سوالات شیمی کنکور ریاضی ۱۴۰۳ نوبت اول با پاسخ تشریحی

گام اول: فرمول آلومینیم سولفات را می‌نویسیم.
طبق کتاب، فرمول ترکیب یونی باید طوری نوشته شود که مجموع بارهای مثبت و منفی آن برابر باشد؛ همچنین، هر یون چنداتمی را یک یون می‌شماریم، نه به تعداد اتم‌های سازنده‌اش (شیمی ۱، صفحه‌های ۹۱–۹۲).

یون‌های سازندهٔ آلومینیم سولفات، $\mathrm{Al^{3+}}$ و $\mathrm{SO_4^{2-}}$ هستند. برای خنثی‌شدن بارها، دو کاتیون آلومینیم و سه آنیون سولفات لازم است:
$\mathrm{Al_2(SO_4)_3}$
بنابراین نسبت موردنظر و سه برابر آن عبارت‌اند از:
$\dfrac{N_{\text{کاتیون}}}{N_{\text{آنیون}}}=\dfrac{2}{3}$
$3\times\dfrac{2}{3}=2$
پس باید ترکیبی را پیدا کنیم که در تشکیل هر واحد فرمولی آن، دو الکترون مبادله شود.

گام دوم: روش شمارش الکترون‌ها را مشخص می‌کنیم.
در این نوع پرسش، شمار الکترون‌های مبادله‌شده از مجموع بار مثبت کاتیون‌های یک واحد فرمولی به دست می‌آید. الکترون ازدست‌رفته و الکترون گرفته‌شده، همان الکترون مبادله‌شده است؛ بنابراین این دو را با هم جمع نمی‌کنیم.

گام سوم: گزینه‌ها را بررسی می‌کنیم.

• سدیم کربنات: بار یون‌های سدیم و کربنات به‌ترتیب $\mathrm{Na^+}$ و $\mathrm{CO_3^{2-}}$ است (شیمی ۱، صفحهٔ ۸۷). پس فرمول ترکیب $\mathrm{Na_2CO_3}$ است. دو اتم سدیم، هرکدام یک الکترون از دست می‌دهند:

$N_e=2\times1=2$
این مقدار با مقدار خواسته‌شده برابر است.

• کبالت $(\mathrm{III})$ اکسید: یون‌های آن $\mathrm{Co^{3+}}$ و $\mathrm{O^{2-}}$ و فرمول آن $\mathrm{Co_2O_3}$ است؛ بنابراین:

$N_e=2\times3=6$

• پتاسیم استات: از یون‌های $\mathrm{K^+}$ و $\mathrm{CH_3COO^-}$ تشکیل شده و فرمول آن $\mathrm{CH_3COOK}$ است؛ بنابراین:

$N_e=1\times1=1$

• لیتیم فرمات: از یون‌های $\mathrm{Li^+}$ و $\mathrm{HCOO^-}$ تشکیل شده و فرمول آن $\mathrm{HCOOLi}$ است؛ بنابراین:

$N_e=1\times1=1$

در نتیجه، تنها سدیم کربنات شرط سؤال را دارد.
پاسخ: گزینهٔ ۱

گام اول: شناسایی عنصرها

برای رسیدن از یون به اتم خنثی، به کاتیون به‌اندازهٔ بارش الکترون اضافه و از آنیون به‌اندازهٔ بارش الکترون کم می‌کنیم. با استفاده از آرایش الکترونی فشرده و ترتیب پرشدن زیرلایه‌ها داریم (شیمی ۱، صفحه‌های ۳۱–۳۲):

• یون $\mathrm{A^+}$ با آرایش $\mathrm{[Ar]}$ دارای $18$ الکترون است؛ پس اتم آن $19$ الکترون دارد و $\mathrm{A=K}$ است.

• یون $\mathrm{E^{3+}}$ با آرایش $\mathrm{[Ar]3d^5}$ دارای $18+5=23$ الکترون است؛ پس عدد اتمی عنصر آن $23+3=26$ و $\mathrm{E=Fe}$ است.

• یون $\mathrm{X^{2-}}$ با آرایش $\mathrm{[Ar]}$ دارای $18$ الکترون است؛ پس اتم آن $18-2=16$ الکترون دارد و $\mathrm{X=S}$ است.

