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第35讲　电化学原理的综合应用
1．了解离子交换膜的分类及特点，理解离子交换膜在装置中的作用。2.能依据电化学原理分析多池连接的电化学装置，能进行电化学的有关计算。
考点一　离子交换膜在电化学中的应用
1．常见的离子交换膜
离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液中的离子具有选择透过功能的膜，通常由特殊高分子材料制成。离子交换膜分为
(1)阳离子交换膜，只允许阳离子通过，不允许阴离子通过。
(2)阴离子交换膜，只允许阴离子通过，不允许阳离子通过。
(3)质子交换膜，只允许H＋通过，不允许其他阳离子或阴离子通过。
(4)双极隔膜，是一种新型离子交换膜，其膜主体可分为阴离子交换层、阳离子交换层和中间界面层，水解离催化剂被夹在中间的离子交换聚合物中，水电离产物H＋和OH－可在电场力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。
2．离子交换膜的作用
(1)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，提高产品的纯度或避免不安全因素。
(2)能选择性地允许离子通过，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
3．“离子交换膜”题的思维模型
题组一　离子交换膜在原电池中的应用
1．(2025·河北唐山高三期末)一种新型可充电钠离子电池，放电时原理如图所示。
下列说法正确的是(　D　)
A．充电时，b电极与外接电源正极相连
B．离子交换膜为阴离子交换膜
C．充电时，a极反应式为Fe[Fe(CN)6]＋2Na＋＋2e－===Na2Fe[Fe(CN)6]
D．放电时，当外电路转移2 mol电子，b极区电解质溶液质量减少22 g
解析：根据题干放电原理图，Mo箔作正极，在正极发生电极反应为Fe[Fe(CN)6]＋2Na＋＋2e－===Na2Fe[Fe(CN)6]，Mg箔作负极，发生电极反应为2Mg＋2Cl－－4e－===[Mg2Cl2]2+。充电时，b电极与外接电源负极相连，得电子，发生还原反应，A错误；电解液是含Na＋的有机电解质，故离子交换膜为阳离子交换膜，允许Na＋通过，B错误；充电时，a极反应式为Na2Fe[Fe(CN)6]－2e－===2Na＋＋Fe[Fe(CN)6]，C错误；放电时，当外电路转移2 mol电子，根据负极电极反应2Mg＋2Cl－－4e－===[Mg2Cl2]2+，负极区增加1 mol Mg2+，增加的质量为24 g/mol×1 mol＝24 g，正极电极反应为Fe[Fe(CN)6]＋2Na＋＋2e－===Na2Fe[Fe(CN)6]，Na＋向正极移动，外电路转移2 mol电子时，转移2 mol Na＋，转移Na＋的质量为2 mol×23 g/mol＝46 g，b极区电解质溶液质量减少46 g－24 g＝22 g，D正确。
2．(2025·河南三门峡高三月考)ZnCO2电池实现了对CO2的高效利用，其原理如图所示。下列说法不正确的是(　C　)
A．多孔Pd纳米片为正极，电极上发生还原反应
B．Zn电极反应式为Zn＋4OH－－2e－===[Zn(OH)4]2-
C．a为H＋，b为OH－
D．当外电路通过1 mol e－时，双极膜中离解水的物质的量为1 mol
解析：由题图可知，锌发生氧化反应为负极，则多孔Pd纳米片为正极，电极上发生还原反应，A正确；Zn电极上锌失去电子生成[Zn(OH)4]2-，反应式为Zn＋4OH－－2e－===[Zn(OH)4]2-，B正确；原电池中阳离子向正极移动、阴离子向负极移动，故b为H＋，a为OH－，C错误；当外电路通过1 mol e－时，由电荷守恒可知，双极膜中离解水的物质的量为1 mol，产生1 mol氢离子、1 mol氢氧根离子，D正确。
题组二　离子交换膜在电解池中的应用
3．(2024·江西九江一模)我国科学家设计了CO2与氯碱耦合电解池装置如图。这种方法的优点是可以得到氯气和氢氧化钠，实现与氯碱工业的联合。下列说法正确的是(　C　)
A．离子交换膜为阴离子交换膜
B．工作一段时间阴极附近溶液的pH减小
C．电解总化学反应方程式为CO2＋2NaCl＋H2OHCOONa＋Cl2＋NaOH
D．标准状况下，每生成2.24 L Cl2，溶液中通过的电子为0.2 mol
解析：由题图可知，阴极的电极反应式为CO2＋2e－＋H2O===HCOO－＋OH－，阳极的电极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑，电解总化学反应方程式为CO2＋2NaCl＋H2OHCOONa＋Cl2＋NaOH，C正确；阴极区域生成OH－，Na＋从阳极区域通过交换膜进入阴极区，所以该离子交换膜只能让阳离子通过，不能让阴离子通过，采用阳离子交换膜，可以提高NaOH的产量和纯度，A错误；工作一段时间阴极产生OH－，阴极附近pH变大，B错误；电子不能通过溶液，D错误。
