文档内容
微专题突破 电化学中离子交换膜的应用
目录
01考情透视·目标导航............................................................................................................................
02知识导图·思维引航............................................................................................................................
03核心精讲·题型突破............................................................................................................................
【真题研析】...................................................................................................................................................................
【核心精讲】...................................................................................................................................................................
1．离子交换膜类型的功能.....................................................................................................................................
2．离子交换膜类型在电化学中的作用.................................................................................................................
3．离子交换膜类型的类型.....................................................................................................................................
4．应用原理.............................................................................................................................................................
5．离子交换膜类型的判断.....................................................................................................................................
【命题预测】...........................................................................................................................................................
考向1 “单膜”池..................................................................................................................................................
考向2 “双膜”池..................................................................................................................................................
考向3 “多膜”池..................................................................................................................................................
考点要求 考题统计 考情分析
2024·江西卷，11，3分；2024·广东卷，16，3分；
近年来，新型电化学装置
2024· 海南卷，13，4分；2024·广西卷，1，3分；
中的“膜”层出不穷，高
2024·福建卷，9，4 分；2024·辽吉黑卷，12，3
考试题中往往以此为契入
分；2024·河北卷，13，3分；2023•湖北省选择性考
点，考查电化学基础知
试10题，3分；2023•山东卷11题，4分；2022•山 识。预测 2025 年这类试
“单膜” 东卷13题，4分；2023•浙江省6月选考13题，3 题将以“文字叙述+离子
池 分；2023•北京卷 5 题，3 分；2023•全国甲卷 12 交换膜+电化学装置图”