• یون $\mathrm{D^-}$ با آرایش $\mathrm{[Kr]}$ دارای $36$ الکترون است؛ پس اتم آن $36-1=35$ الکترون دارد و $\mathrm{D=Br}$ است.

گام دوم: بررسی عبارت «الف»

عنصرها در جدول تناوبی به‌ترتیب عدد اتمی چیده شده‌اند (شیمی ۱، صفحه‌های ۲۷–۲۸). بنابراین شمار عنصرهای بین پتاسیم و آهن برابر است با:

$26-19-1=6$

آرایش اتم گوگرد نیز $\mathrm{[Ne]3s^2 3p^4}$ است؛ پس در لایهٔ ظرفیت خود $2+4=6$ الکترون دارد. مطابق تعریف کتاب، الکترون‌های لایهٔ بیرونی اتم، الکترون‌های ظرفیت آن هستند (شیمی ۱، صفحه‌های ۳۲–۳۳). بنابراین عبارت «الف» درست است.

گام سوم: بررسی عبارت «ب»

پتاسیم با از دست دادن یک الکترون و گوگرد با گرفتن دو الکترون به آرایش پایدار گاز نجیب می‌رسند؛ این رفتار با توضیح کتاب دربارهٔ تشکیل یون‌ها سازگار است (شیمی ۱، صفحه‌های ۳۵–۳۶). در نتیجه، فرمول ترکیب حاصل $\mathrm{K_2S}$ است:

$\mathrm{2K\rightarrow 2K^++2e^-}$

$\mathrm{S+2e^-\rightarrow S^{2-}}$

در تشکیل هر واحد فرمولی این ترکیب، دو الکترون منتقل می‌شود. پس برای تشکیل $0.2\,\mathrm{mol}$ از آن، مقدار الکترون مبادله‌شده برابر است با:

$n(e^-)=2\times0.2=0.4\,\mathrm{mol}$

$N(e^-)=0.4\times6.02\times10^{23}=2.408\times10^{23}$

این مقدار با $1.806\times10^{24}$ برابر نیست؛ بنابراین عبارت «ب» نادرست است. توجه کنید که الکترون‌های ازدست‌رفتهٔ پتاسیم همان الکترون‌های گرفته‌شدهٔ گوگرد هستند و نباید دوبار شمرده شوند.

گام چهارم: بررسی عبارت «پ»

• گوگرد در دورهٔ سوم است و یون $\mathrm{S^{2-}}$ آرایش آرگون، یعنی گاز نجیب دورهٔ سوم، را دارد.

• برم در دورهٔ چهارم است و یون $\mathrm{Br^-}$ آرایش کریپتون، یعنی گاز نجیب دورهٔ چهارم، را دارد.

• پتاسیم در دورهٔ چهارم است، اما یون $\mathrm{K^+}$ آرایش آرگون، یعنی گاز نجیب دورهٔ سوم، را دارد؛ نه گاز نجیب هم‌دورهٔ خودش.

• یون $\mathrm{Fe^{3+}}$ نیز آرایش $\mathrm{[Ar]3d^5}$ دارد و اصلاً هم‌آرایش گاز نجیب نیست.

رابطهٔ شمارهٔ دوره با لایه‌های الکترونی و شیوهٔ نمایش آرایش گاز نجیب در کتاب توضیح داده شده است (شیمی ۱، صفحه‌های ۲۷–۲۸ و ۳۱–۳۲). پس در میان یون‌های داده‌شده، عبارت «پ» درست است.

گام پنجم: بررسی عبارت «ت»

ترکیب حاصل از یون‌های $\mathrm{Fe^{3+}}$ و $\mathrm{Br^-}$، دارای فرمول $\mathrm{FeBr_3}$ است. حتی اگر ترکیب آهن با بار مثبت دو را نیز در نظر بگیریم، فرمول ترکیب دیگر $\mathrm{FeBr_2}$ خواهد بود.

شمار کل اتم‌ها در هر واحد فرمولی $\mathrm{K_2S}$ برابر $3$ است؛ درحالی‌که این شمار در $\mathrm{FeBr_3}$ و $\mathrm{FeBr_2}$ به‌ترتیب $4$ و $3$ است. بنابراین نسبت موردنظر، برای تعداد برابر واحدهای فرمولی، یکی از مقدارهای زیر خواهد بود:

$\dfrac{4}{3}\qquad\text{یا}\qquad\dfrac{3}{3}=1$

هیچ‌کدام برابر $2$ نیست؛ پس عبارت «ت» نادرست است.

