微专题04 离子交换膜及其应用（培优讲义）2026年高考化学二轮复习高效培优系列

微专题04 电化学装置中的离子交换膜及其应用 目录 第一部分 考情精析 第二部分 重难考点深解 【考点01】 电化学装置中的离子交换膜类型 【考点02】 电化学装置中的离子交换膜的应用 【考点03】 离子交换膜在多室电解池中的应用 第三部分 解题思维优化 【题型01】考查原电池装置中的离子交换膜的分析与应用 【题型02】考查电解池装置中的离子交换膜的分析与应用 【题型03】考查离子交换膜的多池装置中的的分析与应用 核心考向聚焦 主战场转移：侧重陌生装置与工业场景，新增双极膜考查，融合离子迁移与定量计算。 核心价值：依托电化学离子交换膜应用，考查信息提取与分析能力，落实证据推理与模型认知的化学核心素养。 关键能力与思维瓶颈 关键能力：本专题重点考查装置分析、离子迁移方向判断的逻辑推理能力，陌生情境下信息提取与模型构建能力，及结合膜类型的电化学定量计算与应用能力。 培优瓶颈：尖子生易在陌生工业装置与双极膜复合体系中判断离子迁移方向出错，对膜功能与电极反应的关联分析不透彻，定量计算时忽略膜介导的离子守恒，模型构建与实际场景的衔接存在思维断层。 命题前瞻与备考策略 预测：2026年高考中，将结合工业制备、能源转化真实场景，聚焦双极膜、复合膜体系，综合考查离子迁移、电极反应与定量计算，侧重模型构建与实际应用能力。 策略：备考应精研膜型与离子迁移逻辑，结合工业场景练建模，强化定量计算与综合分析。 重点训练：1.练陌生装置拆解，精准判断膜类型与离子迁移方向； 2.强化双极膜/复合膜体系的电极反应与守恒分析； 3.结合工业场景做电化学定量计算与模型构建。 ◇考点 01 电化学装置中的离子交换膜类型 一、重难知识梳理 1．离子交换膜的概念 离子交换膜又叫隔膜，由高分子特殊材料制成。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．离子交换膜的类型 （1）阳离子交换膜 (只允许阳离子和水分子通过，阻止阴离子和气体通过) 以锌铜原电池为例，中间用阳离子交换膜隔开 ①负极反应式：Zn－2e－===Zn2＋ ②正极反应式：Cu2＋＋2e－===Cu ③Zn2＋通过阳离子交换膜进入正极区 ④阳离子→透过阳离子交换膜→原电池正极(或电解池的阴极) （2）阴离子交换膜 (只允许阴离子和水分子通过，阻止阳离子和气体通过) 以Pt为电极电解淀粉­KI溶液，中间用阴离子交换膜隔开 ①阴极反应式：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－ ②阳极反应式：2I－－2e－===I2 ③阴极产生的OH－移向阳极与阳极产物反应：3I2＋6OH－===IO＋5I－＋3H2O ④阴离子→透过阴离子交换膜→电解池阳极(或原电池的负极) （3）质子交换膜 (只允许H＋和水分子通过) 在微生物作用下电解有机废水(含CH3COOH)，可获得清洁能源H2 ①阴极反应式：2H＋＋2e－===H2↑ ②阳极反应式：CH3COOH－8e－＋2H2O===2CO2↑＋8H＋ ③阳极产生的H＋通过质子交换膜移向阴极 ④H＋→透过质子交换膜→原电池正极(或电解池的阴极) （4）双极膜 双极膜 由一张阳膜和一张阴膜复合制成。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－并通过阳膜和阴膜分别向两极区移动，作为H＋和OH－的离子源 3.离子交换膜选择的依据：离子的定向移动。 4.离子交换膜类型的判断（根据电解质溶液呈中性的原则,判断交换膜的类型） （1）首先写出阴、阳两极上的电极反应,依据电极反应确定该电极附近哪种离子剩余, （2）根据溶液呈电中性,从而判断出离子移动的方向,进而确定离子交换膜的类型。 如电解饱和食盐水时,阴极反应为2H++2e-H2↑,则阴极区域破坏水的电离平衡,OH-有剩余,阳极区域的Na+穿过离子交换膜进入阴极室,与OH-形成NaOH溶液,故电解食盐水时的离子交换膜是阳离子交换膜。 5.“离子交换膜”电解池的解题思路 （1）分清隔膜类型：即交换膜属于阳膜、阴膜或质子膜中的哪一种，判断允许哪种离子通过隔膜； （2）写出电极反应式：判断交换膜两侧离子变化，推断电荷变化，据电荷平衡判断离子迁移方向； （3）分析隔膜作用：在产品制备中，隔膜作用主要是提高产品纯度，避免产物之间发生反应，或避免产物因发生反应而造成危险； （4）利用定量关系进行计算：外电路电子转移数＝通过隔膜的阴、阳离子带的负或正电荷数。 二、培优瓶颈及突破策略 1、培优瓶颈表现 尖子生在本考点的瓶颈核心的是“辨膜不准、关联不足、应用不活”，具体表现为三点： （1）对常见离子交换膜（阳离子、阴离子、质子、双极膜）的本质区别掌握不透彻，仅记外观特征，无法结合离子半径、电荷、反应需求判断膜类型，尤其易混淆双极膜与普通离子膜的功能差异； （2）不能将膜类型与电化学装置（电解池、原电池）的电极反应、离子迁移规律深度关联，判断离子迁移方向时忽略膜的限制作用，导致电极反应式书写失误； （3）面对陌生工业场景中的复合膜体系，无法快速拆解膜的作用，难以建立“膜类型—离子迁移—电极反应—产物生成”的逻辑链条，模型构建能力不足，应对综合设问时思路断层。 （4）部分尖子生存在“思维定式”，习惯套用常规题型的膜类型判断方法，面对新型膜（如选择性离子膜）或变式装置时，无法灵活调整分析角度，易出现“会做常规题、难破新情境”的问题，且对膜的选择依据缺乏逆向推理能力，难以解释“为何选用该种膜”的设问。 2、突破策略 （1）夯实基础，精准辨膜：聚焦四种核心膜类型，对比梳理离子透过性、功能用途、典型场景，拒绝机械记忆，结合“离子电荷匹配”“反应需求适配”总结判断技巧，如阳离子膜允许阳离子透过、双极膜可解离出H+和OH-，针对性突破双极膜这一易错点，通过对比表格强化区分。 （2）建立逻辑，关联应用：构建“膜类型→离子迁移方向→电极反应→装置目的”的核心逻辑链，每道习题均按此流程拆解分析，刻意训练“由膜判离子、由离子写反应”的逆向思维，强化膜与电极反应、产物提纯、防副反应等核心目的的关联记忆。 （3）靶向刷题，突破新情境：精选陌生工业场景（如电解制备、能源转化）中的复合膜真题、优质模拟题，限时训练装置拆解能力，重点练习“膜类型判断+离子迁移分析+理由阐述”类设问，总结不同场景下膜的选择规律，积累新型膜的考查角度，提升模型迁移能力。 （4）错题复盘，精准补漏：整理膜类型判断失误、离子迁移分析错误的错题，标注错误原因（如辨膜失误、逻辑断层），定期复盘，针对性强化薄弱点，同时通过变式训练检验掌握程度，避免思维定式，确保既能精准辨膜，也能灵活应用膜的功能解决综合问题。 ◇考点 02 电化学装置中的离子交换膜的应用 一、重难知识梳理 1.平衡左、右两侧电荷，得到稳定电流 甲池中发生反应Zn－2e－＝Zn2＋，导致c(Zn2＋)增大，乙池中发生反应：Cu2＋＋2e－＝Cu，导致c(Cu2＋)减小，而阳离子交换膜只允许阳离子和分子通过，故要得到稳定的电流，甲池中的Zn2＋通过离子交换膜进入乙池，保持溶液中的电荷平衡，而阴离子并不通过交换膜，所以c(SO)保持不变 2.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 电解饱和食盐水 过程 分析 阳极室中电极反应：2Cl－－2e－＝Cl2↑，阴极室中的电极反应：2H2O＋2e－＝H2↑＋2OH－，阴极区H＋放电，破坏了水的电离平衡，使OH－浓度增大，阳极区Cl－放电，使溶液中的c(Cl－)减小，为保持电荷守恒，阳极室中的Na＋通过阳离子交换膜与阴极室中生成的OH－结合，得到浓的NaOH溶液。