第4课时 离子交换膜在电化学中的应用(拓展课)
一、掌握解题必备知能
(一)离子交换膜的分类与作用
(二)三类交换膜应用实例
1.阳离子交换膜(只允许阳离子和水分子通过)
装置图 说明
锌铜原电池 ①负极反应式:Zn-2e-Zn2+ ②正极反应式:Cu2++2e-Cu ③Zn2+通过阳离子交换膜进入正极区 ④阳离子→透过阳离子交换膜→原电池正极
2.阴离子交换膜(只允许阴离子和水分子通过)
装置图 说明
以Pt为电极电解淀粉 KI溶液,中间用阴离子交换膜隔开 ①阴极反应式:2H2O+2e-H2↑+2OH- ②阳极反应式:2I--2e-I2 ③阴极产生的OH-移向阳极与阳极产物反应。3I2+6OH-I+5I-+3H2O ④阴离子→透过阴离子交换膜→电解池阳极
3.质子交换膜(只允许H+和水分子通过)
装置图 说明
在微生物作用下电解有机废水(含CH3COOH),可获得清洁能源H2 ①阴极反应式:2H++2e-H2↑ ②阳极反应式: CH3COOH-8e-+2H2O2CO2↑+8H+ ③阳极产生的H+通过质子交换膜移向阴极 ④H+→透过质子交换膜→电解池的阴极
(三)常见带离子交换膜的四类装置
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,以达到物质制备、浓缩、净化、提纯的目的。
类型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。
类型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
类型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) 4H2O+4e- 2H2↑+4OH- 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
类型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
二、构建解题思维模型
[典例] (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
听课记录:
|思维建模|离子交换膜类型的判断方法
根据电解质溶液呈电中性的原则,判断膜的类型,判断时首先写出阴、阳两极上的电极反应,依据电极反应式确定该电极附近哪种离子剩余,因该电极附近溶液呈电中性,从而判断出离子移动的方向,进而确定离子交换膜的类型,如电解饱和食盐水时,阴极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-,则阴极区生成H2和OH-,阳极区域的Na+穿过离子交换膜进入阴极室,与OH-结合生成NaOH,故电解食盐水中的离子交换膜是阳离子交换膜。
[题点多维训练]
1.(2025·吉安高二期末)利用阳离子交换膜和过滤膜制备高纯度Cu的装置如图所示,下列叙述错误的是 ( )
A.电极A是粗铜,电极B是纯铜
B.电路中通过1 mol电子,溶解32 g粗铜
C.溶液中S向电极A迁移
D.膜A是过滤膜,阻止阳极泥及杂质进入阴极区
2.某工厂采用电解法处理含铬废水,耐酸电解槽用铁板作阴、阳极,工作原理如图所示。经过一段时间后,有Cr(OH)3和Fe(OH)3沉淀随废水排出,从而使废水中铬含量低于排放标准。下列说法不正确的是 ( )
A.阴极区发生的电极反应包括:2H++2e-H2↑
B.还原Cr2的主要方式是Cr2+6Fe2++14H+2Cr3++6Fe3++7H2O
C.废水的pH过高或过低均会降低铬的去除率
D.电解槽工作时,Cr2通过阴离子交换膜从阳极室进入阴极室
3.(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 ( )
A.电解总反应:KNO3+3H2ONH3·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
4.氢氧化钾是重要的工业产品,工业级氢氧化钾的溶液中含有某些含氧酸根杂质,可用离子交换膜法电解提纯。电解槽内装有阳离子交换膜(只允许阳离子通过),其工作原理如图所示。
(1)该电解槽的阳极反应式是 。
(2)通电开始后,阴极附近溶液pH会增大,请简述其原因: 。
(3)除去杂质后的氢氧化钾溶液从液体出口 (填“A”或“B”)导出。
第4课时 离子交换膜在电化学中的应用
[典例] 选D 电极M上CO2转化为HCOO-,发生还原反应:CO2+2e-+H2OHCOO-+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-+H2OHCOO-+OH-,可得总反应为2CO2+2H2O2HCOOH+O2,D项正确。
[题点多维训练]
1.选B 精炼铜时,粗铜作阳极,纯铜作阴极,根据装置图可知,电极A为粗铜,电极B为纯铜,故A正确;粗铜中含其他活泼金属杂质,也会失电子被溶解,当电路中通过1 mol电子时,溶解的粗铜质量不确定,故B错误;根据电解原理,硫酸根离子向阳极(电极A)移动,故C正确;膜A为过滤膜,阻止阳极泥及杂质进入阴极区,膜B为阳离子交换膜,故D正确。