题，6分；2023•广东卷16题，3分；2022•湖南选 的方式呈现，考查离子交
择性考试8题，3分；2022·浙江省1月选考21题， 换膜在化学电源、电解制
2分；2022·浙江省6月选考21题，2分；2021•全国 备物质或电渗析等方面的
甲卷13题，6分；2021•湖北选择性考试15题，3 实际应用为载体，考查电
分 化学基础知识及基本的化2024· 重庆卷，9，3分；2024·湖北卷，14，3分；
“双膜”
2021•辽宁选择性考试13题，3分；2021•天津卷11 学思想与方法。
池
题，3分；2021•广东选择性考试16题，3分
1．(2024·江西卷，11，3分)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( )A．CuAg电极反应为2HCHO+2H O﹣4e﹣═2HCOO﹣+H ↑+2OH﹣
2 2
B．CuRu电极反应为NO -+6HO+8e﹣═NH ↑+9OH﹣
3 2 3
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，无需补加KOH
2．(2024·广东卷，16，3分)一种基于氯碱工艺的新型电解池(下图)，可用于湿法冶铁的研究。电解过
程中，下列说法不正确的是( )
A．阳极反应：2Cl--2e-= Cl ↑
2
B．阴极区溶液中OH-浓度逐渐升高
C．理论上每消耗1molFe O，阳极室溶液减少
2 3
D．理论上每消耗1molFe O，阴极室物质最多增加
2 3
3．(2024· 海南卷，13，4分)电解NH HSO 溶液得到SO2-，是早期制备HO 的重要步骤。某实验装
4 4 2 8 2 2
置如图所示。电解过程流出液b中混有少量气泡。下列说法错误的是( )
A．电解过程中阴极区的SO 2-不断迁移到阳极区
4
B．图中a代表H
2
C．回路中通过 电子产生0.5mol(NH )SO
4 2 2 8
D．SO 2-氧化成SO2-的电极反应为2SO 2--2e-=SO2-
4 2 8 4 2 8
4．(2024·广西卷，1，3分)某新型钠离子二次电池(如图)用溶解了NaPF 的二甲氧基乙烷作电解质溶液。
6
放电时嵌入PbSe中的Na变成Na+后脱嵌。下列说法错误的是( )A．外电路通过1mol电子时，理论上两电极质量变化的差值为23g
B．充电时，阳极电极反应为：NaV(PO )-xe-=Na V(PO )+xNa+
3 2 4 3 3-x 2 4 3
C．放电一段时间后，电解质溶液中的Na+浓度基本保持不变
D．电解质溶液不能用NaPF 的水溶液替换
6
5．(2024·福建卷，9，4分)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(CFSO )NLi，充电过程中电解LiCl产生Cl。下列说法正确的是( )
3 2 2
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1molCl ，需消耗2molLi
2
D．放电时总反应：6Li+N+4CF SO Cl=2(CF SO )NLi+4LiCl
2 3 2 3 2
6．(2024·辽吉黑卷，12，3分) “绿色零碳”氢能前景广阔。为解决传统电解水制“绿氢”阳极电势高、
反应速率缓慢的问题，科技工作者设计耦合HCHO高效制H 的方法，装置如图所示。部分反应机理为：
2
。下列说法错误的是( )A．相同电量下H 理论产量是传统电解水的1.5倍
2
B．阴极反应：2HO+2e-=H ↑+2OH-
2 2
C．电解时OH-通过阴离子交换膜向b极方向移动
D．阳极反应：
7．(2024·河北卷，13，3分)我国科技工作者设计了如图所示的可充电Mg-CO 电池，以Mg(TFSI) 为
2 2
电解质，电解液中加入1，3-丙二胺( )以捕获CO，使放电时CO 还原产物为MgC O。该设计克服了
2 2 2 4
MgCO 导电性差和释放CO 能力差的障碍，同时改善了Mg2+的溶剂化环境，提高了电池充放电循环性能。
3 2
下列说法错误的是( )
A．放电时，电池总反应为Mg+2CO= MgC O
2 2 4
B．充电时，多孔碳纳米管电极与电源正极连接
C．充电时，电子由Mg电极流向阳极，Mg2+向阴极迁移
D．放电时，每转移1mol电子，理论上可转化1mol CO
2
8．(2024· 重庆卷，9，3分)我国科研工作者研发了一种新型复合电极材料，可将CO 电催化转化为甲
2
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2CO+2H O 2HCOOH+O
2 2 2
9．(2024·湖北卷，14，3分)我国科学家设计了一种双位点PbCu电催化剂，用HC O 和NH OH电化
2 2 4 2
学催化合成甘氨酸，原理如图，双极膜中HO解离的H+和OH-在电场作用下向两极迁移。已知在KOH溶
2
液中，甲醛转化为HOCH O-，存在平衡HOCH O-+OH- [OCH O]2-+H O。Cu电极上发生的电子转移
2 2 2 2
反应为[OCH O]2--e-=HCOO-+H∙。下列说法错误的是( )
2
A．电解一段时间后阳极区c(OH-)减小
B．理论上生成1molH N+CHCOOH双极膜中有4molH O解离
3 2 2
为
C．阳极总反应式 2HCHO-2e-+4OH-=2HCOO-+H ↑+2H O
2 2
D．阴极区存在反应HC O+2e-+2H+=OHC—COOH+H O
2 2 4 2
第一步：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，判断允许哪种离子通过隔膜。
第二步：写出电极反应式，判断交换膜两侧离子变化，推断电荷变化，根据电荷平衡判断离子迁移方
