主题9 第5讲 含膜电化学装置在生产生活中的应用(Word教参)-【新高考方案】2027年高考化学一轮总复习

该高中化学高考复习讲义聚焦含膜电化学装置应用专题，整合离子交换膜类型作用、单/双/多膜装置解读及制备分离环保三大应用场景，通过“研真题—提知能—通应用”三阶架构，结合2025年江苏广东等卷真题讲解，帮助学生构建电化学问题分析框架。 讲义创新采用四步思维模型教学，如双膜三室电解制备金属钴时，引导学生依次完成电极判断、反应书写、离子移动分析及膜类型确定，培养科学思维与模型建构能力。设置真题解析与分类例析分层练习，助力学生高效突破考点，为教师把控复习节奏提供系统指导。

第五讲　含膜电化学装置在生产生活中的应用 　　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。因它对离子具有选择透过性,且电化学性能优良,在涉及电化学的工业生产中广泛应用。由于离子交换膜能将工业生产与化学知识有机的融合,实现资源的最优配置,考查学生的学以致用能力,在近几年的电化学高考试题中年年涉及。 一、研真题——明高考方向 1.(2025·江苏卷)以稀H2SO4为电解质溶液的光解水装置如图所示,总反应为2H2O2H2↑+O2↑。下列说法正确的是 (　　) A.电极a上发生氧化反应生成O2 B.H+通过质子交换膜从右室移向左室 C.光解前后,H2SO4溶液的pH不变 D.外电路每通过0.01 mol电子,电极b上产生0.01 mol H2 解析:选A　光解过程中,电极a上电子流出,发生氧化反应,a为负极,电极反应为2H2O-4e-==O2↑+4H+;电极b上电子流入,发生还原反应,b为正极,电极反应为2H++2e-==H2↑。根据分析,电极a为负极,发生氧化反应,电极反应为2H2O-4e-==O2↑+4H+,生成物有O2,A正确;原电池中阳离子向正极移动,电极a上生成H+,电极b上消耗H+,H+通过质子交换膜从左室移向右室,B错误;在探究溶液浓度变化时,不仅要关注溶质的变化,也要关注溶剂的变化,光解水使H2SO4溶液中H2O减少,H2SO4溶液浓度增大,pH减小,C错误;生成1 mol H2,转移2 mol电子,外电路通过0.01 mol电子时,电极b上生成0.005 mol H2,D错误。 2.(2025·广东卷)一种高容量水系电池示意图如图。已知:放电时,电极Ⅱ上MnO2减少;电极材料每转移1 mol电子,对应的理论容量为26.8 A·h。下列说法错误的是 (　　) A.充电时Ⅱ为阳极 B.放电时Ⅱ极室中溶液的pH降低 C.放电时负极反应为MnS-2e-==S+Mn2+ D.充电时16 g S能提供的理论容量为26.8 A·h 解析:选B　放电时,电极Ⅱ上MnO2减少,说明MnO2转化为Mn2+,化合价降低,发生还原反应,为原电池的正极,由于电解质溶液为MnSO4溶液,故电解质溶液应为酸性溶液,正极反应为MnO2+2e-+4H+==Mn2++2H2O;则电极Ⅰ为原电池负极,MnS失去电子生成S和Mn2+,负极反应为MnS-2e-==S+Mn2+。由分析可知,放电时电极Ⅱ为正极,故充电时电极Ⅱ为阳极,A正确;由分析可知,放电时电极Ⅱ为正极,正极反应为MnO2+2e-+4H+==Mn2++2H2O,反应消耗H+,溶液的pH升高,B错误;由分析可知,放电时电极Ⅰ为原电池负极,负极反应为MnS-2e-==S+Mn2+,C正确;根据放电时负极反应,可知充电时阴极反应为S+Mn2++2e-==MnS,每消耗16 g S,即0.5 mol S,转移1 mol电子,据题意可知,能提供的理论容量为26.8 A·h,D正确。 3.(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LiCl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pH减小 C.电极b上发生的电极反应式为[Fe(CN)6]4-+e-==[Fe(CN)6]3- D.