2.选D 耐酸电解槽用铁板作阴、阳极,在阴极区,H+得电子,发生的电极反应包括:2H++2e-H2↑,A正确;在阳极区,Fe失电子生成的Fe2+还原Cr2,主要方式是Cr2+6Fe2++14H+2Cr3++6Fe3++7H2O,B正确;若废水的pH过高,会直接与Fe2+反应生成Fe(OH)2沉淀,影响Cr2的还原,若pH过低,会将Cr(OH)3和Fe(OH)3沉淀溶解,都会降低铬的去除率,C正确;电解槽工作时,因为Cr2要进入阳极区被Fe2+还原,所以Cr2通过阴离子交换膜从阴极室进入阳极室,D错误。
3.选B 由信息大电流催化电解KNO3溶液制氨可知,在电极a处KNO3放电生成NH3,发生还原反应,故电极a为阴极,电极方程式为N+8e-+9H+NH3·H2O+2H2O,电极b为阳极,电极方程式为4OH--4e-O2↑+2H2O,“卯榫”结构的双极膜中的H+移向电极a,OH-移向电极b。由分析中阴阳电极方程式可知,电解总反应为KNO3+3H2ONH3·H2O+2O2↑+KOH,故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,故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,故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,故D正确。
4.解析:根据电解原理,阳极应是OH-失电子,所以电极反应式为4OH--4e-2H2O+O2↑,而阴极为H+放电,促进水的电离,使OH-浓度增大,所以pH增大。根据阳离子交换膜的特点,K+可从阳极区进入阴极区和OH-组成KOH,从而可在阴极区得到纯的KOH,故液体应从B口导出。
答案:(1)4OH--4e-2H2O+O2↑
(2)H+放电,促进水的电离,OH-浓度增大 (3)B
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第4课时 离子交换膜在电化学中的应用(拓展课)
一、掌握解题必备知能
二、构建解题思维模型
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一、掌握解题必备知能
(一)离子交换膜的分类与作用
(二)三类交换膜应用实例
1.阳离子交换膜(只允许阳离子和水分子通过)
装置图 说明
锌铜原电池 ①负极反应式:Zn-2e-==Zn2+
②正极反应式:Cu2++2e-==Cu
③Zn2+通过阳离子交换膜进入正极区
④阳离子→透过阳离子交换膜→原电池正极
2.阴离子交换膜(只允许阴离子和水分子通过)
装置图 说明
以Pt为电极电解淀粉 KI溶液，中间用阴离子交换膜隔开 ①阴极反应式:2H2O+2e-==H2↑+2OH-
②阳极反应式:2I--2e-==I2
③阴极产生的OH-移向阳极与阳极产物反应。3I2+6OH-==I+5I-+3H2O
④阴离子→透过阴离子交换膜→电解池阳极
3.质子交换膜(只允许H+和水分子通过)
装置图 说明
在微生物作用下电解有机废水 (含CH3COOH)，可获得清洁能源H2 ①阴极反应式:2H++2e-==H2↑
②阳极反应式:
CH3COOH-8e-+2H2O==2CO2↑+8H+
③阳极产生的H+通过质子交换膜移向阴极
④H+→透过质子交换膜→电解池的阴极
(三)常见带离子交换膜的四类装置
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，以达到物质制备、浓缩、净化、提纯的目的。
类型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。
类型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
类型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) 4H2O+4e-==2H2↑+4OH- 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
类型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
二、构建解题思维模型
[典例] (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+2H2O 2HCOOH+O2
√
[解析] 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+2H2O 2HCOOH+O2，D项正确。
|思维建模|离子交换膜类型的判断方法
根据电解质溶液呈电中性的原则，判断膜的类型，判断时首先写出阴、阳两极上的电极反应，依据电极反应式确定该电极附近哪种离子剩余，因该电极附近溶液呈电中性，从而判断出离子移动的方向，进而确定离子交换膜的类型，如电解饱和食盐水时，阴极反应式为2H2O+2e-==H2↑+2OH-，则阴极区生成H2和OH-，阳极区域的Na+穿过离子交换膜进入阴极室，与OH-结合生成NaOH，故电解食盐水中的离子交换膜是阳离子交换膜。
