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(共34张PPT)
2025新高考化学二轮重点专题
第7讲
离子交换膜在电化学中的应用
contents
目录
01
考向分析
01
02
03
知识重构
重温经典
04
模型建构
考向分析
PART 01
01
考点统计
卷别 试题情境 膜的类别 考点类别
离子交换膜的判断 离子交换膜的应用
2024江苏T8 碱性锌锰电池 隔膜 √
2024河北T13 改性Mg-CO2二次电池 隔膜 √
2024福建T9 新型锂电池 交换膜 √ √
2024广西T9 新型钠离子二次电池 允许Na+通过的隔膜 √
2024广东T16 电解湿法冶炼铁 阳离子交换膜 √
2024黑吉辽T12 电解法耦合高效制H2 阴离子交换膜 √
考点统计
卷别 试题情境 膜的类别 考点分布
离子交换膜的判断 离子交换膜的应用
2024江西T11 多功能甲醛-硝酸盐电池 质子交换膜 √
2024海南T13 电解法制备H2O2 质子交换膜 √
2024北京T16 电解法制备HNO3 质子交换膜 √
2024浙江T19 电解法由CO2制备HCOOH 质子交换膜 √
2024湖北T14 电解法催化合成甘氨酸 双极膜 √
2024重庆T9 电解法由CO2制备HCOOH 阴/阳离子交换膜 √
考点统计
膜的类别 卷别
阳离子交换膜 2023河北T13
阴离子交换膜 2023山东T11
质子交换膜 2023全国甲T12、2023辽宁T11、2023重庆T20
双极膜 2023广东T16
离子交换膜 2023湖北T10、2023北京T5、2023浙江6月T13
知识重构
PART 02
02
1．常见的隔膜
隔膜又叫离子交换膜，离子交换膜是具有离子交换性能的，对溶液中的离子具有选择性透过能力的高分子特殊材料薄膜。1950年W 朱达首先合成了离子交换膜。1956年首次成功地用于电渗析脱盐工艺上。
离子交换膜在应用时，主要利用它的离子选择透过性，由于制膜的主要原料是离子交换树脂，故又称为离子交换(树脂)膜。
离子交换膜具有非常广泛的应用，它是分离装置、提纯装置以及电化学组件中的重要组成部分，在氯碱工业、水处理工业、重金属回收、湿法冶金以及电化学工业等领域都起到举足轻重的作用。
2．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，不允许阴离子或分子通过。
(2)阴离子交换膜，简称阴膜，只允许阴离子通过，不允许阳离子或分子通过。
(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)双极性膜，膜的一侧为阳膜，只允许阳离子通过，另一侧为阴膜，只允许阴离子通过。
阴离子交换膜
阳离子交换膜
双极膜
质子
交换膜
单膜双室
双膜三室
多膜多室
阴离子交换膜、阳离子交换膜
质子交换膜
双极膜
两室法电解饱和食盐水
三室法电解硫酸钠溶液
多室协同电解净化海水
离子选择性定向移动、维持电荷守恒
电极反应式书写
电极属性判定
电解质成分变化
两室法电解饱和食盐水
阳极
阴极
阴极：放氢生碱
2H2O +2e- = H2↑ +2OH-
阳极：2Cl--2e- = Cl2↑
Cl2
H2
精制饱和NaCl溶液
NaCl稀溶液
NaOH稀溶液
较浓NaOH溶液
总反应：2NaCl + 2H2O 2NaOH + H2↑ + Cl2↑
为什么用阳离子交换膜？
避免NaOH与反应
两侧均有Na+离子
电解硫酸钠溶液产生硫酸和烧碱溶液的装置如图所示，其中阴极和阳极均为惰性电极。测得同温同压下，气体甲与气体乙的体积比约为1∶2。
O2
H2
阳极
阴极
阳极：放氧生酸
2H2O-4e- = O2↑ +4H+
阴极：放氢生碱
2H2O +2e- = H2↑ +2OH-
