极催化剂，催化剂可以降低反应活化能，加快合成氨的反应速率，故D正确。 类型四　 “多膜”池 一种电解法制备Ca(H2PO4)2并得到NaOH等副产物的示意装置如图，下列说法正确的是(　　) A.与a、b相连的分别是电源的负极、正极 B.NaOH溶液中石墨电极上的反应为 2H2O＋2e－H2↑＋2OH－ C.A膜、C膜均为阴离子交换膜，B膜为阳离子交换膜 D.产品室中的Ca2＋和原料室的Na＋物质的量浓度同等程度增大 答案：B 解析：产品室生成Ca(H2PO4)2，则Ca2＋、H2P分别通过A膜、B膜移向产品室，则A膜、B膜分别为阳、阴离子交换膜，左侧电极为阳极，应连接电源正极，即a、b相连的分别是电源的正极、负极，故A错误；右侧石墨极为阴极，水放电，电极反应式为2H2O＋2e－H2↑＋2OH－，故B正确；A膜、C膜为阳离子交换膜，B膜为阴离子交换膜，故C错误；阳极室的Ca2＋透过A膜进入产品室，产品室中的Ca2＋离子浓度增大，原料室的Na＋透过C膜进入阴极室，Na＋浓度减小，故D错误。 离子交换膜类型的判断方法 　　根据电解质溶液呈中性的原则，判断膜的类型，判断时首先写出阴、阳两极上的电极反应，依据电极反应式确定该电极附近哪种离子剩余，因该电极附近溶液呈电中性，从而判断出离子移动的方向，进而确定离子交换膜的类型。 针对练4.我国力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。某高校研究团队提出，利用TiO2基催化剂光催化还原CO2转化为甲醇(CH3OH)，并利用双极膜电渗析法制取盐酸和氢氧化钠的装置如下图所示。下列说法不正确的是(　　) A.电极c的电势高于电极d的电势 B.N表示阴离子交换膜 C.甲室流出的为盐酸溶液 D.相比现有氯碱工业制取氢氧化钠，该方法更环保 答案：C 解析：由图分析，电极c由CO2转化为CH3OH，碳元素化合价降低，为原电池的正极，电极d是H2O中氧转化为O2，氧元素化合价升高，为原电池的负极，正极电势比负极高，A正确。由A分析可知，左边石墨为阴极，右边石墨为阳极，氯离子由乙室向丙室迁移，N为阴离子交换膜，B正确；钠离子由乙室向甲室迁移，OH－由双极膜向甲室迁移，甲室流出的为氢氧化钠溶液，C错误；相比现有氯碱工业制取氢氧化钠，该方法无氯气产生，更环保，D正确。 学生用书⬇第121页 1.硫化亚铜(Cu2S)可由Cu和S直接加热化合得到，也可由黄铜矿(CuFeS2，Cu、Fe均为＋2价)外接电源发生电化学反应转变而成，其工作原理如图所示。下列说法正确的是(　　) A.该装置将化学能转化为电能 B.装置中的离子交换膜是阴离子交换膜 C.电极b的反应式为2CuFeS2－2e－＋6H＋Cu2S＋2Fe2＋＋3H2S↑ D.电路中每通过0.2 mol电子，总共生成0.2 mol Cu2S 答案：D 解析：由题意可知，该装置为电解池，a电极为铜在硫化氢作用下，失去电子发生氧化反应生成硫化亚铜和氢离子，为阳极，电极反应式为2Cu－2e－＋H2SCu2S＋2H＋，b电极是阴极，CuFeS2在阴极得到电子发生还原反应生成Cu2S、Fe2＋、H2S，电极反应式为2CuFeS2＋6H＋＋2e－Cu2S＋2Fe2＋＋3H2S↑，氢离子通过阳离子交换膜，由左室向右室移动。由分析可知，该装置为将电能转化为化学能的电解池，A错误；工作时氢离子通过阳离子交换膜，由左室向右室移动，B错误；b电极是阴极，CuFeS2在阴极得到电子发生还原反应生成Cu2S、Fe2＋、H2S，电极反应式为2CuFeS2＋6H＋＋2e－Cu2S＋2Fe2＋＋3H2S↑，C错误；结合分析可知，电路中每通过0.2 mol电子，阴阳极各生成0.1 mol Cu2S，总共生成0.2 mol Cu2S，D正确。 