利用这种方法制备物质，纯度较高，基本没有杂质 阳离子交换膜的作用 只允许Na＋通过，而阻止阴离子(Cl－)和气体(Cl2)通过。这样既防止了两极产生的H2和Cl2混合爆炸，又避免了Cl2和阴极产生的NaOH反应生成NaClO而影响烧碱的质量 3.制备某些特定产品 用NaOH溶液吸收烟气中的SO2，将所得的Na2SO3溶液进行电解，可循环再生NaOH，同时得到H2SO4，其原理如图所示 图中离子移动的方向是Na＋(阳离子)穿过阳离子交换膜向左池移动，左池为阴极室，a为阴极；SO(阴离子)穿过阴离子交换膜向右池移动，右池为阳极室，b为阳极， 左池中阴极电极反应式： 2H2O＋2e－＝H2↑＋2OH－，导致阴极区域c(OH－)增大，放置阳离子交换膜可让Na＋向阴极定向移动，从而产生高浓度的NaOH溶液。右池中阳极电极反应式：SO－2e－＋H2O＝SO＋2H＋，阳极室中阴离子交换膜可使SO移向阳极，而发生上述反应，故在阳极区产生高浓度的硫酸。 二、培优瓶颈及突破策略 1、培优瓶颈表现 尖子生在本考点的核心瓶颈的是“应用脱节、逻辑模糊、细节疏漏” （1）无法将膜的应用与工业实际、装置目的深度结合，仅掌握基础用途，面对电解制备、废水处理等场景，难以判断膜的选择依据及作用； （2）对膜在“防副反应、提纯产物、调节pH”中的具体原理分析不透彻，无法理清离子迁移与装置功能的内在关联； （3）忽略细节，如膜的选用与电极反应、离子浓度的匹配性，答题时遗漏关键理由，且难以规范表述膜的应用逻辑。 2、突破策略 （1）聚焦核心，分类突破：按“防副反应、提纯产物、调节体系pH”三大应用场景分类梳理，结合典型例题，明确不同场景下膜的选择标准及作用原理，拒绝零散记忆。 （2）强化逻辑，规范表达：刻意训练“场景分析→膜的作用→离子迁移逻辑→结论”的答题思路，规范表述膜的应用理由，避免遗漏关键要点。 （3）靶向精练，查漏补缺：精选工业场景真题，限时练习膜的应用判断与原理阐述，复盘错题，重点突破“膜的选择与装置目的不匹配”的易错点，提升知识应用与细节把控能力。 ◇考点 03 离子交换膜在多室电解池中的应用 一、重难知识梳理 多室电解池是利用离子交换膜的选择透过性，即允许带某种电荷的离子通过而限制带相反电荷的离子通过，将电解池分为两室、三室、多室等，以达到浓缩、净化、提纯及电化学合成的目的。 1.两室电解池 ①制备原理：如工业上利用如图两室电解装置制备烧碱 阳极室中电极反应：2Cl－－2e－===Cl2↑，阴极室中的电极反应：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，阴极区H＋放电，破坏了水的电离平衡，使OH－浓度增大，阳极区Cl－放电，使溶液中的c(Cl－)减小，为保持电荷守恒，阳极室中的Na＋通过阳离子交换膜与阴极室中生成的OH－结合，得到浓的NaOH溶液。利用这种方法制备物质，纯度较高，基本没有杂质。 ②阳离子交换膜的作用：它只允许Na＋通过，而阻止阴离子(Cl－)和气体(Cl2)通过。这样既防止了两极产生的H2和Cl2混合爆炸，又避免了Cl2和阴极产生的NaOH反应生成NaClO而影响烧碱的质量。 2.三室电解池 （1）利用双膜三室电解装置制备NH4NO3，其工作原理如图所示。 阳极室 NO－3e－＋2H2O===NO＋4H＋ 吸收液(或污水) NH通过阳离子交换膜进入中间室；NO通过阴离子交换膜进入中间室 阴极室 NO＋5e－＋6H＋===NH＋H2O 产品（中间室） 8NO＋7H2O3NH4NO3＋2HNO3，为使电解产物全部转化为NH4NO3，补充适量NH3可以使电解产生的HNO3转化为NH4NO3。 说明：阴极的NO被还原为NH：NO＋5e－＋6H＋===NH＋H2O，NH通过阳离子交换膜进入中间室；阳极的NO被氧化为NO：NO－3e－＋2H2O===NO＋4H＋，NO通过阴离子交换膜进入中间室。根据电路中转移电子数相等可得电解总反应：8NO＋7H2O3NH4NO3＋2HNO3，为使电解产物全部转化为NH4NO3，补充适量NH3可以使电解产生的HNO3转化为NH4NO3。 （2）利用双膜三室处理吸收液(吸收了烟气中的SO2)(或污水) 阳极室 HSO－2e－＋H2O===SO＋3H＋ 或SO－2e－＋H2O===SO＋2H＋ 吸收液(或污水) Na＋穿过阳膜进入阴极室(左室)；HSO和SO穿过阴膜进入阴极室(右室) 阴极室 2H2O＋4e－===2OH－＋H2↑、HSO＋OH－===SO＋H2O 产品 阳极室：较浓的硫酸；阴极室：左室亚硫酸钠 说明：阴极水电离出的H+被还原为H2：2H2O＋4e－===2OH－＋H2↑，HSO与OH－生成SO，中间室的Na+通过阳离子交换膜进入阴极室，得到亚硫酸钠；中间式室的HSO或SO通过阴离子交换膜进入阳极室被氧化为SO：HSO－2e－＋H2O===SO＋3H＋或SO－2e－＋H2O===SO＋2H＋，得到较浓的硫酸溶液。 3.多室电解池 利用“四室电渗析法”制备H3PO2(次磷酸)，其工作原理如图所示。 阳极室 2H2O－4e－===O2↑＋4H＋ 阴极室 4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－ 原料室 B(OH)穿过阴膜进入产品室，Na＋穿过阳膜进入阴极室 产品室 H＋＋B(OH)===H3BO3＋ H2O 说明：电解稀硫酸的阳极反应：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，产生的H＋通过阳离子交换膜进入产品室，原料室中的H2PO穿过阴离子交换膜进入产品室，与H＋结合生成弱电解质H3PO2；电解NaOH稀溶液的阴极反应：4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－，原料室中的Na＋通过阳离子交换膜进入阴极室。 4.电渗析法 将含AnBm的废水再生为HnB和A(OH)m的原理：已知A为金属活动顺序表H之前的金属，Bn－为含氧酸根离子 二、培优瓶颈及突破策略 1、培优瓶颈表现 尖子生在本考点的核心瓶颈是“多室拆解困难、膜型匹配失误、守恒逻辑薄弱”。 （1）面对三室及以上电解池，无法快速拆分各室功能，难以理清电极反应与离子迁移的对应关系，易混淆不同室间的离子流动方向； （2）对多室体系中膜的选择依据判断不准，忽略“膜类型与各室产物、反应需求的匹配性”，尤其在复合膜（如双极膜+离子膜）组合应用中易出错； （3）定量计算时，未能结合多室结构、膜的透过性梳理离子守恒关系，易遗漏跨膜迁移的离子，导致计算偏差； （4）答题时难以规范阐述“膜的作用+离子迁移逻辑+产物生成”的完整思路，关键要点遗漏或表述混乱。 2、突破策略 （1）拆解多室，明确功能：核心训练“多室→电极→反应→离子迁移”的拆解思路，先判断电极类型及各室反应目的，再结合膜的透过性，梳理离子跨膜流动规律，绘制简单示意图辅助分析，突破多室结构的认知难点。 （2）聚焦匹配，精准选膜：分类总结多室电解池（制备型、提纯型、废水处理型）的膜选择规律，结合典型例题，明确“各室产物需求→离子迁移方向→膜类型匹配”的逻辑链，强化复合膜体系的分析能力。 （3）强化守恒，规范计算：重点训练结合膜透过性的离子守恒、电荷守恒应用，做题时标注跨膜迁移的离子种类及量的关系，避免计算疏漏；同时规范答题表述，刻意练习“膜的作用+离子迁移+反应原理”的连贯阐述。 （4）靶向复盘，突破易错：精选多室电解池真题、优质模拟题，限时训练，复盘“膜型判断失误、离子迁移混乱、计算偏差”类错题，总结规律，提升多室体系的综合分析与应用能力，确保贴合考点要求。 ◇题型 01 考查原电池装置中的离子交换膜的分析与应用 典｜例｜精｜析 典例1（2025·江西卷）我国学者设计了一种新型去除工业污水重金属离子的电池(如图)。