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(共51张PPT)
[学习目标]
1.了解串联装置的连接特点,会判断多池装置中的原电池和电解池。
2.掌握多池、多室电化学装置问题分析的一般方法。
3.了解交换膜的类型、特点及实际应用。
4.能熟练运用得失电子守恒、关系式法等进行有关电化学的计算。
电化学装置中的交换膜是一种选择性透过的薄膜,核心作用是分隔装置内的不同区域,同时允许特定离子通过以维持电荷平衡,避免无关物质混合导致效率降低或反应失效。
1.功能
(1)离子传导:允许目标离子(如 H+、OH-、Na+等)通过,完成电池中的离子迁移。
(2)物质隔离:阻止电极材料、电解液中的其他分子或离子(如电解液溶剂、电极反应物)交叉混合,防止发生副反应。
①结构与工作原理
由一层阳离子交换膜(CEM)和一层阴离子交换膜(AEM)复合而成,中间为水解离活性层。
通电时,阳离子交换膜允许 H+迁出,阴离子交换膜允许 OH-迁出,实现 H+与 OH-的 “定向输送”。
②核心优势
避免传统电解中电解质的交叉污染,提升产物纯度;无需外部添加酸或碱,降低能耗与成本,尤其适用于高纯度制备场景。
[示例]如图为NaBr溶液的电渗析装置示意图:
原理图分析如下:
3.离子通过隔膜的定量关系
(1)通过隔膜的离子带的电荷数等于电路中电子转移数。
(2)对于离子迁移,依据电荷守恒,通过隔膜的离子数不一定相等。
1.(2026·武汉市第六中学月考)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(　　)
C
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　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,氯离子往阳极方向移动,则X膜、Y膜分别为阴离子交换膜和阳离子交换膜。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;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,氯离子往阳极方向移动,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氢离子移到Ⅱ室中,生成1 mol B(OH)3,D正确;故选C。
2.(2026·深圳外国语学校月考)利用CH4燃料电池电解制备Ca(H2PO4)2并得到副产物NaOH、H2、Cl2,装置如图所示。下列说法错误的是(　　)
D
A.a极电极反应式:CH4-8e-+4O2-==== CO2+2H2O
B.A、C膜均为阳离子交换膜,B膜为阴离子交换膜
C.阳极室有氯气产生,阴极室中有氢气产生且NaOH浓度增大
D.a极上通入标准状况下2.24 L甲烷,阳极室Ca2+ 减少0.2 mol
含离子交换膜电化学装置题的解题步骤
[归纳总结]
1.有外接电源的电解池的串联装置
有外接电源的各电池均为电解池,若电池阳极材料与电解质溶液中的阳离子相同,则该电池为电镀池,即甲池为电镀池,乙、丙池均为电解池。
2.无外接电源的原电池与电解池的串联装置
(1)根据装置特征判断装置类型
串联装置中有非常直观的装置,如燃料电池、铅酸蓄电池等,则该装置为原电池,其余的为电解池,如图中甲池为原电池,乙、丙池为电解池,且电极A、C为阳极,电极B、D为阴极。
(2)根据电池的电极材料和电解质溶液判断装置类型
原电池一般是有两种不同的金属电极或一个金属电极和一个碳棒电极(惰性电极);而电解池则一般两个都是惰性电极,如两个铂电极或两个碳棒电极。原电池中的电极材料和电解质溶液之间能发生自发的氧化还原反应,电解池的电极材料一般不能和电解质溶液自发反应。如图所示,乙池为原电池,甲池为电解池。
1.(2025·河南省部分名校期中)某研究性学习小组利用以下装置探究氯碱工业和铜的精炼的工作原理(X是离子交换膜),下列说法正确的是(　　)
D
A.甲装置Fe电极和C电极位置可以互换
B.X可以是阳离子交换膜,也可以是阴离子交换膜
C.若电解后乙装置精铜质量增加6.4 g,则Fe电极处能收集到2.24 L气体