2.以AgNO3浓差电池(电解质溶液浓度不同形成的电池)为电源，以石墨为电极将NH3转化为较高纯度的H2装置如图所示。下列说法正确的是(　　) A.电极A上的反应为2NH3－6e－N2↑＋6H＋ B.由于存在阴离子交换膜，电解过程中乙池溶液pH不变 C.当产生1.12 L H2(标准状况)时，丙室中电解质溶液质量减少17 g D.电池停止工作后，若要使电池恢复到初始状态，Ag(2)连接的是电源负极 答案：C 解析：从图示来看，A电极产生N2，应为电解池的阳极，左边浓差电池Ag(2)连接电极A，为原电池的正极，N向丁室迁移，OH－通过阴离子交换膜由甲室向乙室迁移，A电极上的反应为2NH3－6e－＋6OH－N2↑＋6H2O，故A错误；A极电极反应为2NH3－6e－＋6OH－N2↑＋6H2O，OH－由甲室向乙室迁移进行补充，但反应生成了水，故乙池NaOH溶液pH会减小，故B错误；产生1.12 L H2(标准状况)时，转移0.1 mol电子，丙室会有0.1 mol Ag＋生成Ag单质，同时有0.1 mol N从丙室移向丁室，一共减少17 g，故C正确；由于浓差电池中，Ag(2)电极的Ag＋浓度减小，若要使电池恢复到初始状态，Ag(2)电极需发生氧化反应产生Ag＋，则Ag(2)需要和电源正极相连，故D错误。 3.Li-O2电池比能量高，在汽车、航天等领域具有良好的应用前景。近年来科学家研究了一种光照充电Li-O2电池(如图所示)。光照时，光催化电极产生电子(e－)和空穴(h＋)，驱动阴极反应(Li＋＋e－Li)和阳极反应(Li2O2＋2h＋2Li＋＋O2)对电池进行充电。下列说法错误的是(　　) A.充电时，电池的总反应Li2O22Li＋O2 B.放电时，Li＋从正极穿过离子交换膜向负极迁移 C.充电效率与光照产生的电子和空穴量有关 D.放电时，正极发生反应O2＋2Li＋＋2e－Li2O2 答案：B 解析：光照时，光催化电极产生电子和空穴，驱动阴极反应和阳极反应对电池进行充电，结合阴极反应和阳极反应，充电时电池的总反应为Li2O22Li＋O2，A正确；放电时，金属Li电极为负极，光催化电极为正极，Li＋从负极穿过离子交换膜向正极迁移，B错误；充电时，光照光催化电极产生电子和空穴，阴极反应与电子有关，阳极反应与空穴有关，故充电效率与光照产生的电子和空穴量有关，C正确；放电时总反应为2Li＋O2Li2O2，则正极反应为O2＋2Li＋＋2e－Li2O2，D正确。 4.二氧化氯(ClO2)气体是国际上公认的高效、安全、广谱的杀菌消毒剂。目前已开发出用电解法制取ClO2的新工艺如图所示。 下列说法错误的是(　　) A.用石墨作电极，a接电源的负极 B.电解时a极区溶液的pH增大 C.离子交换膜应使用阴离子交换膜 D.产生ClO2一极的电极反应式为Cl－－5e－＋2H2OClO2↑＋4H＋ 答案：C 解析：电解法制取ClO2时，氯离子失电子被氧化为ClO2，所以b电极为阳极，接电源的正极，a电极为阴极，接电源的负极，故A正确；阴极电极反应式为2H2O＋2e－H2↑＋2OH－，所以电解时a极区溶液的pH增大，故B正确；根据图中箭头所示离子移动方向及a为阴极，b为阳极，离子交换膜应使用阳离子交换膜，故C错误；电解法制取ClO2时，氯离子失电子被氧化为ClO2，电极反应式为Cl－－5e－＋2H2OClO2↑＋4H＋，故D正确。 课时测评33　离子交换膜在电化学中的应用 (时间：45分钟　满分：60分) (本栏目内容，在学生用书中以独立形式分册装订！) (1－8题，每小题3分，共24分) 1.电解制备高锰酸钾的装置如图所示，下列说法正确的是(　　) A.b为电源负极 B.Ⅰ中的K＋通过阳离子交换膜移向Ⅱ C.