下列说法错误的是 已知：为铜基普鲁士蓝() A．中的铁为价 B．交换膜为阴离子交换膜 C．洗脱目的是去除电极吸附的 D．溶液可电解再生电池负极 典例2（2025·广东卷）某理论研究认为：燃料电池(图b)的电极Ⅰ和Ⅱ上所发生反应的催化机理示意图分别如图a和图c，其中获得第一个电子的过程最慢。由此可知，理论上 A．负极反应的催化剂是ⅰ B．图a中，ⅰ到ⅱ过程的活化能一定最低 C．电池工作过程中，负极室的溶液质量保持不变 D．相同时间内，电极Ⅰ和电极Ⅱ上的催化循环完成次数相同 变｜式｜巩｜固 变式1（2026·湖南株洲·一模）金属Bi对全钒液流电池负极有催化作用，放电时负极反应分两步进行，其中一步为：，电池工作原理如图所示，下列有关说法错误的是 A．放电过程中从a极区向b极区移动 B．充电时，b极区的物质的量增大 C．充电时a极的电极电势小于b极 D．放电时另一步负极电极反应式： 变式2（2026·湖北孝感·一模）工业上可采用微生物电池处理含()的废水，其工作原理如图所示。下列说法错误的是 A．电极Y表面发生的第二步电极反应式为： B．每处理有通过质子交换膜从右向左迁移 C．工作一段时间后，酸性增强不利于菌落存活，电池效率降低 D．该电池每消耗标准状况下，正极室质量增加32 g 变式3（2026·甘肃酒泉·一模）钾-氧电池是一种新型电池，其工作原理如图所示。下列说法错误的是 A．隔膜允许通过，不允许通过 B．放电时，电流由电极沿导线流向电极 C．放电时，每生成的质量与消耗的质量比值约为2.22 D．用此电池为铅酸蓄电池充电，消耗钾时，铅酸蓄电池消耗水 变式4【原创题】以Al和为电极，NaOH溶液为电解液组成一种新型电池，其工作原理如图所示。放电时转化为，下列说法错误的是 A.放电时，Al电极为负极，发生氧化反应 B.放电时，正极的电极反应式为：NiO(OH)+H2O+e-=Ni(OH)2+OH- C.放电时，OH-通过阴离子交换膜从Al电极区移向NiO(OH)电极区 D.若电路中转移0.3 mol电子，理论上正极区质量增加3.3 g ◇题型 02 考查电解池装置中的离子交换膜的分析与应用 典｜例｜精｜析 典例1（2025·全国卷）某研究小组设计如下电解池，既可将中性废水中的硝酸盐转化为氨，又可将废塑料(PET)碱性水解液中的乙二醇转化为羟基乙酸盐，实现变废为宝。 电解时，下列说法错误的是 A．阳极区下降 B．从阴极区向阳极区迁移 C．阴极发生反应 D．阴极转化，阳极将生成 典例2（2025·湖南卷）一种电化学处理硝酸盐产氨的工作原理如图所示。下列说法错误的是 A．电解过程中，向左室迁移 B．电解过程中，左室中的浓度持续下降 C．用湿润的蓝色石蕊试纸置于b处，试纸先变红后褪色 D．完全转化为的电解总反应： 变｜式｜巩｜固 变式1（2026·四川绵阳·二模）下图所示装置可用于制备。向、两室各加入溶液，经测定，当装置工作时，除制得一定量，还在电极表面收集到气体，电解效率，忽略其他副反应和溶液体积变化。 已知：电解效率 下列说法正确的是 A．a极上的电极反应为 B．工作一段时间后，a、b两室溶液浓度均不变 C．室与室收集到的气体的物质的量之比为 D．时，制得的浓度为 变式2（2026·四川广安·一模）用下图所示装置（表示斜发沸石）分离海水中的和，料液（含和）先流过斜发沸石，吸附和，然后通电，双极膜产生的将交换下来，将交换下来，得到A溶液。下列说法中错误的是 A．通电后，A溶液中含不含 B．通电后，若海水中，则A溶液中的溶质是KI和HI C．通电一段时间后，将阴、阳极区的斜发沸石对调，继续通电，此时斜发沸石内仍不会发生氧化还原反应 D．通电时，若外电路转移，则有被双极膜解离 变式3（2025·重庆·一模）某科研团队研究了以铜基配合物电催化还原的装置如图所示，其外接电源为高铁电池()，下列说法正确的是 A．电源a端发生反应： B．电解一段时间后，阴极区附近溶液的pH减小 C．该铜基配合物中配体与配位键的数目之比为1：1 D．外接电源内消耗65 g Zn，阳极室溶液质量减少18 g 变式4【原创题】全固态锂硫电池能量密度高、成本低，其工作原理可表示为用该电池电解含锰酸性废水可得到，装置如图所示。 下列说法错误的是 A．阳离子膜可阻止a区的OH-进入b区，避免其与b区的Cl-在阳极发生副反应 B．当N极质量增加1.4g时，有由c区移动至b区 C．阳离子膜允许Na由b区移向a区，可维持a区的电荷平衡 D．Y极电极反应式为 ◇题型 03 考查离子交换膜的多池装置中的的分析与应用 典｜例｜精｜析 典例1（2025·云南卷）一种用双极膜电渗析法卤水除硼的装置如图所示，双极膜中解离的和在电场作用下向两极迁移。除硼原理：。下列说法错误的是 A．Pt电极反应： B．外加电场可促进双极膜中水的电离 C．Ⅲ室中，X膜、Y膜分别为阳离子交换膜和阴离子交换膜 D．Ⅳ室每生成，同时Ⅱ室最多生成 典例2（2025·河南卷）一种液流电解池在工作时可以实现海水淡化，并以形式回收含锂废弃物中的锂元素，其工作原理如图所示。 下列说法正确的是 A．Ⅱ为阳离子交换膜 B．电极a附近溶液的减小 C．电极b上发生的电极反应式为 D．若海水用溶液模拟，则每脱除，理论上可回收 变｜式｜巩｜固 变式1（2026·重庆渝中·一模）一种利用微生物燃料电池电解废水处理装置不仅获得高效能源，还通过电渗析法合成电子工业清洗剂四甲基氢氧化铵(CH3)4NOH。相关装置如图所示。有关说法错误的是 A．该装置可用于浓缩海水 B．局部电子流向为：电极b→导线→石墨电极X C．微生物菌辅助电极Y的电极反应为：CH3COO-+2H2O-8e-=2CO2↑+7H+ D．合成1 mol (CH3)4NOH时，MFC理论上至少需要消耗标准状况下空气少于22.4 L 变式2（2025·江西·模拟预测）味精(主要成分为谷氨酸钠)在东亚地区的化学调味品领域中占据重要地位，一种利用电化学方法制备谷氨酸钠(用NaGA表示)的原理如图所示，为离子交换膜。下列说法正确的是 A．a、b分别为阴离子交换膜和阳离子交换膜 B．阴极的电极反应式为 C．阳极室内溶液的pH逐渐增大 D．标准状况下，理论上每生成1molNaGA的同时阳极会产生5.6L气体 变式3（2025·安徽合肥·模拟预测）次磷酸钴广泛用于化学镀钴，以金属钴和次磷酸钠为原料，采用四室电渗析槽电解法制备，原理如图。下列说法错误的是 A．石墨与电源负极相连 B．A膜是质子交换膜 C．阴极反应式为 D．外电路转移2mol电子，理论上生成1mol产品 变式4【原创题】浓差电池是利用两极电解质溶液中浓度不同引起的电势差放电的装置。下图是利用“海水河水”浓差电池(不考虑溶解氧的影响)制备和NaOH的装置示意图，其中均为复合电极，电极a、b均为石墨，下列说法正确的是 A.“海水-河水”浓差电池中，X极为负极，发生氧化反应 B.电解池中，电极a的电极反应为2H2O-4e-=4H++O2↑ C.电解池中，c为阴离子交换膜，d为阳离子交换膜 D.当浓差电池中生成1 mol AgCl时，电解池理论上可生成1 mol H2SO4 17 / 18 学科网（北京）股份有限公司 $ 微专题04 电化学装置中的离子交换膜及其应用 目录 第一部分 考情精析 第二部分 重难考点深解 【考点01】 电化学装置中的离子交换膜类型 【考点02】 电化学装置中的离子交换膜的应用 【考点03】 离子交换膜在多室电解池中的应用 第三部分 解题思维优化 【题型01】考查原电池装置中的离子交换膜的分析与应用 【题型02】考查电解池装置中的离子交换膜的分析与应用 【题型03】考查离子交换膜的多池装置中的的分析与应用 核心考向聚焦 主战场转移：侧重陌生装置与工业场景，新增双极膜考查，融合离子迁移与定量计算。 