4．(2024·河北名校联盟12月联考)某有色金属工业的高盐废水中主要含有H＋、Cu2+、Zn2+、SO、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膜需在一价阴离子交换膜和阳离子交换膜中选择。下列说法错误的是(　B　)
A．BP膜中H＋均向右侧溶液迁移，M膜为一价阴离子交换膜
B．溶液a的溶质主要为HF和HCl，溶液b的溶质主要为ZnSO4和CuSO4
C．当阳极产生22.4 L气体(标准状况)时，有4 mol离子通过N膜
D．电解过程中，应控制高盐废水的pH不能过高
解析：由题图可知，最左侧为阳极室，水放电生成氧气和氢离子；最右侧为阴极室，水放电生成氢气和氢氧根离子；电解池中阳离子向阴极移动，BP膜中H＋均向右侧溶液迁移。氟离子、氯离子通过M膜向左侧迁移，故M膜为一价阴离子交换膜，A正确；溶液a中氟离子、氯离子通过M膜向左侧迁移，氢离子与右侧双极膜迁移出来的OH－中和，故反应后溶液a的溶质主要为ZnSO4和CuSO4，溶液b的溶质主要为右侧迁移过来的氟离子、氯离子与左侧迁过来的氢离子生成的HF和HCl，B错误；阳极反应为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，当阳极产生22.4 L气体(标准状况下为1 mol)时，根据电子守恒可知，有4 mol离子通过N膜，C正确；电解过程中，若pH过高则会导致锌离子、铜离子转化为沉淀，故应控制高盐废水的pH不能过高，D正确。
考点二　“多池串联”的两大模型判断和电解的定量计算
1．常见多池串联装置图
(1)外接电源与电解池的串联模型
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。
(2)原电池与电解池的串联模型
甲、乙两图中，A均为原电池，B均为电解池。
2．电解的定量计算
(1)根据总反应式计算
先写出电极反应式，再写出总反应式，最后根据总反应式列出比例式计算。
(2)根据得失电子守恒计算
①用于串联电路中阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量等类型的计算，其依据是电路中转移的电子数相等。
②用于混合溶液中电解的分阶段计算。
(3)根据关系式计算
根据得失电子守恒定律建立起已知量与未知量之间的桥梁，构建计算所需的关系式。
以通过4 mol e－为桥梁可构建如下关系式：
(式中M为金属，n为其离子的化合价数值)
该关系式具有总揽电化学计算的作用和价值，熟记电极反应式，灵活运用关系式便能快速解答常见的电化学计算问题。
题组一　“多池串联”电化学装置分析
1．(2024·黑龙江哈尔滨九中期中)采用空气和水通过电解法可制备H2O2，装置如图所示。乙中管道将d极产生的气体通过管道送至c极。已知溶液的pH过高时H2O2会分解。下列说法错误的是(　A　)
A．d极为阳极，电极反应式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O
B．可以将乙池中KNO3替换成Na2SO4
C．若以CH3OCH3为燃料消耗4.6 g时，能生成20.4 g H2O2
D．装置中质子交换膜除了平衡电荷还有调节pH的作用
解析：由题图分析，甲为燃料电池，a为负极，b为正极；乙为电解池，c为阴极，d为阳极。d极上发生氧化反应，电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，c极上发生还原反应，电极反应式为O2＋2e－＋2H＋===H2O2，A错误；乙池中的KNO3起导电作用，可以将KNO3替换成Na2SO4，B正确；若以CH3OCH3为燃料，电极反应式为CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋，消耗二甲醚4.6 g时电子转移1.2 mol，根据O2＋2e－＋2H＋===H2O2反应能生成0.6 mol H2O2，即0.6 mol×34 g/mol＝20.4 g H2O2，C正确；a极生成H＋，b极消耗H＋，d极生成H＋，c极消耗H＋，装置中质子交换膜除了平衡电荷还有调节pH的作用，D正确。
2．(2025·安徽池州高三期末)科学家设计了如图装置通过电解制备苯乙酸，下列说法正确的是(　C　)
A．a极电极反应式为Cr2O＋8H＋－6e－===2Cr(OH)3＋H2O
B．电极电势：b>a
C．装置Ⅱ中每消耗1 mol，理论上有2 mol质子通过质子交换膜
D．工作一段时间后NaCl溶液的浓度升高
解析：a极电极反应式为Cr2O＋8H＋＋6e－===2Cr(OH)3＋H2O，A错误；由装置Ⅰ可知，a极为正极，b极为负极，电极电势：a>b，B错误；装置Ⅱ中每消耗1 mol，电路中转移2 mol电子，理论上有2 mol质子通过质子交换膜，C正确；OH－通过阴离子交换膜进入NaCl溶液，H＋通过阳离子交换膜进入NaCl溶液，H＋和OH－结合生成水，工作一段时间后NaCl溶液的浓度降低，D错误。
串联类电池的思维流程
题组二　电化学的有关计算
3．如图所示，通电5 min后，电极5的质量增加2.16 g，请回答下列问题。
(1)a为电源的负（填“正”或“负”）极，C池是电解池。A池阳极的电极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑，C池阴极的电极反应式为Ag＋＋e－===Ag。