向。
第三步：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。
(1)解答已知交换膜类型的电池题解题模型
(2)解答未知交换膜类型的电池题解题模型
1 ．离子交换膜类型的功能
使离子选择性定向迁移(目的是平衡整个溶液的离子浓度或电荷)。
2 ．离子交换膜类型在电化学中的作用
(1)隔离某些物质防止发生反应。
(2)用于物质的制备。
(3)物质分离、提纯等。
3 ．离子交换膜类型的类型
离子交换膜是由高分子特殊材料制成。离子交换膜分四类：
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。
④双极膜，由一张阳膜和一张阴膜复合制成的阴、阳复合膜。该膜特点是在直流电的作用下，阴、阳
膜复合层间的HO解离成H+和OH-并分别通过阴膜和阳膜，作为H+和OH-的离子源。
2
4 ．应用原理
(1)阳(阴)离子交换膜有很多微孔，孔道上有许多带负(正)电荷的基团，阳(阴)离子可以自由通过孔道，
而阴(阳)离子移动到孔道处，受到孔道带负(正)电荷基团的排斥而不能进入孔道中，因而不能通过交换膜。
质子交换膜是阳离子交换膜的特例，仅允许质子(H＋)通过，其他离子不能通过。
(2)交换膜隔离两种电解质溶液，避免负极材料与能发生反应的电解质溶液直接接触，能提高电流效率。
在这种装置中，交换膜起到盐桥作用，且优于盐桥(盐桥需要定时替换或再生)。通过限制离子迁移，使指
定离子在溶液中定向移动形成闭合回路，完成氧化剂和还原剂在不接触条件下发生氧化还原反应。
5 ．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。
考向 1 “ 单膜”池
1．(2024·云南省部分名校高三理科综合能力测试)镍氢电池的工作原理如图所示，放电时，电流由a极
经外电路流向 b极。下列叙述正确的是( )
A．放电时，b极发生还原反应
B．充电时，a极与电流负极连接
C．放电时，a极的电极反应式为 NiO(OH)+e-+H O= Ni(OH) +OH-
2 2
D．充电时，b极的电极反应式为 MH +OH--e-=MH +H O
x x-1 2
2．(2024·河南·高三湘豫名校联考联盟高三联考)KMnO 是一种重要的化学试剂，电解KMnO 及某种
4 2 4
稀碱性溶液可得到KMnO 、KOH，其工作原理如图所示(电极材料是铁与铂)，电解中M电极周围溶液逐渐
4
变成紫红色，下列说法错误的是( )A．电极电势：a＞b
B．N电极电极反应式为2HO+2e-=2OH-+H ↑
2 2
C．当电路中有2mol电子转移时，会有78g离子通过X膜
D．M电极是铁、N电极是铂
3．(2024·湖北省名校联考高三期中)传统合成氨采用氢气作为氢源，能耗高，我国科研机构采用水作
为氢源，通过如图电化学装置实现了常温下氨的合成。下列说法正确的是( )
A．在阳极池中加入盐酸不影响气体产物的成分
B．隔膜为阳离子交换膜，H+通过该隔膜向左池移动
C．不考虑损耗，理论上氨气和氧气的产出比[ ]为
D．合成氨过程中，电子通过石墨电极流入电源的负极
4．(2025·浙江省天域全国名校协作体高三联考)浓差电池指利用两极电解质溶液中浓度不同引起的电
势差放电。实验室利用浓差电池实现电解丙烯腈(CH=CHCN)合成己二腈[NC(CH )CN]，装置如图所示(实
2 2 4
验前，隔膜两侧溶液均为100mL，铜电极质量均为100g)。下列说法不正确的是( )A．Cu(2)极为负极，其电极反应为Cu-2e-=Cu2+
B．隔膜为阴离子交换膜
C．上述装置理论上可制备0.4 mol己二腈
D．生成己二腈的电极反应式为：2CH=CHCN+2H++2e-=NC(CH)CN
2 2 4
5．(2024·河北高三模拟预测)我国在光电催化一化学耦合烟气脱硫并进行能量转化的研究中取得重大
突破，其工作原理如图所示。下列说法正确的是( )
A．负极的电极反应为SO +2H O-2e-=4H++SO2-
2 2 4
B．右室中HSO 溶液的浓度基本保持不变
2 4
C．每吸收1 mol SO ，理论上装置的总质量增加64 g
2
D．电子由光催化电极通过导线流向多孔电极
6．工业电解丙烯腈(CH=CHCN)制己二腈[NC(CH )CN]的原理如图所示。相关说法正确的是( )
2 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
7．铜基配合物电催化还原CO 的装置原理如图所示，下列说法不正确的是( )
2
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
8．工业上用石墨和铅作电极，用双极膜电解葡萄糖溶液制备甘露醇和葡萄糖酸盐。已知在直流电场
作用下，双极膜将水解离为H+和OH-并实现其定向通过，电解过程如图所示。下列说法错误的是( )
A．b极材料为石墨，接电源正极
B．通电后双极膜中产生的OH-向b极定向移动
C．生成葡萄糖酸盐的反应为： +BrO -+OH-=HOCH (CHOH) COO-+Br-+H O
3 2 4 2
D．理论上若生成1mol甘露醇，则可生成1mol葡萄糖酸盐
9．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
6(无水)。下列说法错误的是( )
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
考向 2 “ 双膜”池
10．(2025· 浙江省杭州市浙南联盟高三10月联考)某钠离子二次电池如图所示，该电池主要依靠钠离
子在两极之间移动来工作。下列说法正确的是( )
A．充电时，a电极发生还原反应