若使用阴离子交换膜， 可提高KMnO4产品纯度 D.若阴极产生0.4 g气体，理论上可得到0.4 mol KMnO4 答案：D 解析：Mn在右侧电极转化为Mn，锰元素从＋6价升高为＋7价，被氧化，因此，右侧电极是电解池的阳极，b是电源的正极，则a是电源的负极，故A错误；电解池工作时，溶液中的阳离子向阴极移动，所以，该电解池中，Ⅱ中的K＋通过阳离子交换膜移向Ⅰ，故B错误；若使用阴离子交换膜，OH－会移向阳极，导致高锰酸钾的纯度降低，故C错误；该电解池工作时，阴极的电极反应式为2H2O＋2e－H2↑＋2OH－，若阴极生成0.4 g气体，电路中转移0.4 mol电子，根据电极反应Mn－e－ Mn知，阳极区生成0.4 mol KMnO4，故D正确。 2.电有机合成反应条件温和，生产效率高。电解合成1，2-二氯乙烷(ClCH2CH2Cl)的实验装置如图所示。下列说法不正确的是(　　) A.离子交换膜X、Y分别为阴离子交换膜和阳离子交换膜 B.阴极的电极反应为2H2O＋2e－H2↑＋2OH－ C.阴极产生22.4 L气体(标准状况下)，理论上可生成2 mol 1，2-二氯乙烷 D.阳极区发生的液相反应化学方程式为2CuCl2＋CH2CH2ClCH2CH2Cl＋2CuCl 答案：C 解析：根据实验装置，产生氢气的电极为阴极，电极反应为2H2O＋2e－2OH－＋H2↑，钠离子移向阴极，Y为阳离子交换膜；阳极亚铜离子失去电子发生氧化反应生成铜离子，氯离子移向阳极，X为阴离子交换膜。由分析可知，离子交换膜X、Y分别为阴离子交换膜和阳离子交换膜，故A正确；产生氢气的电极为阴极，电极反应为2H2O＋2e－2OH－＋H2↑，故B正确；阴极产生22.4 L气体(标准状况下，即1 mol氢气)，阳极亚铜离子失去电子发生氧化反应生成铜离子：Cu＋－e－Cu2＋，液相反应中C2H4被CuCl2氧化为1，2-二氯乙烷：CH2CH2＋2CuCl2ClCH2CH2Cl＋2CuCl，结合得失电子守恒和反应方程式可知，H2～2Cu2＋～ClCH2CH2Cl，则理论上可生成1 mol 1，2-二氯乙烷，故C错误、D正确。 3.传统合成氨采用氢气作为氢源，能耗高，我国科研机构采用水作为氢源，通过如图电化学装置实现了常温下氨的合成。下列说法正确的是(　　) A.在阳极池中加入盐酸不影响气体产物的成分 B.隔膜为阳离子交换膜，H＋通过该隔膜向左池移动 C.不考虑损耗，理论上氨气和氧气的产出比［］为 D.合成氨过程中，电子通过石墨电极流入电源的负极 答案：B 解析：结合题意和图可知，左池为电解池的阴极，发生氮气得电子产生氨气的还原反应，因此左池应该与电源负极相连；而右池则发生水的放电反应，水失去电子生成氧气与氢离子，为阳极，与电源正极相连。阳极池加入盐酸后，Cl－优先失电子生成Cl2，A项错误；电解过程中阳离子向阴极移动，B项正确；根据得失电子守恒可知，理论上氨气和氧气的产出比为4∶3，C项错误；石墨电极为阳极，电子由阳极流入电源的正极，D项错误。 4.高铁酸钠(Na2FeO4)是一种新型的消毒剂，以Fe、Ni为电极制取Na2FeO4的原理如图所示。下列叙述错误的是(　　) A.Fe电极的电极反应式为Fe－6e－＋8OH－Fe＋4H2O B.离子交换膜b为阴离子交换膜 C.通入Ⅰ室的水中加入少量NaOH，可以加快高铁酸钠的生成 D.每生成0.1 mol Na2FeO4，Ⅱ室中溶液减少的质量为32.0 g 答案：D 解析：该装置以Fe、Ni为电极制取Na2FeO4，为电解池装置，Fe电极为阳极，Ni电极为阴极，阳极电极反应式为Fe－6e－＋8OH－Fe＋4H2O，OH－移向Ⅲ室，阴极电极反应式为2H2O＋2e－H2↑＋2OH－，Na＋应移向Ⅰ室。