(2)如果B池中共收集到224 mL气体（标准状况）且溶液体积为200 mL（设电解过程中溶液体积不变），则通电前溶液中Cu2+的物质的量浓度为0.025 mol·L-1。
(3)如果A池溶液是200 mL足量的食盐水（电解过程溶液体积不变），则通电5 min后，溶液的pH为13。
解析：(1)根据已知条件通电5 min后，电极5的质量增加2.16 g，说明电极5作阴极，Ag＋放电，电极反应为Ag＋＋e－===Ag，转移电子的物质的量为0.02 mol，同时可知电极6作阳极，与电源的正极相连，则a是负极，b是正极，电极1、3、5作阴极，电极2、4、6作阳极。(2)B池中电解总反应为2CuSO4＋2H2O2Cu＋O2↑＋2H2SO4，若转移0.02 mol电子时只收集到O2（只电解溶质），则根据关系式2CuSO4～O2～4e－可得n(O2)＝0.005 mol，体积为112 mL（标准状况）<224 mL，说明溶质CuSO4已耗完，然后电解水。设整个过程消耗CuSO4 x mol，H2O y mol，则有2x＋2y＝0.02，x＋y＝0.01，解得x＝y＝0.005，则c(CuSO4)＝0.025 mol·L-1。(3)由于A池中电解液足量，A池中只发生反应2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，根据关系式NaOH～e－，生成的n(NaOH)＝0.02 mol，则c(NaOH)＝＝0.1 mol·L-1，即溶液的pH＝13。
4．二十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式为NO＋2H2O－3e－===NO＋4H＋。
(2)乙池中通入废气SO2的电极为阳极，电池总反应的离子方程式为5SO2＋2NO＋8H2O2NH＋5SO＋8H＋。
(3)b为阴（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减小18 g（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15.68 L。
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，反应为NO＋2H2O－3e－===NO＋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＋8H2O2NH＋5SO＋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。
电有机合成
电有机合成是一种利用电化学方法合成有机化合物的技术，在近几年的高考题中屡屡出现。它可以在温和条件下高效地实现各种有机反应，具有环保、高效、可控等特点，电有机合成相对于传统有机合成具有显著的优势。
【考题】　（2024·湖北卷）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1 mol H3N＋CH2COOH双极膜中有4 mol 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 (1)根据两极上的物质转化判断阴阳极。 (2)根据电解原理和题意写出阴阳极的电极反应式。 (3)根据电极反应式分析极区电解质溶液发生哪些变化？ (4)根据电子转移和离子迁移之间的量化关系分析生成1 mol H3N＋CH2COOH双极膜中解离H2O的物质的量。 【答案】　B
【教材】　（人教版选择性必修1 P109）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(CH2===CHCN)，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：2CH2===CHCN＋2H＋＋2e－===NC(CH2)4CN 总反应：2CH2===CHCN＋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 (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
1．（2024·河北石家庄二模）电有机合成是一种应用广泛的新型有机合成方法。某种3 氯 4 氨基苯酚的电有机合成装置如图所示，下列说法正确的是(　D　)
A.b与外接电源的正极相连
B．Pb电极的电极反应式：Pb－2e－===Pb2+
C．电解一段时间后，阴、阳两极室中电解质溶液的质量均增大
D．理论上每生成1 mol，电路中转移4 mol e－
解析：b电极上，发生还原反应生成，可知b是阴极，a是阳极，b与外接电源的负极相连，故A错误；阳极（Pb电极）的电极反应式为Pb－2e－＋SO===PbSO4，故B错误；转移2 mol电子，阳极室有1 mol SO转化为PbSO4沉淀，同时有2 mol H＋移入阴极室，电解一段时间后，阳极室中电解质溶液的质量减小，故C错误；阴极发生反应＋4e－＋4H＋===＋H2O，理论上每生成1 mol，电路中转移4 mol e－，故D正确。