Na+
SO42-
H2SO4
NaOH
阴离子交换膜
阳离子交换膜
总反应：2Na2SO4 + 6H2O 2H2SO4 + 4NaOH + 2H2↑ + O2↑
正极
负极
两膜三室电解硫酸钠溶液
阳极
阴极
三膜四室电解制备Ca(H2PO4)2
阴极：放氢生碱
2H2O +2e- = H2↑ +2OH-
阳极：2Cl--2e- = Cl2↑
Ca2+
Na+
NaOH溶液浓度增大
原料室溶液浓度减小
CaCl2溶液浓度减小
阳离子交换膜
阴离子交换膜
阳离子交换膜
H2PO4-
总反应：CaCl2+2NaH2PO4+2H2O Ca(H2PO4)2+2NaOH +H2↑ + Cl2↑
膜两侧相同离子与膜的类别是否有关系？
双极膜电解制备乙醛酸
双极膜中间层中的H2O解离为H＋和OH－，并在直流电场作用下分别向两极迁移。
2Br--2e- = Br2↑
失电子为阳极
阴极
正极
负极
H＋
OH－
阳极
所得Br2继续氧化乙二醛为乙醛酸
OHCCHO+Br2+ 2OH- =HOOCCHO+H2O+2Br-
乙二酸得电子转化为乙醛酸
HOOCCOOH+ 2e- + 2H+ =HOOCCHO+H2O
总反应： HOOCCOOH + OHCCHO 2HOOCCHO
四膜五室电解氯化钠溶液制备HCl和NaOH
阳极
阴极
H＋
OH－
OH－
H＋
Na＋
Cl－
阴极：放氢不生碱
2H+ +2e- = H2↑
阳极：放氧不生酸
4OH- -4e- = O2↑ +2H2O
NaCl溶液浓度减小a>b
甲室产物NaOH
乙室产物HCl
总反应：4NaCl + 6H2O 4HCl + 4NaOH + 2H2↑ + O2↑
阳离子交换膜
阴离子交换膜
四膜五室NaBr溶液的电渗析装置
正极
负极
阳极：OH－-4e- = O2↑ +2H2O
阴极：2H+ +2e- = H2↑
H＋
H＋
OH－
OH－
Na＋
Br－
NaOH溶液
HBr溶液
NaBr溶液浓度降低
Na2SO4溶液浓度不变
Na2SO4溶液浓度不变
总反应：4NaBr + 6H2O 4HBr + 4NaOH + 2H2↑ + O2↑
Li1－xCoO2 +xe－＋xLi＋===LiCoO2
LixC6 - xe－===xLi＋＋6C
锂电池中的膜
正极
负极
Li＋
允许Li＋自由通过
放电时，石墨层间的Li失去电子变为Li＋ ，电子经导线流向正极， Li＋通过隔膜向正极移动，进入正极材料的空隙，同时变价金属得电子化合价降低，与Li＋形成化合物。
总反应： LixC6 + Li1－xCoO2 ====LiCoO2 + 6C
重温经典
PART 03
03
1．（2024·福建T9）一种兼具合成功能的新型锂电池工作原理如图。电解质为含Li+有机溶液。放电过程中产生(CF3SO2)2NLi，充电过程中电解LiCl产生Cl2。下列说法正确的是
A．交换膜为阴离子交换膜
B．电解质溶液可替换为LiCl水溶液
C．理论上每生成1molCl2，需消耗2molLi
D．放电时总反应：6Li+ N2+4CF3SO2Cl =2(CF3SO2)2NLi +4LiCl
允许Li＋自由通过
2LiCl 2Li + Cl2↑
负极或阴极
正极或阳极
Li＋
正极：N2+6e- +6Li+= 2Li3N
2Li3N+4CF3SO2Cl =2(CF3SO2)2NLi +4LiCl
2．（2024·河北T13）我国科技工作者设计了如图所示的可充电Mg-CO2电池，以Mg(TFSI)2为电解质，电解液中加入1，3-丙二胺(PDA)以捕获CO2，使放电时CO2还原产物为MgC2O4。该设计克服了MgCO3导电性差和释放CO2能力差的障碍，同时改善了Mg2+的溶剂化环境，提高了电池充放电循环性能。下列说法错误的是
A．放电时，电池总反应为2CO2+Mg=MgC2O4