核心价值：依托电化学离子交换膜应用，考查信息提取与分析能力，落实证据推理与模型认知的化学核心素养。 关键能力与思维瓶颈 关键能力：本专题重点考查装置分析、离子迁移方向判断的逻辑推理能力，陌生情境下信息提取与模型构建能力，及结合膜类型的电化学定量计算与应用能力。 培优瓶颈：尖子生易在陌生工业装置与双极膜复合体系中判断离子迁移方向出错，对膜功能与电极反应的关联分析不透彻，定量计算时忽略膜介导的离子守恒，模型构建与实际场景的衔接存在思维断层。 命题前瞻与备考策略 预测：2026年高考中，将结合工业制备、能源转化真实场景，聚焦双极膜、复合膜体系，综合考查离子迁移、电极反应与定量计算，侧重模型构建与实际应用能力。 策略：备考应精研膜型与离子迁移逻辑，结合工业场景练建模，强化定量计算与综合分析。 重点训练：1.练陌生装置拆解，精准判断膜类型与离子迁移方向； 2.强化双极膜/复合膜体系的电极反应与守恒分析； 3.结合工业场景做电化学定量计算与模型构建。 ◇考点 01 电化学装置中的离子交换膜类型 一、重难知识梳理 1．离子交换膜的概念 离子交换膜又叫隔膜，由高分子特殊材料制成。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．离子交换膜的类型 （1）阳离子交换膜 (只允许阳离子和水分子通过，阻止阴离子和气体通过) 以锌铜原电池为例，中间用阳离子交换膜隔开 ①负极反应式：Zn－2e－===Zn2＋ ②正极反应式：Cu2＋＋2e－===Cu ③Zn2＋通过阳离子交换膜进入正极区 ④阳离子→透过阳离子交换膜→原电池正极(或电解池的阴极) （2）阴离子交换膜 (只允许阴离子和水分子通过，阻止阳离子和气体通过) 以Pt为电极电解淀粉­KI溶液，中间用阴离子交换膜隔开 ①阴极反应式：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－ ②阳极反应式：2I－－2e－===I2 ③阴极产生的OH－移向阳极与阳极产物反应：3I2＋6OH－===IO＋5I－＋3H2O ④阴离子→透过阴离子交换膜→电解池阳极(或原电池的负极) （3）质子交换膜 (只允许H＋和水分子通过) 在微生物作用下电解有机废水(含CH3COOH)，可获得清洁能源H2 ①阴极反应式：2H＋＋2e－===H2↑ ②阳极反应式：CH3COOH－8e－＋2H2O===2CO2↑＋8H＋ ③阳极产生的H＋通过质子交换膜移向阴极 ④H＋→透过质子交换膜→原电池正极(或电解池的阴极) （4）双极膜 双极膜 由一张阳膜和一张阴膜复合制成。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－并通过阳膜和阴膜分别向两极区移动，作为H＋和OH－的离子源 3.离子交换膜选择的依据：离子的定向移动。 4.离子交换膜类型的判断（根据电解质溶液呈中性的原则，判断交换膜的类型） （1）首先写出阴、阳两极上的电极反应，依据电极反应确定该电极附近哪种离子剩余， （2）根据溶液呈电中性，从而判断出离子移动的方向，进而确定离子交换膜的类型。 如电解饱和食盐水时，阴极反应为2H++2e-H2↑，则阴极区域破坏水的电离平衡，OH-有剩余，阳极区域的Na+穿过离子交换膜进入阴极室，与OH-形成NaOH溶液，故电解食盐水时的离子交换膜是阳离子交换膜。 5.“离子交换膜”电解池的解题思路 （1）分清隔膜类型：即交换膜属于阳膜、阴膜或质子膜中的哪一种，判断允许哪种离子通过隔膜； （2）写出电极反应式：判断交换膜两侧离子变化，推断电荷变化，据电荷平衡判断离子迁移方向； （3）分析隔膜作用：在产品制备中，隔膜作用主要是提高产品纯度，避免产物之间发生反应，或避免产物因发生反应而造成危险； （4）利用定量关系进行计算：外电路电子转移数＝通过隔膜的阴、阳离子带的负或正电荷数。 二、培优瓶颈及突破策略 1、培优瓶颈表现 尖子生在本考点的瓶颈核心的是“辨膜不准、关联不足、应用不活”，具体表现为三点： （1）对常见离子交换膜（阳离子、阴离子、质子、双极膜）的本质区别掌握不透彻，仅记外观特征，无法结合离子半径、电荷、反应需求判断膜类型，尤其易混淆双极膜与普通离子膜的功能差异； （2）不能将膜类型与电化学装置（电解池、原电池）的电极反应、离子迁移规律深度关联，判断离子迁移方向时忽略膜的限制作用，导致电极反应式书写失误； （3）面对陌生工业场景中的复合膜体系，无法快速拆解膜的作用，难以建立“膜类型—离子迁移—电极反应—产物生成”的逻辑链条，模型构建能力不足，应对综合设问时思路断层。 （4）部分尖子生存在“思维定式”，习惯套用常规题型的膜类型判断方法，面对新型膜（如选择性离子膜）或变式装置时，无法灵活调整分析角度，易出现“会做常规题、难破新情境”的问题，且对膜的选择依据缺乏逆向推理能力，难以解释“为何选用该种膜”的设问。 2、突破策略 （1）夯实基础，精准辨膜：聚焦四种核心膜类型，对比梳理离子透过性、功能用途、典型场景，拒绝机械记忆，结合“离子电荷匹配”“反应需求适配”总结判断技巧，如阳离子膜允许阳离子透过、双极膜可解离出H+和OH-，针对性突破双极膜这一易错点，通过对比表格强化区分。 （2）建立逻辑，关联应用：构建“膜类型→离子迁移方向→电极反应→装置目的”的核心逻辑链，每道习题均按此流程拆解分析，刻意训练“由膜判离子、由离子写反应”的逆向思维，强化膜与电极反应、产物提纯、防副反应等核心目的的关联记忆。 （3）靶向刷题，突破新情境：精选陌生工业场景（如电解制备、能源转化）中的复合膜真题、优质模拟题，限时训练装置拆解能力，重点练习“膜类型判断+离子迁移分析+理由阐述”类设问，总结不同场景下膜的选择规律，积累新型膜的考查角度，提升模型迁移能力。 （4）错题复盘，精准补漏：整理膜类型判断失误、离子迁移分析错误的错题，标注错误原因（如辨膜失误、逻辑断层），定期复盘，针对性强化薄弱点，同时通过变式训练检验掌握程度，避免思维定式，确保既能精准辨膜，也能灵活应用膜的功能解决综合问题。 ◇考点 02 电化学装置中的离子交换膜的应用 一、重难知识梳理 1.平衡左、右两侧电荷，得到稳定电流 甲池中发生反应Zn－2e－＝Zn2＋，导致c(Zn2＋)增大，乙池中发生反应：Cu2＋＋2e－＝Cu，导致c(Cu2＋)减小，而阳离子交换膜只允许阳离子和分子通过，故要得到稳定的电流，甲池中的Zn2＋通过离子交换膜进入乙池，保持溶液中的电荷平衡，而阴离子并不通过交换膜，所以c(SO)保持不变 2.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 电解饱和食盐水 过程 分析 阳极室中电极反应：2Cl－－2e－＝Cl2↑，阴极室中的电极反应：2H2O＋2e－＝H2↑＋2OH－，阴极区H＋放电，破坏了水的电离平衡，使OH－浓度增大，阳极区Cl－放电，使溶液中的c(Cl－)减小，为保持电荷守恒，阳极室中的Na＋通过阳离子交换膜与阴极室中生成的OH－结合，得到浓的NaOH溶液。利用这种方法制备物质，纯度较高，基本没有杂质 阳离子交换膜的作用 只允许Na＋通过，而阻止阴离子(Cl－)和气体(Cl2)通过。这样既防止了两极产生的H2和Cl2混合爆炸，又避免了Cl2和阴极产生的NaOH反应生成NaClO而影响烧碱的质量 3.制备某些特定产品 用NaOH溶液吸收烟气中的SO2，将所得的Na2SO3溶液进行电解，可循环再生NaOH，同时得到H2SO4，其原理如图所示 图中离子移动的方向是Na＋(阳离子)穿过阳离子交换膜向左池移动，左池为阴极室，a为阴极；SO(阴离子)穿过阴离子交换膜向右池移动，右池为阳极室，b为阳极， 左池中阴极电极反应式： 2H2O＋2e－＝H2↑＋2OH－，导致阴极区域c(OH－)增大，放置阳离子交换膜可让Na＋向阴极定向移动，从而产生高浓度的NaOH溶液。