در نتیجه، فقط عبارت‌های «الف» و «پ» درست‌اند.

پاسخ: گزینهٔ ۲

هر عبارت را جداگانه بررسی می‌کنیم.

الف) نادرست است. عنصر از اتم‌هایی با عدد اتمی یکسان تشکیل می‌شود، نه لزوماً از یک نوع ایزوتوپ. ایزوتوپ‌های یک عنصر شمار پروتون یکسان، اما شمار نوترون متفاوت دارند؛ بنابراین یک نمونهٔ عنصر می‌تواند شامل چند ایزوتوپ باشد. برای نمونه، کتاب برای منیزیم طبیعی سه ایزوتوپ معرفی کرده است (شیمی ۱، صفحهٔ ۵).

ب) درست است. از مجموع $118$ عنصر شناخته‌شده، $92$ عنصر در طبیعت یافت می‌شوند. کتاب نیز شمار کل عنصرهای جدول را $118$ معرفی می‌کند (شیمی ۱، صفحهٔ ۲۷). در نتیجه، درصد عنصرهای طبیعی برابر است با:
$\frac{92}{118}\times100\simeq78\%$
پس درصد بیان‌شده در عبارت درست است.

پ) درست است. دو ایزوتوپ مورد بررسی در نمونهٔ طبیعی لیتیم، $^{6}_{3}\mathrm{Li}$ و $^{7}_{3}\mathrm{Li}$ هستند. ایزوتوپ سبک‌تر، $^{6}_{3}\mathrm{Li}$ است؛ زیرا عدد جرمی کوچک‌تری دارد. مطابق شکل فعالیت کتاب، سهم تقریبی این ایزوتوپ در نمونهٔ طبیعی حدود $6\%$ است. برای محاسبهٔ چنین درصدی از رابطهٔ زیر استفاده می‌کنیم:
$\text{درصد فراوانی ایزوتوپ}=\frac{\text{شمار اتم‌های آن ایزوتوپ}}{\text{شمار کل اتم‌های نمونه}}\times100$
(شیمی ۱، صفحه‌های ۵–۶، فعالیت فراوانی ایزوتوپ‌های لیتیم).

ت) نادرست است. در متن کتاب، نسبت شمار نوترون‌ها به پروتون‌ها مطرح شده است؛ یعنی اغلب هسته‌هایی که دارای شرط $\frac{N}{Z}\geq1.5$ باشند، ناپایدارند. اما عبارت سؤال نسبت را برعکس، یعنی پروتون به نوترون، نوشته است. افزون بر این، قید «اغلب» را نیز حذف کرده و حکم را قطعی بیان کرده است (شیمی ۱، صفحه‌های ۵–۶).

بنابراین، فقط عبارت‌های «ب» و «پ» درست‌اند.

پاسخ: گزینهٔ ۴

مبنای موازنه، برابر بودن شمار اتم‌های هر عنصر در دو سوی معادله است؛ این برابری از قانون پایستگی جرم نتیجه می‌شود (شیمی ۱، صفحهٔ ۶۳–۶۴). همچنین ضرایب نهایی باید کوچک‌ترین عددهای طبیعی ممکن باشند و زیروند فرمول مواد نباید تغییر کند (شیمی ۱، صفحهٔ ۶۴–۶۵).

گام اول: موازنهٔ کربن و نیتروژن
به متان ضریب $1$ می‌دهیم. چون متان و هیدروژن سیانید هر کدام یک اتم کربن دارند، ضریب $\mathrm{HCN}$ نیز $1$ می‌شود. سپس برای برابر شدن شمار اتم‌های نیتروژن، ضریب آمونیاک را هم $1$ قرار می‌دهیم.