B．充电时，多孔碳纳米管电极与电源正极连接
C．充电时，电子由Mg电极流向阳极，Mg2+向阴极迁移
D．放电时，每转移1mol电子，理论上可转化1mol CO2
CO2得电子为正极：
2CO2 + 2e- + Mg2+ = MgC2O4
负极：Mg - 2e- = Mg2+
阳极
阴极
Mg2+
3．（2022·全国甲T10）一种水性电解液Zn-MnO2离子选择双隔膜电池如图所示(KOH溶液中，Zn2+以Zn(OH)42-存在)。电池放电时，下列叙述错误的是
A．Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅲ区迁移
B．Ⅰ区的SO42-通过隔膜向Ⅱ区迁移
C． MnO2电极反应：MnO2＋2e-＋4H+＝Mn2+＋2H2O
D．电池总反应：Zn＋4OH-＋MnO2＋4H+＝Zn(OH)42-＋Mn2+＋2H2O
两侧均有K＋，为阳离子交换膜
两侧均有SO42- ，为阴离子交换膜
正极
负极
MnO2＋2e-＋4H+＝Mn2+＋2H2O
SO42-
K＋
Zn —2e- ＋4OH-＝Zn(OH)42-＋2H2O
4. (2022 ·河北T12)科学家研制了一种能在较低电压下获得氧气和氢气的电化学装置，工作原理示意图如图。
两侧均为NaOH，无法直接判定
[Fe(CN)6]4- —e- =[Fe(CN)6]3—
阳极
阴极
DHPS+2H2O +2e- = DHPS-2H +2OH-
DHPS-2H=DHPS+H2
O2
4[Fe(CN)6]3-＋4OH－=4[Fe(CN)6]4-＋O2↑＋2H2O
阴离子交换膜
OH-
4. (2022 ·河北T12)科学家研制了一种能在较低电压下获得氧气和氢气的电化学装置，工作原理示意图如图。
5．(2023·湖北T10)我国科学家设计如图所示的电解池，实现了海水直接制备氢气技术的绿色化。该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH溶液的浓度不变，电解生成氢气的速率为xmol h-1。下列说法错误的是
A．b电极反应式为2H2O＋2e－＝H2↑＋2OH－
B．离子交换膜为阴离子交换膜
C．电解时海水中动能高的水分子可穿过PTFE膜
D．海水为电解池补水的速率为2xmol h-1
阳极
阴极
阴极：放氢生碱
2H2O +2e- = H2↑ +2OH-
4OH――4e－＝O2↑＋2H2O
阴离子交换膜
2H2O 2H2↑ + O2↑
水蒸气
6．（2024·江西T11）我国学者发明了一种新型多功能甲醛﹣硝酸盐电池，可同时处理废水中的甲醛和硝酸根离子(如图)。下列说法正确的是
A．CuAg电极反应为2HCHO+2H2O﹣4e﹣═2HCOO﹣+H2↑+2OH﹣
B．CuRu电极反应为NO3﹣+ 6H2O+8e﹣═NH3↑+9OH﹣
C．放电过程中，OH﹣通过质子交换膜从左室传递到右室
D．处理废水过程中溶液pH不变，无需补加KOH
正极
负极
NO3﹣+6H2O+8e﹣═NH3↑+9OH﹣
2HCHO+4OH-﹣2e﹣═2HCOO﹣+H2↑+2H2O
8HCHO+ NO3﹣+7OH-=NH3↑+8HCOO-+4H2↑+2H2O
7．（2024·湖北T14）我国科学家设计了一种双位点PbCu电催化剂，用H2C2O4和NH2OH电化学催化合成甘氨酸，原理如图，双极膜中H2O解离的H+和OH-在电场作用下向两极迁移。已知在KOH溶液中，甲醛转化为HOCH2O-，存在平衡HOCH2O-+ OH- [OCH2O]2-+H2O。Cu电极上发生的电子转移反应为[OCH2O]2--e-=HCOO-+H·。下列说法错误的是
A．电解一段时间后阳极区c(OH-)减小
B．理论上生成1molH3N+CH2COOH双极膜中有4mol H2O解离