Fe电极为阳极，Fe失电子生成Fe，电极反应式为Fe－6e－＋8OH－Fe＋4H2O，故A正确；Fe电极为阳极，Ni电极为阴极，Ⅱ室中的Na＋移向Ⅰ室，OH－移向Ⅲ室，故离子交换膜a、b分别为阳离子交换膜、阴离子交换膜，故B正确；通入Ⅰ室的水中加入少量NaOH，可以增强溶液的导电性，可以加快高铁酸钠的生成，故C正确；每生成0.1 mol Na2FeO4，外电路中通过0.6 mol电子，则Ⅱ室溶液中减少的NaOH的物质的量为0.6 mol，质量为24.0 g，故D错误。 5.三室式电渗析法处理含NH4NO3废水的原理如图所示，在直流电源的作用下，两膜中间的N和N可通过离子交换膜，而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。工作一段时间后，在两极区均得到副产品NH4NO3。下列叙述正确的是(　　) A.a极电势大于b极电势 B.c膜为阴离子交换膜，d膜为阳离子交换膜 C.阴极电极反应式为2N＋12H＋＋10e－N2↑＋6H2O D.当电路中通过1 mol电子时，阳极产生标准状况下O2 5.6 L 答案：D 解析：根据题意两极均得到副产品NH4NO3可知，Ⅱ室废水中的N移向Ⅰ室、N移向Ⅲ室，电解池中阳离子向阴极移动、阴离子向阳极移动，则Ⅰ室石墨电极为阴极、Ⅲ室石墨电极为阳极；阴极所连的a极为电源负极，阳极所连的b极为电源正极。由分析可知，a极为电源负极，b极为电源正极，a极电势低于b极电势，A错误；c膜通过的是N，故c膜应为阳离子交换膜，d膜通过的是N，故d膜为阴离子交换膜，B错误；阴极上H＋得电子生成氢气：2H＋＋2e－H2↑，然后迁移过来的铵根离子和硝酸根离子结合成硝酸铵，C错误；阳极的氢氧根离子失去电子发生氧化反应生成氧气：4OH－－4e－2H2O＋O2↑，则当电路中通过1 mol电子时，阳极会有0.25 mol O2生成，在标准状况下的体积为5.6 L，D正确。 6.我国科研人员设计了一条从乳酸增值至丙氨酸的电化学转化路径，同时可以实现废水的再利用，原理如图所示。已知：在外电场作用下，水分子会在双极膜的界面层解离为H＋和OH－。 下列说法错误的是(　　) A.理论上将废水中N还原到羟胺NH2OH需转移6 mol电子 B.阳极发生的反应为CH3CH(OH)COO－－2e－＋2OH－CH3COCOO－＋2H2O C.阴极发生的反应为＋5H＋＋4e－＋H2O D.双极膜在阳极区产生OH－，阴极区产生H＋ 答案：A 解析：由图可知，在外电场作用下，左侧物质发生氧化反应，则左侧电极为阳极，右侧电极为阴极，据此分析解答。 N中N为＋5价，NH2OH中N为－1价，理论上将1个N还原到羟胺NH2OH需转移6个电子，题干中未说明N的物质的量，无法计算转移电子的物质的量，A错误；由分析可知，左侧为阳极，发生的反应为CH3CH(OH)COO－－2e－＋2OH－CH3COCOO－＋2H2O，B正确；由分析可知，右侧为阴极，发生的反应为＋5H＋＋4e－＋H2O，C正确；电解池中，阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动，故双极膜在阳极区产生OH－，阴极区产生H＋，D正确。 7.使用交替排列的单价选择性阳离子交换膜和阴离子交换膜的电渗析过程如图所示。电渗析分离离子的原理是单价阳离子(例如：Li＋、Na＋、K＋)通过单价选择性阳离子交换膜迁移到浓缩室，而二价阳离子(例如：Ca2＋、Mg2＋)被阻挡，留在脱盐室，达到富集锂的目的。下列说法错误的是(　　) A.电极W连接电源正极，电极N连接电源负极 B.X口流出的是富Li＋盐水，Y口流出的是贫Li＋盐水 C.单价选择性阳离子交换膜是电渗析技术应用于盐湖卤水提锂的关键 D.