D.电解一段时间后去掉X并将C电极换成 Mg电极继续通电,则Mg电极的电极反应式为Mg-2e-+2OH-===== Mg(OH)2↓
解析　乙池为铜的精炼,则粗铜作阳极,精铜作阴极;电源的右侧与粗铜相连,为电池的正极,左侧为负极,所以甲池的Fe电极为阴极,C电极为阳极。由分析可知,甲装置的Fe电极为阴极,C电极为阳极,若将Fe电极和C电极位置可以互换,则Fe电极作阳极,通电后,阳极Fe失电子生成Fe2+进入溶液,溶液中的Cl-就不可能在阳极失电子生成Cl2,同样,阴极区可能会生成Fe(OH)2沉淀,也难以得到NaOH,达不到进行氯碱工业生产的目的,A不正确;电池工作时,C电极上Cl-失电子生成Cl2,Fe电极水中的氢离子得电子生成氢气和氢氧根,则阳极区的Na+沿离子交换膜进入左侧Fe电极附近,所以此离子交换膜只能是阳离子交换膜,若为阴离子交换膜,OH-移向阳极与Cl2反应,B不正确;由得失电子守恒,可建立如下关系式:Cu~H2,若电解后乙装置精铜质量增加6.4 g(物质的量为
2.(2026·汉中市普通高中十校联盟期末)甲烷燃料电池采用铂作电极材料,两个电极上分别通入CH4和O2,电解质溶液为KOH溶液。某研究小组将上述甲烷燃料电池作为电源,进行电解饱和食盐水和电镀的实验,如图所示,其中乙装置中X为离子交换膜。下列说法错误的是(　　)
B
“串联”类装置的解题流程
[归纳总结]
1.(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(　　)
B
2.(2025·甘肃卷)我国科研工作者设计了一种Mg 海水电池驱动海水(pH=8.2 )电解系统(如下图)。以新型MoNi/NiMoO4 为催化剂(生长在泡沫镍电极上)。在电池和电解池中同时产生氢气。下列关于该系统的说法错误的是(　　)
D
A.将催化剂生长在泡沫镍电极上可提高催化效率
B.在外电路中,电子从电极1流向电极4
C.电极3的反应为:4OH--4e-==== 2H2O+O2↑
D.理论上,每通过2 mol电子,可产生1 mol H2
解析　由图可知,左侧为原电池,右侧为电解池,电极1为负极,发生氧化反应,电极反应式为:Mg-2e-+2OH-==== Mg(OH)2,电极2为正极发生还原反应,电极反应式为:2H2O+2e-==== H2↑+2OH-,右侧为电解池,电极3为阳极,产生氧气,电极4为阴极,产生氢气。催化剂生长在泡沫镍电极上可加快电解速率,提高催化效率,A正确;根据分析,电极1是负极,电极4为阴极,电子从电极1流向电极4,B正确;由分析可知,电极3为阳极,发生氧化反应,生成氧气,电极3的反应为:4OH--4e-==== 2H2O+O2↑,C正确;根据分析可知,电极2和电极4均产生氢气,理论上,每通过2 mol电子,可产生2 mol H2,D错误;答案选D。
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。
D
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　根据电解池装置中电极上物质变化及实现海水淡化、以LiCl形式回收锂元素,对电解池进行如下具体分析:
为实现海水的淡化,海水中Na+应通过离
子交换膜Ⅰ进入最左侧;为以LiCl形式回
收锂元素,海水中Cl-应通过离子交换膜
Ⅱ向右侧迁移,Li+应通过离子交换膜Ⅲ向左侧迁移,故离子交换膜Ⅱ为阴离子交换膜,A错误;由阴极反应知,电极a附近溶液的pH增大,B错误;由上述分析知,C错误;每脱除58.5 g(1 mol)NaCl,溶液中有1 mol Na+、1 mol Cl-和1 mol Li+迁移,所以可回收1 mol LiCl,D正确。
[夯基固本练]
C
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1.(2026·龙岩市长汀第一中学月考)一种Al PbO2电池通过X和Y两种离子交换膜隔成M、R、N三个区域,三个区域的电解质分别为Na2SO4、H2SO4、NaOH中的一种,结构如图。下列说法错误的是(　　)