C．阳极总反应式为2HCHO+4OH-- 2e-= 2HCOO-+ H2↑+2H2O
D．阴极区存在反应H2C2O4+ 2H++2e-=CHOCOOH+ H2O
2HCHO+4OH-﹣2e﹣═2HCOO﹣+H2↑+2H2O
阳极
阴极
H＋
OH－
H2C2O4+2e-+2H+=OHCCOOH+H2O
HOOCCH=NOH+4e-+5H+=H3N+CH2COOH+H2O
阴极总方程式：H2C2O4+HON+H3+6e-+6H+= H3N+CH2COOH+3H2O
7．（2024·湖北T14）我国科学家设计了一种双位点PbCu电催化剂，用H2C2O4和NH2OH电化学催化合成甘氨酸，原理如图，双极膜中H2O解离的H+和OH-在电场作用下向两极迁移。已知在KOH溶液中，甲醛转化为HOCH2O-，存在平衡HOCH2O-+ OH- [OCH2O]2-+H2O。Cu电极上发生的电子转移反应为[OCH2O]2--e-=HCOO-+H·。下列说法错误的是
A．电解一段时间后阳极区c(OH-)减小
B．理论上生成1molH3N+CH2COOH双极膜中有4mol H2O解离
C．阳极总反应式为2HCHO+4OH-- 2e-= 2HCOO-+ H2↑+2H2O
D．阴极区存在反应H2C2O4+ 2H++2e-=CHOCOOH+ H2O
2HCHO+4OH-﹣2e﹣═2HCOO﹣+H2↑+2H2O
阳极
阴极
H＋
OH－
8．（2024·广东T16）一种基于氯碱工艺的新型电解池(下图)，可用于湿法冶铁的研究。电解过程中，下列说法不正确的是
A．阳极反应：2Cl--2e-=Cl2↑
B．阴极区溶液中OH-浓度逐渐升高
C．理论上每消耗1molFe2O3，阳极室溶液减少213g
D．理论上每消耗1molFe2O3，阴极室物质最多增加138g
阳极
阴极
Fe2O3+6e- +3H2O= 2Fe+ 6OH-
2Cl--2e- = Cl2↑
Na＋
两侧均有Na＋，且向阴极移动
3×71+6×23=351g
6×23=138g
模型建构
PART 04
04
离子交换膜类别的判断
锂电池只允许Li＋自由通过
两侧有相同离子的一般可直接判断
复杂模型需结合装置目的及电极反应变化具体分析
离子交换膜考点的延伸
①离子迁移种类的判断：依据膜的类型选择性定向移动，平衡电荷
②离子迁移方向及电极属性判断：电解池阴阳相吸，原电池正正负负
③电极方程式书写：一定注意电解质环境，尤其是质子交换膜，一定需用H+配平电荷
离子交换膜考点的延伸
④电解质成分变化：关注电极反应式变化的同时，还要关注离子迁移引起的质量变化
Fe2O3+6e- +3H2O= 2Fe+ 6OH-
2Cl--2e- = Cl2↑
Na＋第7讲 离子交换膜在电化学中的应用
一、考向分析
卷别 试题情境 膜的类型 考点分布
离子交换膜的判断 离子交换膜的应用
2024江苏T8 碱性锌锰电池 隔膜 √
2024河北T13 改性Mg-CO2二次电池 隔膜 √
2024福建T9 新型锂电池 交换膜 √ √
2024广西T9 新型钠离子二次电池 允许Na+通过的隔膜 √
2024广东T16 电解湿法冶炼铁 阳离子交换膜 √
2024黑吉辽T12 电解法耦合高效制H2 阴离子交换膜 √
2024江西T11 多功能甲醛-硝酸盐电池 质子交换膜 √
2024海南T13 电解法制备H2O2 质子交换膜 √
2024北京T16 电解法制备HNO3 质子交换膜 √
2024浙江T19 电解法由CO2制备HCOOH 质子交换膜 √
2024湖北T14 电解法催化合成甘氨酸 双极膜 √
2024重庆T9 电解法由CO2制备HCOOH 阴/阳离子交换膜 √
二、知识重构
1．常见的隔膜
隔膜又叫离子交换膜，离子交换膜是具有离子交换性能的，对溶液中的离子具有选择性透过能力的高分子特殊材料薄膜。1950年W 朱达首先合成了离子交换膜。1956年首次成功地用于电渗析脱盐工艺上。