右池中阳极电极反应式：SO－2e－＋H2O＝SO＋2H＋，阳极室中阴离子交换膜可使SO移向阳极，而发生上述反应，故在阳极区产生高浓度的硫酸。 二、培优瓶颈及突破策略 1、培优瓶颈表现 尖子生在本考点的核心瓶颈的是“应用脱节、逻辑模糊、细节疏漏” （1）无法将膜的应用与工业实际、装置目的深度结合，仅掌握基础用途，面对电解制备、废水处理等场景，难以判断膜的选择依据及作用； （2）对膜在“防副反应、提纯产物、调节pH”中的具体原理分析不透彻，无法理清离子迁移与装置功能的内在关联； （3）忽略细节，如膜的选用与电极反应、离子浓度的匹配性，答题时遗漏关键理由，且难以规范表述膜的应用逻辑。 2、突破策略 （1）聚焦核心，分类突破：按“防副反应、提纯产物、调节体系pH”三大应用场景分类梳理，结合典型例题，明确不同场景下膜的选择标准及作用原理，拒绝零散记忆。 （2）强化逻辑，规范表达：刻意训练“场景分析→膜的作用→离子迁移逻辑→结论”的答题思路，规范表述膜的应用理由，避免遗漏关键要点。 （3）靶向精练，查漏补缺：精选工业场景真题，限时练习膜的应用判断与原理阐述，复盘错题，重点突破“膜的选择与装置目的不匹配”的易错点，提升知识应用与细节把控能力。 ◇考点 03 离子交换膜在多室电解池中的应用 一、重难知识梳理 多室电解池是利用离子交换膜的选择透过性，即允许带某种电荷的离子通过而限制带相反电荷的离子通过，将电解池分为两室、三室、多室等，以达到浓缩、净化、提纯及电化学合成的目的。 1.两室电解池 ①制备原理：如工业上利用如图两室电解装置制备烧碱 阳极室中电极反应：2Cl－－2e－===Cl2↑，阴极室中的电极反应：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，阴极区H＋放电，破坏了水的电离平衡，使OH－浓度增大，阳极区Cl－放电，使溶液中的c(Cl－)减小，为保持电荷守恒，阳极室中的Na＋通过阳离子交换膜与阴极室中生成的OH－结合，得到浓的NaOH溶液。利用这种方法制备物质，纯度较高，基本没有杂质。 ②阳离子交换膜的作用：它只允许Na＋通过，而阻止阴离子(Cl－)和气体(Cl2)通过。这样既防止了两极产生的H2和Cl2混合爆炸，又避免了Cl2和阴极产生的NaOH反应生成NaClO而影响烧碱的质量。 2.三室电解池 （1）利用双膜三室电解装置制备NH4NO3，其工作原理如图所示。 阳极室 NO－3e－＋2H2O===NO＋4H＋ 吸收液(或污水) NH通过阳离子交换膜进入中间室；NO通过阴离子交换膜进入中间室 阴极室 NO＋5e－＋6H＋===NH＋H2O 产品（中间室） 8NO＋7H2O3NH4NO3＋2HNO3，为使电解产物全部转化为NH4NO3，补充适量NH3可以使电解产生的HNO3转化为NH4NO3。 说明：阴极的NO被还原为NH：NO＋5e－＋6H＋===NH＋H2O，NH通过阳离子交换膜进入中间室；阳极的NO被氧化为NO：NO－3e－＋2H2O===NO＋4H＋，NO通过阴离子交换膜进入中间室。根据电路中转移电子数相等可得电解总反应：8NO＋7H2O3NH4NO3＋2HNO3，为使电解产物全部转化为NH4NO3，补充适量NH3可以使电解产生的HNO3转化为NH4NO3。 （2）利用双膜三室处理吸收液(吸收了烟气中的SO2)(或污水) 阳极室 HSO－2e－＋H2O===SO＋3H＋ 或SO－2e－＋H2O===SO＋2H＋ 吸收液(或污水) Na＋穿过阳膜进入阴极室(左室)；HSO和SO穿过阴膜进入阴极室(右室) 阴极室 2H2O＋4e－===2OH－＋H2↑、HSO＋OH－===SO＋H2O 产品 阳极室：较浓的硫酸；阴极室：左室亚硫酸钠 说明：阴极水电离出的H+被还原为H2：2H2O＋4e－===2OH－＋H2↑，HSO与OH－生成SO，中间室的Na+通过阳离子交换膜进入阴极室，得到亚硫酸钠；中间式室的HSO或SO通过阴离子交换膜进入阳极室被氧化为SO：HSO－2e－＋H2O===SO＋3H＋或SO－2e－＋H2O===SO＋2H＋，得到较浓的硫酸溶液。 3.多室电解池 利用“四室电渗析法”制备H3PO2(次磷酸)，其工作原理如图所示。 阳极室 2H2O－4e－===O2↑＋4H＋ 阴极室 4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－ 原料室 B(OH)穿过阴膜进入产品室，Na＋穿过阳膜进入阴极室 产品室 H＋＋B(OH)===H3BO3＋ H2O 说明：电解稀硫酸的阳极反应：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，产生的H＋通过阳离子交换膜进入产品室，原料室中的H2PO穿过阴离子交换膜进入产品室，与H＋结合生成弱电解质H3PO2；电解NaOH稀溶液的阴极反应：4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－，原料室中的Na＋通过阳离子交换膜进入阴极室。 4.电渗析法 将含AnBm的废水再生为HnB和A(OH)m的原理：已知A为金属活动顺序表H之前的金属，Bn－为含氧酸根离子 二、培优瓶颈及突破策略 1、培优瓶颈表现 尖子生在本考点的核心瓶颈是“多室拆解困难、膜型匹配失误、守恒逻辑薄弱”。 （1）面对三室及以上电解池，无法快速拆分各室功能，难以理清电极反应与离子迁移的对应关系，易混淆不同室间的离子流动方向； （2）对多室体系中膜的选择依据判断不准，忽略“膜类型与各室产物、反应需求的匹配性”，尤其在复合膜（如双极膜+离子膜）组合应用中易出错； （3）定量计算时，未能结合多室结构、膜的透过性梳理离子守恒关系，易遗漏跨膜迁移的离子，导致计算偏差； （4）答题时难以规范阐述“膜的作用+离子迁移逻辑+产物生成”的完整思路，关键要点遗漏或表述混乱。 2、突破策略 （1）拆解多室，明确功能：核心训练“多室→电极→反应→离子迁移”的拆解思路，先判断电极类型及各室反应目的，再结合膜的透过性，梳理离子跨膜流动规律，绘制简单示意图辅助分析，突破多室结构的认知难点。 （2）聚焦匹配，精准选膜：分类总结多室电解池（制备型、提纯型、废水处理型）的膜选择规律，结合典型例题，明确“各室产物需求→离子迁移方向→膜类型匹配”的逻辑链，强化复合膜体系的分析能力。 （3）强化守恒，规范计算：重点训练结合膜透过性的离子守恒、电荷守恒应用，做题时标注跨膜迁移的离子种类及量的关系，避免计算疏漏；同时规范答题表述，刻意练习“膜的作用+离子迁移+反应原理”的连贯阐述。 （4）靶向复盘，突破易错：精选多室电解池真题、优质模拟题，限时训练，复盘“膜型判断失误、离子迁移混乱、计算偏差”类错题，总结规律，提升多室体系的综合分析与应用能力，确保贴合考点要求。 ◇题型 01 考查原电池装置中的离子交换膜的分析与应用 典｜例｜精｜析 典例1（2025·江西卷）我国学者设计了一种新型去除工业污水重金属离子的电池(如图)。下列说法错误的是 已知：为铜基普鲁士蓝() A．中的铁为价 B．交换膜为阴离子交换膜 C．洗脱目的是去除电极吸附的 D．溶液可电解再生电池负极 【答案】C 【分析】由图可知，Zn电极失去电子生成Zn2+，该原电池中左侧电极为负极，右侧电极为正极。 【解析】A．CuHCF的化学式为Cu[Fe(CN)6]0.67·nH2O，设该化合物中Cu、Fe元素的化合价分别为x、y，根据化合物中元素正负化合价的代数和为0可知，x=0.67(6-y)，当x=+1时，y=+4.5（不合适，舍去）；当x=+2时，y=+3，以此得出铁的化合价为+3，A正确；B．