该电渗析过程总的电解方程式为2H2O2H2↑＋O2↑ 答案：B 解析：由图可知，Cl－向W电极方向移动，Li＋向N电极方向移动，则W极是和电源正极相连的阳极，N极是和电源负极相连的阴极，故A正确；X口流出盐水所对应的两个交换膜之间，所含的Li＋通过单价选择性阳离子交换膜移向右边隔壁的两个膜之间，则X口流出的是贫Li＋盐水，而Y口流出盐水所对应的两个交换膜之间，则多了左边两个膜之间渗透移动过来的Li＋，则Y口流出的是富Li＋盐水，故B错误；通过对图分析，从盐湖卤水提锂，可利用图中的单价选择性阳离子交换膜和阴离子交换膜通过电渗析法使盐湖卤水中所含的锂离子富集起来，然后再提取锂，故C正确；从W电极和N电极的产物结合电解池电极离子的放电顺序可知，W电极是OH－放电，N电极是H＋放电，而OH－和H＋均来自水分子的电离，则整个电渗析过程中，被电解的是水，故D正确。 8.(双选)我国科学家研究出一种新型的可充电水系Zn-CO2电池,放电时装置如下图所示,其中双极膜间的H2O电离出的H+和OH-可以分别通过膜移向两极,下列说法正确的是 (　　) A.放电时,双极膜间的H2O电离出OH-移向左室 B.放电时,b极的电极反应式为 CO2+2e-+2H2OHCOOH+2OH- C.充电时,a极接外接电源正极,实现电能转化为化学能 D.充电时,当电路中转移2 mol电子时,理论上沉积65 g Zn 答案:AD 解析:由图可知,放电时,在a电极上,Zn失去电子转化为[Zn(OH)4]2-,锌元素由0价升高到+2价,发生氧化反应,为负极,电极反应为Zn-2e-+4OH- [Zn(OH)4]2-,在b电极上,发生还原反应,CO2得到电子,转化为HCOOH,为正极,电极反应为CO2+2H++2e-HCOOH,H2O电离出的H+和OH-可以分别由双极膜移向b极、a极,据此分析作答。根据分析可知,放电时,阴离子移向负极,电极a为负极,双极膜间的H2O电离出OH-移向左室,故A正确;根据分析可知,放电时,b极的电极反应为CO2+2H++2e-HCOOH,故B错误;a极为负极,充电时,a极接外接电源负极,实现电能转化为化学能,故C错误;充电时,a极接外接电源负极作阴极,阴极反应式为[Zn(OH)4]2-+2e-Zn+4OH-,当电路中转移2 mol电子时,理论上沉积Zn的质量为1 mol×65 g/mol=65 g,故D正确。 9.(18分)电化学在实际生活生产中十分常见，如环境保护，利用电化学进行物质制备等。回答下列问题： (1)氯碱工业能耗大，通过如图改进的设计可大幅度降低能耗。 ①离子交换膜应选择　　　　离子交换膜(填“阴或“阳”)。 ②反应的总化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　，电解一段时间后，右侧溶液质量　　　(填“增加”或“减少)。 (2)目前科学人员研究发现，用甲、乙电化学装置联合能够捕捉CO2。 ①装置甲的能量转化方式主要为　　　　　　　　　　　　　　。 ②装置甲的b电极采用多孔石墨的目的是　　　　　　　　　　　　　； b电极的电极反应式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 ③装置乙中的c电极与装置甲的　　　　(填字母)电极相连接，c电极的电极反应式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 ④当生成1 mol草酸铝时，甲、乙装置联合能够捕捉　　　　 mol CO2。 