离子交换膜在应用时，主要利用它的离子选择透过性，由于制膜的主要原料是离子交换树脂，故又称为离子交换(树脂)膜。
离子交换膜具有非常广泛的应用，它是分离装置、提纯装置以及电化学组件中的重要组成部分，在氯碱工业、水处理工业、重金属回收、湿法冶金以及电化学工业等领域都起到举足轻重的作用。
2．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，不允许阴离子或分子通过。
（2）阴离子交换膜，简称阴膜，只允许阴离子通过，不允许阳离子或分子通过。
（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）双极性膜，膜的一侧为阳膜，只允许阳离子通过，另一侧为阴膜，只允许阴离子通过。
3.常见考查方式及考点
4.典型装置分析
分析下列装置的电极属性、电极反应式、离子交换膜、离子迁移方向等
装置 分析
重温经典
1．（2024·福建T9）一种兼具合成功能的新型锂电池工作原理如图。电解质为含Li+有机溶液。放电过程中产生(CF3SO2)2NLi，充电过程中电解LiCl产生Cl2。下列说法正确的是
A．交换膜为阴离子交换膜
B．电解质溶液可替换为LiCl水溶液
C．理论上每生成1molCl2，需消耗2molLi
D．放电时总反应：6Li+ N2+4CF3SO2Cl =2(CF3SO2)2NLi +4LiCl
【答案】D
【分析】放电过程中产生(CF3SO2)2NLi，由图可知，放电过程中氮气得到电子发生还原反应生成Li3N，Li3N又转化为(CF3SO2)2NLi和LiCl，则左侧电极为正极，右侧电极为负极；
【解析】A．放电过程中负极锂失去电子形成锂离子，锂离子通过阳离子交换膜进入左侧生成(CF3SO2)2NLi，A错误；
B．锂为活泼金属，会和水反应，故电解质溶液不能为水溶液，B错误；
C．充电过程中电解LiCl失去电子发生氧化反应产生Cl2：2Cl--2e-=Cl2↑，锂离子在阴极得到电子发生还原生成锂单质：2Li++2e-=2Li，则每生成1molCl2，同时生成2mol Li；放电过程中，消耗6mol Li，同时生成4mol LiCl，则整个充放电过程来看，理论上每生成1molCl2，需消耗1mol Li，C错误；
D．由分析，放电过程中，正极氮气得到电子发生还原反应生成Li3N，Li3N又转化为(CF3SO2)2NLi和LiCl，负极锂失去电子发生氧化反应生成锂离子，总反应为6Li+ N2+4CF3SO2Cl =2(CF3SO2)2NLi +4LiCl，D正确。
2．（2024·河北T13）我国科技工作者设计了如图所示的可充电Mg-CO2电池，以Mg(TFSI)2为电解质，电解液中加入1，3-丙二胺(PDA)以捕获CO2，使放电时CO2还原产物为MgC2O4。该设计克服了MgCO3导电性差和释放CO2能力差的障碍，同时改善了Mg2+的溶剂化环境，提高了电池充放电循环性能。
下列说法错误的是
A．放电时，电池总反应为2CO2+Mg=MgC2O4
B．充电时，多孔碳纳米管电极与电源正极连接
C．充电时，电子由Mg电极流向阳极，Mg2+向阴极迁移
D．放电时，每转移1mol电子，理论上可转化1mol CO2
【答案】C
【分析】放电时CO2转化为MgC2O4，碳元素化合价由+4价降低为+3价，发生还原反应，所以放电时，多孔碳纳米管电极为正极、Mg电极为负极，则充电时多孔碳纳米管电极为阳极、Mg电极为阴极：
定位：二次电池，放电时阳离子向正极移动，充电时阳离子向阴极移动。
电极 过程 电极反应式
电极 放电 Mg-2e- =Mg2+
充电 Mg2++2e- =Mg
多孔碳纳米管电极 放电 Mg2++2e- +2CO2=MgC2O4
