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第三篇 化学反应与能量
专项 23 膜在电化学中的应用
近年来，新型电化学装置中的“膜”层出不穷，高考试题中往往以此为契入点，考查电化学基础知
识。离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜。因为一般在应用时
主要是利用它透过的离子，所以也称为离子选择透过性膜。隔膜又叫离子交换膜，由高分子特殊材料制成。
离子交换膜分三类：(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。隔膜的作用：(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；(2)能选择性的通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
1．(2022•全国甲卷)一种水性电解液Zn-MnO 离子选择双隔膜电池如图所示(KOH溶液中，Zn2+以
2
Zn(OH) 2-存在)。电池放电时，下列叙述错误的是( )
4
A．Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅲ区迁移
B．Ⅰ区的SO 2-通过隔膜向Ⅱ区迁移
4
C． MnO 电极反应：MnO +2e-+4H+=Mn2++2H O
2 2 2
D．电池总反应：Zn+4OH-+MnO+4H+=Zn(OH) 2-+Mn2++2H O
2 4 2
【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) 2-，Ⅰ区MnO 为电池的正极，电极反应为MnO +2e-+4H+=Mn2++2H O；电池在工作过程中，由于
4 2 2 2
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 2-向Ⅱ区移动，Ⅲ区消耗OH-，生成
4
Zn(OH) 2-，Ⅱ区的SO 2-向Ⅲ区移动或Ⅲ区的K+向Ⅱ区移动。A项，Ⅱ区的K+只能向Ⅰ区移动，A错误；
4 4
B项，Ⅰ区的SO 2-向Ⅱ区移动，B正确；C项，MnO 电极的电极反应式为MnO +2e-+4H+=Mn2++2H O，C
4 2 2 2
正确；D项，电池的总反应为Zn+4OH-+MnO+4H+=Zn(OH) 2-+Mn2++2H O，D正确；故选A。
2 4 2
2．(2022•山东卷)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
CO，将废旧锂离子电池的正极材料LiCoO 转化为Co2+，工作时保持厌氧环境，并定时将乙室溶液转移至
2 2
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( )
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，乙室应补充盐酸
C．乙室电极反应式为LiCoO +2H O+e-+4H+=Li++Co2++4OH-
2 2
D．若甲室Co2+减少 ，乙室Co2+增加 ，则此时已进行过溶液转移
【答案】BD
【解析】A项，依据题意右侧装置为原电池，电池工作时，甲室中细菌上乙酸盐的阴离子失去电子被
氧化为CO 气体，Co2+在另一个电极上得到电子，被还原产生Co单质，CHCOO-失去电子后，Na+通过阳
2 3
膜进入阴极室，溶液变为NaCl溶液，溶液由碱性变为中性，溶液pH减小，A错误；B项，对于乙室，正
极上LiCoO 得到电子，被还原为Co2+，同时得到Li+，其中的O与溶液中的H+结合HO，因此电池工作一
2 2
段时间后应该补充盐酸，B正确；C项，电解质溶液为酸性，不可能大量存在OH-，乙室电极反应式为：
LiCoO +e-+4H+=Li++Co2++2H O，C错误；D项，若甲室Co2+减少200 mg，电子转移物质的量为n(e-)=
2 2，乙室Co2+增加300 mg，转移电子的物质的量为n(e-)= ，说