[题点多维训练]
√
1.(2025·吉安高二期末)利用阳离子交换膜和过滤膜制备高纯度Cu的装置如图所示，下列叙述错误的是 ( )
A.电极A是粗铜，电极B是纯铜
B.电路中通过1 mol电子，溶解32 g粗铜
C.溶液中S向电极A迁移
D.膜A是过滤膜，阻止阳极泥及杂质进入阴极区
解析:精炼铜时，粗铜作阳极，纯铜作阴极，根据装置图可知，电极A为粗铜，电极B为纯铜，故A正确；粗铜中含其他活泼金属杂质，也会失电子被溶解，当电路中通过1 mol电子时，溶解的粗铜质量不确定，故B错误；根据电解原理，硫酸根离子向阳极(电极A)移动，故C正确；膜A为过滤膜，阻止阳极泥及杂质进入阴极区，膜B为阳离子交换膜，故D正确。
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2.某工厂采用电解法处理含铬废水，耐酸电解槽用铁板作阴、阳极，工作原理如图所示。经过一段时间后，有Cr(OH)3和Fe(OH)3沉淀随废水排出，从而使废水中铬含量低于排放标准。下列说法不正确的是 ( )
A.阴极区发生的电极反应包括:2H++2e-==H2↑
B.还原Cr2的主要方式是Cr2+6Fe2++14H+==2Cr3++6Fe3++7H2O
C.废水的pH过高或过低均会降低铬的去除率
D.电解槽工作时，Cr2通过阴离子交换膜从阳极室进入阴极室
解析:耐酸电解槽用铁板作阴、阳极，在阴极区，H+得电子，发生的电极反应包括:2H++2e-==H2↑，A正确；在阳极区，Fe失电子生成的Fe2+还原Cr2，主要方式是Cr2+6Fe2++14H+==2Cr3++6Fe3++7H2O，B正确；若废水的pH过高，会直接与Fe2+反应生成Fe(OH)2沉淀，影响Cr2的还原，若pH过低，会将Cr(OH)3和Fe(OH)3沉淀溶解，都会降低铬的去除率，C正确；电解槽工作时，因为Cr2要进入阳极区被Fe2+还原，所以Cr2通过阴离子交换膜从阴极室进入阳极室，D错误。
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3.(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 ( )
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:由信息大电流催化电解KNO3溶液制氨可知，在电极a处KNO3放电生成NH3，发生还原反应，故电极a为阴极，电极方程式为N+8e-+9H+==NH3·H2O+2H2O，电极b为阳极，电极方程式为4OH--4e-==O2↑+2H2O，“卯榫”结构的双极膜中的H+移向电极a，OH-移向电极b。由分析中阴阳电极方程式可知，电解总反应为KNO3+3H2O==NH3·H2O+2O2↑+KOH，故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，故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，故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，故D正确。
4.氢氧化钾是重要的工业产品，工业级氢氧化钾的溶液中含有某些含氧酸根杂质，可用离子交换膜法电解提纯。电解槽内装有阳离子交换膜(只允许阳离子通过)，其工作原理如图所示。
(1)该电解槽的阳极反应式是 。
(2)通电开始后，阴极附近溶液pH会增大，请简述其原因:
。
(3)除去杂质后的氢氧化钾溶液从液体出口 (填“A”或“B”)导出。
4OH--4e-==2H2O+O2↑
H+放电，促进水的电离，OH-浓度增大
B
解析:根据电解原理，阳极应是OH-失电子，所以电极反应式为4OH--4e-==2H2O+O2↑，而阴极为H+放电，促进水的电离，使OH-浓度增大，所以pH增大。根据阳离子交换膜的特点，K+可从阳极区进入阴极区和OH-组成KOH，从而可在阴极区得到纯的KOH，故液体应从B口导出。
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一、选择题
1.(2025·清远高二期末)近年研究发现，电催化CO2和含氮物质(N等)在常温常压下合成尿素，有助于实现碳中和及解决含氮废水污染问题。向一定浓度的KNO3溶液中通CO2至饱和，在电极上反应生成CO(NH2)2，电解原理如图所示。下列说法不正确的是( )
A.电极b连接电源的正极，发生氧化反应
B.电极a发生的电极反应式为
2N+CO2+18H++16e-==CO(NH2)2+7H2O
C.当电极a区生成3.0 g尿素时，电极b区质量减少6.4 g
D.电极a区电解质溶液pH增大