答案：(1)①阳　②4NaCl＋2H2O＋O22Cl2＋4NaOH　增加 (2)①化学能转化为电能　②增大与空气的接触面积，提高CO2的捕捉效率　2CO2＋2e－C2　③b　2C2－4e－4CO2↑＋O2↑　④7.5 解析：(1)由图可知，电极A氯离子失去电子发生氧化反应生成氯气，为电解池的阳极，钠离子通过阳离子交换膜移向阴极室，电极B为电解池的阴极，水分子作用下氧气在阴极得到电子发生还原反应生成氢氧根离子，在阴极室制得氢氧化钠，则电解的总反应为电解通入氧气的氯化钠溶液生成氯气和氢氧化钠；①由分析可知，电解时，阳极室的钠离子通过阳离子交换膜移向阴极室；②由分析可知，电解时，在阴极室制得氢氧化钠，则右侧溶液质量增加，电解的总反应化学方程式为4NaCl＋2H2O＋O22Cl2＋4NaOH。(2)由图可知，装置甲为原电池，电极a为原电池的负极，铝在负极失去电子发生氧化反应生成铝离子，电极b为正极，二氧化碳在正极得到电子发生还原反应生成草酸根离子；装置乙为电解池，c电极上C2失电子转化为O2、CO2为电解池的阳极与b相连，d电极为阴极，C在阴极得到电子发生还原反应生成碳；①由分析可知，装置甲为将化学能转化为电能的原电池；②由分析可知，装置甲的b电极为正极，二氧化碳在正极得到电子发生还原反应生成草酸根离子，电极反应式为2CO2＋2e－C2，采用多孔石墨有利于增大电极与空气的接触面积，提高二氧化碳的捕捉效率；③由分析可知，装置乙为电解池，二氧化碳与氧离子反应生成C2和碳酸根离子，c电极为电解池的阳极，C2在阳极失去电子发生氧化反应生成二氧化碳和氧气，电极反应式为2C2－4e－4CO2↑＋O2↑；④由化合价变化看，生成1 mol草酸铝时，外电路转移6 mol电子，由得失电子守恒可知，原电池的正极和电解池的阴极共捕捉二氧化碳的物质的量为6 mol＋6 mol×＝7.5 mol。 10.(18分)氯碱工业是以电解精制饱和食盐水的方法制取系列化工产品的重要化学工业。但氯碱工业是高耗能产业，某氯碱厂工程师设计如下新工艺，相关物料的传输与转化关系如图所示，将电解池与原电池相结合的新工艺可以节能30％以上，这样大大降低能耗，节约资源。请回答下列问题： (1)装置中，A为　　　　，B为　　　　(填“电解池”或“原电池”)。已知离子交换膜1为阳离子交换膜，离子交换膜2是　　　　　　　　(填“质子交换膜”“阳离子交换膜”或“阴离子交换膜”)。 (2)图中a、b、m、n均为惰性电极，b为　　　　极，m为　　　　极(填“阴”“阳”“正”或“负”)。X、Y分别是　　　　、　　　　(填物质名称)， C1　　　　C2(填“＞”“＜”或“＝”)。分别写出a、m电极的电极反应式：　 　　　　　　　　　　；　　　　　　　　　　　　　　　　　。 (3)这样的设计，主要节能之处在于(写出两处)：　　　　　　　　 　　 　　　　　　　；　　　　　　　　　　　　　　　　　。 答案：(1)原电池　电解池　阳离子交换膜 (2)负　阴　氢气　氯气　＜　O2＋4e－＋2H2O4OH－　2H2O＋2e－H2↑＋2OH－ (3)燃料电池可以补充电解池消耗的电能　提高产出碱液的浓度(降低能耗) 解析：由图分析可得，B装置右侧n极室是精制NaCl溶液进入，出的是稀的NaCl溶液，B是电解池，n极是氯离子放电生成氯气，为电解池的阳极，m为电解池的阴极，阴极生成氢气；A为燃料电池，负极是氢气失电子发生氧化反应，正极是氧气得电子发生还原反应，据此分析解答。(1)由分析可知，A为原电池，B为电解池；由于n极室是精制NaCl溶液进入，出的是稀的NaCl溶液，因此离子交换膜2为阳离子交换膜。(2)由分析可知，b为负极，m为阴极，X是氢气，Y是氯气；a极是氧气得电子，电极反应式为O2＋4e－＋2H2O4OH－，m极发生还原反应，电极反应式为2H2O＋2e－H2↑＋2OH－。(3)这样设计燃料电池可以补充电解池消耗的电能，并且可以提高产出碱液的浓度(降低能耗)。 学生用书⬇第122页 学科网（北京）股份有限公司 $