2．（2024·湖南卷）在KOH水溶液中，电化学方法合成高能物质K4C6N16时，伴随少量O2生成，电解原理如图所示，下列说法正确的是(　B　)
A．电解时，OH－向Ni电极移动
B.生成C6N的电极反应：2C3N8H4＋8OH－－4e－===C6N＋8H2O
C．电解一段时间后，溶液pH升高
D．每生成1 mol H2的同时，生成0.5 mol K4C6N16
解析：由题干电解原理图可知，Ni电极产生氢气，作阴极，发生还原反应，电解质溶液为KOH水溶液，则电极反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－；Pt电极C3N8H4失去电子生成C6N，作阳极，电极反应为2C3N8H4＋8OH－－4e－===C6N＋8H2O，同时，Pt电极还伴随少量O2生成，电极反应为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，则电解过程中发生的总反应主要为2C3N8H4＋4OH－C6N＋4H2O＋2H2↑，反应消耗OH－，生成H2O，电解一段时间后，溶液pH降低，B正确，C错误；由分析可知，Ni电极为阴极，Pt电极为阳极，电解过程中，阴离子向阳极移动，即OH－向Pt电极移动，A错误；根据电解总反应可知，每生成1 mol H2，生成0.5 mol K4C6N16，但Pt电极伴随少量O2生成，发生的电极反应为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，则生成1 mol H2时得到的部分电子由OH－放电产生O2提供，所以生成的K4C6N16小于0.5 mol，D错误。
3．（2023·重庆卷）电化学合成是一种绿色高效的合成方法。如图是在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(　D　)
A．电极a为阴极
B．H＋从电极b移向电极a
C．电极b发生的反应为＋2H2O－6e－=== ＋6H＋
D．生成3 mol半胱氨酸的同时生成1 mol烟酸
解析：该装置是电解池，电极b上3 甲基吡啶转化为烟酸过程中“加氧少氢”，发生氧化反应，则b为阳极，a为阴极，阴极电极反应式为＋2e－＋2H＋===，A正确；电解池中阳离子移向阴极，则H＋移向a电极，B正确；电极b上3甲基吡啶转化为烟酸过程中发生氧化反应，在酸性介质中电极反应式为＋2H2O－6e－=== ＋6H＋，C正确；根据电子守恒可得关系式为～6e－，因此生成6 mol半胱氨酸的同时生成1 mol烟酸，D错误。
1．（2024·江西卷）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(　B　)
A．CuAg电极反应为2HCHO＋2H2O－4e－===2HCOO－＋H2↑＋2OH－
B．CuRu电极反应为NO＋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，无须补加KOH
解析：原电池中电子由负极流向正极，则CuAg电极为负极，CuRu电极为正极。A项，由题图可知，负极电极反应式为2HCHO－2e－＋4OH－===2HCOO－＋H2↑＋2H2O，错误；B项，正极电极反应式为NO＋6H2O＋8e－===NH3↑＋9OH－，正确；C项，质子交换膜只允许H＋通过，错误；D项，总反应为8HCHO＋NO＋7OH－===NH3↑＋8HCOO－＋4H2↑＋2H2O，处理废水过程中消耗OH－，溶液pH减小，要补加KOH，错误。
2．（2024·广东卷）一种基于氯碱工艺的新型电解池（如图），可用于湿法冶铁的研究。电解过程中，下列说法不正确的是(　C　)
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1 mol Fe2O3，阳极室溶液减少213 g
D．理论上每消耗1 mol Fe2O3，阴极室物质最多增加138 g
解析：右侧溶液为饱和食盐水，右侧电极产生气体，则右侧电极为阳极，Cl－放电产生氯气，电极反应为2Cl－－2e－===Cl2↑；左侧电极为阴极，发生还原反应，Fe2O3在碱性条件下转化为Fe，电极反应为Fe2O3＋6e－＋3H2O===2Fe＋6OH－。由上述分析可知，A正确；由阴极反应可知，消耗水产生OH－，阴极区溶液中OH－浓度逐渐升高，B正确；理论上每消耗1 mol Fe2O3，转移6 mol电子，产生3 mol Cl2，同时有6 mol Na＋由阳极转移至阴极，则阳极室溶液减少3×71 g＋6×23 g＝351 g，C错误；理论上每消耗1 mol Fe2O3，转移6 mol电子，有6 mol Na＋由阳极转移至阴极，阴极室物质最多增加6×23 g＝138 g，D正确。
3．（2023·河北卷）我国科学家发明了一种以和MnO2为电极材料的新型电池，其内部结构如下图所示，其中①区、②区、③区电解质溶液的酸碱性不同。放电时，电极材料转化为。下列说法错误的是(　B　)
A．充电时，b电极上发生还原反应
B．充电时，外电源的正极连接b电极
C．放电时，①区溶液中的SO向②区迁移
D．放电时，a电极的电极反应式为MnO2＋4H＋＋2e－===Mn2+＋2H2O
