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电化学离子交换膜的分析与应用
【知识网络 悉考点】
【真题研析 明方向】
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
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，K+向左室迁移
B．电解过程中，左室中NO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．NO完全转化为NH3的电解总反应：NO＋8Cl－＋6H2ONH3↑＋9OH－＋4Cl2↑
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
4．(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pH下降
B．OH－从阴极区向阳极区迁移
C．阴极发生反应NO＋7H2O＋8e－===NH3·H2O＋9OH－
D．阴极转化1 mol NO，阳极将生成4 mol HOCH COO－
5．(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NO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表面的NO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 NO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↑
【核心考点精讲 固基础】
1．离子交换膜的类型与作用
(1)交换膜类型及特点
交换膜类型 允许通过的离子及移动方向 说明 通性
阳离子交换膜 阳离子移向电解池的阴极或原电池的正极 阴离子和气体不能通过 无论是原电池还是电解池中，阳离子均移向得电子的一极，阴离子均移向失电子的一极
阴离子交换膜 阴离子移向电解池的阳极或原电池的负极 阳离子和气体不能通过
质子交换膜 质子移向电解池的阴极或原电池的正极 只允许H＋通过
双极膜 中间层中的H2O解离出H＋和OH－，H＋移向原电池的正极或电解池的阴极，OH－移向原电池的负极或电解池的阳极 H＋移向阴极，OH－移向阳极
(2)离子交换膜的作用
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
(3)离子交换膜的判断
判断方法 首先判断隔膜的用途是制取物质还是避免电极产物之间发生反应，然后根据电解质溶液呈电中性的原则，判断膜的类型。方法如下：先明确电极产物，写出阴、阳两极上的电极反应；再依据电极反应式判断该电极附近哪种离子有剩余，结合溶液呈电中性的原则，判断离子移动的方向，确定离子交换膜的类型
锌碘单液流电池，其原理如图所示
分析 负极：Zn－2e－===Zn2＋，阳离子浓度增大，为平衡电荷，Cl－移向A区，M为阴离子交换膜正极：I2＋2e－===2I－，阴离子浓度增大，为平衡电荷，K＋移向B区，N为阳离子交换膜
(4)多膜电解池方程式书写及分析
①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
②三膜四室制备硼酸[H3BO3(一元弱酸)]
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
2．双极膜：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，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。双极膜示意图：
3．解答含膜电池题的思维模板
(1)第一步：判断装置类型。根据有无外加电源，判断是电解池还是原电池
(2)第二步：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，判断隔膜允许哪种离子通过
(3)第三步：分析隔膜作用。根据题给信息分析隔膜的作用是平衡电荷，还是让离子选择性通过避免副反应，或为了生成特定物质
(4)第四步：写出电极反应。根据电极类型，交换膜两侧离子变化，电荷变化或离子迁移方向等综合信息书写电极反应式，最后做出综合推断或计算
【精准演练 提能力】
1．利用如下图所示的电化学装置可捕捉废气中的CO2，并将其转化为CaCO3，同时得到高浓度的盐酸、H2和O2。在直流电源的作用下，双极膜中的H2O可自动解离为H＋和OH－。下列说法不正确的是(　　)
A．电极b连接电源正极
B．Ⅱ、Ⅲ室之间为阴离子交换膜