گام دوم: موازنهٔ هیدروژن
در سمت واکنش‌دهنده‌ها، مجموع شمار اتم‌های هیدروژن برابر است با:
$4+3=7$
از این تعداد، یک اتم در $\mathrm{HCN}$ قرار می‌گیرد؛ بنابراین سهم آب برابر با $7-1=6$ اتم هیدروژن است. هر مولکول آب دو اتم هیدروژن دارد، پس ضریب آب برابر است با:
$\dfrac{6}{2}=3$

گام سوم: موازنهٔ اکسیژن
با ضریب $3$ برای آب، در سمت فراورده‌ها سه اتم اکسیژن داریم. بنابراین ضریب $\mathrm{O_2}$ باید $\dfrac{3}{2}$ باشد:
$\mathrm{CH_4(g)+NH_3(g)+\tfrac{3}{2}O_2(g)\rightarrow HCN(g)+3H_2O(g)}$

گام چهارم: تبدیل ضرایب به عددهای طبیعی
مطابق روش کتاب برای حذف ضریب کسری، همهٔ ضرایب را در $2$ ضرب می‌کنیم (شیمی ۱، صفحهٔ ۶۵):
$\mathrm{2CH_4(g)+2NH_3(g)+3O_2(g)\rightarrow 2HCN(g)+6H_2O(g)}$
این ضرایب عامل مشترک بزرگ‌تر از یک ندارند، پس کوچک‌ترین ضرایب طبیعی‌اند. شمار اتم‌های کربن، نیتروژن، هیدروژن و اکسیژن در هر طرف، به‌ترتیب برابر با $2$، $2$، $14$ و $6$ است؛ بنابراین معادله موازنه شده است.

گام پنجم: محاسبهٔ مجموع ضرایب
$2+2+3+2+6=15$

پاسخ: گزینهٔ ۴

برای پاسخ، باید هر دو شرط سؤال را هم‌زمان بررسی کنیم.

گام نخست: وجود پیوند یونی و اشتراکی
پیوند یونی، جاذبهٔ میان یون‌های با بار ناهمنام در شبکهٔ بلور است؛ اما پیوند اشتراکی با به‌اشتراک‌گذاشتن الکترون‌ها میان اتم‌ها تشکیل می‌شود (شیمی ۱، صفحه‌های ۱۲۳ تا ۱۲۶، واژه‌نامه).

یون سولفات، $\mathrm{SO_4^{2-}}$، یک یون چنداتمی است (شیمی ۱، صفحه‌های ۹۱ و ۹۲). درون این یون، اتم‌های گوگرد و اکسیژن با پیوند اشتراکی به هم متصل‌اند. بنابراین:

• در $\mathrm{Na_2SO_4}$، میان یون‌های $\mathrm{Na^+}$ و $\mathrm{SO_4^{2-}}$ جاذبهٔ یونی و درون یون سولفات پیوند اشتراکی وجود دارد.

• در $\mathrm{BaSO_4}$ نیز میان یون‌های $\mathrm{Ba^{2+}}$ و $\mathrm{SO_4^{2-}}$ جاذبهٔ یونی و درون سولفات پیوند اشتراکی وجود دارد.

اما $\mathrm{KCl}$ و $\mathrm{MnBr_2}$ از یون‌های تک‌اتمی تشکیل شده‌اند و در چارچوب کتاب درسی، پیوند اشتراکی ندارند؛ پس گزینه‌های ۲ و ۴ حذف می‌شوند.

گام دوم: بررسی انحلال در آب
هنگام انحلال یک نمک، مولکول‌های قطبی آب به یون‌های سطح بلور نزدیک می‌شوند. جاذبهٔ یون ـ دوقطبی می‌تواند یون‌ها را از شبکه جدا کند و یون‌های آب‌پوشیده پدید آورد (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۱۲).

در مقایسهٔ کیفی موردنظر سؤال، باید نمکی را انتخاب کنیم که جاذبهٔ یون ـ دوقطبی بتواند بر جاذبه‌های پیشین در بلور و میان مولکول‌های آب غلبه کند. سدیم سولفات در آب محلول است، اما باریم سولفات بسیار کم‌محلول است؛ بنابراین از میان دو ترکیب باقی‌مانده، سدیم سولفات شرط دوم را نیز دارد. انحلال آن به‌صورت زیر نمایش داده می‌شود:

$\mathrm{Na_2SO_4(s)\xrightarrow{H_2O}2Na^+(aq)+SO_4^{2-}(aq)}$

در این فرایند، یون سولفات به‌صورت یک یون چنداتمی باقی می‌ماند و پیوندهای اشتراکی درون آن شکسته نمی‌شوند.