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2.(2026·宁波市北仑中学期中)氯碱工业是高耗能产业,一种将电解池与燃料电池相组合的新工艺,节能超过30%,在此工艺中,物料传输和转化关系如图(电极均为石墨电极)。已知:空气中氧气的体积分数为20%,下列说法不正确的是(　　)
B
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A.装置A为电解池,装置B为燃料电池
B.若两池中所用离子膜类型相同,则c%C.电流方向:甲→乙→丙→丁
D.标准状况下,若电解产生22.4 L Y,则消耗空气56 L
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3.(2025·保山市期末)甲烷燃料电池采用铂作为电极材料,两个电极上分别通入CH4 和O2,电解质溶液为KOH溶液。某研究小组将上述两个甲烷燃料电池串联后作为电源,进行电解饱和NaCl溶液的实验,如图所示。
A
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下列说法错误的是(　　)
A.c电极的电极反应式为CH4+8OH--8e-
==== CO2+6H2O
B.电极b换成铁棒,对电池反应没有影响
C.相同条件下,每个电池CH4 通入量为1 L且反应完全,则理论上最多能产生Cl2 4 L
D.电池工作的过程中,KOH的物质的量减小
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4.(2026·湖南省天一大联考)在新型有机合成中,有一种电化学“穿梭”成对电解反应,原理如图所示,该反应有助于得到有价值的气态烯烃化合物和实现对某些污染物的高效降解。下列说法错误的是(　　)
C
A.M极上BrCH2CH2Br发生还原反应
B.基态Br-的核外电子的空间运动状态有18种
C.每生成1 mol乙烯,理论上电路中转移4 mol 电子
D.通过该电解原理,理论上可实现萃取剂1,2 二氯乙烯转化为乙炔,从而得到有效降解
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解析　左侧电极总反应Br—CH2—CH2—Br+2e-==== CH2== CH2↑+2Br-中,碳元素化合价降低,发生还原反应,左侧电极为阴极,右侧电极为阳极,电极反应为Br--2e-==== Br+,据此解答。M极上BrCH2CH2Br转化为CH2== CH2(乙烯),碳元素化合价从-1降低到-2(乙烯中C为-2价),发生还原反应,A正确;基态Br-核外有36个电子,电子排布式为1s22s22p63s23p63d104s24p6,空间运动状态数等于其原子轨道数,各能级轨道数之和为1+1+3+1+3+5+1+3=18,B正确;BrCH2CH2Br生成1 mol乙烯时,反应为BrCH2CH2Br+2e-==== CH2== CH2↑+2Br-(碳元素得电子,共转移2 mol电子),理论上电路中转移2 mol电子,C错误;1,2 二氯乙烯(CHCl== CHCl)可通过类似1,2 二溴乙烷的消去反应,在电解条件下消去Cl-生成乙炔(CH≡CH),实现降解,D正确;故选C。
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5.(2026·重庆市部分学校开学摸底)我国科研团队设计的一种镁/海水电池具有开放式结构,既可在深海长期使用中摆脱厚重的保护外壳,又可组装成镁/海水电池驱动的自供电海水电解系统(原理如图),实现在深海环境下连续制氢。下列说法正确的是(　　)
4
C
A.该装置工作时,Na+ 向M、P极移动
B.Q电极上产生氢气,N极上发生氧化反应
C.左侧装置总反应为Mg+2H2O==== Mg(OH)2+H2↑
D.理论上,电路中每通过2 mol电子,可产生22.4 L O2