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解析: b电极是阳极，连接电源正极，发生氧化反应，故A正确；a电极是阴极，得电子，从图中可知，a电极上端通入CO2，H+移动到a电极参与反应，硝酸根离子转化为CO(NH2)2，故B正确；3.0 g尿素的物质的量为=0.05 mol，结合a极反应式，转移电子为0.8 mol，b极的反应式为2H2O-4e-==O2↑+4H+，转移0.8 mol电子时，会消耗0.4 mol H2O，减少的质量为7.2 g，故C错误；H+向a电极移动，在a电极参与反应，由其电极反应式2N+CO2+18H++16e-==CO(NH2)2+7H2O可知，电极反应消耗18 mol H+，但通过质子交换膜16 mol H+，所以a电极附近的H+在减少，其pH在增大，故D正确。
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2.NaClO2(亚氯酸钠)是常用的消毒剂和漂白剂，工业上可采用电解法制备，工作原理如图所示。下列叙述正确的是 ( )
A.若直流电源为铅蓄电池，则b极为Pb
B.阳极反应式为ClO2+e-==Cl
C.交换膜左侧NaOH的物质的量不变，气体X为Cl2
D.制备18.1 g NaClO2时理论上有0.2 mol Na+由交换膜左侧向右侧迁移
解析:二氧化氯转化为NaClO2(亚氯酸钠)的过程发生了还原反应，应该发生在阴极，所以a是负极，b是正极，若直流电源为铅蓄电池，则b极为正极，应该是PbO2，故A错误；由总反应式2ClO2+2NaCl==2NaClO2+Cl2知，交换膜左边NaOH的物质的量不变，在阳极上氯离子失电子，发生氧化反应，产生氯气，气体X为Cl2，故B错误，C正确；Na+由交换膜右侧向左侧迁移，故D错误。
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3.我国科学家在太阳能光电催化—化学耦合分解H2S研究中获得新进展，相关装置如图所示。下列说法不正确的是 ( )
A.该装置的总反应为H2S H2+S
B.能量转化方式主要为“光能→电能→化学能”
C.a极上发生的电极反应为Fe2+-e-==Fe3+
D.a极区需不断补充含Fe3+和Fe2+的溶液
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解析:该装置发生的有关反应为H2S+2Fe3+==2H++S+2Fe2+(a极区)、Fe2+-e-==F(a极)、2H++2e-==H2↑(b极)，结合反应条件得到总反应为H2S H2+S，A、C正确；该制氢工艺中光能转化为电能，最终转化为化学能，B正确；a极区涉及两步反应，第一步利用氧化性强的F高效捕获H2S得到硫和还原性的Fe2+，第二步是还原性的Fe2+在a极表面失去电子生成氧化性强的Fe3+，这两步反应反复循环进行，所以a极区无需补充含Fe3+和Fe2+的溶液，D错误。
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4.(2025·重庆高二期末)化学在环境保护中起着十分重要的作用，电化学降解法可用于治理水中硝酸盐的污染。电化学降解N的原理如图所示。下列说法不正确的是( )
A.a为电源的正极
B.若电解过程中转移了2 mol电子，则膜两侧电解液的质量变化差
(Δm左-Δm右)为5.6 g
C.c为质子交换膜
D.阴极反应式为2N+12H++10e-==N2↑+6H2O
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解析:根据题给原理图知，在Ag Pt电极上N发生还原反应，阴极反应式为2N+12H++10e-==N2↑+6H2O，因此Ag Pt电极为阴极，则b为负极，a为电源正极，故A正确。由阳极电极反应式知，转移2 mol电子时，阳极区消耗1 mol水，产生
2 mol H+进入阴极室，阳极室质量减少18 g；阴极室中放出0.2 mol N2，其质量为5.6 g，同时有2 mol H+，其质量为2 g，进入阴极室，因此阴极室质量减少3.6 g，故膜两侧电解液的质量变化差(Δm左-Δm右)=14.4 g，故B错误。根据分析，c为质子交换膜，故C正确。阴极反应式为2N+12H++10e-==N2↑+6H2O，故D正确。
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5.化学研究人员开发出一种生产石灰乳的绿色工艺，其装置如下图所示。装置工作时，下列说法错误的是 ( )
A.电能转变为化学能
B.X膜为阴离子交换膜
C.电解一段时间后，b极附近c(OH-)增大
D.a极上的电极反应式为2H2O-4e-==4H++O2↑
解析:该装置是电解池，将电能转变为化学能，A项正确；根据图中信息，左侧加入碳酸钙，中间生成氢氧化钙，左侧生成钙离子向中间移动，则X膜为阳离子交换膜，B项错误；阴极的电极反应式为2H2O+2e-==H2↑+2OH-，生成OH-，故b极附近c(OH-)变大，C项正确；a极上水中氢氧根失去电子生成氧气，电极反应式为2H2O-4e-==4H++O2↑，产生的氢离子溶解碳酸钙，D项正确。