若海水用NaCl溶液模拟,则每脱除58.5 g NaCl,理论上可回收1 mol LiCl 解析:选D　由图可知,左侧为阴极,电极反应为O2+4e-+2H2O==4OH-,右侧为阳极,电极反应为[Fe(CN)6]4--e-==[Fe(CN)6]3-,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为阳离子交换膜,膜Ⅱ为阴离子交换膜,膜Ⅲ为阳离子交换膜,据此解答。由分析可知,膜Ⅱ为阴离子交换膜,A错误;a电极的反应为O2+4e-+2H2O==4OH-,pH变大,B错误;由分析可知,电极b发生的反应为[Fe(CN)6]4--e-==[Fe(CN)6]3-,C错误;每脱除58.5 g NaCl,转移电子为1 mol,有1 mol Li+和1 mol Cl-分别透过离子交换膜Ⅲ、Ⅱ,可得到1 mol LiCl,D正确。 4.(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H2O解离的H+和OH-在电场作用下向两极迁移。除硼原理:[B(OH)4]-+H+==B(OH)3+H2O。下列说法错误的是 (　　) A.Pt电极反应:4OH--4e-==O2↑+2H2O 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1 mol NaOH,同时Ⅱ室最多生成1 mol B(OH)3 解析:选C　由图中H+和OH-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4OH--4e-==O2↑+2H2O,阴极发生的反应为2H++2e-==H2↑,Ⅲ室中NaCl浓度降低了,说明Na+向阴极方向移动,Cl-向阳极方向移动,据此解答。由分析可知,Pt电极为阳极,阳极发生的反应为4OH--4e-==O2↑+2H2O,A正确;水可微弱的电离出H+和OH-,在外加电场作用下,使H+和OH-向两侧移动,降低了浓度,可促进双极膜中水的电离,B正确;由分析可知,Ⅲ室中NaCl浓度降低了,说明Na+向阴极方向移动,Cl-向阳极方向移动,即Na+向右侧移动,通过Y膜,则Y膜为阳离子交换膜,Cl-向左侧移动,通过X膜,则X膜为阴离子交换膜,C错误;Ⅳ室每生成1 mol NaOH,则转移1 mol电子,有1 mol H+移到Ⅱ室中,生成1 mol B(OH)3,D正确。 二、提知能——建思维模型 (一)离子交换膜的类型及作用 (二)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) 2H2O+2e-==H2↑+ 2OH- 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 4.四膜五室 海水中除含有钠、氯等元素,还含有钙、镁、钾、硫酸根离子等。现利用“电渗析法”对海水进行淡化,技术原理如图: 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(甲) 2Cl--2e-==Cl2↑ 甲室c(Cl-)减小,即c(阴离子)减小 Na+等阳离子通过阳离子交换膜由甲室移向乙室 阴极(戊) 2H2O+2e-== H2↑+2OH- 戊室c(OH-) 增大,即c(阴离子)增大 OH-等阴离子通过阴离子交换膜由戊室移向丁室 5.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。 三、通应用——分类例析清 类型(一)　用于物质制备 1.(2024·重庆卷)我国科研工作者研发了一种新型复合电极材料,可将CO2电催化转化为甲酸,如图是电解装置示意图。下列说法正确的是 (　　) A.电解时电极N上产生OH- B.电解时电极M上发生氧化反应 C.阴、阳离子交换膜均有两种离子通过 D.总反应为2CO2+2H2O2HCOOH+O2 解析:选D　电极M上CO2转化为HCOO-,发生还原反应:CO2+2e-+H2O==HCOO-+OH-,为阴极;电极N上H2O转化为O2,发生氧化反应:2H2O-4e-==O2↑+4H+,为阳极;阴极室HCOO-、OH-透过阴离子交换膜进入中间室,阳极室H+透过阳离子交换膜进入中间室,HCOO-和H+结合为HCOOH。