C．Ⅱ室中发生反应：Ca2＋＋CO===CaCO3↓
D．理论上，每转移2 mol电子，双极膜上共解离2 mol H2O
2．一种新型锌电池的工作原理如下图所示。双极膜中的H2O解离为H＋和OH－，两种离子在电场作用下分别向两极迁移。该电池工作时，下列说法不正确的是(　　)
A．a膜为阴离子交换膜，b膜为阳离子交换膜
B．Ⅱ室中酸性溶液的pH逐渐增大
C．理论上每生成1 mol NH，Ⅰ 室溶液质量增加532 g
D．理论上电路中每通过4 mol电子，双极膜内有4 mol H2O发生解离
3．我国科学家以海水为氯源合成α，α-二氯酮，其装置如图。并以其为原料合成药物米托坦c，合成路线为 。下列说法不正确的是(　　)
A．阳极反应：＋2Cl－＋2OH－－4e－=== ＋H2O
B．M为阳离子交换膜
C．b为
D．整个转化中碳原子的杂化轨道类型有3种
4．使用如下图所示的单池双膜三液装置电解NH4NO3溶液可制得氨水及硝酸。下列说法错误的是(　　)
A．左池中加入稀硝酸是为了增强溶液的导电能力
B．电极M的电极反应为NH－8e－＋3H2O===NO＋10H＋
C．离子交换膜Ⅰ为阴离子交换膜
D．每产生22.4 L(标准状况)气体A，溶液中有4 mol NH通过离子交换膜Ⅱ
5．利用双极膜电解含有HCO的溶液，使HCO转化成碳燃料，实现了CO2还原流动。电解池如下图所示，双极膜中水电离的H＋和OH－在电场作用下可以向两极迁移。下列说法不正确的是(　　)
A．银网电极与电源负极相连
B．双极膜b侧应该用质子交换膜
C．阴极电极反应为：HCO＋2e－＋3H＋===CO↑＋2H2O
D．双极膜中有0.1 mol H2O电离，则阳极附近理论上产生0.05 mol O2
6．我国科研工作者研发了一种光电催化系统，其工作原理如图所示。工作时，光催化Fe2O3电极产生电子和空穴；H2O在双极膜界面处解离成H＋和OH－，有利于电极反应顺利进行，下列说法不正确的是(　　)
A．双极膜中靠近Fe2O3电极的一侧为阴膜
B．左室溶液pH逐渐增大
C．GDE电极发生的反应为O2＋2H＋＋2e－===H2O2
D．空穴和电子的产生驱动了脱硫与H2O2制备反应的发生
7．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，其电解装置如下图所示。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
8．利用双极膜电解Na2SO4法制备NaOH和H2SO4更高效、环保，原理如图所示。双极膜为新型离子交换膜,将膜间的H2O解离为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4 mol NaOH
D．该装置总反应的方程式为4H2O2H2↑＋O2↑＋2H+＋2OH－
9．电催化还原技术是电镀废水的一种新型处理方法。某科研团队以铜、铂和镀铜废水构建电催化还原体系(如下图所示)，处理含[Cu(NH3)4]2+、NO的镀铜废水，同时回收氨和铜资源。下列说法错误的是(　　)
A．对处理后的铜片清洗、干燥和称量，发现铜片质量增加，可能是铜片上析出了铜单质
B．NO发生的电极反应为NO＋8e－＋6H2O===NH3↑＋9OH－
C．膜M可为阳离子交换膜
D．当有0.8 mol电子通过导线时，若NH3全部逸出，则理论上可回收NH3的质量一定少于1.7 g
10．某研究机构使用Li－SO2Cl2电池作为电源电解制备Ni(H2PO2)2，其工作原理如下图所示，已知电池反应为2Li＋SO2Cl2===2LiCl＋SO2↑，下列说法错误的是(　　)
A．膜a、c是阴离子交换膜，膜b是阳离子交换膜
B．电池的e极连接电解池的h极
C．电池中C电极的电极反应式为SO2Cl2＋2e－===2Cl－＋SO2↑
D．生成0.5 mol Ni(H2PO2)2时，理论上电解池中不锈钢电极附近溶液质量增加22克
11．下图所示装置可实现镍离子(Ni2＋)和钴离子(Co2＋)的分离。双极膜内的H2O解离为H＋和OH－，在直流电场作用下分别向两极迁移。已知Co2＋与乙酰丙酮不反应。下列说法正确的是(　　)
A．离子交换膜只允许阴离子通过
B．石墨M的电极反应式为Co2＋＋2e－===Co
C．双极膜内水解离出的OH－能抑制Ⅱ室中的转化反应
D．若导线中通过1 mol电子，Ⅰ室与Ⅲ室溶液质量变化之差为65 g
12．微生物脱盐池的a极上加入了呼吸细菌，工作时可将工业废水中的有机污染物转化为CO2，其工作原理如图所示。下列说法错误的是(　　)
A．呼吸细菌的作用为催化有机物分解
B．工作时，b极发生还原反应，电子从a极流向b极内
C．M为阴离子交换膜，N为阳离子交换膜
