8.5 第36讲 新型含膜电化学装置在生产生活中的应用（教师用书word）-【金版新学案】2026年高考化学高三总复习大一轮复习（广东专版）

该高中化学讲义聚焦新型含膜电化学装置高考核心考点，涵盖离子交换膜类型作用、单/双/三膜及双极膜装置解读，按“基础原理-生产应用-综合模型”逻辑架构知识体系。通过考点梳理、装置分析方法指导、高考真题与模拟题分层训练，帮助学生突破电极判断、离子移动等难点，体现复习系统性与针对性。 讲义以科学思维与科学探究为导向，创新采用“装置类型+应用场景”双主线教学，如双膜三室装置通过“电极判断-反应书写-离子移动”三步法培养分析能力。结合物质制备、三废处理等真实情境题，融入高考真题溯源，设置基础到综合分层练习，助力学生高效掌握考点，为教师把控复习节奏提供实用教学资源。

第36讲　新型含膜电化学装置在生产生活中的应用 【复习目标】　1.知道离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜，了解离子交换膜的种类。2.通过离子交换膜将工业生产与电化学知识有机的融合，实现资源的最优配置，用以考查学生的学以致用能力。 1.离子交换膜的类型及作用 2.常见含“膜”电化学装置解读 (1)单膜双室 带阳离子交换膜的氯碱工业电解模型： 分析如下： 此时，阳离子交换膜的作用是平衡电荷，形成闭合回路；防止Cl2和H2混合而引起爆炸；避免Cl2与NaOH反应生成NaClO影响NaOH的产量；避免Cl－进入阴极区导致制得的NaOH不纯。 (2)双膜三室 水溶液中电解制备金属钴的装置示意图 分析如下： 判断电极名称 书写电极反应 检查离子浓度变化 确定膜(或离子移动方向) 阳极 (石墨) 2H2O－4e－O2↑＋4H＋ Ⅰ室c(H＋)增大，即c(阳离子)增大 H＋通过阳离子交换膜由Ⅰ室移向Ⅱ室 阴极 (Co) Co2＋＋2e－Co Ⅲ室阴离子电荷数大于阳离子电荷数 Cl－通过阴离子交换膜由Ⅲ室移向Ⅱ室 (3)三膜四室 以四室电渗析法制备H3PO2(次磷酸)为例，其工作原理如图所示： 分析如下： 判断电 极名称 书写电极反应 检查离子浓度变化 确定膜(或离 子移动方向) 阳极(a) 2H2O－4e－ O2↑＋ 4H＋ 阳极室 c(H＋)增大，即c(阳离子)增大 H＋通过阳离子交换膜进入产品室，原料室中的H2P通过阴离子交换膜进入产品室 阴极(b) 4H2O＋4e－2H2↑＋4OH－ 阴极室 c(OH－)增大，即c(阴离子)增大 原料室中的Na＋通过阳离子交换膜进入阴极室 学生用书⬇第211页 (4)创新考查中的双极膜 分析如下： 双极膜是一种新型离子交换膜，其膜主体可分为阴离子选择层、阳离子选择层和中间界面层，水解离催化剂被夹在中间的离子交换聚合物中。与传统阴、阳离子交换膜不同，双极膜可以大幅度降低内部电阻，同时水电离产生H＋ 和OH－可在电场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。 物质制备 1.(2024·惠州一模)电解法制取Na2FeO4的总反应为Fe＋2H2O＋2OH－ Fe＋3H2↑，工作原理如图所示。 已知：Na2FeO4只在强碱性条件下稳定，易被H2还原。下列叙述正确的是(　　) A.铁电极作阳极，发生还原反应 B.Ni电极发生的反应为2H2O＋2e－H2↑＋2OH－ C.通电后Na＋向右移动，阴极区Na＋浓度增大 D.当电路中通过1 mol电子时，阴极区有11.2 L H2 生成 答案：B 解析：铁电极与电源正极相连，为阳极，发生氧化反应，生成Fe，故A错误；Ni电极为阴极，发生的反应为2H2O＋2e－H2↑＋2OH－，B正确；为保障阳极区的强碱性条件，该电解池中离子交换膜只能是阴离子交换膜，因此通电后，阴极区的 OH－向左移动，故C错误；当电路中通过1 mol电子时，生成 0.5 mol氢气，温度压强不知，无法计算气体的体积，故D错误。 