明此时已进行过溶液转移，D正确；故选BD。
3．(2021•全国甲卷)乙醛酸是一种重要的化工中间体，可果用如下图所示的电化学装置合成。图中的
双极膜中间层中的HO解离为H+和OH-，并在直流电场作用下分别问两极迁移。下列说法正确的是( )
2
A．KBr在上述电化学合成过程中只起电解质的作用
B．阳极上的反应式为： +2H++2e-= +H O
2
C．制得2mol乙醛酸，理论上外电路中迁移了1mol电子
D．双极膜中间层中的 在外电场作用下向铅电极方向迁移
【答案】D
【解析】该装置通电时，乙二酸被还原为乙醛酸，因此铅电极为电解池阴极，石墨电极为电解池阳极，
阳极上Br-被氧化为Br ，Br 将乙二醛氧化为乙醛酸，双极膜中间层的H+在直流电场作用下移向阴极，OH-
2 2
移向阳极。A项，KBr在上述电化学合成过程中除作电解质外，同时还是电解过程中阳极的反应物，生成
的Br 为乙二醛制备乙醛酸的中间产物，故A错误；B项，阳极上为Br-失去电子生成Br ，Br 将乙二醛氧
2 2 2
化为乙醛酸，故B错误；C项，电解过程中阴阳极均生成乙醛酸，1mol乙二酸生成1mol乙醛酸转移电子
为2mol，1mol乙二醛生成1mol乙醛酸转移电子为2mol，根据转移电子守恒可知每生成1mol乙醛酸转移
电子为1mol，因此制得2mol乙醛酸时，理论上外电路中迁移了2mol电子，故C错误；D项，由上述分析
可知，双极膜中间层的H+在外电场作用下移向阴极，即H+移向铅电极，故D正确；故选D。
4．(2021•辽宁选择性考试)利用 (Q)与 电解转化法从烟气中分离CO 的
2
原理如图。已知气体可选择性通过膜电极，溶液不能通过。下列说法错误的是( )A．a为电源负极 B．溶液中Q的物质的量保持不变
C． 在M极被还原 D．分离出的 从出口2排出
【答案】C
【解析】由题干信息可知，M极发生的是由Q 转化为 的过程，该过程
是一个还原反应，故M极为阴极，电极反应为： +2H O+2e-= +2OH-，故与
2
M极相连的a电极为负极，N极为阳极，电极反应为： -2e-= +2H+，b极为
电源正极。A项，由分析可知，a为电源负极，A正确；B项，由分析可知，根据电子守恒可知，溶液中Q
的物质的量保持不变，B正确；C项，由分析可知，整个过程CO 未被还原，CO 在M极发生反应为
2 2
CO+OH-=HCO -，C错误；D项，由题干信息可知，M极上CO 发生反应为：CO+OH-= HCO -被吸收，
2 3 2 2 3
HCO -向阳极移动，N极上发生的反应为：HCO -+H+=H O+CO↑，故分离出的CO 从出口2排出，D正确；
3 3 2 2 2
故选C。
1.“离子交换膜”电解池的解题思路
(1)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，判断允许哪种离子通过隔膜；(2)写出电极反应式：判断交换膜两侧离子变化，推断电荷变化，据电荷平衡判断离子迁移方向；
(3)分析隔膜作用：在产品制备中，隔膜作用主要是提高产品纯度，避免产物之间发生反应，或避免产
物因发生反应而造成危险；
(4)利用定量关系进行计算：外电路电子转移数=通过隔膜的阴、阳离子带的负或正电荷数。
2．离子交换膜类型的判断
(1)看清图示，是否在交换膜上标注了阴、阳离子，是否标注了电源的正、负极。是否标注了电子流向、
电荷流向等，明确阴、阳离子的移动方向。
(2)根据电解池中阴、阳离子的移动方向，结合题中给出的已知信息，找出物质生成或消耗的电极区域，
确定移动的阴、阳离子，从而推知离子交换膜的种类。
3．电解池中某极区溶液质量变化与pH分析。
在含有离子交换膜的电解池中，要判断一个极区溶液质量或溶液pH的变化，应综合考虑电极反应引
起的溶液质量变化和通过离子交换膜、离子的迁移引起的质量变化。如：下列装置中每通过1 mol电子，
稀硫酸的变化：
(1)b极的电极反应为2HO-4e-=O ↑+4H+，通过1 mol电子时，有0.5 mol HO放电，产生1 mol H+。
2 2 2