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6.(2025·郑州高二期末)用Na2SO3溶液吸收硫酸工业尾气中的二氧化硫，将所得的混合液进行电解循环再生，这种新工艺叫再生循环脱硫法。其中阴、阳离子交换膜组合循环再生机理如图所示，下列有关说法中不正确的是 ( )
A.X为直流电源的负极，Y为直流电源的正极
B.阳极反应为4OH--4e-==2H2O+O2↑
C.图中的b>a
D.该过程中的产品主要为H2SO4和H2
解析:根据Na+和S的移向可知Pt(Ⅰ)为阴极，电极反应为2H++2e-==H2↑，Pt(Ⅱ)为阳极，电极反应为HS+H2O-2e-==S+3H+、S-2e-+H2O==S+2H+。
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7.在电镀车间的含铬酸性废水中，铬的存在形式有Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)两种，其中Cr(Ⅵ)的毒性最大。电解法处理含铬废水的装置示意图如图，铬最终以Cr(OH)3沉淀除去。下列说法正确的是 ( )
A.Fe为阳极，反应为Fe-2e-==Fe2+
B.阴极反应为Cr2+7H2O+6e-==2Cr(OH)3↓+8OH-
C.阳极每转移3 mol电子，可处理Cr(Ⅵ)物质的量为1 mol
D.离子交换膜为质子交换膜，只允许H+穿过
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解析:对Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)处理是通过转化为Cr(OH)3处理，由题图可知，同时还生成Fe(OH)3，据此推测铁棒是阳极，电极反应式为Fe-2e-==Fe2+，Fe2+再与Cr2发生氧化还原反应生成Fe3+和Cr3+，A正确；石墨棒是阴极，电极反应为2H2O+2e-==2OH-+H2↑，电解质溶液中发生反应:Cr3++3OH-==Cr(OH)3↓，Fe3++3OH-==Fe(OH)3↓，B错误；阳极转移3 mol电子，生成1.5 mol Fe2+，Cr(Ⅵ)被还原为Cr(Ⅲ)，据得失电子守恒可知，可处理Cr(Ⅵ)的物质的量为0.5 mol，C错误；石墨电极上反应生成OH-，左侧废水中Cr3+、Fe3+透过离子交换膜移向右侧，反应生成Cr(OH)3和Fe(OH)3，故离子交换膜为阳离子交换膜，D错误。
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8.(2025·成都高二期中)现代膜技术可使某种离子具有单向通过能力，常用于电解池、原电池中。电解NaB(OH)4溶液可制备H3BO3，其工作原理如图所示。下列说法错误的是 ( )
A.NaB(OH)4中B的化合价为+3价
B.N室发生的电极反应式为2H2O+2e-==H2↑+2OH-
C.去掉a膜，阳极区用稀硫酸作电解液，不影响H3BO3的纯度
D.a、c膜均为阳离子交换膜，b膜为阴离子交换膜
解析:NaB(OH)4中Na元素为+1价，氢氧根为-1价，则B的化合价为+3价，故A正确；N室为阴极室，反应式为2H2O+2e-==H2↑+2OH-，故B正确；去掉a膜，阳极区用稀硫酸作电解液，则所得的产品会混有硫酸，则影响H3BO3的纯度，故C错误；根据以上分析，a、c膜均为阳离子交换膜，b膜为阴离子交换膜，故D正确。
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9.(2024·福建卷)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1 mol Cl2，需消耗2 mol Li
D.放电时总反应:6Li+N2+4CF3SO2Cl==2(CF3SO2)2NLi+4LiCl
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解析:根据图中信息知，放电时负极反应为Li-e-==Li+，正极首先发生N2+6Li++6e-==2Li3N，接着发生反应:Li3N+2CF3SO2Cl==(CF3SO2)2NLi+2LiCl，充电时发生电解反应2LiCl==2Li+Cl2↑。电解质中含Li+，放电时负极产生Li+，正极反应消耗Li+，故Li+从负极区转移至正极区，则该交换膜为阳离子交换膜，A项错误；因Li能与水发生剧烈反应，故电解质溶液不能使用LiCl水溶液，B项错误；充电过程相当于电解LiCl，阳极Cl-失电子生成Cl2，阴极Li+得电子生成Li，存在关系式2Li~Cl2~2e-，故理论上生成1 mol Cl2，生成了2 mol Li，C项错误；结合分析中正极和负极发生的反应可知，D项正确。
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10.(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