2.(2024·佛山二模)过硫酸铵[(NH4)2S2O8]可用作氧化剂、漂白剂。利用电解法在两极分别生产过硫酸铵和过氧化氢的装置如图所示。下列说法错误的是(　　) A.a为外接电源的负极 B.电解总反应：O2＋2H＋＋2SH2O2＋S2 C.阴离子交换膜可用阳离子交换膜替代 D.电解池工作时，Ⅰ室溶液质量理论上逐渐减小 答案：C 解析：氧元素的化合价由－2升高为－1价，化合价升高被氧化，故右侧Pt电极为阳极，b为外接电源正极，a为外接电源负极，左侧Pt电极为阴极。根据分析，a为外接电源的负极，A正确；根据分析，阴极氧气被还原，阳极硫酸根被氧化，电解总反应正确，B正确；根据阳极产物可知，反应需要消耗硫酸根，阴离子交换膜不可用阳离子交换膜替代，C错误；电解池工作时，Ⅰ室溶液中氢离子移向阴极，硫酸根移向阳极，消耗硫酸，Ⅰ室溶液质量理论上逐渐减小，D正确。 “三废”处理和环境保护 3.在直流电源作用下，双极膜中间层中的H2O解离为H＋和OH－，利用双极膜电解池产生强氧化性的羟基自由基(·OH)处理含苯酚废水和含SO2的烟气，工作原理如图所示。下列说法错误的是(　　) A.电势：N电极＞M电极 B.阴极电极反应式为O2＋2e－＋2H＋2·OH C.每处理9.4 g苯酚，理论上有2.8 mol H＋透过膜a D.若·OH只与苯酚和SO2反应，则参加反应的苯酚和SO2物质的量之比为1∶14 答案：C 解析：M极上O2得电子生成羟基自由基(·OH)，说明M极为阴极，连接电源的负极，N极为阳极，故电势：N电极＞M电极，A正确；M为阴极，阴极上O2得电子生成羟基自由基(·OH)，电极反应式为O2＋2e－＋2H＋2·OH，B正确；1 mol苯酚转化为CO2，转移28 mol电子，每处理9.4 g苯酚(即0.1 mol)，理论上有2.8 mol电子转移，则有2.8 mol H＋透过膜b，C错误；若·OH只与苯酚和SO2反应，转移电子数之比为28∶2，则参加反应的苯酚和SO2物质的量之比为1∶14，D正确。 4.(2024·汕头二模)间接电解法可对大气污染物NO进行无害化处理。其工作原理如图所示(质子膜只允许H＋通过)。下列有关说法错误的是(　　) A.电极b接电源正极，电解过程中附近溶液的pH增大 B.电极a的电极反应式为2HS＋2e－＋2H＋S2＋2H2O C.电解过程中右侧Na2SO4的浓度增大 D.电解过程中有4 mol H＋通过质子膜时，可处理60 g NO 答案：A 解析：由装置可知电极b上水放电生成氧气，电极反应式为2H2O－4e－O2↑＋4H＋，生成的氢离子通过质子膜向电极a移动，电极b附近溶液的pH值不变，故A错误；电极a上HS转化为S2，电极反应式为2HS＋2e－＋2H＋S2＋2H2O，故B正确；由电解反应可知电极b上水放电生成氧气，反应生成的氢离子通过质子膜进入左侧，电解过程中消耗水，则右侧Na2SO4的浓度增大，故C正确；由电极反应可知电解过程中有4 mol H＋通过质子膜时，电路中转移4 mol电子，则生成2 mol S2，S2与NO反应生成氮气和HS，反应方程式为2S2＋2NO＋2H2O4HS＋N2，2 mol S2可处理2 mol NO，质量为60 g，故D正确。 学生用书⬇第212页 物质的分离与提纯 5.利用含双膜(阴离子交换膜和过滤膜)电解装置将普通电解精炼铜所制备的精铜(仍含微量杂质)提纯为高纯度铜。下列有关叙述中不正确的是(　　) A.电极a为高纯度铜，电极b为精铜 B.电极b上发生的主要反应为Cu－2e－Cu2＋ C.甲膜为阴离子交换膜，可阻止杂质阳离子进入阴极区 D.相同时间内b电极减少的质量和a电极增加的质量相等 答案：D 解析：电解精炼金属铜时高纯铜为阴极，精铜为阳极，A正确；精铜中主要成分是Cu，故阳极b上发生的主要反应为Cu－2e－Cu2＋，B正确；甲膜为阴离子交换膜，可阻止杂质阳离子进入阴极区在阴极上放电，得不到高纯铜，C正确；b电极为含有杂质的铜，铜和杂质中活泼的金属都能发生失电子的反应，杂质中还可能含有不参与电极反应的固体杂质，而a电极上只析出金属铜，故相同时间内b电极减少的质量和a电极增加的质量不相等，D错误。 