解析：放电时，电极材料转化为，电极反应为＋2nK＋，是原电池的负极，阳离子增多需要通过阳离子交换膜进入②区；二氧化锰得到电子变成锰离子，是原电池的正极，电极反应为MnO2＋4H＋＋2e－===Mn2+＋2H2O，阳离子减少，多余的SO需要通过阴离子交换膜进入②区，故③区电解质溶液为碱性溶液，b电极是电极，①区电解质溶液为酸性溶液，a电极是二氧化锰电极，C、D正确。充电时，b电极上得到电子，发生还原反应，A正确。充电时，外电源的正极连接a电极，电极失去电子，电极反应为Mn2+＋2H2O－2e－===MnO2＋4H＋，B错误。
4．（2023·湖北卷）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x mol·h-1。下列说法错误的是(　D　)
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2x mol·h-1
解析：由题图可知，b电极与电源负极相连，为电解池的阴极，发生还原反应，电极反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，故A正确；该装置工作时阳极无Cl2生成，且KOH浓度不变，阳极发生的电极反应为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，为保持OH－浓度不变，则阴极产生的OH－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膜，故B正确；电解时电解槽中不断有水被消耗，为保持KOH溶液的浓度不变，需向电解池中补充水分，而PTFE膜透汽不透液态水，故海水中动能高的水分子可穿过PTFE膜为电解池补水，故C正确；由电解总反应2H2O2H2↑＋O2↑可知，每生成1 mol H2要消耗1 mol H2O，生成H2的速率为x mol·h-1，则补水的速率也应是x mol·h-1，故D错误。
5．（2023·广东卷）用一种具有“卯榫”结构的双极膜组装电解池（下图），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(　B　)
A．电解总反应：KNO3＋3H2O===NH3·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
解析：由题中信息可知，在电极a处KNO3放电生成NH3，发生还原反应，故电极a为阴极，电极反应式为NO＋8e－＋7H2O===NH3·H2O＋9OH－，电极b为阳极，电极反应式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O。电解总反应为KNO3＋3H2O===NH3·H2O＋2O2↑＋KOH，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，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，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，D正确。
6．（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。下列说法正确的是(　D　)
A．装置工作时，甲室溶液pH逐渐增大
B．装置工作一段时间后，乙室不用补充盐酸
C．乙室电极反应式为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
解析：电池工作时，左侧装置中细菌上乙酸盐的阴离子失去电子被氧化为CO2：CH3COO－－8e－＋2H2O===2CO2↑＋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错误；对于乙室，正极上LiCoO2得到电子，被还原为Co2+，同时得到Li＋，电极反应式为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错误；根据转移电子守恒，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。
课时作业35
（总分：60分）
一、选择题（每小题4分，共44分。每小题只有1个选项符合题意）
1．（2024·九省联考河南卷）一种基于固体电解质NASICON的可充电熔融钠电池，具有安全、电流密度高、使用条件宽泛等优点，其工作示意图如下所示，已知电池放电时不断有NaI生成。下列说法错误的是(　D　)
A．放电时a电极为负极
B．固体电解质NASICON含钠离子
C．充电时阳极反应式：3I－－2e－===I
D．转移1 mol e－时，c区和d区的质量差改变23 g
解析：电池放电时不断有NaI生成，可知放电时a为负极，b为正极，A正确；固体电解质NASICON只允许阳离子通过，通过Na＋转移保持两侧电荷守恒，固体电解质NASICON含钠离子，B正确；充电时b为阳极，b极反应为3I－－2e－===I，C正确；放电转移1 mol e－时，1 mol Na＋从c区移出，d区移入1 mol Na＋，两区质量差改变46 g，D错误。