پاسخ: گزینهٔ ۱

گام اول: شناسایی فراورده و موازنهٔ معادله

فراوردهٔ مولکولی دواتمی در این واکنش، ید با فرمول $\mathrm{I_2}$ است. معادلهٔ موازنه‌شده به صورت زیر است:

$\mathrm{2KMnO_4(s)+16HI(aq)\rightarrow 2MnI_2(aq)+8H_2O(l)+2KI(aq)+5I_2(s)}$

بنابراین، از هر $2\,\mathrm{mol}$ پتاسیم پرمنگنات، در حالت نظری $5\,\mathrm{mol}$ ید تولید می‌شود. چون هیدرویدیک اسید به مقدار کافی وجود دارد، مقدار نظری فراورده را از مقدار پتاسیم پرمنگنات محاسبه می‌کنیم.

گام دوم: محاسبهٔ مقدار پتاسیم پرمنگنات

جرم مولی آن برابر است با:

$M(\mathrm{KMnO_4})=39+55+4(16)=158\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

پس تعداد مول اولیه برابر است با:

$n(\mathrm{KMnO_4})=\frac{3.95\,\mathrm{g}}{158\,\mathrm{g\,mol^{-1}}}=0.025\,\mathrm{mol}$

گام سوم: محاسبهٔ جرم نظری ید

مطابق روش محاسبات استوکیومتری نمونهٔ حل‌شدهٔ کتاب، ابتدا با نسبت ضرایب معادله، مول فراورده را به دست می‌آوریم و سپس آن را به جرم تبدیل می‌کنیم (شیمی ۲، صفحه‌های ۲۳–۲۴):

$n_{\text{نظری}}(\mathrm{I_2})=0.025\times\frac{5}{2}=0.0625\,\mathrm{mol}$

دقت کنید که جرم مولی ید مولکولی، دو برابر جرم مولی اتم ید است:

$M(\mathrm{I_2})=2(127)=254\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

بنابراین:

$m_{\text{نظری}}(\mathrm{I_2})=0.0625\,\mathrm{mol}\times254\,\mathrm{g\,mol^{-1}}=15.875\,\mathrm{g}$

گام چهارم: محاسبهٔ بازده درصدی

طبق تعریف کتاب، مقدار نظری همان مقدار مورد انتظار از محاسبات و مقدار عملی همان مقدار فراوردهٔ به‌دست‌آمده است؛ بازده درصدی از نسبت مقدار عملی به نظری محاسبه می‌شود (شیمی ۲، صفحه‌های ۲۳–۲۴). در این سؤال، جرم عملی ید برابر $12.7\,\mathrm{g}$ است؛ پس:

$\text{بازده درصدی}=\frac{m_{\text{عملی}}}{m_{\text{نظری}}}\times100=\frac{12.7}{15.875}\times100=80\%$

پاسخ: گزینهٔ ۲

برای پاسخ، باید عبارت نادرست را پیدا کنیم؛ بنابراین گزینه‌ها را جداگانه بررسی می‌کنیم.

۱) این عبارت درست است. بازیافت آهن و دیگر فلزها، نیاز به برداشت مواد اولیه از معادن را کاهش می‌دهد و به حفظ منابع برای نسل‌های آینده کمک می‌کند؛ بنابراین در راستای توسعهٔ پایدار است.

۲) این عبارت درست است. بخش عمدهٔ نفت خام برای تأمین سوخت مصرف می‌شود و کمتر از ده درصد آن برای تولید موادی مانند الیاف، پارچه و شوینده‌ها به‌کار می‌رود. نباید تنوع زیاد این محصولات را با سهم زیاد آنها از مصرف نفت خام یکسان دانست.

۳) این عبارت نادرست است. مطابق نکتهٔ کتاب دربارهٔ منابع فلزی کف اقیانوس‌ها، ذخایر فلزهایی مانند آهن و نیکل در کف اقیانوس‌ها بیشتر از ذخایر آنها در خشکی است. گزینه، جهت این مقایسه را برعکس بیان کرده است.

۴) این عبارت درست است. نسبت موردنظر به‌صورت $\frac{m_{\text{سنگ معدن آهن}}}{m_{\text{دیگر منابع معدنی مصرف‌شده}}}\simeq 2$ است. توجه کنید که مخرج این کسر، جرم آهن تولیدشده نیست. کتاب توضیح می‌دهد که برای استخراج آهن، علاوه بر سنگ معدن، کربن نیز مصرف می‌شود؛ بنابراین نباید همهٔ مواد مصرفی را با سنگ معدن یا محصول نهایی یکسان گرفت (شیمی ۲، صفحهٔ ۲۱).