1.(2023·全国甲卷)用可再生能源电还原CO2时，采用高浓度的K＋抑制酸性电解液中的析氢反应可提高多碳产物(乙烯、乙醇等)的生成率，装置如下图所示。下列说法正确的是(　　) A.析氢反应发生在IrOx-Ti电极上 B.Cl－从Cu电极迁移到IrOx-Ti电极 C.阴极发生的反应有：2CO2＋12H＋＋12e－C2H4＋4H2O D.每转移1 mol电子，阳极生成11.2 L气体(标准状况) 答案：C 解析：IrOx-Ti电极接电源正极，为阳极，发生失电子的氧化反应，故电极反应为2H2O－4e－4H＋＋O2↑，A错误；质子交换膜只允许H＋通过，故左室H＋从IrOx-Ti电极向Cu电极迁移，B错误；Cu电极接电源负极，为阴极，发生得电子的还原反应，根据图中物质转化关系知CO2可发生反应2CO2＋12H＋＋12e－C2H4＋4H2O，C正确；由A可知每转移1 mol电子，阳极生成0.25 mol即5.6 L(标准状况)O2，D错误。 2.(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(　　) 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”结构可提高氨生成速率 答案：B 解析：由信息大电流催化电解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，电极方程式为N＋8e－＋9H＋NH3·H2O＋2H2O，电极b为阳极，电极方程式为4OH－－4e－O2↑＋2H2O，“卯榫”结构的双极膜中的H＋移向电极a，OH－移向电极b。由分析中阴阳极电极方程式可知，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－，可提高氨生成速率，故D正确。 3.(2023·北京卷)回收利用工业废气中的CO2和SO2，实验原理示意图如下。 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 答案：C 解析：SO2是酸性氧化物，废气中SO2排放到空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，是因为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，CO2与NaHCO3溶液不反应，不能吸收CO2，故C错误；由电解池阴极和阳极物质可知，装置b中总反应为S＋CO2＋H2OHCOOH＋S，故D正确。 学生用书⬇第213页 一、多池串联的两大模型及原理分析 模型一　外接电源与电解池的串联(如图) A、B为两个串联电解池，相同时间内，各电极得失电子数相等。 模型二　原电池与电解池的串联(如图) 甲、乙两图中，A均为原电池，B均为电解池。 二、多室装置的分析 　　为实现特定功能需求，在电化学装置中增加离子交换膜，将原电池或电解池分隔成两个或多个相对独立的室。 1.离子交换膜的分类和应用 2.分析某室质量变化的关键 分析某室质量的变化，既要考虑该区(或该电极)的化学反应，又要考虑通过“交换膜”的离子带来的质量变化。 1.(2022·山东卷改编)设计如图装置回收金属钴。保持细菌所在环境pH稳定，借助其降解乙酸盐生成CO2，将废旧锂离子电池的正极材料LiCoO2(s)转化为Co2＋，工作时保持厌氧环境，并定时将乙室溶液转移至甲室。已知电极材料均为石墨材质，右侧装置为原电池。下列说法错误的是(　　) A.装置工作时，甲室溶液pH逐渐减小 B.装置工作一段时间后，乙室应补充盐酸 C.乙室电极反应为LiCoO2＋2H2O＋e－Li＋＋Co2＋＋4OH－ D.