سوال ۹۸ شیمی کنکور ریاضی ۱۴۰۲ نوبت دوم با پاسخ تشریحی

برای بررسی عبارت‌ها، باید میان مرحلهٔ نخست اکسایش آهن و تبدیل کامل آن به زنگ آهن تفاوت بگذاریم. مطابق کتاب، آهن ابتدا به یون آهن دوظرفیتی تبدیل می‌شود، اما زنگ آهن حاوی آهن سه‌ظرفیتی است (شیمی ۳، صفحهٔ ۵۷).

عبارت اول: درست است.
زنگ زدن آهن در حضور آب و اکسیژن، فرایندی خودبه‌خودی است؛ بنابراین پتانسیل استاندارد واکنش کلی آن مثبت است:
$E^\circ_{\text{واکنش کلی}}>0$
در این فرایند، کاهش اکسیژن با اکسایش آهن همراه است؛ نیم‌واکنش‌ها و پتانسیل‌های مربوط به خوردگی آهن در کتاب آمده‌اند (شیمی ۳، صفحهٔ ۵۷).

عبارت دوم: نادرست است.
نیم‌واکنش نخست اکسایش آهن به صورت زیر است:
$\mathrm{Fe(s)\longrightarrow Fe^{2+}(aq)+2e^-}$
یون حاصل، $\mathrm{Fe^{2+}}$، محلول در آب اما کاتیون است، نه آنیون. در ادامه نیز یون آهن دوظرفیتی اکسایش می‌یابد:
$\mathrm{Fe^{2+}(aq)\longrightarrow Fe^{3+}(aq)+e^-}$
پس نسبت دادن تولید آنیون به نیم‌واکنش اکسایش آهن نادرست است (شیمی ۳، صفحهٔ ۵۷).

عبارت سوم: درست است.
اکسنده، الکترون می‌گیرد و کاهنده، الکترون می‌دهد (شیمی ۳، صفحهٔ ۴۰). در زنگ زدن آهن، اکسیژن الکترون می‌گیرد و کاهش می‌یابد:
$\mathrm{O_2(g)+2H_2O(l)+4e^-\longrightarrow4OH^-(aq)}$
بنابراین اکسنده، گاز اکسیژن است. آهن نیز با از دست دادن الکترون اکسایش می‌یابد؛ پس کاهنده، آهن جامد است. در نتیجه، حالت فیزیکی اکسنده و کاهنده به‌ترتیب گاز و جامد است (شیمی ۳، صفحهٔ ۵۷).

عبارت چهارم: درست است.
عدد اکسایش آهن در حالت فلزی برابر $0$ و در زنگ آهن برابر $+3$ است. افزایش عدد اکسایش نشان‌دهندهٔ از دست دادن الکترون است (شیمی ۳، صفحه‌های ۵۲–۵۳). با جمع کردن دو مرحلهٔ اکسایش داریم:
$\mathrm{Fe(s)\longrightarrow Fe^{3+}(aq)+3e^-}$
پس به‌ازای تبدیل هر $1\,\mathrm{mol}$ آهن به زنگ آهن، $3\,\mathrm{mol}$ الکترون مبادله می‌شود. اگر مطابق مدل کتاب زنگ آهن را $\mathrm{Fe(OH)_3}$ در نظر بگیریم، واکنش کلی موازنه‌شده چنین است:
$\mathrm{4Fe(s)+3O_2(g)+6H_2O(l)\longrightarrow4Fe(OH)_3(s)}$
در این واکنش، $4\,\mathrm{mol}$ آهن در مجموع $12\,\mathrm{mol}$ الکترون از دست می‌دهد که همان نسبت گفته‌شده را تأیید می‌کند (شیمی ۳، صفحهٔ ۵۷).

بنابراین عبارت‌های اول، سوم و چهارم درست‌اند؛ یعنی سه مورد درست است.

پاسخ: گزینهٔ ۳