Zn电极为负极，反应为Zn - 2e- = Zn2+，负极区正电荷增加。污水中通过交换膜移向负极区以平衡电荷，说明交换膜允许阴离子通过，为阴离子交换膜，B正确；C．Ni2+在正极得到电子生成Ni，Ni被CuHCF电极吸附，洗脱目的是利用H2O2的氧化性去除电极吸附的Ni，C错误；D．电解Zn2+溶液时，阴极反应为Zn2+ + 2e- = Zn，可得到Zn单质再生负极，D正确；故选C。 典例2（2025·广东卷）某理论研究认为：燃料电池(图b)的电极Ⅰ和Ⅱ上所发生反应的催化机理示意图分别如图a和图c，其中获得第一个电子的过程最慢。由此可知，理论上 A．负极反应的催化剂是ⅰ B．图a中，ⅰ到ⅱ过程的活化能一定最低 C．电池工作过程中，负极室的溶液质量保持不变 D．相同时间内，电极Ⅰ和电极Ⅱ上的催化循环完成次数相同 【答案】C 【分析】该燃料电池为氢氧燃料电池，由图可知该原电池的电解质溶液为酸性，氢气发生氧化反应，做负极，电极方程式为：；氧气发生还原反应，做正极，电极方程式为：。 【解析】A．由分析可知，氧气发生还原反应，做正极，正极反应的催化剂是ⅰ，A错误；B．图a中，ⅰ到ⅱ过程为获得第一个电子的过程，根据题中信息，获得第一个电子的过程最慢，则ⅰ到ⅱ过程的活化能一定最高，B错误；C．氢气发生氧化反应，做负极，电极方程式为：，同时，反应负极每失去1个电子，就会有一个H+通过质子交换膜进入正极室，故电池工作过程中，负极室的溶液质量保持不变，C正确；D．由图a、c可知，氧气催化循环一次需要转移4个电子，氢气催化循环一次需要转移2个电子，相同时间内，电极Ⅰ和电极Ⅱ上的催化循环完成次数不相同，D错误；故选C。 方｜法｜提｜练 紧扣原电池正负极反应规律，结合膜的透过性，理顺离子迁移与电流形成、电极稳定的关联，高效突破解题难点。步骤如下： 1.判断正负极，书写两极反应式，明确反应中离子的消耗、生成及电荷变化； 2.结合膜的类型，判断离子跨膜迁移方向（满足电荷守恒、稳定电极环境）； 3.关联膜的作用（防电极接触、避免副反应、维持电解质浓度）； 4.结合守恒规律，规范解答膜型判断、离子迁移、电极反应适配类设问，提升解题准确率。 变｜式｜巩｜固 变式1（2026·湖南株洲·一模）金属Bi对全钒液流电池负极有催化作用，放电时负极反应分两步进行，其中一步为：，电池工作原理如图所示，下列有关说法错误的是 A．放电过程中从a极区向b极区移动 B．充电时，b极区的物质的量增大 C．充电时a极的电极电势小于b极 D．放电时另一步负极电极反应式： 【答案】B 【分析】该电池放电时，负极发生的反应分两步，分别是xV2++xH++Bi=BiHx+xV3+和BiHx−xe-=xH++Bi，说明a是原电池的负极，b为正极；充电时，a为阴极，b为阳极，以此解题；【解析】A．放电时，阳离子向正极移动， H+从负极区（a极）向正极区（b极）移动，A正确；B．充电时b极为阳极，电极反应式为， H2O被消耗，b极区H2O的物质的量减小，B错误；C．充电时，原电池的正极（b极）作阳极，负极（a极）作阴极，阳极电势高于阴极，故a极电势小于b极，C正确；D．放电时，负极电极反应式为：，已知一步反应为：，则另一步反应为：，D正确；故选B。 变式2（2026·湖北孝感·一模）工业上可采用微生物电池处理含()的废水，其工作原理如图所示。下列说法错误的是 A．电极Y表面发生的第二步电极反应式为： B．每处理有通过质子交换膜从右向左迁移 C．工作一段时间后，酸性增强不利于菌落存活，电池效率降低 D．该电池每消耗标准状况下，正极室质量增加32 g 【答案】D 【分析】电极X通入空气，发生还原反应，是正极；电极Y发生氧化反应，是负极。质子交换膜允许H+通过，但不参与电极反应。首先明确电极反应：电极X上空气中的氧气被还原为水，反应式为O2+4H++4e-=2H2O，电极Y上被氧化为，中间可能经过S的生成，随后S进一步被氧化为。 【解析】A．电极Y上步骤Ⅱ是S被氧化为，需要失去6个电子，同时结合水生成H+，故第二步电极反应式为S-6e-+4H2O=+8H+，与选项所示一致，故A正确；B．负极的总反应式为：S+4xH2O-（6x+2）e-=x+8xH+，每处理1mol，转移（6x+2）mol电子。正极的反应式为O2+4H++4e-=2H2O，根据电子得失守恒，正极需要消耗（6x+2）molH+，故H+通过质子交换膜从右（负极）向左（正极）迁移（6x+2）mol，故B正确；C．工作一段时间后，负极反应生成大量H+，导致负极的酸性增强，而微生物对环境的pH较敏感，酸性过强会抑制微生物活性，甚至导致其死亡，不利于菌落存活，电池效率也有所降低，故C正确；D．正极的反应式为O2+4H++4e-=2H2O，标准状况下22.4LO2为1mol，根据反应式可知，正极室质量增加是由于消耗了1molO2（质量为32 g）和迁移进入了4molH+（质量为4 g），总增加质量为32g+4g=36g，故D错误；故选D。 变式3（2026·甘肃酒泉·一模）钾-氧电池是一种新型电池，其工作原理如图所示。下列说法错误的是 A．隔膜允许通过，不允许通过 B．放电时，电流由电极沿导线流向电极 C．放电时，每生成的质量与消耗的质量比值约为2.22 D．用此电池为铅酸蓄电池充电，消耗钾时，铅酸蓄电池消耗水 【答案】D 【分析】钾-氧电池是一种新型电池，其工作原理如图所示，K片为原电池负极，电极反应:K-e-= K+，Pt片为正极，电极反应:K++e-+O2=KO2，隔膜允许K+通过，不允许O2通过，电流从正极经过导线流向负极，据此分析判断。 【解析】A．金属性强的金属钾易与氧气反应，为防止钾与氧气反应，电池所选择隔膜应允许通过，不允许通过，A项正确；B．放电时，为负极，为正极，电流由电极沿导线流向电极，B项正确；C．每生成，消耗，两者的质量比值为，C项正确；D．铅酸蓄电池充电时的总反应方程式为，反应消耗，转移电子，由得失电子数目守恒可知，消耗钾时，铅酸蓄电池消耗水的质量为，D项错误。 变式4【原创题】以Al和为电极，NaOH溶液为电解液组成一种新型电池，其工作原理如图所示。放电时转化为，下列说法错误的是 A.放电时，Al电极为负极，发生氧化反应 B.放电时，正极的电极反应式为：NiO(OH)+H2O+e-=Ni(OH)2+OH- C.放电时，OH-通过阴离子交换膜从Al电极区移向NiO(OH)电极区 D.若电路中转移0.3 mol电子，理论上正极区质量增加3.3 g 【答案】C 【分析】该原电池放电时，转化为，发生还原反应，为正极，电极反应式为；Al电极为负极，发生氧化反应，电极反应式为； 【解析】A.放电时，Al在NaOH溶液中失电子，发生氧化反应，作负极；NiO (OH)得电子转化为Ni(OH)2， 作正极，A正确：B.NiO(OH)在碱性条件下得电子生成Ni(OH)2，反应式为：NiO(OH)+H2O+e-=Ni(OH)2+OH-，B正确；C.原电池中，阴离子向负极移动，因此OH-应通过阴离子交换膜从NiO(OH)电极区移向Al电极区，C错误；D.每转移1mol电子，正极上1molNiO(OH)转化为1molNi(OH)2，增加1molH2O的质量(18g)，同时生成1molOH-并迁移出。实际质量增加为18g-17g=1g，当转移0.3mol电子时，正极区质量增加0.3×11g=3.3g，D正确，故答案选C。 ◇题型 02 考查电解池装置中的离子交换膜的分析与应用 典｜例｜精｜析 典例1（2025·全国卷）某研究小组设计如下电解池，既可将中性废水中的硝酸盐转化为氨，又可将废塑料(PET)碱性水解液中的乙二醇转化为羟基乙酸盐，实现变废为宝。 电解时，下列说法错误的是 A．阳极区下降 B．