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解析:左侧PbCu电极的Pb表面 转化为 ，发生脱氧的还原反应，Cu表面 转化为 ，发生脱氧、加氢的还原
反应，因此PbCu电极为阴极；根据题干信息，右侧Cu电极上发生失电子的氧化反应，因此Cu电极为阳极。根据题干信息可知，Cu电极所在的阳极区先后发生反应:HCHO+OH- HOCH2O-、HOCH2O-+OH- [OCH2O]2-+H2O、[OCH2O]2--e-==HCOO-+H·，H·可转化为H2，则阳极总反应式为2HCHO+4OH--2e-==2HCOO-+H2↑+2H2O，C正确。根据阳极总反应可知，每消耗4个OH-，电路中通过2e-，根据电荷守恒，双极膜中有2个OH-向阳极迁移，即阳极区c(OH-)减小，A正确。
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由题给信息知，阴极总反应物为H2C2O4、NH2OH，总产物为H3N+CH2COOH，电极反应式为H2C2O4+NH2OH+6e-+7H+==H3N+CH2COOH+3H2O，每生成1 mol H3N+CH2COOH，电路中通过6 mol e-，双极膜中需有6 mol H2O解离出6 mol H+向阴极迁移，B错误。双极膜中H2O解离出的H+向阴极移动，因此H2C2O4在阴极Pb电极上转化为OHCCOOH的反应为H2C2O4+2H++2e-==OHCCOOH+H2O，D正确。
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二、非选择题
11.(10分)(1)制备Na2S2O5可采用三室膜电解技术，装置如图所示，其中SO2碱吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。阳极的电极反应式为 。电解后， 室的NaHSO3浓度增加。将该室溶液进行结晶脱水可得到Na2S2O5。
解析:根据装置图可知左侧为阳极，溶质为H2SO4，实际放电的是水电离出的OH-，电极反应式为2H2O-4e-==O2↑+4H+。电解过程中，阳离子(H+)向右侧移动，则a室中S+H+==HS，NaHSO3浓度增大。
2H2O-4e-==O2↑+4H+
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(2)KIO3可采用“电解法”制备，装置如图所示。
①写出电解时阴极的电极反应式: 。
②电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为 ，其迁移方向是 。
解析:①观察电解装置图知，惰性电极a为阳极，惰性电极b为阴极，在碱性条件下，阴极的电极反应式为2H2O+2e-==H2↑+2OH-。
2H2O+2e-==2OH-+H2↑
K+
由阳极区到阴极区课时跟踪检测(三十四) 离子交换膜在电化学中的应用
一、选择题
1.(2025·清远高二期末)近年研究发现,电催化CO2和含氮物质(N等)在常温常压下合成尿素,有助于实现碳中和及解决含氮废水污染问题。向一定浓度的KNO3溶液中通CO2至饱和,在电极上反应生成CO(NH2)2,电解原理如图所示。下列说法不正确的是 ( )
A.电极b连接电源的正极,发生氧化反应
B.电极a发生的电极反应式为2N+CO2+18H++16e-CO(NH2)2+7H2O
C.当电极a区生成3.0 g尿素时,电极b区质量减少6.4 g
D.电极a区电解质溶液pH增大
2.NaClO2(亚氯酸钠)是常用的消毒剂和漂白剂,工业上可采用电解法制备,工作原理如图所示。下列叙述正确的是 ( )
A.若直流电源为铅蓄电池,则b极为Pb
B.阳极反应式为ClO2+e-Cl
C.交换膜左侧NaOH的物质的量不变,气体X为Cl2
D.制备18.1 g NaClO2时理论上有0.2 mol Na+由交换膜左侧向右侧迁移
3.我国科学家在太阳能光电催化—化学耦合分解H2S研究中获得新进展,相关装置如图所示。下列说法不正确的是 ( )
A.该装置的总反应为H2SH2+S
B.能量转化方式主要为“光能→电能→化学能”
C.a极上发生的电极反应为Fe2+-e-Fe3+
D.a极区需不断补充含Fe3+和Fe2+的溶液
4.(2025·重庆高二期末)化学在环境保护中起着十分重要的作用,电化学降解法可用于治理水中硝酸盐的污染。电化学降解N的原理如图所示。下列说法不正确的是 ( )
A.a为电源的正极
B.若电解过程中转移了2 mol电子,则膜两侧电解液的质量变化差(Δm左-Δm右)为5.6 g
C.c为质子交换膜
D.阴极反应式为2N+12H++10e-N2↑+6H2O
5.化学研究人员开发出一种生产石灰乳的绿色工艺,其装置如下图所示。装置工作时,下列说法错误的是 ( )
A.电能转变为化学能
B.X膜为阴离子交换膜
C.电解一段时间后,b极附近c(OH-)增大
D.a极上的电极反应式为
2H2O-4e-4H++O2↑