充电 MgC2O4-2e- = Mg2++2CO2
【解析】A．根据以上分析，放电时正极反应式为Mg2++2e- +2CO2=MgC2O4、负极反应式为Mg-2e- =Mg2+，将放电时正、负电极反应式相加，可得放电时电池总反应：2CO2+Mg=MgC2O4，A正确；
B．充电时，多孔碳纳米管电极上发生失电子的氧化反应，则多孔碳纳米管在充电时是阳极，与电源正极连接，B正确；
C．充电时，Mg电极为阴极，电子从电源负极经外电路流向电极，同时Mg2+向阴极迁移，C错误；
D．根据放电时的电极反应式Mg2++2e- +2CO2=MgC2O4可知，每转移2mol电子，有2mol CO2参与反应，因此每转移1mol电子，理论上可转化1mol CO2，D正确。
3．（2022·全国甲T10）一种水性电解液Zn-MnO2离子选择双隔膜电池如图所示(KOH溶液中，Zn2+以Zn(OH)42-存在)。电池放电时，下列叙述错误的是
A．Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅲ区迁移
B．Ⅰ区的SO42-通过隔膜向Ⅱ区迁移
C． MnO2电极反应：MnO2＋2e-＋4H+＝Mn2+＋2H2O
D．电池总反应：Zn＋4OH-＋MnO2＋4H+＝Zn(OH)42-＋Mn2+＋2H2O
【答案】A
【解析】根据图示的电池结构和题目所给信息可知，Ⅲ区Zn为电池的负极，电极反应为Zn-2e-+4OH-＝Zn(OH)，Ⅰ区MnO2为电池的正极，电极反应为MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O；电池在工作过程中，由于两个离子选择隔膜没有指明的阳离子隔膜还是阴离子隔膜，故两个离子隔膜均可以通过阴、阳离子，因此可以得到Ⅰ区消耗H+，生成Mn2+，Ⅱ区的K+向Ⅰ区移动或Ⅰ区的SO向Ⅱ区移动，Ⅲ区消耗OH-，生成Zn(OH)，Ⅱ区的SO向Ⅲ区移动或Ⅲ区的K+向Ⅱ区移动。据此分析答题。
A．根据分析，Ⅱ区的K+只能向Ⅰ区移动，A错误；
B．根据分析，Ⅰ区的SO向Ⅱ区移动，B正确；
C．MnO2电极的电极反应式为MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O，C正确；
D．电池的总反应为Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn(OH)+Mn2++2H2O，D正确。
4. (2022 ·河北T12)科学家研制了一种能在较低电压下获得氧气和氢气的电化学装置，工作原理示意图如图。
下列说法正确的是
A. 电极b为阳极
B. 隔膜为阴离子交换膜
C. 生成气体M与N的物质的量之比为2∶1
D. 反应器I中反应的离子方程式为4[Fe(CN)6]3-＋4OH－4[Fe(CN)6]4-＋O2↑＋2H2O
【答案】BD
【解析】由图可知，a电极为阳极，碱性条件下[Fe(CN)6]4-离子在阳极失去电子发生氧化反应生成[Fe(CN)6]3—离子，催化剂作用下，[Fe(CN)6]3-离子与氢氧根离子反应生成[Fe(CN)6]4-离子、氧气和水，b电极为阴极，水分子作用下DHPS在阴极得到电子发生还原反应生成DHPS—2H和氢氧根离子，催化剂作用下，DHPS—2H与水反应生成DHPS和氢气，氢氧根离子通过阴离子交换膜由阴极室向阳极室移动，则M为氧气、N为氢气。
A．由分析可知，b电极为电解池的阴极，故A错误；
B．由分析可知，氢氧根离子通过阴离子交换膜由阴极室向阳极室移动，则隔膜为阴离子交换膜，故B正确；
C．由分析可知，M为氧气、N为氢气，由得失电子数目守恒可知，氧气和氢气的的物质的量之比为1∶2，故C错误；