(2)通过1 mol电子时，有1 mol H+从稀硫酸中通过阳膜进入产品室。因此通过1 mol电子时，稀硫酸中
反应消耗0.5 mol H O，生成的O 逸出，生成的H+迁移至产品室，则质量减少9 g。稀硫酸中H+的物质的
2 2
量不变，若不考虑溶液体积变化，则溶液pH不变。
4．离子交换膜的类型
(1)阳离子交换膜(只允许阳离子和水分子通过，阻止阴离子和气体通过)
以锌铜原电池为例，中间用阳离子交换膜隔开
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(或电解池的阴极)
(2)阴离子交换膜(只允许阴离子和水分子通过，阻止阳离子和气体通过)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：2HO＋2e-=H ↑＋2OH-
2 2
②阳极反应式：2I-_2e-=I
2
③阴极产生的OH-移向阳极与阳极产物反应：3I＋6OH-=IO -＋5I-＋3HO
2 3 2
④阴离子→透过阴离子交换膜→电解池阳极(或原电池的负极)
(3)质子交换膜(只允许H＋和水分子通过)
在微生物作用下电解有机废水(含CHCOOH)，可获得清洁能源H
3 2
①阴极反应式：2H＋＋2e-=H ↑
2
②阳极反应式：CHCOOH-8e-＋2HO=2CO↑＋8H＋
3 2 2
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→原电池正极(或电解池的阴极)
(4)电渗析法
将含AB 的废水再生为HB和
n m n
A(OH) 的原理：已知A为金属活动
m
顺序表H之前的金属，Bn-为含氧酸根
离子
1．(2023届·江苏省南通市高三期初教学质量调研)一种水性电解液Zn-MnO 离子选择双隔膜电池如下图
2
所示。(已知在KOH溶液中，Zn2+以Zn(OH )2-存在)。下列叙述不正确的是( )
4A．放电时Zn作负极
B．a为阳离子交换膜，b为阴离子交换膜
C．放电时MnO 电极上发生的反应：MnO +4H++2e- =Mn2++2H O
2 2 2
D．电路中每通过1 mol电子，Zn电极的质量减小32.5g
2．(2023届·湖南省益阳市高三教学质量调研)锂离子电池具有质量小、体积小、储存和输出能量大等特
点，是多种便携式电子设备和交通工具的常用电池。一种锂离子电池的结构及工作原理如图所示，电解质
溶液为LiPF (六氟磷酸锂)的碳酸酯溶液(无水)。下列说法错误的是( )
6
A．放电时电极a为电池的正极，充电时电极b作阳极
B．放电时负极反应式为：LiC -xe-=xLi++C
x y y
C．电池放电时总反应为：LiC + Li CoO=LiCoO+C
x y 1-x 2 2 y
D．放电充电时，锂离子往返于电池的正极负极之间，完成化学能与电能的相互转化
3．(2023届·辽宁省沈阳市第一二〇中学高三模拟)高铁酸钠(Na FeO)是一种新型的消毒剂，以Fe、Ni
2 4
为电极制取NaFeO 的原理如图所示。下列叙述错误的是( )
2 4A．Fe电极的电极反应式为Fe-6e-＋8OH-=FeO 2-＋4HO
4 2
B．离子交换膜b为阴离子交换膜
C．通入I室的水中加入少量NaOH，可以加快高铁酸钠的生成
D．每生成0.1 mol Na FeO，II室中溶液减少的质量为32.0 g
2 4
4．(2023届·辽宁省鞍山市普通高中第一次质量监测)工业电解丙烯腈(CH=CHCN)制己二腈
2
[NC(CH )CN]的原理如图所示。相关说法正确的是( )
2 4
A．乙室电极反应：2HO-4e-=O ↑+4H+
2 2
B．该生产过程离子交换膜为阴离子交换膜
C．甲室碳棒为阳极，工作温度较高电极会有损失
D．生产中若收集 气体，转移电子
5．(2023届·安徽省蚌埠市高三第一次教学质量检查)铜基配合物电催化还原CO 的装置原理如图所示，
2
下列说法不正确的是( )A．石墨烯为阳极，发生电极反应为CO+2e-+2H+=HCOOH
2
B．Pt电极附近溶液的pH值减小
C．每转移2mol电子，阳极室、阴极室溶液质量变化量的差值为28g