6.(2025·郑州高二期末)用Na2SO3溶液吸收硫酸工业尾气中的二氧化硫,将所得的混合液进行电解循环再生,这种新工艺叫再生循环脱硫法。其中阴、阳离子交换膜组合循环再生机理如图所示,下列有关说法中不正确的是 ( )
A.X为直流电源的负极,Y为直流电源的正极
B.阳极反应为4OH--4e-2H2O+O2↑
C.图中的b>a
D.该过程中的产品主要为H2SO4和H2
7.在电镀车间的含铬酸性废水中,铬的存在形式有Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)两种,其中Cr(Ⅵ)的毒性最大。电解法处理含铬废水的装置示意图如图,铬最终以Cr(OH)3沉淀除去。下列说法正确的是 ( )
A.Fe为阳极,反应为Fe-2e-Fe2+
B.阴极反应为Cr2+7H2O+6e-2Cr(OH)3↓+8OH-
C.阳极每转移3 mol电子,可处理Cr(Ⅵ)物质的量为1 mol
D.离子交换膜为质子交换膜,只允许H+穿过
8.(2025·成都高二期中)现代膜技术可使某种离子具有单向通过能力,常用于电解池、原电池中。电解NaB(OH)4溶液可制备H3BO3,其工作原理如图所示。下列说法错误的是 ( )
A.NaB(OH)4中B的化合价为+3价
B.N室发生的电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-
C.去掉a膜,阳极区用稀硫酸作电解液,不影响H3BO3的纯度
D.a、c膜均为阳离子交换膜,b膜为阴离子交换膜
9.(2024·福建卷)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1 mol Cl2,需消耗2 mol Li
D.放电时总反应:6Li+N2+4CF3SO2Cl2(CF3SO2)2NLi+4LiCl
10.(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
二、非选择题
11.(10分)(1)制备Na2S2O5可采用三室膜电解技术,装置如图所示,其中SO2碱吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。阳极的电极反应式为 。电解后, 室的NaHSO3浓度增加。将该室溶液进行结晶脱水可得到Na2S2O5。
(2)KIO3可采用“电解法”制备,装置如图所示。
①写出电解时阴极的电极反应式: 。
②电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为 ,其迁移方向是 。
课时跟踪检测(三十四)
1.选C b电极是阳极,连接电源正极,发生氧化反应,故A正确;a电极是阴极,得电子,从图中可知,a电极上端通入CO2,H+移动到a电极参与反应,硝酸根离子转化为CO(NH2)2,故B正确;3.0 g尿素的物质的量为=0.05 mol,结合a极反应式,转移电子为0.8 mol,b极的反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+,转移0.8 mol电子时,会消耗0.4 mol H2O,减少的质量为7.2 g,故C错误;H+向a电极移动,在a电极参与反应,由其电极反应式2N+CO2+18H++16e-CO(NH2)2+7H2O可知,电极反应消耗18 mol H+,但通过质子交换膜16 mol H+,所以a电极附近的H+在减少,其pH在增大,故D正确。
2.选C 二氧化氯转化为NaClO2(亚氯酸钠)的过程发生了还原反应,应该发生在阴极,所以a是负极,b是正极,若直流电源为铅蓄电池,则b极为正极,应该是PbO2,故A错误;由总反应式2ClO2+2NaCl2NaClO2+Cl2知,交换膜左边NaOH的物质的量不变,在阳极上氯离子失电子,发生氧化反应,产生氯气,气体X为Cl2,故B错误,C正确;Na+由交换膜右侧向左侧迁移,故D错误。
3.选D 该装置发生的有关反应为H2S+2Fe3+2H++S+2Fe2+(a极区)、Fe2+-e-F(a极)、2H++2e-H2↑(b极),结合反应条件得到总反应为H2SH2+S,A、C正确;该制氢工艺中光能转化为电能,最终转化为化学能,B正确;a极区涉及两步反应,第一步利用氧化性强的F高效捕获H2S得到硫和还原性的Fe2+,第二步是还原性的Fe2+在a极表面失去电子生成氧化性强的Fe3+,这两步反应反复循环进行,所以a极区无需补充含Fe3+和Fe2+的溶液,D错误。
4.选B 根据题给原理图知,在Ag Pt电极上N发生还原反应,阴极反应式为2N+12H++10e-N2↑+6H2O,因此Ag Pt电极为阴极,则b为负极,a为电源正极,故A正确。由阳极电极反应式知,转移2 mol电子时,阳极区消耗1 mol水,产生2 mol H+进入阴极室,阳极室质量减少18 g;阴极室中放出0.2 mol N2,其质量为5.6 g,同时有2 mol H+,其质量为2 g,进入阴极室,因此阴极室质量减少3.6 g,故膜两侧电解液的质量变化差(Δm左-Δm右)=14.4 g,故B错误。根据分析,c为质子交换膜,故C正确。阴极反应式为2N+12H++10e-N2↑+6H2O,故D正确。