D．若b极上消耗标准状况下2.24 L气体，通过N膜的离子的物质的量为0.4 mol
13．氮气电解催化装置可以实现同时制备铵盐和硝酸盐，利用双极膜(M、N)将水解离成H+、OH－，还可以浓缩溶液(下图中进、出气通道及部分反应均省略)。下列说法正确的是(　　)
A．a端的电势比b端的电势高
B．M、N分别为阴、阳离子交换膜
C．相同时间内X、Y电极上消耗的氮气质量之比为5∶3
D．阴极室的总反应为N2＋6e－＋6H2O===2NH3＋6OH－
14．在直流电场作用下，双极膜中间层的H2O解离为H+和OH－，并分别向两极迁移。下图所示的装置可将捕捉的废气二氧化碳转化为CaCO3而矿化封存，减少碳排放，同时得到氧气、氢气、高浓度盐酸等产品。下列说法正确的是(　　)
A．电极b为阴极，电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
B．向碱室中加入NaHCO3固体，有利于CO2的矿化封存
C．中间室发生反应：CO＋Ca2+===CaCO3↓
D．b极收集到11.2 L(标准状况)气体时，理论上左侧Na2SO4溶液质量减少2 g
15．电解硫酸钠溶液制取某正极材料的前驱体NiCOMn(OH)2，其工作原理如图所示，下列说法正确的是(　　)
A．a是直流电源的负极，石墨电极发生还原反应
B．当产生0.1 mol的NiCoMn(OH)2时，纯钛电极上产生标准状况下2.24 L气体
C．交换膜A是阳离子交换膜，交换膜B是阴离子交换膜
D．通电一段时间，Ⅰ室pH不变
16．调节pH可使溶液中的氨基酸主要以两性离子的形式存在，两性离子整体呈电中性，此时溶液的pH为该氨基酸的pI(等电点)。已知：谷氨酸的pI为3.22,丙氨酸的pI为6.02，赖氨酸的pI为9.74。利用如图装置分离这三种氨基酸，a、b为离子交换膜，电极均为惰性电极。下列说法错误的是(　　)
A．电流由电源正极经阳极、电解质溶液、阴极流向电源负极
B．原料室的pH应控制在6.02
C．a为阳离子交换膜，b为阴离子交换膜
D．当电路中通过2 mol电子时，该装置理论上可分离出谷氨酸和赖氨酸共2 mol
17．氮气电解催化装置可以实现同时制备铵盐和硝酸盐，利用双极膜(M、N)将水解离成H＋、OH－，还可以浓缩溶液(图中进、出气通道及部分反应均省略)。下列说法正确的是(　　)
A．a端的电势比b端高
B．M、N分别为阴、阳离子交换膜
C．相同时间内X、Y电极上消耗的氮气质量比为5∶3
D．阴极室的总反应为N2＋6e－＋6H2O===2NH3＋6OH－
18．科学家利用磷钼酸溶液(PMA)作为阳极液，与废旧磷酸铁锂(sLFP)粉末进行快速的固液氧化还原反应。高氧化性的PMA从sLFP中选择性提锂后，被还原的钼蓝分子(用Mo表示)通过蠕动泵泵入再生装置中再生，用于后续锂的持续提取。下列叙述错误的是(　　)
A．电子从b极流向Q极，再由P极流向a极
B．Q极的电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑
C．离子交换膜为阴离子交换膜
D．PMA促进锂离子脱离sLFP进入阳极室溶液中
19．一种能在较低电压下获得氢气和氧气的电化学装置如下图所示。下列说法不正确的是(　　)
A．隔膜为阴离子交换膜，OH－从电解池的右室通过隔膜向左室迁移
B．反应器Ⅰ中发生的反应为4[Fe(CN)6]3－＋2H2O4[Fe(CN)6]4－＋O2↑＋4H＋
C．该装置的总反应为2H2O2H2↑＋O2↑，气体N是H2
D．电极b与电源的负极相连，电极反应为DHPS＋2H2O＋2e－===DHPS-2H＋2OH－
20．一种适应可再生能源波动性的电化学装置原理如下图所示。当闭合K1和K3、打开K2时，装置处于充电状态；当打开K1和K3、闭合K2时，装置处于放电状态。放电状态时，双极膜中间层中的H2O解离为H＋和OH－并分别向两侧迁移。下列说法错误的是(　　)
A．充电时，碳锰电极b为阳极
B．充电时，电极d发生的反应为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑
C．放电时，每消耗1 mol MnO2，理论上有2 mol OH－由双极膜向锌电极c迁移
D．该电化学装置运行过程中需要补充H2SO4溶液和KOH溶液
21．我国科学家研究的自驱动高效制取H2的电化学装置示意图如下。下列说法不正确的是(　　)
A．装置a为原电池，电极Ⅰ为正极
B．装置b的总反应为N2H4N2↑＋2H2↑
C．装置a消耗1 mol O2时，整个装置消耗2 mol N2H4
D．装置b生成2 mol H2时，理论上装置a正极区溶液质量减少4 g