2．（2025·河北石家庄高三期中）铝硫二次电池是一种具有高能量密度、廉价原材料、有前途的替代储能装置，一种铝硫电池如图所示，M极为表面吸附了硫的活性电极，电解质为K2S，KClAlCl3（AlCl、Al2Cl）。下列说法错误的是(　D　)
A．放电时铝电极的电极反应式为Al－3e－＋7AlCl===4Al2Cl
B．电池放电时的反应原理为3S＋2Al＋14AlCl===8Al2Cl＋3S2-
C．离子交换膜为阳离子交换膜
D．充电时，M极为阳极，Al2Cl被氧化
解析：题图为铝硫电池，该电池放电时Al失去电子发生氧化反应，为负极，电极反应式为Al＋7AlCl－3e－===4Al2Al，M为正极，硫得到电子发生还原反应，电极反应式为S＋2e－===S2-，放电总反应为3S＋2Al＋14AlCl===8Al2Cl＋3S2-，A、B正确；充放电过程中钾离子通过离子交换膜移动，故离子交换膜为阳离子交换膜，C正确；充电时，M极为阳极，铝极为阴极，阴极的Al2Cl被还原，D错误。
3．（2025·黑龙江哈尔滨六中期中）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(　B　)
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
解析：由题图可知，该装置为电解池，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，b作电解池阴极，发生还原反应生成氢气，A错误；b的电极反应方程式为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．（2025·江苏无锡高三期中）一种浓差电池的放电原理是利用电解质溶液的浓度不同而产生电流。某浓差电池装置示意图如图所示，该电池使用前将开关K先与a连接一段时间后再与b连接。下列说法不正确的是(　A　)
A．交换膜应当选择阳离子交换膜
B．K与a连接的目的是形成两电极区溶液的浓度差
C．K与b连接时，电极B上发生的反应为Cu2+＋2e－===Cu
D．K与b连接时，导线中通过2 mol电子，约有1 mol离子通过交换膜
解析：由题干信息可知，将开关K先与a连接，则电极B为阳极，电极反应为Cu－2e－===Cu2+，电极A为阴极，电极反应为Cu2+＋2e－===Cu，一段时间后右侧溶液中Cu2+浓度增大，而左侧溶液中Cu2+浓度减小，为了保持Cu2+的浓度差必须保证Cu2+不能通过交换膜，故交换膜是阴离子交换膜，A错误；K与a连接是电极B为阳极，电极反应为Cu－2e－===Cu2+，电极A为阴极，电极反应为Cu2+＋2e－===Cu，其目的是形成两电极区溶液的浓度差，B正确；K与b连接时，电极B为正极，其上发生的反应为Cu2+＋2e－===Cu，C正确；离子交换膜为阴离子交换膜，故K与b连接时，导线中通过2 mol电子，约有1 mol离子即SO通过交换膜，D正确。
5．（2024·广东肇庆二模）如图所示的新型电池可以处理含CN－的碱性废水，同时还能淡化海水。下列说法不正确的是(　C　)
A．电子由a极经导线流向b极
B．电池工作一段时间后，右室溶液的pH增大
C．交换膜Ⅰ为阳离子交换膜，交换膜Ⅱ为阴离子交换膜
D．b极发生还原反应
解析：从题图中可以看出，在a极，CN－转化为CO和N2，CN－发生氧化反应，a极为负极，b极为正极，发生还原反应，则电子由a极经导线流向b极，A、D正确；电池工作时，b极发生反应2H＋＋2e－===H2↑，溶液中H＋被消耗，右室溶液的pH增大，B正确；a极消耗OH－，海水中的Cl－透过离子交换膜移向a极区，则交换膜Ⅰ为阴离子交换膜，b极消耗H＋，海水中的Na＋透过离子交换膜移向b极区，则交换膜Ⅱ为阳离子交换膜，C错误。
6．（2024·广东华南师大附中模拟） LiOH是生产航空航天润滑剂的原料。清华大学首创三室膜电解法制备氢氧化锂，其模拟装置如图所示。下列有关说法正确的是(　B　)
A．a极为电源的负极，Y极上发生氧化反应
B．X极的电极反应式为2H2O－4e===4H＋＋O2↑
C．膜1为阳离子交换膜，膜2为阴离子交换膜
D．每转移2 mol电子，理论上生成24 g LiOH
解析：该电解池实质是电解水，根据图知：X极导出的是浓硫酸，则X极应为水电离出的OH－放电，则X极为阳极，阳极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，气体1为O2。Y极导出的浓LiOH，则Y极是水电离出的氢离子放电生成H2，则Y为电解池的阴极，气体2为H2，阴极电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，据此分析解答。根据分析，X极为阳极，所以a极为正极，b极为负极，则Y极为阴极，发生还原反应，A错误；根据分析，X极上水电离产生的OH－失去电子发生氧化反应产生O2，电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，B正确；根据分析，X极为阳极，导出的是硫酸，则SO向阳极移动，膜1为阴离子交换膜，Y极为阴极，导出的LiOH，则Li＋向阴极移动，膜2为阳离子交换膜，C错误；Y极为阴极，电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，每转移2 mol电子，理论上有2 mol Li＋向Y极迁移形成2 mol LiOH，其质量是48 g，D错误。