5.选B 该装置是电解池,将电能转变为化学能,A项正确;根据图中信息,左侧加入碳酸钙,中间生成氢氧化钙,左侧生成钙离子向中间移动,则X膜为阳离子交换膜,B项错误;阴极的电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-,生成OH-,故b极附近c(OH-)变大,C项正确;a极上水中氢氧根失去电子生成氧气,电极反应式为2H2O-4e-4H++O2↑,产生的氢离子溶解碳酸钙,D项正确。
6.选B 根据Na+和S的移向可知Pt(Ⅰ)为阴极,电极反应为2H++2e-H2↑,Pt(Ⅱ)为阳极,电极反应为HS+H2O-2e-S+3H+、S-2e-+H2OS+2H+。
7.选A 对Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)处理是通过转化为Cr(OH)3处理,由题图可知,同时还生成Fe(OH)3,据此推测铁棒是阳极,电极反应式为Fe-2e-Fe2+,Fe2+再与Cr2发生氧化还原反应生成Fe3+和Cr3+,A正确;石墨棒是阴极,电极反应为2H2O+2e-2OH-+H2↑,电解质溶液中发生反应:Cr3++3OH-Cr(OH)3↓,Fe3++3OH-Fe(OH)3↓,B错误;阳极转移3 mol电子,生成1.5 mol Fe2+,Cr(Ⅵ)被还原为Cr(Ⅲ),据得失电子守恒可知,可处理Cr(Ⅵ)的物质的量为0.5 mol,C错误;石墨电极上反应生成OH-,左侧废水中Cr3+、Fe3+透过离子交换膜移向右侧,反应生成Cr(OH)3和Fe(OH)3,故离子交换膜为阳离子交换膜,D错误。
8.选C NaB(OH)4中Na元素为+1价,氢氧根为-1价,则B的化合价为+3价,故A正确;N室为阴极室,反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-,故B正确;去掉a膜,阳极区用稀硫酸作电解液,则所得的产品会混有硫酸,则影响H3BO3的纯度,故C错误;根据以上分析,a、c膜均为阳离子交换膜,b膜为阴离子交换膜,故D正确。
9.选D 根据图中信息知,放电时负极反应为Li-e-Li+,正极首先发生N2+6Li++6e-2Li3N,接着发生反应:Li3N+2CF3SO2Cl(CF3SO2)2NLi+2LiCl,充电时发生电解反应2LiCl2Li+Cl2↑。电解质中含Li+,放电时负极产生Li+,正极反应消耗Li+,故Li+从负极区转移至正极区,则该交换膜为阳离子交换膜,A项错误;因Li能与水发生剧烈反应,故电解质溶液不能使用LiCl水溶液,B项错误;充电过程相当于电解LiCl,阳极Cl-失电子生成Cl2,阴极Li+得电子生成Li,存在关系式2Li~Cl2~2e-,故理论上生成1 mol Cl2,生成了2 mol Li,C项错误;结合分析中正极和负极发生的反应可知,D项正确。
10.选B 左侧PbCu电极的Pb表面转化为,发生脱氧的还原反应,Cu表面转化为,发生脱氧、加氢的还原反应,因此PbCu电极为阴极;根据题干信息,右侧Cu电极上发生失电子的氧化反应,因此Cu电极为阳极。根据题干信息可知,Cu电极所在的阳极区先后发生反应:HCHO+OH- HOCH2O-、HOCH2O-+OH- [OCH2O]2-+H2O、[OCH2O]2--e-HCOO-+H·,H·可转化为H2,则阳极总反应式为2HCHO+4OH--2e-2HCOO-+H2↑+2H2O,C正确。根据阳极总反应可知,每消耗4个OH-,电路中通过2e-,根据电荷守恒,双极膜中有2个OH-向阳极迁移,即阳极区c(OH-)减小,A正确。由题给信息知,阴极总反应物为H2C2O4、NH2OH,总产物为H3N+CH2COOH,电极反应式为H2C2O4+NH2OH+6e-+7H+H3N+CH2COOH+3H2O,每生成1 mol H3N+CH2COOH,电路中通过6 mol e-,双极膜中需有6 mol H2O解离出6 mol H+向阴极迁移,B错误。双极膜中H2O解离出的H+向阴极移动,因此H2C2O4在阴极Pb电极上转化为OHCCOOH的反应为H2C2O4+2H++2e-OHCCOOH+H2O,D正确。
11.解析:(1)根据装置图可知左侧为阳极,溶质为H2SO4,实际放电的是水电离出的OH-,电极反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+。电解过程中,阳离子(H+)向右侧移动,则a室中S+H+HS,NaHSO3浓度增大。(2)①观察电解装置图知,惰性电极a为阳极,惰性电极b为阴极,在碱性条件下,阴极的电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-。
答案:(1)2H2O-4e-O2↑+4H+ a
(2)①2H2O+2e-2OH-+H2↑
②K+ 由阳极区到阴极区
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