22．一种微生物电池无害化处理有机废水的原理如下图所示，废水中含有的有机化合物用C6H12O6表示。下列说法正确的是(　　)
A．N极电势低于M极电势
B．温度越高废水处理速率越大
C．若M极产生5.6 L CO2，则Ⅲ区溶液质量增加23 g
D．M极的电极反应式为C6H12O6－24e－＋6H2O===6CO2↑＋24H＋
【电化学离子交换膜的分析与应用】答案
【真题研析 明方向】
1．C。解析：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：4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，阴极发生的反应为：2H＋＋2e－===H2↑，Ⅲ室中氯化钠浓度降低了，说明钠离子往阴极方向移动，氯离子往阳极反向移动，据此解答。A．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；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，氯离子往阳极反向移动，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膜为阳离子交换膜，C错误；D．Ⅳ室每生成1 mol NaOH，则转移1mol电子，有1mol氢离子移到Ⅱ室中，生成1 mol B(OH)3，D正确；故选C。
2．B。解析：由图可知，左侧发生NONONH3，N元素化合价下降，则左侧是阴极区，右侧发生Cl－Cl2，Cl元素化合价上升，则右侧是阳极区，据此解答；A．电解池中，阳离子向阴极移动，则，K+向左室迁移，A正确；B．电解过程中，NO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NO＋8e－＋6H2O===NH3↑＋9OH－，右侧阳极总反应是8Cl－－8e－===4Cl2↑，将两电极反应相加即可得到总反应，D正确；故选B。
3．D。解析：由图可知，左侧为阴极，电极反应为O2＋2H2O＋4e－===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为阳膜，膜Ⅱ为阴膜，膜Ⅲ为阳膜，据此解答。A．由分析可知，膜Ⅱ为阴膜， A错误B．a电极的反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，pH变大，B错误；C．由分析可知，电极b的反应为Fe(CN)6]4－－e－===Fe(CN)6]3－，C错误；D．每脱除58.5 g NaCl，转移电子数为1 mol，有1 mol Li+和1 mol Cl－分别透离子交换膜Ⅲ、膜Ⅱ，可得到1molLiCl，D正确；故选D。
4．D。解析：左侧连接电源的负极，为电池阴极区；右侧连接电源的正极，为电池阳极区。根据图中给出的反应物、产物及题干中给出的碱性条件，可以写出阳极区发生的反应为 HOCH2CH2OH－4e－＋5OH－===HOCH2COO－＋4H2O。A选项，阳极区随着反应进行，OH－不断消耗，OH－浓度不断减小，即pH下降，A正确。B选项，阴极发生反应NO＋7H2O＋8e－===NH3·H2O＋9OH－，OH－不断通过阴离子交换膜向阳极区迁移，B、C正确。D选项，通过阳极的反应HOCH2CH2OH－4e－＋5OH－===HOCH2COO－＋4H2O和阴极反应NO＋7H2O＋8e－===NH3·H2O＋9OH－可知阴极转化1mol NO3－，阳极将生成2molHOCH COO－，D错误。
5．A。解析：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NO逐步还原为NH3，正极区发生反应为NO＋6H2O＋8e－===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。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]－，当转移3mol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1mol，故负极区游离的OH－数目会减少，故A错误；B．氢原子将吸附在电催化剂表面的NO逐步还原为NH3，还原1.0 mol NO为NH3，由化合价变化可知，得到8 mol电子，所以理论上需要8 mol氢原子，故B正确；C．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；D．充电时，电池阴极反应式为4[Al(OH)4]－＋12e－===4Al＋16OH－，阳极反应式为12OH－－12e－===3O2↑＋6H2O，总反应为4[Al(OH)4]－===4Al＋6H2O＋4OH－＋3O2↑，故D正确；答案选A。