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解析　根据题图可知,金属镁在M电极由镁变为氢氧化镁,故左侧为原电池,M极为负极,发生反应为:Mg-2e-+2OH-==== Mg(OH)2,N为正极,发生反应为:2H2O+2e-==== H2↑+2OH-,右侧为电解池,P为阳极,发生反应:2H2O-4e-==== O2↑+4H+,Q为阴极,发生反应为:2H2O+2e-==== H2↑+2OH-;原电池中阳离子向正极移动(右侧N极),电解池中阳离子向阴极移动(右侧Q极),Na+应向N、Q极移动,而非M、P极,A错误;Q极为电解池阴极(连接原电池负极M),H2O得电子生成H2;N极为原电池正极,发生还原反应,而非氧化反应,B错误;由分析得总反应为:Mg+2H2O==== Mg(OH)2+H2↑,C正确;电解池阳极(P极)生成O2,反应为2H2O-4e-==== O2↑+4H+,转移2 mol电子时生成0.5 mol O2,且未说明标准状况,无法计算其体积,D错误;故选C。
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6.(2025·湖南省邵阳市期末联考)微生物燃料电池(MFC)是一种利用微生物将有机物(如苯酚)中的化学能直接转化成电能的装置,工作原理如图所示。下列说法不正确的是(　　)
4
D
A.电极a上发生的是氧化反应
B.电极c上的电极反应式:CH3OH-6e-+H2O==== 6H++CO2↑
C.右池中的H+ 通过质子交换膜从c移向d
D.处理污染物苯酚1 mol,理论上外电路中迁移了20 mol电子
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解析　右池为微生物燃料电池,甲醇在电极c上被氧化为二氧化碳,c为负极,根据碳元素的化合价变化,结合电荷守恒、原子守恒可确定负极反应式为CH3OH-6e-+H2O==== 6H++CO2↑ ;d为正极,氧气在正极被还原为水,正极反应式为O2+4e-+4H+==== 2H2O。左池为电解池,与原电池正极相连的a为阳极,与原电池负极相连的b为阴极。结合分析知,a为电解池的阳极,发生的是氧化反应,A项正确;结合分析知,c极为负极,甲醇在负极发生氧化反应生成CO2,负极反应式为CH3OH-6e-+H2O==== 6H++CO2↑,B项正确;右池为原电池,原电池中阳离子移向正极,则H+通过质子交换膜从c(负极)移向d(正极),C项正确;苯酚(分子式为C6H6O)在a极被氧化为二氧化碳,存在计量关系:C6H6O~6CO2~28e-,则每处理苯酚1 mol,理论上外电路中迁移28 mol电子,D项错误;故选D。
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[能力技能练]
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D
7.(2026·重庆市育才中学一模)有机电化学合成是一种有前景的绿色合成技术,利用锂离子电池为电源电化学合成1,2 二氯乙烷的装置如图所示。若该装置工作时中间室NaCl 溶液的浓度通过调整保持不变,电解时阴极生成气体的速率为x mol·h-1,下列说法错误的是(　　)
A.电解过程中,锂离子电池中Li+向锂电池的b端移动
B.离子交换膜Ⅰ为阳离子交换膜,离子交换膜Ⅱ为阴离子交换膜
C.合成室内发生的反应为CH2==== CH2+2CuCl2→CH2ClCH2Cl+2CuCl
D.中间室补充NaCl的速率为x mol·h-1
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解析　由图可知,右侧电极上Cu的化合价由+1价升高为+2价,发生氧化反应,则电极N为阳极,电极b为正极,所以电极M为阴极,电极a为负极,M处电极反应为:2H2O+2e-==== 2OH-+H2↑,N处电极反应为:CuCl-e-+Cl-===== CuCl2,据此分析作答;锂离子电池中a为负极,b为正极,Li+向锂电池的b 端移动,A正确;由图可知,中间室内的Cl- 通过离子交换膜Ⅱ,进入右室,最终和CuCl 生成CuCl2,左室水中H+得到电子生成H2,OH-浓度增大,与中间室移动过来的Na+结合,生成NaOH,所以离子交换膜I为阳离子交换膜,Ⅱ为阴离子交换膜,B正确;根据原子守恒可知,合成室内发生的反应为:CH2= ==CH2+2CuCl2→