7．（2025·八省联考陕西卷）为了从海水中提取锂，某团队设计了图示的电解池。保持电源正负极不变，每运行一段时间后，将电极1与4取下互换，电极2与3取下互换，实现锂的富集。下列说法正确的是(　C　)
A．电路中电子的流向随着电极互换而改变
B．电极2上发生的反应为Ag－e－===Ag＋
C．理论上，电极1与电极4的质量之和保持不变
D．理论上，电路通过1 mol电子时，有0.5 mol Li＋富集在右侧电解液中
解析：为了从海水中提取锂，电极1的电极反应式为FePO4＋e－＋Li＋===LiFePO4，电极1为阴极，则电极2为阳极，电极3为阴极，电极4为阳极，在电极4上发生氧化反应：LiFePO4－e－===Li＋＋FePO4，实现了锂的提取。保持电源正负极不变，则电子流向不变，故A错误；电极2为阳极，海水中有Cl－，则电极2的电极反应式为Ag－e－＋Cl－===AgCl，故B错误；通过相同电量，电极1上附着的Li＋的物质的量和电极4上失去的Li＋的物质的量相等，所以理论上，电极1与电极4的质量之和保持不变，故C正确；根据得失电子守恒，电路中各处的电量相等，所以理论上，电路通过1 mol电子时，有1 mol Li＋富集在右侧电解液中，故D错误。
8．（2024·安徽黄山一模）用一种具有“卯榫”结构的双极膜组装的电解池可实现大电流催化电解氯化铵废水，同时制得盐酸和氨水。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，装置如图所示（M、N均为惰性电极）。下列说法正确的是(　C　)
A．a膜是阳离子交换膜，b膜是阴离子交换膜
B．Ⅰ室生成氨水，Ⅱ室生成盐酸
C．每生成0.1 mol HCl，双极膜处共有0.2 mol H2O解离
D．与平面结构相比，“卯榫”结构双极膜表面积大，更有利于电子通过
解析：处理氯化铵废水，同时制得盐酸和氨水，阳离子向阴极移动、阴离子向阳极移动，氯离子透过a膜进入Ⅰ室，铵根离子透过b膜进入Ⅱ室，可知在Ⅰ、Ⅱ两室分别得到盐酸和氨水。a膜是阴离子交换膜，b膜是阳离子交换膜，故A、B错误；生成0.1 mol HCl，Ⅰ室处双极膜有0.1 mol H2O解离，Ⅱ室处双极膜有0.1 mol H2O解离，所以双极膜处共有0.2 mol H2O解离，故C正确；与平面结构的双极膜相比，“卯榫”结构增大双极膜面积，可提高产品生成速率，电子不能通过双极膜，故D错误。
9．（2025·河南实验中学高三期中）图1为浓差电池，图2为电渗析法制备磷酸二氢钠，用浓差电池为电源完成电渗析法制备磷酸二氢钠。下列说法错误的是(　D　)
A．电极a应与Ag(Ⅱ)相连
B．电渗析装置中膜b为阳离子交换膜
C．电渗析过程中左、右室中H2SO4和NaOH的浓度均增大
D．电池从开始到停止放电，理论上可制备2.4 gNaH2PO4
解析：浓差电池中由于右侧AgNO3浓度大，则Ag(Ⅰ)为负极，Ag(Ⅱ)正极；电渗析法制备磷酸二氢钠，左室中的氢离子通过膜a进入中间室，中间室中的钠离子通过膜b进入右室，则电极a为阳极，电极b为阴极；电极a应与Ag(Ⅱ)相连，A正确。左室中的氢离子通过膜a进入中间室，中间室中的钠离子通过膜b进入右室，膜b为阳离子交换膜，B正确。阳极中的水失电子电解生成氧气和氢离子，氢离子通过膜a进入中间室，消耗水，硫酸的浓度增大；阴极水得电子电解生成氢气，中间室中的钠离子通过膜b进入右室，NaOH的浓度增大，C正确。电池从开始到停止放电时，则浓差电池两边AgNO3浓度相等，所以正极析出0.02 mol银，电路中转移0.02 mol电子，电渗析装置生成0.01 mol NaH2PO4，质量为1.2 g，D错误。
10．（2024·河北保定一模）退役锂离子电池正极材料中有价金属的回收利用，是解决新能源汽车产业环境污染和资源短缺的有效方法，也是该产业可持续发展的关键。回收过程中产生的沉锂后的母液中的溶质主要是Na2SO4，可根据电化学原理采用双极膜(BP)与离子交换膜(A、C)组合技术处理沉锂后的母液，实现废水的净化和资源回收（如图所示）。下列说法错误的是(　D　)
A.双极膜(BP)可有效阻隔Na＋和SO的通过，膜A为阴离子交换膜
B．阳极的电极反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，阴极的电极反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
C．阳极与直流电源的正极相连，阳极上的电势比阴极上的高
D．当阳极上放出22.4 L（标准状况）气体时，该装置有2 mol H2SO4和4 mol NaOH生成
解析：根据装置出口的溶液可知，利用双极膜(BP)与离子交换膜(A、C)之间生成硫酸和氢氧化钠，可实现沉锂后的含硫酸钠的母液废水的净化和资源回收，则双极膜(BP)能有效阻隔Na＋和SO的通过，根据题图中Na＋、SO移动方向可知，膜A为阴离子交换膜，膜C为阳离子交换膜，A正确；根据离子的放电顺序可知，阴、阳极上都是水放电，B正确；阳极与直流电源的正极相连，阳极上的电势比阴极上的高，C正确；当阳极上放出22.4 L O2（标准状况）时，外电路中转移4 mol电子，该装置中有2个阴离子交换膜和2个阳离子交换膜，每个阴离子交换膜有2 mol SO通过，每个阳离子交换膜有4 mol Na＋通过，即该装置有4 mol H2SO4和8 mol NaOH生成，D错误。