D．该装置可减少CO 在大气中累积和实现可再生能源有效利用
2
6．(2023届·广东省深圳市光明区一模)某科研小组利用下图装置完成乙炔转化为乙烯的同时为用电器供
电。其中锌板处发生的反应有：①Zn-2e-=Zn2+；②Zn2++4OH-=[Zn((OH) ]2-；③Zn [Zn((OH) ]2-=ZnO+2OH-
4 4
+H O。下列说法不正确的是( )
2
A．电极a的电势高于电极b的电势
B．放电过程中正极区KOH溶液浓度保持不变
C．电极a上发生的电极反应式为C H+2H O+2e-=C H+2OH-
2 2 2 2 4
D．电解足量CuSO 溶液，理论上消耗2.24L(标准状况)C H 时，生成6.4gCu
4 2 2
7．(2023届·湖南省永兴县第一中学高三模拟)一种电解法制备Ca(HPO ) 并得到NaOH等副产物的示意
2 4 2
装置如图，下列说法正确的是( )A．与a、b相连的分别是电源的负极、正极
B．NaOH溶液中石墨电极上的反应为2HO+2e-=H ↑+2OH-
2 2
C．A膜、C膜均为阴离子交换膜，B膜为阳离子交换膜
D．产品室中的Ca2+和原料室的 物质的量浓度同等程度增大
8．(2023届·湖南省长沙一中高三模拟)双极膜电渗析法制备缩水甘油( )的原理：将3-
氯-1，2-丙二醇的水溶液通过膜M与双极膜之间的电渗析室，最终得到的缩水甘油纯度很高(几乎不含无机
盐)。已知：由一张阳膜和一张阴膜复合制成的阴、阳复合膜为双极膜。在直流电场的作用下，双极膜复合
层间的HO解离成OH-和H+并分别通过阴膜和阳膜。下列说法正确的是( )
2
A．装置工作时，3-氯-1，2-丙二醇被氧化
B．通电后，电渗析室内溶液的pH变小
C．膜M为阳离子交换膜
D．装置工作时，阴极上发生的电极反应：2H++2e-=H ↑
2
9．(2023届·河北省曲阳县第一高级中学高三模拟)目前，应用电渗析法进行海水淡化是解决淡水资源医乏的有效途径之一，该方法是利用电解原理通过多组电渗析膜实现，工作原理如图所示(以NaCl溶液代替
海水)，同时获得产品Cl、H、NaOH。下列说法正确的是( )
2 2
A．a是直流电源的负极
B．阳极区溶液浓度几乎不变
C．膜pq、st分别为阳离子交换膜、阴离子交换膜
D．出口I、II分别接收NaCl浓溶液、淡水
10．(2022·广东省汕头市高三教学质量监测iPON薄膜锂离子电池是目前研究最广泛的全固态薄膜锂离
子电池。下图为其工作示意图，LiPON薄膜只允许 通过，电池反应为LiSi+Li CoO
x 1-x 2
Si+LiCoO。下列有关说法正确的是。( )
2
A．LiPON薄膜在充放电过程中质量发生变化
B．导电介质C可为Li SO 溶液
2 4
C．放电时b极为正极，发生反应：Li CoO+xLi++xe-═LiCoO
1-x 2 2
D．充电时，当外电路通过0.2mol电子时，非晶硅薄膜上质量减少1.4g
11．(2022·湖北省新高考高三质量检测)中科院福建物构所YaobingWang团队首次构建了一种可逆水性
Zn—CO 电池，实现了CO 和HCOOH之间的高效可逆转换，其反应原理如图所示：
2 2已知双极膜可将水解离为H+和OH-，并实现其定向通过。下列说法中错误的是( )
A．放电时，负极电极反应式为Zn+4OH--2e-=Zn(OH) 2-
4
B．CO 转化为HCOOH过程中，Zn电极的电势低于多孔Pd电极的
2
C．充电过程中，甲酸在多孔Pd电极表面转化为CO
2
D．当外电路通过2mol电子时，双极膜中离解水的物质的量为1mol
12．(2022·安徽省新未来联盟高三模拟预测)我国科研人员以二硫化钼(MoS )作为电极催化剂，研发出
2
一种Zn-NO电池系统，该电池同时具备合成氨和对外供电的功能，其工作原理如图所示(双极膜可将水解
离成H+和OH-，并实现其定向通过)。下列说法正确的是( )
A．外电路中电子从MoS 电极流向Zn/ZnO电极
2
B．双极膜右侧为阴离子交换膜
C．当电路中转移0.2 mol电子时负极质量减小6.5 g
D．使用MoS 电极能加快合成氨的速率
2