D．由分析可知，反应器I中发生的反应为催化剂作用下，[Fe(CN)6]3-离子与氢氧根离子反应生成[Fe(CN)6]4-离子、氧气和水，反应的离子方程式为4[Fe(CN)6]3-＋4OH－4[Fe(CN)6]4-＋O2↑＋2H2O。
5．(2023·湖北T10)我国科学家设计如图所示的电解池，实现了海水直接制备氢气技术的绿色化。该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH溶液的浓度不变，电解生成氢气的速率为xmol h-1。下列说法错误的是
A．b电极反应式为2H2O＋2e－＝H2↑＋2OH－
B．离子交换膜为阴离子交换膜
C．电解时海水中动能高的水分子可穿过PTFE膜
D．海水为电解池补水的速率为2xmol h-1
【答案】D
【解析】A．由图可知，该装置为电解水制取氢气的装置，a电极与电源正极相连，为电解池的阳极，b电极与电源负极相连，为电解池的阴极，阴极反应为2H2O+2e-=H2↑+2OH－，A正确；
B．该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH浓度不变，阳极反应为4OH－－4e－=O2↑+2H2O，为保持OH－离子浓度不变，则阴极产生的OH－离子要通过离子交换膜进入阳极室，即离子交换膜应为阴离子交换摸，故B正确；
C．题中提示PTFE膜可透汽不透液态水，海水中的动能高的水能量高，即水蒸气，所以可穿过PTFE膜，故C正确；
D．电池总反应为2H2O2H2↑+O2↑，由电解总反应可知，每生成1molH2要消耗1molH2O，生成H2的速率为xmol·h－1，则补水的速率也应是xmol·h－1，故D说法错误。
6．（2024·江西T11）我国学者发明了一种新型多功能甲醛﹣硝酸盐电池，可同时处理废水中的甲醛和硝酸根离子(如图)。下列说法正确的是
A．CuAg电极反应为2HCHO+2H2O﹣4e﹣═2HCOO﹣+H2↑+2OH﹣
B．CuRu电极反应为NO3﹣6H2O+8e﹣═NH3↑+9OH﹣
C．放电过程中，OH﹣通过质子交换膜从左室传递到右室
D．处理废水过程中溶液pH不变，无需补加KOH
【答案】B
【分析】由原电池中电子移动方向可知，CuAg为负极，HCHO失去电子生成HCOO-和H2，电极方程式为：2HCHO+4OH-﹣2e﹣═2HCOO﹣+H2↑+2H2O，CuRu为正极，NO3﹣得到电子生成NH3，电极方程式为：NO3﹣+6H2O+8e﹣═NH3↑+9OH﹣，以此解答。
【解析】A．由分析可知，CuAg为负极，HCHO失去电子生成HCOO-和H2，根据得失电子守恒和电荷守恒配平电极方程式为：2HCHO+4OH-﹣2e﹣═2HCOO﹣+H2↑+2H2O，A错误；
B．由分析可知，CuRu为正极，NO3﹣得到电子生成NH3，根据得失电子守恒和电荷守恒配平电极方程式为：NO3﹣+6H2O+8e﹣═NH3↑+9OH﹣，B正确；
C．质子交换膜只允许H+通过，C错误；
D．由分析可知，负极电极方程式为：2HCHO+4OH-﹣2e﹣═2HCOO﹣+H2↑+2H2O，正极电极方程式为：NO3﹣+6H2O+8e﹣═NH3↑+9OH﹣，总反应为8HCHO+ NO3﹣+7OH-=NH3↑+8HCOO-+4 H2↑+2H2O，处理废水过程中消耗OH-，溶液pH减小，需补加 KOH，D错误。
7．（2024·湖北T14）我国科学家设计了一种双位点PbCu电催化剂，用H2C2O4和NH2OH电化学催化合成甘氨酸，原理如图，双极膜中H2O解离的H+和OH-在电场作用下向两极迁移。已知在KOH溶液中，甲醛转化为HOCH2O-，存在平衡HOCH2O-+ OH-[OCH2O]2-+H2O。Cu电极上发生的电子转移反应为[OCH2O]2--e-=HCOO-+H·。下列说法错误的是
A．电解一段时间后阳极区c(OH-)减小
B．理论上生成1molH3N+CH2COOH双极膜中有4mol H2O解离