若甲室Co2＋减少200 mg，乙室Co2＋增加300 mg，则此时已进行过溶液转移 答案：C 解析：电池工作时，左边装置中细菌上乙酸盐的阴离子失去电子被氧化为CO2气体：CH3COO－－8e－＋2H2O2CO2↑＋7H＋，Co2＋在另一个电极上得到电子，被还原产生Co单质，CH3COO－失去电子后，H＋、金属阳离子通过阳膜移向甲室，甲室溶液pH减小，A正确；对于乙室，正极上LiCoO2得到电子，被还原为Co2＋，同时得到Li＋，电极反应为LiCoO2＋e－＋4H＋Li＋＋Co2＋＋2H2O，C错误；依据电子守恒，乙室消耗的H＋比负极CH3COO－反应产生的H＋多，因而需补充盐酸，B正确；根据得失电子守恒，可知没有进行溶液转移时，乙室Co2＋增加的质量是甲室Co2＋减少质量的2倍，而实际二者倍数为＝1.5＜2，故此时已进行过溶液转移，D正确。 学生用书⬇第214页 2.(2024·湖北重点中学联考)污水资源化利用既可以缓解水的供需矛盾，又可以减少水污染。化学工作者提出采用电解法除去工业污水中的NaCN，其原理如图所示，通电前先向污水中加入适量食盐并调整其pH维持碱性(CN－不参与电极反应)。下列说法正确的是(　　) A.b为电源的负极 B.隔膜Ⅰ为阴离子交换膜 C.X为H2，电极反应为2H2O＋2e－H2↑＋2OH－ D.当生成2.24 L N2时，电路中通过1 mol电子 答案：C 解析：右侧氯离子放电得到次氯酸根离子，次氯酸根离子再氧化CN－为氮气，所以右侧电极为阳极，b为电源的正极，故A错误；a为电源的负极，左侧电极为阴极，发生反应：2H2O＋2e－H2↑＋2OH－，阴离子增加，污水中的钠离子会通过隔膜Ⅰ进入左侧，形成浓氢氧化钠溶液，所以隔膜Ⅰ为阳离子交换膜，故B错误、C正确；生成的2.24 L N2未标明条件，无法求得电路中通过电子的物质的量，故D错误。 3.电渗析法淡化海水的装置如图所示，电解槽中阴离子交换膜和阳离子交换膜相间排列，将电解槽分隔成多个独立的间隔室，海水充满在各个间隔室中。通电后，一个间隔室的海水被淡化，而其相邻间隔室的海水被浓缩，从而实现了淡水和浓缩海水分离。下列说法正确的是(　　) A.离子交换膜b为阳离子交换膜 B.各间隔室的排出液中，①③⑤⑦为淡水 C.通电时，电极1附近溶液的pH比电极2附近溶液的pH变化明显 D.淡化过程中，得到的浓缩海水没有任何使用价值 答案：B 解析：分析题图可知，电极1为电解池的阳极，氯离子放电生成氯气，电极2为阴极，溶液中氢离子得到电子生成氢气，离子交换膜a是阳离子交换膜，离子交换膜b为阴离子交换膜，结合阴、阳离子移向可知，各间隔室的排出液中，①③⑤⑦为淡水，A错误、B正确；通电时，阳极电极反应：2Cl－－2e－Cl2↑，阴极电极反应：2H2O＋2e－H2↑＋2OH－，电极2附近溶液的pH比电极1附近溶液的pH变化明显，C错误；淡化过程中，得到的浓缩海水可以提取氯化钠、镁、溴等，有使用价值，D错误。 4.我国科学家开发出了一种Zn-NO电池系统，该电池具有同时合成氨和对外供电的功能，其工作原理如图所示，下列说法错误的是(　　) A.电极电势：Zn/ZnO电极＜MoS2电极 B.Zn/ZnO电极的反应式为Zn－2e－＋2OH－ZnO＋H2O C.电池工作一段时间后，正极区溶液的pH减小 D.电子流向：Zn/ZnO电极→负载→MoS2电极 答案：C 解析：由题意及装置图可知，Zn/ZnO电极为负极，MoS2电极为正极，正极电势高于负极电势，A正确；正极区消耗的H＋源于双极膜解离出的H＋，且产生的NH3会部分溶解，所以正极区溶液的pH不会减小，C错误；电子流向：负极→负载→正极，D正确。 5.二十大报告明确了生态文明建设的总基调是推动绿色发展。NO-空气质子交换膜燃料电池实现了制硝酸、发电、环保三位一体的结合。某化学兴趣小组用如图装置模拟工业处理废气和废水的过程。已知电极材料均为惰性电极。回答下列问题： (1)甲池在放电过程中的负极反应为　　　　　　　　　　　　　。 (2)乙池中通入废气SO2的电极为　　　　极，乙池总反应的离子方程式为　　　　　　 　　　　　　　　。 (3)b为　　　　(填“阳”或“阴”)离子交换膜。当浓缩室得到4 L浓度为0.6 mol·L－1的盐酸时，M室中的溶液的质量变化为　　　　(溶液体积变化忽略不计)。 (4)若在标准状况下，甲池有5.6 L O2参加反应，则乙池中处理废气(SO2和NO)的总体积为　　　　　　　L。 答案：(1)NO＋2H2O－3e－N＋4H＋ (2)阳　5SO2＋2NO＋8H2O2N＋5S＋8H＋　(3)阴　减少18 g　(4)15.68 解析：(1)甲池在放电过程中，负极上一氧化氮失去电子发生氧化反应生成硝酸根离子，电极反应为NO＋2H2O－3e－N＋4H＋。(2)乙池中通入废气SO2的电极连接电源的正极，为阳极；阳极二氧化硫发生氧化反应生成硫酸根离子，阴极一氧化氮发生还原反应生成铵根离子，电池总反应的离子方程式为5SO2＋2NO＋8H2O2N＋5S＋8H＋。(3)丙中阳极上水放电发生氧化反应生成氧气和氢离子，氢离子从M室通过a膜进入浓缩室；N室中氯离子通过b膜进入浓缩室，最终得到较浓的盐酸，故b为阴离子交换膜。当浓缩室得到4 L浓度为0.6 mol·L－1盐酸时，迁移过来的氢离子为4 L×(0.6 mol·L－1－0.1 mol·L－1)＝2 mol；2H2O－4e－4H＋＋O2↑，则转移2 mol电子，阳极反应1 mol水，M室中溶液的质量变化为减少1 mol×18 g·mol－1＝18 g。(4)乙池中SO2转化为硫酸根离子、NO转化为铵根离子；若标准状况下，甲池有5.6 L O2(为0.25 mol)参加反应，根据得失电子守恒可知，O2～4e－～2SO2～NO，则乙池中处理废气(SO2和NO)共0.7 mol，总体积为15.68 L。 学生用书⬇第215页 　高考真题溯源 　　在电解原理的应用中，命题专家一般以文字描述与反应原理示意图相结合的形式设题，结合社会热点，充分体现出化学学科推动科技发展和人类社会进步的重要作用。这类试题的模型往往来源于教材，但又高于教材，学生必须掌握电解池的实质才能正确解答。 真题链接—— 高考这样考 [考题]　(2023·重庆卷)电化学合成是一种绿色高效的合成方法。下图是酸性介质中电解合成半胱氨酸和烟酸的示意图。下列叙述错误的是(　　) A.电极a为阴极① B.从电极b移向电极a C.电极b发生的反应③为 D.生成3 mol半胱氨酸④的同时生成1 mol烟酸 逻辑推理与论证 ①在电解池中，阴极得电子，发生还原反应；阳极失电子，发生氧化反应。由装置图可知，电极b发生氧化反应，为阳极，则电极a为阴极。 ②在电解池中，阳离子移向阴极。 ③电极b为阳极，发生氧化反应，失电子。 ④根据得失电子守恒可得关系式： 答案：D 溯本求源—— 教材这样写 [教材]　(人教版选择性必修1　“资料卡片”) 电有机合成 　　许多有机化学反应包含电子的转移，使这些反应在电解池中进行时称为电有机合成。例如，制造尼龙-66的原料己二腈[NC(CH2)4CN]用量很大，传统上以乙炔和甲醛为原料经过很长路线才能合成己二腈。如改用电合成法，则先以丙烯为原料制备丙烯腈(CH2CHCN)，再用丙烯腈电合成己二腈。电合成己二腈的反应如下。 阳极：H2O－2e－O2↑＋2H＋ 阴极：2CH2CHCN＋2H＋＋2e－NC(CH2)4CN 总反应：2CH2CHCN＋H2ONC(CH2)4CN＋O2↑ 　　与其他有机合成相比，电有机合成具有反应条件温和、反应试剂纯净和生产效率高等优点。 教材相关知识 1.在有机反应中，去氧或加氢的反应为还原反应，加氧或去氢的反应为氧化反应。 2.写电极反应式时注意电解池中各室电解装置所处的环境条件，即酸性条件下不出现OH－，碱性条件下不出现H＋，有机环境中一般为O2－。 3.在电化学原理中，电路中转移的电子数是相等的。 学科网（北京）股份有限公司 $