نکتهٔ منبع: در گزیده‌های ارائه‌شده، متن مربوط به مقایسهٔ ذخایر اقیانوسی، سهم مصرف غیرسوختی نفت و داده‌های جرمی نسبت گزینهٔ چهارم نقل نشده است؛ بنابراین برای این نکات، شمارهٔ صفحه‌ای به گزیده‌های نامرتبط نسبت نمی‌دهیم.

پاسخ: گزینهٔ ۳

گام اول: تعیین نسبت مولی فراورده‌ها

آلکن‌ها با برم واکنش افزایشی می‌دهند و با افزوده‌شدن برم به پیوند دوگانه، فراوردهٔ سیرشده تشکیل می‌شود (شیمی ۲، صفحهٔ ۴۱). مطابق معادله‌های داده‌شده، هر مول اتین و هر مول آلکن، هرکدام یک مول از فراوردهٔ مربوط به خود تولید می‌کنند. بنابراین، با برابر بودن مول‌های اولیه و کافی بودن برم، مول‌های دو فراورده نیز برابر است. نکته این است که مصرف بیشتر برم توسط اتین، به معنای تولید مول‌های بیشترِ فراورده نیست.

گام دوم: تبدیل نسبت جرم‌ها به نسبت جرم‌های مولی

در محاسبه‌های استوکیومتری، ابتدا نسبت مولی را از معادلهٔ واکنش به دست می‌آوریم و سپس با جرم مولی، مول را به جرم تبدیل می‌کنیم (شیمی ۲، صفحه‌های ۲۳–۲۴). از رابطهٔ $m=\nu M$ و برابری مول‌های فراورده‌ها داریم:

$\frac{m_{\text{فراوردهٔ اتین}}}{m_{\text{فراوردهٔ آلکن}}}=\frac{M_{\text{فراوردهٔ اتین}}}{M_{\text{فراوردهٔ آلکن}}}\simeq1.71$

گام سوم: محاسبهٔ جرم مولی فراورده‌ها

فراوردهٔ اتین، $\mathrm{C_2H_2Br_4}$ است؛ پس:

$M(\mathrm{C_2H_2Br_4})=2(12)+2(1)+4(80)=346\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

فراوردهٔ آلکن، $\mathrm{C_nH_{2n}Br_2}$ است؛ بنابراین:

$M(\mathrm{C_nH_{2n}Br_2})=12n+2n+2(80)=14n+160\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

گام چهارم: تعیین تعداد کربن‌های آلکن

$\frac{346}{14n+160}\simeq1.71$

$14n+160\simeq\frac{346}{1.71}\simeq202.34$

$n\simeq\frac{202.34-160}{14}\simeq3.02$

چون تعداد اتم‌های کربن عدد صحیح است و نسبت داده‌شده تقریبی است، $n=3$ خواهد بود. پس فرمول آلکن $\mathrm{C_3H_6}$ و نام آن پروپن است. برای بررسی نیز داریم:

$\frac{346}{14(3)+160}=\frac{346}{202}\simeq1.713$

این مقدار با نسبت تقریبی صورت سؤال سازگار است.

پاسخ: گزینهٔ ۴

طبق قانون هس، اگر معادلهٔ واکنش هدف از جمع چند معادله به دست آید، آنتالپی آن نیز برابر مجموع جبری آنتالپی‌های آن معادله‌هاست (شیمی ۲، صفحهٔ ۷۵). هنگام ضرب معادله در یک ضریب، آنتالپی نیز در همان ضریب ضرب می‌شود و با وارونه‌کردن واکنش، علامت آنتالپی تغییر می‌کند.