【精准演练 提能力】
1．D。解析：左侧双极膜中H＋移向电极a，即电极a为阴极，连接电源负极，电极b为阳极，连接电源正极，A正确；右侧双极膜中H＋移向Ⅲ室，Ⅲ室中要获得高浓度盐酸，Ⅱ室中Cl－应移向Ⅲ室，故Ⅱ、Ⅲ室之间为阴离子交换膜，B正确；CO通过阴离子交换膜移向Ⅱ室，Ⅱ室中发生反应：Ca2＋＋CO===CaCO3↓，C正确；理论上，每转移2 mol电子，每个双极膜上解离2 mol H2O，2个双极膜上共解离4 mol H2O，D错误
2．C。解析：由题图可知，锌电极失电子，发生氧化反应，为原电池的负极，电极反应为Zn－2e－＋4OH－===[Zn(OH)4]2－，催化电极为原电池的正极，电极反应为NO＋8e－＋10H＋===NH＋3H2O，则a膜为阴离子交换膜，b膜为阳离子交换膜。根据分析可知，a膜为阴离子交换膜，b膜为阳离子交换膜，A正确；根据分析可知，Ⅱ室消耗氢离子且生成H2O，溶液pH逐渐增大，B正确；理论上每生成1 mol NH，转移8 mol电子，Ⅰ室中有4 mol Zn发生反应，双极膜中有8 mol OH－移动到Ⅰ室，溶液质量增加4×65 g＋8×17 g＝396 g，C错误；理论上电路中每通过4 mol电子，有4 mol H＋和4 mol OH－发生定向移动，双极膜内有4 mol H2O发生解离，D正确。
3．B。解析：阳极连接电源正极，失去电子生成，根据得失电子守恒和电荷守恒配平电极反应为＋2Cl－＋2OH－－4e－=== ＋H2O，A正确；阴极H2O放电生成H2和OH－，生成的OH－通过阴离子交换膜进入阳极参与反应，M为阴离子交换膜，故B错误；NaBH4可将羰基还原成醇，故b为，C正确。整个转化中碳原子的杂化轨道类型有3种，分别为sp、sp2、sp3，D正确。
4．B。解析：HNO3是电解质，在水溶液中能导电，A项正确；由题图可知，电极M为阳极，电极反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，B项错误；电极M为阳极，产生H＋，NH4NO3溶液中的NO向阳极移动，得到浓硝酸，则离子交换膜Ⅰ为阴离子交换膜，C项正确；每产生22.4 L(标准状况)气体A即生成1 mol O2，转移4 mol 电子，则有4 mol NO向阳极移动，4 mol NH向阴极移动，D项正确。
5．D。解析：根据示意图，右侧HCO生成CO，发生还原反应，为阴极区，即Ag网为阴极，与电源的负极相连，阴极的反应式为HCO＋2e－＋3H＋===CO↑＋2H2O；Ni网为阳极，电极反应式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，双极膜中H＋向右侧移动，即b为质子膜，OH－向左侧移动，a为阴离子膜。由上述分析可知，银网电极为阴极，与电源负极相连，故A正确；双极膜中H＋向右侧移动，即b为质子膜，故B正确；阴极的电极反应式为HCO＋2e－＋3H＋===CO↑＋2H2O，故C正确；根据阳极反应式4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，产生0.05 mol O2会消耗0.2 mol OH－，双极膜中有0.2 mol H2O电离，故D错误。
6．B。解析：由题干图示信息可知，电池工作时，光催化Fe2O3电极产生电子和空穴，故Fe2O3电极为负极，电极反应为SO＋2OH－－2e－===SO＋H2O，GDE电极为正极，电极反应为2H＋＋O2＋2e－===H2O2，电解质溶液中阴离子移向负极，阳离子移向正极，故双极膜中靠近Fe2O3电极的一侧为阴膜，OH－通过阴离子交换膜移向负极室，H＋通过阳离子交换膜进入正极室，据此分析解题。由分析可知，双极膜中靠近Fe2O3电极的一侧为阴膜，A正确；已知左室发生反应为SO2＋2OH－===SO＋H2O，SO＋2OH－－2e－===SO＋H2O，根据电荷守恒可知，每消耗4 mol OH－转移2 mol电子，则有2 mol OH－进入左室，即左室溶液中OH－浓度减小，故pH逐渐减小，B错误；由分析可知，GDE电极为正极，发生还原反应，其电极反应为O2＋2H＋＋2e－===H2O2，C正确；原电池能够加快反应速率，空穴和电子的产生促使形成原电池反应，故可驱动了脱硫与H2O2制备反应的发生，D正确。
