拓展专题10 “膜”在电化学中的应用(Word学生用书)-【学霸笔记·同步精讲】2026-2027学年高中化学选择性必修第一册（人教版）

该高中化学导学案聚焦“膜”在电化学中的应用，涵盖离子交换膜的种类、特点、作用及应用实例，从电化学基础出发，通过氯碱工业、海水淡化等实例搭建学习支架，帮助学生衔接前后知识脉络。 资料通过表格系统梳理膜的种类与作用，结合高考题和实际应用案例设计典例与训练，培养学生科学思维和科学探究与实践能力，习题解析与解题思路点拨助力掌握学科方法，提升解决真实问题的能力。

拓展专题10　“膜”在电化学中的应用 1.离子交换膜的种类 膜的类型 膜的特点 膜的作用 阳离子 交换膜 只允许阳离子透过，不允许阴离子或某些分子透过 电解饱和食盐水利用的就是阳离子交换膜，防止阳极产生的氯气进入阴极室与氢氧化钠溶液反应，导致产品不纯；也可防止氯气与阴极产生的氢气混合发生爆炸 阴离子 交换膜 只允许阴离子透过，不允许阳离子或某些分子透过 如（2023年湖北高考10题）电解海水制备H2，该装置工作时阳极无Cl2生成，且KOH溶液浓度不变，离子交换膜为阴离子交换膜 质子 交换膜 只允许H＋透过，不允许其他阳离子和阴离子透过 既可以作为电解质提供氢离子的通道，又可以作为隔膜隔离两极反应产生的气体 双极膜 由一层双极复合薄膜构成，一侧是阳离子透过膜极板，另一侧是阴离子透过膜极板 双极膜的作用是对电极反应产生调节作用，电解过程中能释放H＋、OH－，对冲电极产生或消耗的正、负电荷。如该膜可在直流电作用下，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－的来源 2.离子交换膜的应用 （1）用离子交换膜隔离某些分子和离子，防止副反应的发生。 例如氯碱工业中，阳离子交换膜的作用就是阻止阴离子（Cl－）和气体（Cl2）通过，防止氯气和NaOH反应。 （2）离子交换膜制备物质、分离物质等。 以电渗析法制备H3PO2为例，其原理如图所示。 离子移动方向及交换膜类型：产品室为阳极，原料室中的阴离子H2P移向产品室，膜1为阴离子交换膜；原料室中的阳离子Na＋移向阴极室，膜2为阳离子交换膜。 阳极：电极反应为2H2O－4e－O2↑＋4H＋，产生的H＋结合移入的H2P生成H3PO2。 阴极：电极反应为2H2O＋2e－2OH－＋H2↑，产生的OH－结合移入的Na＋生成NaOH。 （3）离子交换膜使具有浓度差的离子进行选择性迁移。 离子从浓度较大的溶液区移出，移向浓度较小的溶液区 以电化学制备K2Cr2O7为例，其原理如图所示，其中a、b均为石墨电极。 左侧：为“稀→浓”的溶液区，则右侧的K＋通过K＋交换膜移向左侧，a极为阴极，电极反应为2H2O＋2e－2OH－＋H2↑，产生的OH－结合移入的K＋生成KOH。 右侧：b极为阳极，电极反应为2H2O－4e－4H＋＋O2↑，使溶液中的反应2Cr＋2H＋⇌Cr2＋H2O正向进行，生成K2Cr2O7。 （2026•山东实验中学高二期中）利用如下装置模拟工业上电渗析法实现海水淡化，左侧装置为浓差电池。浓差电池是一种利用电解质溶液浓度差产生电势差而形成的电池，理论上当电解质溶液的浓度相等时停止放电。下列说法错误的是（　　） A．膜1为阳离子交换膜、膜2为阴离子交换膜 B．乙室的Ag电极电势高于甲室 C．石墨1电极的反应为2Cl－－2e－Cl2↑ D．当乙室Ag电极的质量增加21.6 g时，理论上NaCl溶液减少11.7 g NaCl 答案：A 解析：该装置左侧为浓差电池，右侧为电解池，实现海水淡化装置，甲室Ag电极发生Ag－e－Ag＋，该电极为负极，乙室的Ag电极发生Ag＋＋e－Ag，该电极为正极，故石墨1电极为阳极，石墨2电极为阴极，NaCl溶液中阳离子Na＋移向阴极室，膜2为阳离子交换膜，阴离子Cl－移向阳极室，膜1为阴离子交换膜，从而模拟实现海水淡化；石墨1电极为阳极，电极反应为2Cl－－2e－Cl2↑，C正确；乙室的Ag电极发生Ag＋＋e－Ag，增加21.6 g为生成的Ag的质量，物质的量为=0.2 mol，转移电子0.2 mol，理论上NaCl溶液移向阳极室的Cl－为0.2 mol，移向阴极室的Na＋为0.2 mol，故质量减少0.2 mol×35.5 g•mol－1＋0.2 mol×23 g•mol－1=11.7 g，D正确。 【解题思路】 电化学中的离子交换膜解题思路 1.水体中氨氮含量过高会造成水体富营养化。利用微生物燃料电池可以对废水中氨氮进行处理的装置如图，两极材料均为石墨棒，下列说法正确的是（　　） A．a极表面发生还原反应 B．工作时H＋通过质子交换膜移向左室 C．标准状况下，每转移3 mol电子，负极生成11.2 L N2，且左室pH降低 D．正极电极反应式为2N＋10e－＋6H2ON2↑＋12OH－ 【题后点拨】 原电池（含离子交换膜）工作原理模型 原电池装置中，离子在内电路的移动方向可以归纳为阳离子（带正电）移向正极，阴离子（带负电）移向负极，即“正正负负”。 