C．阳极总反应式为2HCHO+4OH-- 2e-= 2HCOO-+ H2↑+2H2O
D．阴极区存在反应H2C2O4+ 2H++2e-=CHOCOOH+ H2O
【答案】B
【分析】在KOH溶液中HCHO转化为HOCH2O-：HCHO+OH-→HOCH2O-，存在平衡HOCH2O-+OH-[OCH2O]2-+H2O，Cu电极上发生的电子转移反应为[OCH2O]2--e-=HCOO-+H ，H 结合成H2，Cu电极为阳极；PbCu电极为阴极，首先HOOC—COOH在Pb上发生得电子的还原反应转化为OHC—COOH：H2C2O4+2e-+2H+=OHC—COOH+H2O，OHC—COOH与HO—N+H3反应生成HOOC—CH=N—OH：OHC—COOH+HO—N+H3→HOOC—CH=N—OH+H2O+H+，HOOC—CH=N—OH发生得电子的还原反应转化成H3N+CH2COOH：HOOC—CH=N—OH+4e-+5H+=H3N+CH2COOH+H2O。
【解析】A．根据分析，电解过程中，阳极区消耗OH-、同时生成H2O，故电解一段时间后阳极区c(OH-)减小，A项正确；
B．根据分析，阴极区的总反应为H2C2O4+HO—N+H3+6e-+6H+= H3N+CH2COOH+3H2O，1molH2O解离成1molH+和1molOH-，故理论上生成1molH3N+CH2COOH双极膜中有6molH2O解离，B项错误；
C．根据分析，结合装置图，阳极总反应为2HCHO-2e-+4OH-=2HCOO-+H2↑+2H2O，C项正确；
D．根据分析，阴极区的Pb上发生反应H2C2O4+2e-+2H+=OHC—COOH+H2O，D项正确。
8．（2024·广东T16）一种基于氯碱工艺的新型电解池(下图)，可用于湿法冶铁的研究。电解过程中，下列说法不正确的是
A．阳极反应：2Cl--2e-=Cl2↑
B．阴极区溶液中OH-浓度逐渐升高
C．理论上每消耗1molFe2O3，阳极室溶液减少213g
D．理论上每消耗1molFe2O3，阴极室物质最多增加138g
【答案】C
【分析】左侧电极为阴极，发生还原反应，Fe2O3在碱性条件下转化为Fe，从而实现冶铁，电极反应为：Fe2O3+6e- +3H2O= 2Fe+ 6OH-；右侧电极为阳极，溶液为饱和食盐水，Cl-放电产生氯气，电极反应为：2Cl--2e-=Cl2↑；中间为阳离子交换膜，由阳极向阴极移动。
【解析】A．由分析可知，阳极反应为：2Cl--2e-=Cl2↑，A正确；
B．由分析可知，阴极反应为：Fe2O3+6e- +3H2O= 2Fe+ 6OH-，消耗水产生OH-，阴极区溶液中OH-浓度逐渐升高，B正确；
C．由分析可知，理论上每消耗1molFe2O3，转移6mol电子，产生3mol Cl2，同时有6molNa+由阳极转移至阴极，则阳极室溶液减少3×71+6×23=351g，C错误；
D．由分析可知，理论上每消耗1molFe2O3，转移6mol电子，有6mol Na+由阳极转移至阴极，阴极室物质最多增加6×23=138g，D正确。
四、模型建构
1.离子交换膜类别的判断
简单模型：①锂电池只允许Li＋自由通过；②两侧有相同离子的一般可直接判断为相应的离子交换膜；
复杂模型：需根据装置的目的与电极反应式具体分析判断。
2.离子交换膜考点的延伸
①离子迁移种类的判断：依据膜的类型选择性定向移动，平衡电荷；
②离子迁移方向及电极属性判断：电解池阴阳相吸，原电池正正负负；
③电极方程式书写：一定注意电解质环境，尤其是质子交换膜，一定需用H+配平电荷；
④电解质成分变化：关注电极反应式变化的同时，还要关注离子迁移引起的质量变化。
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