7．C。解析：由题图可知，阳极发生反应2Cl－－2e－===Cl2↑，阴极发生反应2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑。由题图可知，阳极室中的K＋通过X膜右移，NaNO3溶液中的NO通过Y膜左移得到KNO3浓溶液、Na＋通过Z膜右移进入阴极室生成氢氧化钠，Y膜为阴离子交换膜，A错误；阴极室发生反应2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，OH－浓度逐渐增大，B错误；生成标准状况下22.4 L Cl2转移2 mol电子，同时有2 mol K＋移向硝酸钾溶液，则阳极室减少2 mol KCl，即溶液质量减少149 g，C正确；理论上每生成1 mol Cl2，转移2 mol电子，阴极室生成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。
8．C。解析：由图知，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，氢氧根离子向右移动，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，阴极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，A错误；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，电路中转移 2 mol电子时，2 mol Na+通过离子交换膜Ⅰ在阴极附近得到2 mol NaOH，同理，在双极膜和阳离子交换膜之间得到2 mol NaOH，共得到4 mol NaOH，C正确；由阴极和阳极的电极反应式知，该装置总反应的方程式为6H2O2H2↑＋O2↑＋4H+＋4OH－，D错误
9．D。解析：由题图可知，铜为阴极，发生的电极反应为NO＋8e－＋6H2O===NH3↑＋9OH－、[Cu(NH3)4]2＋＋2e－===Cu＋4NH3↑，Pt为阳极，发生的电极反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，A、B正确；阴极区生成OH－，为了平衡电荷，阳极区的阳离子(如Na＋)需要通过膜M向阴极区移动，所以膜M可为阳离子交换膜，C正确；若阴极上只发生反应NO＋8e－＋6H2O===NH3↑＋9OH－，则当有0.8 mol电子通过导线时，生成0.1 mol NH3，若NH3全部逸出，则理论上可回收NH3的质量为0.1 mol×17 g/mol＝1.7 g，若阴极上只发生反应[Cu(NH3)4]2＋＋2e－===Cu＋4NH3，则当0.8 mol电子通过导线时，生成1.6 mol NH3，若NH3全部逸出，则理论上可回收NH3的质量为1.6 mol×17 g/mol＝27.2 g，所以理论上可回收NH3的质量一定大于1.7 g，D错误。
10．A。解析：由电池反应可知，锂电极是左侧原电池的负极，氯离子作用下，锂在负极失去电子发生氧化反应生成氯化锂，石墨电极是正极，SO2Cl2在正极得到电子发生还原反应生成氯离子和二氧化硫；右侧装置为电解池，与直流电源直接相连的镍电极是电解池的阳极，镍在阳极失去电子发生氧化反应生成镍离子，放电生成的镍离子通过阳离子交换膜进入产品室，不锈钢电极为阴极，水在阴极得到电子发生还原反应生成氢气和氢氧根离子，Ⅲ室中的钠离子通过阳离子交换膜进入Ⅳ室，次磷酸根离子通过阴离子交换膜进入产品室。由分析可知，膜a、c是阳离子交换膜，膜b是阴离子交换膜，故A错误；由分析可知，锂电极是左侧原电池的负极，石墨电极是正极，镍电极是电解池的阳极，不锈钢电极为阴极，则电池的e极连接电解池的h极，故B正确；由分析可知，石墨电极是正极，SO2Cl2在正极得到电子发生还原反应生成氯离子和二氧化硫，电极反应式为SO2Cl2＋2e－===2Cl－＋SO2↑，故C正确；由分析可知，镍电极是电解池的阳极，镍在阳极失去电子发生氧化反应生成镍离子，放电生成的镍离子通过阳离子交换膜进入产品室，不锈钢电极为阴极，水在阴极得到电子发生还原反应生成氢气和氢氧根离子，Ⅲ室中的钠离子通过阳离子交换膜进入Ⅳ室，次磷酸根离子通过阴离子交换膜进入产品室，由得失电子数目守恒可知，生成0.5 mol次磷酸镍时，理论上电解池中不锈钢电极附近溶液质量增加g＝22 g，故D正确。
11．D。解析：该装置为电解池，氢离子向右移动，则N为阴极，n为负极，M为阳极，m为正极，以此解题。由图可知，乙酰丙酮和镍离子结合，镍离子和钴离子通过离子交换膜，则离子交换膜为阳离子交换膜，A错误；由分析可知，M为阳极，电极反应为：2Cl－－2e－===Cl2↑，B错误；由原子守恒和电荷守恒知，Ⅱ室中的转化反应生成H＋，故水解离出的OH－可以促进Ⅱ室中的转化反应，C错误；由原理可知，导线中流过1 mol电子，Ⅰ室移入Ⅱ室的Ni2＋和Co2＋总物质的量为0.5 mol，同时有0.5 mol氯气生成，质量减少65 g，Ⅲ室中阴极反应消耗的H＋由水解离出的H＋等量补充，溶液质量不变，故两室溶液质量变化之差约为65 g，D正确。