从阴极区向阳极区迁移 C．阴极发生反应 D．阴极转化，阳极将生成 【答案】D 【分析】根据图示，电解时，左侧电极连接电源负极，为阴极区，发生还原反应，电极反应式为：；右侧电极连接电源正极，为阳极区，发生氧化反应，电极反应式为：。 【解析】A．根据分析，阳极区消耗了，下降，A正确；B．阴极区生成了，阳极区消耗了，按照离子移动方向，从阴极区通过阴离子交换膜向阳极区迁移，B正确；C．根据分析阴极发生还原反应，电极反应式为：，C正确；D．阴极转化，转移，此时阳极将生成，D错误；故选D。 典例2（2025·湖南卷）一种电化学处理硝酸盐产氨的工作原理如图所示。下列说法错误的是 A．电解过程中，向左室迁移 B．电解过程中，左室中的浓度持续下降 C．用湿润的蓝色石蕊试纸置于b处，试纸先变红后褪色 D．完全转化为的电解总反应： 【答案】B 【分析】由图可知，左侧发生，N元素化合价下降，则左侧是阴极区，右侧发生，Cl元素化合价上升，则右侧是阳极区，据此解答； 【解析】A．电解池中，阳离子向阴极移动，则，向左室迁移，A正确；B．电解过程中，先生成，再消耗，是中间产物，其浓度增大还是减小，取决于生成速率与消耗速率，无法得出其浓度持续下降的结论，B错误；C．b处生成氯气，与水反应生成盐酸和次氯酸，盐酸能使蓝色石蕊试纸变红，次氯酸能使变红的试纸褪色，故能看到试纸先变红后褪色，C正确；D．左侧阴极总反应是，右侧阳极总反应是，将两电极反应相加即可得到总反应，D正确；故选B。 方｜法｜提｜练 紧扣电解池电极反应规律，结合膜的透过性，理顺离子迁移与装置目的的关联，精准突破分析难点。步骤如下： 1.判断电解池电极类型，书写两极反应式，明确反应中离子的消耗与生成； 2.结合膜的类型（阳、阴、双极膜等），判断离子跨膜迁移方向，匹配电极反应需求； 3.关联膜的作用（防副反应、提纯产物等），规避离子迁移判断误区； 4.规范梳理思路，结合守恒规律，快速解答膜型判断、离子迁移、产物分析类设问，提升解题效率与准确率。 变｜式｜巩｜固 变式1（2026·四川绵阳·二模）下图所示装置可用于制备。向、两室各加入溶液，经测定，当装置工作时，除制得一定量，还在电极表面收集到气体，电解效率，忽略其他副反应和溶液体积变化。 已知：电解效率 下列说法正确的是 A．a极上的电极反应为 B．工作一段时间后，a、b两室溶液浓度均不变 C．室与室收集到的气体的物质的量之比为 D．时，制得的浓度为 【答案】D 【分析】由题可知，在b极区转化为，S元素化合价升高，发生电极反应：，则b极为阳极，即a极为阴极，发生电极反应：；还在电极表面收集到气体，电极b为阳极，该气体应为氧气，则还发生电极反应：，转移电子数目为，电解效率，即，则通过电极的电子总数为：，据此解答。 【解析】A．由分析可知，a极为阴极，发生电极反应：，A错误；B．a极为阴极，发生电极反应：，中间隔膜为阴离子交换膜，从左向右移向阳极区域，则a室溶液浓度减小；b极为阳极，发生电极反应：，根据分析可知，电路中转移电子总数为，则生成转移的电子数为，所以消耗为，通过阴离子交换膜转移过来 ，因此b室浓度还是减小，所以a、b两室溶液浓度均减小，B错误；C．由分析可知，电极b为阳极，收集到的气体是氧气，即收集到氧气；a极为阴极，发生电极反应：，通过电极的电子总数为，即生成氢气，则室与室收集到的气体的物质的量之比为，C错误；D．由B项解析可知，生成转移的电子数为，发生电极反应：，则制得的物质的量为，其浓度为，D正确；故选D。 变式2（2026·四川广安·一模）用下图所示装置（表示斜发沸石）分离海水中的和，料液（含和）先流过斜发沸石，吸附和，然后通电，双极膜产生的将交换下来，将交换下来，得到A溶液。下列说法中错误的是 A．通电后，A溶液中含不含 B．通电后，若海水中，则A溶液中的溶质是KI和HI C．通电一段时间后，将阴、阳极区的斜发沸石对调，继续通电，此时斜发沸石内仍不会发生氧化还原反应 D．通电时，若外电路转移，则有被双极膜解离 【答案】D 【分析】料液（含和）先流过斜发沸石，吸附和，和未被吸附，被分离出去，随后双极膜产生的将交换下来，将交换下来，透过阳离子交换膜进入A溶液，透过阴离子交换膜进入A溶液，据此解答。 【解析】A．料液流过斜发沸石时仅吸附和I-，未被吸附，通电后被交换进入A溶液，不会进入A溶液，而透过阳离子交换膜进入A溶液，A正确；B．通电后，双极膜产生的将交换下来，将交换下来，得到A溶液溶质是KI，由于海水中，则根据电荷守恒，必须有补充电荷，则A溶液中的溶质是KI和HI，B正确；C．双极膜只发生水的解离且传导氢离子和氢氧根，斜发沸石提供的是离子交换的通道，所以调换阴阳区的沸石发生的反应为：，不会发生氧化还原反应，C正确；D．外电路转移6 mol e⁻时，阴阳极各有6mol水被解离，共解离12 mol ，D错误；故选D。 变式3（2025·重庆·一模）某科研团队研究了以铜基配合物电催化还原的装置如图所示，其外接电源为高铁电池()，下列说法正确的是 A．电源a端发生反应： B．电解一段时间后，阴极区附近溶液的pH减小 C．该铜基配合物中配体与配位键的数目之比为1：1 D．外接电源内消耗65 g Zn，阳极室溶液质量减少18 g 【答案】D 【分析】高铁电池的总反应为：；放电时负极（Zn）：，Zn失去电子，发生氧化反应；正极（）：，得到电子，发生还原反应；充电时，上述反应逆向进行，Zn(OH)2在阴极得电子，Fe(OH)3在阳极失电子，据此分析。 【解析】A．Pt电极上，H2O失去电子生成O2，则Pt电极为阳极，电源a端为正极，高铁电池正极反应为；在负极反应，A不符合题意；B．石墨烯电极为阴极，阴极反应为，消耗，溶液pH增大，B不符合题意；C．铜基配合物中配体为2个，形成4个配位键，配体与配位键数目之比为=1：2，C不符合题意；D．消耗（）时，转移电子；阳极反应为，转移电子时，阳极室生成氧气并逸出，同时2 mol通过质子交换膜迁移至阴极，减少质量为，D符合题意；故选D。 变式4【原创题】全固态锂硫电池能量密度高、成本低，其工作原理可表示为用该电池电解含锰酸性废水可得到，装置如图所示。 下列说法错误的是 A．阳离子膜可阻止a区的OH-进入b区，避免其与b区的Cl-在阳极发生副反应 B．当N极质量增加1.4g时，有由c区移动至b区 C．阳离子膜允许Na由b区移向a区，可维持a区的电荷平衡 D．Y极电极反应式为 【答案】B 【分析】全固态锂硫电池中，Li 失电子作负极，因此 M 极为电池负极、X 极为电解池阴极；N 极为电池正极、Y 极为电解池阳极。 【解析】A．X极（阴极）发生反应2H2O+2e=H2+2OH，阳离子膜可阻止a区OH进入b区，避免其在阳极参与副反应，A正确；B．N为正极，嵌入，当N极质量增加1.4 g时，增加0.2 mol，转移0.2 mol电子，同时有0.2 mol由b区移动至c区，B错误；C．电解池中阳离子向阴极移动，阳离子膜允许Na+由b区移向a区，可维持a区的电荷平衡，C正确；D．Y极电极反应式为，D正确；故答案选B。 ◇题型 03 考查离子交换膜的多池装置中的的分析与应用 典｜例｜精｜析 典例1（2025·云南卷）一种用双极膜电渗析法卤水除硼的装置如图所示，双极膜中解离的和在电场作用下向两极迁移。除硼原理：。下列说法错误的是 A．Pt电极反应： B．外加电场可促进双极膜中水的电离 C．Ⅲ室中，X膜、Y膜分别为阳离子交换膜和阴离子交换膜 D．Ⅳ室每生成，同时Ⅱ室最多生成 【答案】C 【分析】由图中氢离子和氢氧根的流向，可推出左侧Pt电极为阳极，右侧石墨电极为阴极，阳极发生的反应为：，阴极发生的反应为：，Ⅲ室中氯化钠浓度降低了，说明钠离子往阴极方向移动，氯离子往阳极方向移动，据此解答。 【解析】A．由分析可知，Pt电极为阳极，阳极发生的反应为：，A正确；B．