电解时电极N上发生反应2H2O-4e-==O2↑+4H+,产生H+,A项错误;由分析知,电解时电极M上发生还原反应,B项错误;由分析知,阳离子交换膜只有H+通过,C项错误;根据阳极反应2H2O-4e-==O2↑+4H+,阴极反应CO2+2e-+H2O==HCOO-+OH-,可得总反应为2CO2+2H2O2HCOOH+O2,D项正确。 2.利用双极膜电解Na2SO4制备NaOH,捕集烟气中CO2,制备NaHCO3。电解原理如图所示: 已知:双极膜为复合膜,可在直流电的作用下,将膜间的H2O解离,提供H+和OH-。下列说法正确的是 (　　) A.阴极反应式:2H2O+2e-==H2↑+2OH- B.Ⅰ为阴离子交换膜,Ⅱ为阳离子交换膜 C.电路中转移2 mol电子时共产生2 mol NaOH D.该装置总反应的方程式为4H2O2H2↑+O2↑+2H++2OH- 解析:选A　由题图知,与电源负极相连的阴极的电极反应式为2H2O+2e-==H2↑+2OH-,与电源正极相连的阳极的电极反应式为2H2O-4e-==4H++O2↑,钠离子通过离子交换膜Ⅰ移向阴极,故Ⅰ为阳离子交换膜,硫酸根离子通过离子交换膜Ⅱ向右移动,故Ⅱ为阴离子交换膜,双极膜处氢离子向左移动,氢氧根向右移动,钠离子通过阳离子交换膜向左移动,硫酸根离子通过阴离子交换膜向右移动,据此回答。由分析知,阴极反应式:2H2O+2e-==H2↑+2OH-,A正确;由分析知,Ⅰ为阳离子交换膜,Ⅱ为阴离子交换膜,B错误;由分析知,电解过程中有两处生成NaOH,由电子守恒得,电路中转移2 mol电子时共产生4 mol NaOH,C错误;由阴极和阳极电解反应式得,该装置总反应的方程式为2H2O2H2↑+O2↑,D错误。 [关键点拨] 　　电解原理常用于物质的制备,具有反应条件温和、反应试剂纯净和生产效率高等优点,电解原理能使许多不能自发的反应得以实现。工业上常用多室电解池制备物质,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。 类型(二)　用于物质的分离与提纯 3.我国科学家以石墨烯壳层封装钴镍纳米粒子的“铠甲”催化剂作电极,实现了合成气中H2S杂质的高效去除,其工作原理如图所示。下列说法错误的是 (　　) A.x为电源负极,阴极区溶液的pH增大 B.为同时实现氢气和硫粉的分离与回收,隔膜为阳离子交换膜 C.阳极的电极反应式为H2S-2e-==S↓+2H+ D.通电一段时间后,阴极区的溶液可以补充到阳极区,实现电解液的再生 解析:选C　据题图可知与电源y连接的电极上H2S发生氧化反应转化为S,所以y为电源正极,x为电源负极,阴极发生还原反应,电极反应式为2H2O+2e-==2OH-+H2↑,所以阴极区溶液的pH增大,A正确;为实现氢气和硫单质的分离,隔膜应为阳离子交换膜,Na+通过该膜由阳极移向阴极,防止阴极生成的OH-迁移到阳极发生反应,B正确;阳极发生氧化反应,电极反应式为H2S+2C-2e-==S↓+2HC,C错误;通电一段时间后,阴极区得到氢氧化钠溶液,阳极区得到NaHCO3溶液,NaHCO3溶液与NaOH溶液反应生成Na2CO3,所以将阴极区溶液补充到阳极区可实现电解液的再生,D正确。 4.(2026·辽宁抚顺联考)工业上,常用电渗析法淡化海水。某小组模拟淡化海水原理,设计如图所示装置。已知锂离子电池反应为xLi+Li1-xMn2O4==LiMn2O4。下列叙述错误的是 (　　) A.M极为阳极,膜2为阳离子交换膜 B.锂离子电池放电时,负极的电极反应为Li-e-==Li+ C.基态锰原子中有15种不同运动状态的电子 D.N极收集到11.2 L气体(标准状况)时理论上转移1 mol电子 解析:选C　由题干信息可知,电极M与锂离子电池的正极相连,是阳极,电极反应为2Cl--2e-==Cl2↑,电极N与锂离子电池的负极相连,是阴极,电极反应为2H++2e-==H2↑,阴离子透过膜1移向M极,阳离子透过膜2移向N极,即膜1为阴离子交换膜,膜2为阳离子交换膜,A正确;锂离子电池反应为xLi+Li1-xMn2O4==LiMn2O4,故放电时,负极的电极反应为Li-e-==Li+,B正确;已知Mn是25号元素,其核外有25个电子,基态锰原子中有25种不同运动状态的电子,C错误;N极电极反应为2H++2e-==H2↑,故N极收集到11.2 L气体(标准状况)时理论上转移电子的物质的量为×2=1 mol,D正确。 [关键点拨] 　　利用电解原理来分离、提纯物质,如电解精炼铜的过程中,将粗铜作阳极,含Cu2+的溶液为电解液,通直流电,在阳极铜及比铜活泼的杂质金属失电子,在阴极只有Cu2+得电子析出,从而提纯了铜,也可以通过离子间带同种电荷的相互排斥远离,带异性电荷的相互吸引靠近,实现不同离子的定向迁移,从而实现对物质的分离与提纯,并由此判断出离子的移动方向。电解法是实现物质简单快速分离的一种有效手段,分离物质的同时得到副产物,具有比一般分离方法更实用的优势。 类型(三)　用于“三废”处理和环境保护 5.(2026·烟台一模)电催化共还原CO2与N制备乙酰胺(CH3CONH2)是一种碳中和与废水处理有机结合的绿色电化学策略,其装置如图所示。已知:酸性条件下极易发生严重的析氢竞争反应。下列说法错误的是 (　　) A.电极M的电势比电极N低 B.电极N附近pH降低 C.M极存在电极反应:2CO2+10e-+7H2O==10OH-+CH3CHO D.制备1 mol乙酰胺,电路中至少转移12 mol e- 解析:选D　由题意可知该装置在碱性条件下进行,根据图示可知,M极发生电极反应:2CO2+10e-+7H2O==10OH-+CH3CHO,N+4e-+4H2O==5OH-+NH2OH,N极发生电极反应:4OH--4e-==O2↑+2H2O。电极M上得电子,为阴极,N为阳极,M的电势比电极N低,A正确;电极N消耗OH-,生成水,电极附近溶液的pH降低,B正确;M极存在电极反应:2CO2+10e-+7H2O==10OH-+CH3CHO,C正确;制备1 mol乙酰胺,电路中至少转移14 mol e-,D错误。 6.(2025·四川卷)最近,我国科学工作者制备了一种Ni⁃CuO电催化剂,并将其与金属铝组装成可充电电池,用于还原污水中的N为NH3,其工作原理如图所示。研究证明,电池放电时,水中的氢离子在电催化剂表面获得电子成为氢原子,氢原子再将吸附在电催化剂表面的N逐步还原为NH3。 下列说法错误的是 (　　) A.放电时,负极区游离的OH-数目保持不变 B.放电时,还原1.0 mol N为NH3,理论上需要8.0 mol氢原子 C.充电时,OH-从阴极区穿过离子交换膜进入阳极区 D.充电时,电池总反应为4[Al(OH)4]-==4Al+6H2O+4OH-+3O2↑ 解析:选A　放电时,负极铝失去电子和氢氧根离子结合生成四羟基合铝酸根,Al-3e-+4OH-==[Al(OH)4]-,正极水中的氢离子在电催化剂表面获得电子成为氢原子,氢原子再将吸附在电催化剂表面的N逐步还原为NH3,正极区发生反应为N+8e-+6H2O==NH3+9OH-(注意此反应不是电极反应),充电时,金属铝为阴极,Ni⁃CuO电极为阳极,据此解答。放电时,负极铝失去电子和氢氧根离子结合生成四羟基合铝酸 根:Al-3e-+4OH-==[Al(OH)4]-,当转移3 mol电子时,消耗4 mol OH-,同时正极区会有3 mol OH-通过OH-离子交换膜进行补充,OH-净消耗1 mol,故负极区游离的OH-数目会减少,故A错误;氢原子将吸附在电催化剂表面的N逐步还原为NH3,还原1.0 mol N为NH3,由化合价变化可知,得到8 mol电子,所以理论上需要8.0 mol氢原子,故B正确;充电时,阴离子向阳极移动,所以充电时,OH-从阴极区穿过OH-离子交换膜进入阳极区,故C正确;充电时,电池阴极反应式为4[Al(OH)4]-+12e-==4Al+16OH-,阳极反应式为6H2O-12e-==3O2↑+12H+,总反应为4[Al(OH)4]-==4Al+6H2O+4OH-+3O2↑,故D正确。 [关键点拨] 应用电解的原理处理生产中的废水,可以直接将废水中有害物质通过电解形式分别在阳、阴两极上发生氧化和还原反应转化成为无害物质以实现污水净化;也可采用间接氧化和间接还原方式,即利用电解产生的具有氧化性或还原性的产物与废水中的有害物质发生化学反应,转化成无害物质,如生成不溶于水的沉淀物,以达到分离去除的目的。 35 / 41 $