12．D。解析：a极上加入了呼吸细菌，工作时可将工业废水中的有机污染物转化为CO2，则a极为负极，发生氧化反应，则M为阴离子交换膜，经过M膜的离子为Cl－和SO，b极为正极，发生还原反应，N为阳离子交换膜，经过N膜的离子为Na＋和Ca2＋；呼吸细菌的作用为催化有机物分解，A正确；工作时，b极为正极，发生还原反应，电子从a极流向b极内，B正确；根据分析，M为阴离子交换膜，N为阳离子交换膜，C正确；若b极上消耗标准状况下2.24 L气体(O2)，则外电路中通过0.4 mol电子，通过N膜的离子为Na＋和Ca2＋，其所带电荷数不同，故此离子数目无法确定，D错误。
13．C。解析：由题给信息可知，氮气电解催化装置可以实现同时制备铵盐和硝酸盐，根据题图可知，X电极上氮气转化为NH，为阴极；Y电极上氮气转化为NO，为阳极。X电极为阴极，a与电源负极相连，所以a 端的电势比b端的电势低，故A项错误；X电极为阴极，所以H+透过M膜进入阴极室，故M为阳离子交换膜，同理可得N为阴离子交换膜，故B项错误；X电极上氮元素化合价从0价降低至－3价，Y电极上氮元素化合价从0价升高至＋5价，由得失电子守恒可得，X、Y电极上消耗的氮气质量之比为5∶3，故C项正确；阴极室发生的总反应中应有NH生成，故D项错误。
14．C。解析：根据题意，该装置可以获得“高浓度盐酸”，故图中“酸室”会得到产品盐酸，即“中间室”中的Cl-向右进入“酸室”，右侧双极膜中的H+向左进入“酸室”。故右侧双极膜中的OH-向右移动，故电极b为阳极，A错误。由于NaHCO3并不与CO2反应，且NaHCO3本身会消耗OH-，故加入NaHCO3不利于CO2的矿化封存，B错误。根据上述分析可知，,“碱室”中的阴离子(CO)会向“中间室”移动，故中间室会发生反应CO＋Ca2+===CaCO3↓，C正确。b极反应式为2H2O－4e－===4H+＋O2↑，当收集到标准状况下11.2 L气体时，转移2 mol电子，理论上左侧产生1 mol(即2 g)氢气，但同时左侧双极膜中会有2 mol H+向左移动，故左侧Na2SO4溶液的质量不变，D错误。
15．B。解析：由图可知，前驱体在Ⅲ室产生，金属阳离子会进入Ⅲ室，与该极产生的OH－生成前驱体，纯钛电极反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，作为电解池的阴极，接电源负极(b)，故a就为正极，石墨电极为阳极，阳极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，发生氧化反应，Ⅱ室中的阴离子会通过交换膜A移向阳极，故交换膜A为阴离子交换膜。a是直流电源的正极，石墨电极为阳极，发生氧化反应，A错误；产生0.1 mol的NiCoMn(OH)2时，需要0.2 mol OH－，纯钛电极反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，产生氢气0.1 mol，标准状况下的体积为0.1 mol×22.4 L/mol＝2.24 L气体时，B正确；交换膜A是阴离子交换膜，交换膜B是阳离子交换膜，C错误；石墨电极为阳极，阳极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，则通电一段时间，Ⅰ室pH减小，D错误。
16．D。解析：电流由电源正极出发,经阳极、电解质溶液、阴极流向电源负极，A正确。原料室的pH应控制在6.02，根据图中信息，此时丙氨酸以两性离子的形式存在，呈电中性。谷氨酸以阴离子形式存在，赖氨酸则以阳离子形式存在。电解时，丙氨酸留在原料室，谷氨酸阴离子穿过阴离子交换膜向左移动，进入产品室1，氨酸阳离子穿过阳离子交换膜向右移动，进入产品室2，B正确。根据装置可知，左侧电极为阳极，电极反应式为2H2O－4e－===4H+＋O2↑，H+穿过离子交换膜a，与产品室1中的谷氨酸阴离子结合生成谷氨酸，故a为阳离子交换膜。右侧电极为阴极，电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，OH－穿过离子交换膜b进入产品室2，与产品室2的赖氨酸阳离子结合生成赖氨酸，故b为阴离子交换膜，C正确。根据上述分析，当电路中通过2 mol电子时，该装置理论上可分离出谷氨酸和赖氨酸均为2 mol，共4 mol，D错误