B．A为阴离子交换膜，B为阳离子交换膜
C．放电时，b电极的电极反应式：
D．若放电前两极室质量相等，放电过程中转移1mol电子，则两极室质量差为23g
12．(2024·黑龙江省龙东五地市高三联考)一种成本低、稳定性好的全碱性多硫化物-空气液流二次电池
工作时，原理如图所示，下列说法错误的是( )A．膜a为阳离子交换膜，膜b为阴离子交换膜
B．连接负载时，X极的电极反应式为2S2--2e-=S 2-
2 4
C．连接电源时，Ⅰ室的 数目增加
D．连接电源时，电路中每通过 电子，生成 的质量为20g
13．一种水性电解液Zn-MnO 离子选择双隔膜电池如下图所示。(已知在KOH溶液中，Zn2+以
2
Zn(OH )2-存在)。下列叙述不正确的是( )
4
A．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
14．高铁酸钠(Na FeO)是一种新型的消毒剂，以Fe、Ni为电极制取NaFeO 的原理如图所示。下列叙
2 4 2 4
述错误的是( )A．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
考向 3 “ 多膜”池
15．(2025·浙江省名校协作体三开学测试)某研究团队通过膜电解法制得纯碱，甘氨酸(H NCH COOH)
2 2
和高浓度烧碱，其装置如图所示。其中膜a、b为离子交换膜，双极膜c在直流电的作用下，中间界面层水
发生解离产生H+和OH-。下列说法正确的是( )
A．膜a为阴离子交换膜
B．制得7.5g甘氨酸，盐室1增重2.2g
C．碱室2反应式：2HO-4e-=O ↑+4H+
2 2
D．一段时间后，碱室1浓度变小，碱室2浓度变大
16．一种电解法制备Ca(HPO ) 并得到NaOH等副产物的示意装置如图，下列说法正确的是( )
2 4 2A．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
17．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
2 2
说法正确的是( )
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
18．双极膜电解法制巯基乙酸(HSCH COOH)和高纯NaOH溶液原理如图所示，其中a、b为离子交换
2
膜，双极膜在直流电压下可解离出H+和OH-。下列说法正确的是( )A．膜a和膜b均为阳离子交换膜
B．双极膜解离出的H+在双极膜的右侧
C．碱室1和碱室2的NaOH溶液可以循环使用，电解过程不产生其他副产物
D．若将盐室的原料换成NaSO 溶液，当外电路通过2mole-时，可生成2molH SO
2 4 2 4
19．我国力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。某高校研究团队提出，利用TiO 基催化
2
剂光催化还原CO 转化为甲醇(CHOH)，并利用利用双极膜电渗析法制取盐酸和氢氧化钠的装置如下图所
2 3
示。下列说法不正确的是( )
A．电极c的电势高于电极d的电势
B．N表示阴离子交换膜
C．甲室流出的为盐酸溶液
D．相比现有氯碱工业制取氢氧化钠，该方法更环保
20．一种双阴极微生物燃料电池装置如图所示。该装置可以同时进行硝化和反硝化脱氮，下列叙述正
确的是( )A．电池工作时，H+的迁移方向：左→右
B．电池工作时，“缺氧阴极”电极附近的溶液pH减小
C．“好氧阴极”存在反应：NH +-6e-+ 8OH-=NO-+ 6H O
4 2 2
D．“厌氧阳极”区质量减少28.8g时，该电极输出电子2.4mol
21．使用交替排列的单价选择性阳离子交换膜和阴离子交换膜的电渗析过程如图所示。电渗析分离离
子的原理是单价阳离子(例如：Li+、Na+、K+)通过单价选择性阳离子交换膜迁移到浓缩室，而二价阳离子
(例如：Ca2+、Mg2+)被阻挡，留在脱盐室，达到富集锂的目的。下列说法错误的是( )
A．电极W连接电源正极，电极N连接电源负极
B．X口流出的是富Li+盐水，Y口流出的是贫Li+盐水
C．选择性离子交换膜是电渗析技术应用于盐湖卤水提锂的关键
D．该电渗析过程总的电解方程式为2HO 2H↑+O ↑
2 2 2
22．如图所示电解装置中，通电后Ⅱ室溶液底部 逐渐溶解，下列判断正确的是( )A．a是电源的正极
B．通电一段时间后，向石墨电极Ⅱ附近滴加酚酞溶液，出现红色
C．随着电解的进行，Ⅰ室溶液的pH变大
D．当0.01mol Fe O 全溶解时，至少产生气体672mL(标准状况下测得)
2 3
23．(2024·北京三模)利用双极膜电解NaSO 制备NaOH，捕集烟气中CO，制备NaHCO 。电解原理
2 4 2 3
如图所示：
已知：双极膜为复合膜，可在直流电的作用下，将膜间的HO解离，提供H+和OH-。
2
下列说法正确的是
A．阴极反应式：2HO+2e-=H↑＋2OH-
2 2
B．Ⅰ为阴离子交换膜，Ⅱ阳离子交换膜
C．电路中转移 电子时共产生2molNaOH
D．该装置总反应的方程式为4HO 2H↑+O ↑＋4H＋+2OH-
2 2 2
24．(2025·广东省高三大联考)废水中镍和钴的分离回收有着重要意义，工业上可通过如图所示的装置
将废水中的Co2+和Ni2+分离。已知Co2+和乙酰丙酮不反应，下列说法不正确的是( )A．电源 极为正极，膜 为阳离子交换膜
B．电解过程中 室内硫酸的物质的量不因反应而改变
C． 室中Ni2+参与的反应为Ni2++2CH COCH COCH +2OH-= Ni(CHCOCHCOCH )+2H O
3 2 3 3 3 2 2
D．通电过程中石墨 极每产生 (标准状况)气体，双极膜处有2molHO解离
2