CH2ClCH2Cl+2CuCl,C正确;电解时阴极生成气体的速率为x mol·h-1,阴极反应:2H2O+2e-==== 2OH-+H2↑,根据电荷守恒可知,中间室移动过来的Na+的速率为2x mol·h-1,故中间室补充NaCl的速率为2x mol·h-1,D错误;故选D。
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8.(2025·湖南师范大学附属中学二模)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(　　)
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D
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
解析　左侧电极连接电源正极,则左侧为阳极,水失去电子生成氧气和氢离子;右侧连接电源负极,则右侧为阴极,水得到电子生成氢气和氢氧根;原料室的pH需控制在6.02,此时丙氨酸呈电中性留在原料室,谷氨酸pI=3.22<6.02,呈阴离子,向阳极即左侧移动,赖氨酸pI=9.74>6.02,呈阳离子,向阴极即右侧移动,从而通过离子迁移实现分离。电流方向为电源正极→导线→阳极→电解质溶液→阴极→导线→电源负极,溶液中通过离子导电,A正确;由分析得,B正确;阳极吸引谷氨酸阴离子,H+需透过a膜与谷氨酸阴离子反应生成谷氨酸,则a膜为阳离子交换膜,阴极吸引赖氨酸阳离子,OH-需透过b膜与赖氨酸阳离子反应生成赖氨酸,则b膜为阴离子交换膜,C正确;谷氨酸阴离子和赖氨酸阳离子各带1单位电荷,电路通过2 mol电子时,迁移2 mol电荷,即可分离出2 mol谷氨酸和2 mol赖氨酸,共4 mol,D错误;故选D。
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[素养提升练]
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9.(2026·河南省豫东名校期中)一种燃料电池与电解池组合的装置(电池工作时)如图所示,电极均为惰性电极,回答下列问题:
(1)电极Ⅰ为　　　　 　(填“正”或“负”)极,该电极上的反应式为　 。
(2)右侧电池工作室中能量的转化形式主要为　　　(填“化学能”或“电能”,下同)转化为　　　　 　。
正
O2+2H2O+4e-==== 4OH-
电能
化学能
(3)气体X为　　　　 　(填化学名称)。
(4)电池工作一段时间后,图中三处KOH溶液的质量分数的大小顺序为　　　　(填字母)。
A.c%>a%>b% B.a%>c%>b%
C.b%>c%>a% D.c%>b%>a%
(5)当电路中每转移0.2 mol电子:
①此时消耗O2的质量为　　　　g。
②此时电极Ⅳ上生成气体的体积为　　　　L(标准状况下)。
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氢气
D
1.6
2.24
解析　由图可知左边是燃料电池,右边是电解池;通入氧气的电极Ⅰ是电池的正极,由于电解质溶液显碱性,故电极Ⅰ的电极反应式为O2+2H2O+4e-==== 4OH-。与电极Ⅰ相连的电极Ⅳ是电解池的阳极,则电极Ⅳ上HCl电离产生的Cl-被氧化为Cl2,电极反应式为2Cl--2e-==== Cl2↑;电极Ⅲ是电解池的阴极,溶液中水电离产生的H+在阴极得到电子被还原为H2,电极反应为:2H2O+2e-==== 2OH-+H2↑,所以气体X是H2,电极Ⅱ的电极反应为H2-2e-+2OH-==== H2O。(1)由分析可知:电极Ⅰ为燃料电池的正极,该电极上的反应式为O2+2H2O+4e-==== 4OH-;(2)右侧电池为电解池,电解池能量的转化形式主要为电能转化为化学能;(3)由分析可知:气体X为H2,化学名称为氢气;(4)电极Ⅰ的电极反应式为O2+2H2O+4e-==== OH-,反应消耗水,产生OH-,使c(OH-)增大,故溶液浓度c%>b%;电极Ⅱ的电极反应为H2-2e-+2OH-==== 2H2O,反应消耗OH-,产生水,使c(OH-)减小,故溶液浓
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