گام اول: تنظیم ضریب آمونیاک
واکنش اول را نصف می‌کنیم تا ضریب آمونیاک مانند واکنش هدف شود:
$\mathrm{2NH_3(g)+\frac{3}{2}O_2(g)\rightarrow N_2(g)+3H_2O(l)}$
$\Delta H'_1=\frac{1}{2}(-1530)=-765\,\mathrm{kJ}$

گام دوم: تنظیم ضریب نیتروژن مونوکسید
واکنش دوم را در سه ضرب می‌کنیم:
$\mathrm{3N_2O(g)+3H_2(g)\rightarrow 3N_2(g)+3H_2O(l)}$
$\Delta H'_2=3(-376)=-1128\,\mathrm{kJ}$

گام سوم: حذف هیدروژن و اکسیژن
در دو معادلهٔ بالا، هیدروژن و اکسیژن در سمت واکنش‌دهنده‌ها هستند، درحالی‌که در واکنش هدف حضور ندارند. برای حذف آن‌ها، واکنش سوم را وارونه می‌کنیم و در $\frac{3}{2}$ ضرب می‌کنیم:
$\mathrm{3H_2O(l)\rightarrow 3H_2(g)+\frac{3}{2}O_2(g)}$
$\Delta H'_3=\frac{3}{2}(+572)=+858\,\mathrm{kJ}$

گام چهارم: جمع معادله‌ها و آنتالپی‌ها
با جمع سه معادلهٔ تنظیم‌شده، $\mathrm{3H_2(g)}$ و $\mathrm{\frac{3}{2}O_2(g)}$ کاملاً حذف می‌شوند. همچنین از مجموع $\mathrm{6H_2O(l)}$ در سمت فراورده‌ها، $\mathrm{3H_2O(l)}$ با آبِ سمت واکنش‌دهنده‌ها ساده می‌شود؛ پس دقیقاً به واکنش هدف می‌رسیم:
$\mathrm{2NH_3(g)+3N_2O(g)\rightarrow 4N_2(g)+3H_2O(l)}$
بنابراین:
$\Delta H=\Delta H'_1+\Delta H'_2+\Delta H'_3$
$\Delta H=-765-1128+858=-1035\,\mathrm{kJ}$
علامت منفی نشان می‌دهد واکنش گرماده است (شیمی ۲، صفحه‌های ۶۶–۶۷).

پاسخ: گزینهٔ ۲

برای انتخاب گزینه، باید هر دو بخش آن، یعنی «ایزومر بودن» و «بالاترین نقطهٔ جوش»، درست باشند.

گام اول: تعیین فرمول مولکولی ترکیب‌ها
طبق تعریف کتاب، ایزومرها فرمول مولکولی یکسان ولی ساختار متفاوت دارند (شیمی ۲، صفحه‌های ۷۱–۷۲). بنابراین ابتدا ساختار فشرده و فرمول مولکولی هر ترکیب را می‌نویسیم:

• «الف»، بوتانوئیک اسید: $\mathrm{CH_3CH_2CH_2COOH}$ با فرمول مولکولی $\mathrm{C_4H_8O_2}$.

• «ب»، متیل پروپانوات: $\mathrm{CH_3CH_2COOCH_3}$ با فرمول مولکولی $\mathrm{C_4H_8O_2}$.

• «پ»، بوتانون: $\mathrm{CH_3COCH_2CH_3}$ با فرمول مولکولی $\mathrm{C_4H_8O}$.

• «ت»، بوتانال: $\mathrm{CH_3CH_2CH_2CHO}$ با فرمول مولکولی $\mathrm{C_4H_8O}$.

پس هم «الف» و «ب» و هم «پ» و «ت» ایزومر یکدیگرند. در جفت دوم، گروه کربونیل در «پ» میان دو اتم کربن قرار دارد، اما در «ت» به یک اتم هیدروژن متصل است؛ به همین دلیل یکی کتون و دیگری آلدهید است. کتاب نیز تفاوت گروه عاملی و شیوهٔ اتصال اتم‌ها را عامل تفاوت خواص ترکیب‌های آلی معرفی می‌کند (شیمی ۲، صفحه‌های ۷۰–۷۱).

گام دوم: مقایسهٔ نقطهٔ جوش
در فشار یکسان، هرچه جاذبهٔ میان مولکول‌ها قوی‌تر باشد، جدا کردن آن‌ها از یکدیگر برای ورود به حالت گاز دشوارتر است و نقطهٔ جوش بالاتر می‌رود.