2.某有色金属工业的高盐废水中主要含有H＋、Cu2＋、Zn2＋、S、F－和Cl－，利用如图电解装置可回收ZnSO4、CuSO4并尽可能除去F－和Cl－，其中双极膜（BP）中间层的H2O解离为H＋和OH－，并在直流电场作用下分别向两极迁移，M膜、N膜为相同的一价离子交换膜。下列说法错误的是（　　） A．BP膜中OH－均向左侧溶液移动，M膜为一价阳离子交换膜 B．当阴极产生22.4 L气体（标准状况）时，M膜和N膜各有2 mol离子通过 C．溶液a的主要溶质为ZnSO4和CuSO4 D．电解过程中，高盐废水pH不宜过高 3.利用海水直接电解制H2，其工作原理如图，防水透气膜只能水分子通过。下列说法正确的是（　　） A．a为电解池的阴极 B．b的电极反应方程式：2H2O＋2e－H2↑＋2OH－ C．去除透气膜，a极发生的电极反应不变 D．电解池工作时，海水侧的离子浓度理论上逐渐减小 4.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的烟气的工作原理如图所示。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 5.（2025•佛山高二检测）利用多膜装置通过电解法可以制备KNO3，同时获得一定的副产品，其电解装置如图所示。下列说法正确的是（　　） A．Y膜为阳离子交换膜 B．阴极室溶液中OH－浓度逐渐降低 C．理论上每生成标准状况下22.4 L Cl2，阳极室内溶液质量减少149 g D．理论上每生成1 mol Cl2，阴极室溶液质量增加46 g 完成课后作业　第四章　重点强化练（五） 答案 拓展专题10　“膜”在电化学中的应用 对点训练 1.C　a极是铵根离子化合价升高，失去电子得到氮气，因此a极表面发生氧化反应，A错误；根据前面A选项分析a极为负极，b极为正极，该燃料电池为原电池，根据原电池“同性相吸”，则工作时H＋通过质子交换膜移向右室，B错误；根据a极电极反应式：2N－6e－N2↑＋8H＋，标准状况下，每转移3 mol电子，负极生成11.2 L N2，氢离子浓度增大，左室pH降低，C正确；正极电极反应式为2N＋10e－＋12H＋N2↑＋6H2O，D错误。 2.A　该装置为电解池，左侧电极为阳极，右侧电极为阴极，用于回收ZnSO4、CuSO4，并除去F－和Cl－，工作时阴离子移向阳极，阳离子移向阴极，且M膜、N膜为相同的一价离子交换膜，则M膜为阴离子交换膜，阳极反应为2H2O－4e－4H＋＋O2↑，阴极反应为2H2O＋2e－2OH－＋H2↑，双极膜（BP）中解离的OH－移向高盐废水室中与H＋发生中和反应，所以溶液a主要为ZnSO4、CuSO4，溶液b主要为HF、HCl。电解池中阳离子向阴极移动，BP膜中H＋均向右侧溶液迁移；F－和Cl－通过M膜向左侧迁移，则M膜为一价阴离子交换膜，A错误；阴极反应为2H2O＋2e－2OH－＋H2↑，当阴极产生22.4 L气体（标准状况下为1 mol）时有2 mol离子通过M膜和N膜，B正确；电解池工作时F－和Cl－通过M膜向左侧迁移，H＋与右侧双极膜迁移出来的OH－中和，则反应后得到的溶液a的溶质主要为ZnSO4和CuSO4，C正确；电解过程中，若pH过高则会导致Zn2＋、Cu2＋转化为沉淀，故应控制高盐废水的pH不能过高，D正确。 3.B　阴离子氢氧根离子向a极移动，故a为电解池的阳极发生氧化反应生成氧气，A错误；b的电极反应方程式：2H2O＋2e－H2↑＋2OH－，B正确；去除透气膜，海水中氯离子在阳极发生氧化反应，故a极发生的电极反应发生变化，C错误；电解池工作时，溶剂水不断通过透气膜进入a、b两极发生反应，海水侧的离子浓度理论上逐渐增大，D错误。 4.C　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。 5.C　阳极室电极反应：2Cl－－2e－Cl2↑；阴极室电极反应：2H2O＋2e－2OH－＋H2↑。电解法可以制备KNO3，根据图示，阳极室中的K＋进入KNO3溶液，NaNO3溶液中N进入KNO3溶液，NaNO3溶液中的Na＋进入阴极室生成氢氧化钠。NaNO3中N通过Y膜向左移生成KNO3，Y膜为阴离子交换膜，A错误；阴极室发生反应2H2O＋2e－2OH－＋H2↑，NaNO3溶液中Na＋进入阴极室生成NaOH，B错误；生成标准状况下22.4 L Cl2时，转移2 mol电子，同时有2 mol K＋移向KNO3溶液，则阳极室内减少2 mol KCl，即溶液质量减少149 g，C正确；生成1 mol Cl2时，转移2 mol电子，阴极室内生成1 mol H2但补充了2 mol Na＋，因此阴极室溶液质量增加44 g，D错误。 5 / 5 学科网（北京）股份有限公司 $