11．（2025·辽宁大连高三期末）下图是利用“海水河水”浓差电池（不考虑溶解氧的影响）制备H2SO4和NaOH的装置示意图，其中X、Y均为Ag/AgCl复合电极，电极a、b均为石墨，下列说法错误的是(　B　)
A．电极Y是正极，电极反应为AgCl＋e－===Ag＋Cl－
B．电池从开始工作到停止放电，理论上可制得40 g NaOH
C．c、d依次为阴离子交换膜和阳离子交换膜
D．电极a发生的反应是2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
解析：由题图可知，X电极为浓差电池的负极，银在负极失去电子发生氧化反应生成氯化银，电极反应式为Ag＋Cl－－e－===AgCl，Y电极为正极，氯化银在正极得到电子发生还原反应生成银和氯离子，电极反应式为AgCl＋e－===Ag＋Cl－；与X电极相连的b电极为电解池的阴极，水分子在阴极得到电子发生还原反应生成氢气和氢氧根离子，电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，硫酸钠溶液中的钠离子通过阳离子交换膜d进入阴极室，与Y电极相连的a电极为阳极，水分子在阳极失去电子发生氧化反应生成氧气和氢离子，电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，硫酸钠溶液中的硫酸根离子通过阴离子交换膜c进入阳极室，则阳极室制得硫酸，阴极室制得氢氧化钠。由分析可知，A、C、D正确；缺少氯化钠溶液的体积，无法计算电池从开始工作到停止放电时外电路转移电子的物质的量和阴极室生成氢氧化钠的质量，B错误。
二、非选择题（共16分）
12．（16分）（2025·辽宁沈阳重点高中联合体期中）电化学原理在工农业生产中有重要应用。已知N2H4是一种重要的清洁高能燃料，产物无污染。根据如图所示装置回答下列问题。（C1～C6均为石墨电极，假设各装置在工作过程中溶液体积不变）
(1)甲装置C2电极为正极，C1电极上的电极反应为N2H4－4e－＋4OH－===N2＋4H2O。
(2)装置中Ag电极上的电极反应为Ag＋＋e－===Ag，若乙装置中溶液体积为400 mL，开始时溶液pH为6，当电极上通过0.04 mol电子时溶液pH约为1。
(3)丙装置用于处理含高浓度硫酸钠的废水，同时获得硫酸、烧碱及氢气，膜X为阴离子（填“阳离子”“阴离子”或“质子”）交换膜，当电极上通过0.04 mol电子时，中间硫酸钠废水的质量改变2.84 g（假定水分子不能通过膜X和膜Y）。
(4)电解一段时间后，丁装置中能观察到的现象是Fe电极逐渐溶解，C6电极上有气泡产生，溶液中出现红褐色沉淀，丁装置中电解反应的总化学方程式为Fe＋2H2OFe(OH)2＋H2↑。
解析：(1)甲为燃料电池，肼和氧气发生反应生成物无污染，即生成氮气和水，所以C1为负极，C2为正极，负极上肼失去电子发生氧化反应生成氮气，电极反应式为N2H4－4e－＋4OH－===N2＋4H2O。(2)与电池正极相连的电极C3、C4和铁为阳极，与电池负极相连的银、C5和C6为阴极，银电极上Ag＋得到电子生成银，离子方程式为Ag＋＋e－===Ag；C3电极上发生的电极反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，当电极上通过0.04 mol电子时，生成0.04 mol H＋，电解后溶液中的H＋的物质的量为0.04 mol＋0.4 L×10-6 mol/L≈0.04 mol，溶液体积为400 mL，则H＋浓度为0.1 mol/L，所以溶液的pH＝1。(3)丙装置中阳极C4的电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，阴极C5的电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，要获得硫酸、烧碱和氢气，则硫酸钠废水中的硫酸根离子通过膜X进入阳极室，所以膜X为阴离子交换膜；当电极上通过0.04 mol电子时，根据电子守恒，通过膜X的硫酸根离子为0.02 mol，通过膜Y的钠离子为0.04 mol，所以中间硫酸钠废水的质量减轻0.02 mol×142 g/mol＝2.84 g。(4)丁装置中铁为阳极，在阳极铁失去电子转化为Fe2+，阴极的电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，OH－和Fe2+生成Fe(OH)2，Fe(OH)2易被氧化为红褐色的Fe(OH)3，电解一段时间后，丁装置中能观察到Fe电极逐渐溶解，C6电极上有气泡产生，溶液中出现红褐色沉淀，丁装置中电解反应的总化学方程式为Fe＋2H2OFe(OH)2＋H2↑。

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