水可微弱的电离出氢离子和氢氧根，在外加电场作用下，使氢离子和氢氧根往两侧移动，降低了浓度，可促进双极膜中水的电离，B正确；C．由分析可知，Ⅲ室中氯化钠浓度降低了，说明钠离子往阴极方向移动，氯离子往阳极方向移动，即钠离子往右侧移动，通过Y膜，则Y膜为阳离子交换膜，氯离子往左侧移动，通过X膜，则X膜为阴离子交换膜，C错误；D．Ⅳ室每生成，则转移1mol电子，有1mol氢离子移到Ⅱ室中，生成，D正确；故选C。 典例2（2025·河南卷）一种液流电解池在工作时可以实现海水淡化，并以形式回收含锂废弃物中的锂元素，其工作原理如图所示。 下列说法正确的是 A．Ⅱ为阳离子交换膜 B．电极a附近溶液的减小 C．电极b上发生的电极反应式为 D．若海水用溶液模拟，则每脱除，理论上可回收 【答案】D 【分析】由图可知，左侧为阴极，电极反应为，右侧为阳极，电极反应为，在膜Ⅰ和膜Ⅱ间加入海水，钠离子透过膜Ⅰ进入阴极区得到氢氧化钠，氯离子透过膜Ⅱ进入膜Ⅱ与膜Ⅲ之间，锂离子透过膜Ⅲ进入膜Ⅱ与膜Ⅲ之间，在此处得到LiCl，则膜Ⅰ为阳膜，膜Ⅱ为阴膜，膜Ⅲ为阳膜，据此解答。 【解析】A．由分析可知，膜Ⅱ为阴膜， A错误；B．a电极的反应为，pH变大，B错误；C．由分析可知，电极b的反应为，C错误；D．每脱除58.5gNaCl，转移电子数为1mol，有1molLi+和1molCl-分别透过离子交换膜Ⅲ、膜Ⅱ，可得到1molLiCl，D正确；故选D。 方｜法｜提｜练 先判装置类型（原电池+电解池、多室电解池），再抓膜的功能的，理顺离子迁移与电极反应的关联。步骤如下： 1.拆解多池结构，明确各池电极类型、反应目的，标注电极反应式； 2.结合膜的透过性，判断离子跨膜迁移方向，理清各池离子浓度变化； 3.紧扣电荷守恒、离子守恒，关联膜的作用与产物生成，规避副反应干扰； 4.规范答题：按“装置判断→膜型分析→离子迁移→守恒计算/结论”梳理思路，精准提炼关键要点，快速突破多池复合场景的解题难点。 变｜式｜巩｜固 变式1（2026·重庆渝中·一模）一种利用微生物燃料电池电解废水处理装置不仅获得高效能源，还通过电渗析法合成电子工业清洗剂四甲基氢氧化铵(CH3)4NOH。相关装置如图所示。有关说法错误的是 A．该装置可用于浓缩海水 B．局部电子流向为：电极b→导线→石墨电极X C．微生物菌辅助电极Y的电极反应为：CH3COO-+2H2O-8e-=2CO2↑+7H+ D．合成1 mol (CH3)4NOH时，MFC理论上至少需要消耗标准状况下空气少于22.4 L 【答案】D 【分析】左侧为微生物燃料电池（MFC） 石墨电极X为正极：在酸性条件下得电子，反应为 石墨电极Y为负极：被氧化为，反应为 右侧为电解池（电渗析法合成）；a电极为阴极：a电极发生，B室加入的溶液中通过c（阳离子交换膜）进入a电极室合成，A电极室的稀溶液变为浓溶液，B室溶液中通过d（阴离子交换膜）进入溶液的C室；b电极为阳极：OH-失电子生成和，反应为 ，通过e（阳离子交换膜）进入溶液的C室，得到P处浓溶液，据此解答。 【解析】A．由分析可知，B室中通过d膜进入C室，通过e膜进入C室，C室中的浓度升高，可实现海水浓缩，A正确；B．b电极为阳极，失去电子，故可实现局部电子流向：电极b→导线→石墨电极X，B正确；C．微生物辅助电极Y为负极，在此被氧化，电极反应式为：，C正确；D．合成1 mol 时，由a电极反应可知，整个电路需要转移1 mol电子。MFC正极消耗的物质的量为：，空气中体积分数约为21%，所需空气的体积为：，因此需要消耗标准状况下空气大于22.4 L，D错误；故答案选D。 变式2（2025·江西·模拟预测）味精(主要成分为谷氨酸钠)在东亚地区的化学调味品领域中占据重要地位，一种利用电化学方法制备谷氨酸钠(用NaGA表示)的原理如图所示，为离子交换膜。下列说法正确的是 A．a、b分别为阴离子交换膜和阳离子交换膜 B．阴极的电极反应式为 C．阳极室内溶液的pH逐渐增大 D．标准状况下，理论上每生成1molNaGA的同时阳极会产生5.6L气体 【答案】D 【分析】该装置为电解池，分为阴极室、Ⅰ 室、产品室、阳极室。阴极发生还原反应，阳极发生氧化反应。离子交换膜a、b用于控制离子的移动，以制备谷氨酸钠（）。 【解析】A．由装置可知，产品室需和结合生成。（阴离子）向阳极移动，需通过产品室左侧的b膜，故b为阴离子交换膜；（阳离子）向阴极移动，需通过阳极室与产品室间的a膜，故a为阳离子交换膜，故A错误；B．阴极发生还原反应，电极反应式应为，故B错误；C．阳极发生氧化反应：，消耗，阳极室溶液pH逐渐减小，故C错误；D．生成1mol时，阳极室中有1mol移向产品室，同时阳极室内有1mol发生氧化反应：，生成0.25mol（标况下体积为5.6L），故D正确；故选D。 变式3（2025·安徽合肥·模拟预测）次磷酸钴广泛用于化学镀钴，以金属钴和次磷酸钠为原料，采用四室电渗析槽电解法制备，原理如图。下列说法错误的是 A．石墨与电源负极相连 B．A膜是质子交换膜 C．阴极反应式为 D．外电路转移2mol电子，理论上生成1mol产品 【答案】B 【分析】Co电极为阳极，连接电源正极，Co被氧化生成Co2+，并向阴极移动，A为阳离子交换膜，石墨电极为阴极，H2O被还原生成H2，同时生成OH-，原料室中Na+向阴极区移动，最终阴极区得到浓NaOH溶液，C膜为阳离子交换膜，原料室中带负电的次磷酸根向阳极区移动，B为阴离子交换膜，最终产品室由于A、B膜的存在，得到次磷酸钴溶液，据此解答。 【解析】A．石墨为阴极，与电源负极相连，A正确；B．A膜需允许Co2+从阳极室进入产品室，应为阳离子交换膜，而非仅允许H+通过的质子交换膜，B错误；C．阴极（石墨）在碱性条件下发生还原反应，水得电子生成H2和OH-，反应式为2H2O+2e-=H2↑+2OH-，C正确；D．阳极Co失电子生成Co2+：Co-2e-=Co2+，转移2 mol电子生成1 mol Co2+，同时原料室中有2 mol 迁移至产品室，与Co2+结合生成1 mol Co(H2PO2)2，D正确；答案选B。 变式4【原创题】浓差电池是利用两极电解质溶液中浓度不同引起的电势差放电的装置。下图是利用“海水河水”浓差电池(不考虑溶解氧的影响)制备和NaOH的装置示意图，其中均为复合电极，电极a、b均为石墨，下列说法正确的是 A.“海水-河水”浓差电池中，X极为负极，发生氧化反应 B.电解池中，电极a的电极反应为2H2O-4e-=4H++O2↑ C.电解池中，c为阴离子交换膜，d为阳离子交换膜 D.当浓差电池中生成1 mol AgCl时，电解池理论上可生成1 mol H2SO4 【答案】C 【解析】A．海水中Cl-浓度更高，根据浓差电池原理，Cl-会从高浓度的海水区向低浓度的河水区迁移。因此，X极为正极发生还原反应Ag++Cl-=AgCl↓，Y极为负极发生氧化反应Ag+Cl-e-=AgCl↓，A错误；B．电极a的主要目的是富集H2SO4，其反应是促进SO42-迁移并与H+结合，并非直接生成O2，B错误；C．电极a与浓差电池的正极(X极)相连，作阳极；电极b与负极(Y极)相连，作阴极。阳极(a)的电极反应为2H2O-4e-=O2↑+4H+或SO42-相关氧化反应，但最终目的是生成H2SO4，需要SO42-通过c膜进入a区，故c为阴离子交换膜。阴极(b)的电极反应为2H2O+2e-=H2↑+2OH-，需要Na+通过d膜进入b区生成NaOH，故d为阳离子交换膜，C正确；D．浓差电池中生成1mol AgCl时，转移1mol电子；电解池中生成1 mol H₂SO₄需要转移2 mol电子，故理论上仅能生成0.5 mol H2SO4，D错误；故选C。 17 / 18 学科网（北京）股份有限公司 $