17．C。解析：由已知信息可知，氮气电解催化装置可以实现同时制备铵盐和硝酸盐，根据图给示意图可知，左侧氮气转化为NH，为阴极；右侧氮气转化为NO，为阳极。由图可知，X极氮气发生还原反应，即X为阴极，a与电源负极相连，所以a端电势比b端低，故A项错误；根据题干信息可推知，左侧制备铵盐，所以H＋透过M膜进入阴极室，故M为阳离子交换膜，同理可得N为阴离子交换膜，故B项错误；X极上氮元素从0价降低至－3价，Y极上氮元素从0价升高至＋5价，由得失电子守恒可得，X、Y电极上消耗的氮气质量比为5∶3，故C项正确；阴极室发生的总反应中应有NH生成，故D项错误。
18．C。解析：a极为电源正极，b极为电源负极，P为电解池阳极，Q为电解池阴极，故电子从b极流向Q极，再由P极流向a极，A正确；Q极为电解池的阴极，电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，B正确；Li＋经离子交换膜进入阴极室，形成 LiOH，则离子交换膜为阳离子交换膜，C错误；根据题意可知，PMA促进锂离子脱离sLFP进入阳极室溶液中，然后 Li＋通过离子交换膜进入阴极室，D正确。
19．B。解析：该装置的目的为制备氧气和氢气，中间的电解池为反应器Ⅰ、Ⅱ提供反应原料，电极a处[Fe(CN)6]4－变为[Fe(CN)6]3－，铁元素的化合价升高，则电极a为阳极，电极b为阴极，反应器Ⅰ中铁元素的化合价降低，[Fe(CN)6]3－作氧化剂，因此反应器Ⅰ中产生的气体M为氧气，反应器Ⅱ中产生的气体N为氢气，两种参与电极反应的物质循环使用，总反应为电解水的反应。由分析可知，电极a为阳极，发生氧化反应，消耗OH－，电极b为阴极，发生还原反应，生成OH－，为维持碱溶液的浓度，保持电池的持续工作，隔膜应为阴离子交换膜，OH－由右室向左室迁移，A正确；装置中的反应皆在碱性环境中发生，故不可能有H＋的生成，正确的离子方程式为4[Fe(CN)6]3－＋4OH－4[Fe(CN)6]4－＋O2↑＋2H2O，B错误；由分析可知，气体N为氢气，该装置的总反应为电解水的反应，C正确；电极b为阴极，与电源的负极相连，发生还原反应，电极反应为DHPS＋2H2O＋2e－===DHPS-2H＋2OH－，D正确。
20．D。解析：当闭合K1和K3、打开K2时，装置处于充电状态，即为电解池，电极a上H＋得电子生成H2，H元素化合价降低，电极a为阴极；碳锰电极b上Mn2＋失电子生成MnO2，Mn元素化合价升高，碳锰电极b为阳极；锌电极c上ZnO得电子生成Zn，为阴极；电极d上OH－失电子生成O2，为阳极；当打开K1和K3、闭合K2时，装置处于放电状态，即原电池，锌电极c为负极，碳锰电极b为正极。充电时，碳锰电极b为阳极，A正确；充电时，电极d上OH－失电子生成O2，电极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，B正确；放电时，碳锰电极b为正极，电极反应式为MnO2＋2e－＋4H＋===Mn2＋＋2H2O，每消耗1 mol MnO2，转移2 mol电子，因此理论上有2 mol OH－由双极膜向锌电极c迁移，C正确；该电化学装置运行过程中，不需要补充H2SO4溶液和KOH溶液，D错误。
21．D。解析：装置a中N2H4和O2可发生自发进行的氧化还原反应，则装置a为原电池，其中N2H4被氧化生成N2，电极Ⅱ为负极，则电极Ⅰ为正极；装置b中，左侧电极和电极Ⅱ相连，为阴极，H2O被还原生成H2，右侧电极为阳极，N2H4被氧化生成N2。装置a为原电池，电极Ⅰ为正极，A正确；装置b为电解池，总反应为N2H4N2↑＋2H2↑，B正确；装置a消耗1 mol O2时，转移4 mol电子，装置a、b中N2H4均被氧化生成N2，根据得失电子守恒，装置a、b各消耗1 mol N2H4，故整个装置消耗2 mol N2H4，C正确；装置b生成2 mol H2时，转移4 mol电子，装置a正极的电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，装置a负极的电极反应式为N2H4－4e－＋4OH－===N2↑＋4H2O，转移4 mol电子时，装置a正极区有1 mol O2参与反应，同时有4 mol OH－迁移至负极区，理论上装置a正极区溶液质量减少4 mol×17 g/mol－1 mol×32 g/mol＝36 g，D错误。
22．D。解析：M极上C6H12O6转化为CO2，碳元素化合价升高，发生氧化反应，M极是负极，N极为正极，发生还原反应。M极为原电池负极，负极电势低于正极电势，A错误；升高温度，微生物容易失去活性，影响电池工作效率，B错误；未指明CO2所处状况，不能计算Ⅲ区溶液增加的质量，C错误；M极为负极，电极反应式为C6H12O6－24e－＋6H2O===6CO2↑＋24H＋，D正确。
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