«الف» دارای گروه کربوکسیل $\mathrm{-COOH}$ است. وجود پیوند $\mathrm{O-H}$ در کنار اتم اکسیژنِ دارای جفت‌الکترون ناپیوندی، امکان تشکیل پیوند هیدروژنی میان مولکول‌های این اسید را فراهم می‌کند. در مقابل، «ب»، «پ» و «ت» هیدروژنِ متصل به اکسیژن ندارند؛ بنابراین در نمونهٔ خالص خود نمی‌توانند چنین پیوند هیدروژنی‌ای برقرار کنند. در نتیجه، در میان این چهار ترکیب، «الف» بالاترین نقطهٔ جوش را دارد.

دقت کنید که هنگام جوشیدن، بر جاذبه‌های بین‌مولکولی غلبه می‌شود؛ نه اینکه پیوندهای اشتراکی درون مولکول شکسته شوند.

گام سوم: تطبیق با گزینه‌ها
«پ» و «ت» ایزومرند و «الف» بالاترین نقطهٔ جوش را دارد؛ پس هر دو بخش گزینهٔ چهارم درست است.

پاسخ: گزینهٔ ۴

برای بررسی عبارت‌ها، ابتدا اتم‌ها و پیوندهای ساختار را می‌شماریم. در نمایش پیوند–خط، هیدروژن‌های متصل به کربن با توجه به ظرفیت چهارگانهٔ آن تعیین می‌شوند (شیمی ۲، صفحه‌های ۳۱ تا ۳۴).

۱. بررسی نسبت پیوندهای کربن–هیدروژن به کربن–نیتروژن
حلقهٔ دارای دو اتم کلر و یک اتصال به نیتروژن، سه هیدروژن دارد. حلقهٔ دیگر که به نیتروژن و زنجیر جانبی متصل است، چهار هیدروژن دارد. گروه $\mathrm{CH_2}$ نیز دو پیوند کربن–هیدروژن دارد؛ پس:
$N(\mathrm{C-H})=3+4+2=9$
نیتروژن به یک کربن از هر حلقه متصل است؛ بنابراین:
$N(\mathrm{C-N})=2$
در نتیجه، نسبت برابر است با:
$\frac{N(\mathrm{C-H})}{N(\mathrm{C-N})}=\frac{9}{2}=4.5$
پس عبارت اول نادرست است. توجه کنید که پیوندهای $\mathrm{N-H}$ و $\mathrm{O-H}$ در شمار پیوندهای $\mathrm{C-H}$ قرار نمی‌گیرند.

۲. بررسی درصد جرمی اکسیژن
دو حلقه در مجموع دوازده کربن دارند و زنجیر جانبی نیز دو کربن دارد. با افزودن هیدروژن متصل به نیتروژن و هیدروژن گروه کربوکسیل به هیدروژن‌های متصل به کربن، فرمول مولکولی به دست می‌آید:
$\mathrm{C_{14}H_{11}Cl_2NO_2}$
جرم مولی ترکیب برابر است با:
$M=14(12)+11(1)+2(35.5)+14+2(16)=296\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$
بنابراین:
$\text{درصد جرمی اکسیژن}=\frac{2(16)}{296}\times100\approx10.8\%$
این مقدار تقریباً $15\%$ نیست؛ پس عبارت دوم نادرست است.

۳. بررسی تفاوت شمار پیوندهای دوگانه و کربن–هیدروژن
در ساختار رسم‌شده، هر حلقهٔ بنزنی سه پیوند دوگانه دارد و گروه کربوکسیل نیز دارای یک پیوند $\mathrm{C=O}$ است. توجه به امکان تشکیل پیوند دوگانه میان کربن و اتم‌های دیگر در کتاب مطرح شده است (شیمی ۲، صفحه‌های ۳۲ تا ۳۳).
$N(\text{پیوند دوگانه})=3+3+1=7$
پس اختلاف شمار این پیوندها با پیوندهای کربن–هیدروژن برابر است با:
$|7-9|=2$
این مقدار با شمار اتم‌های کلر برابر است؛ بنابراین عبارت سوم درست است.

۴. بررسی جفت‌الکترون‌های ناپیوندی و عدد اکسایش کربن‌ها
در ساختار لوویس این مولکول خنثی، هر کلر سه جفت ناپیوندی، هر اکسیژن دو جفت ناپیوندی و نیتروژن یک جفت ناپیوندی دارد. این شمارش با کامل شدن لایهٔ ظرفیت و تشکیل سه پیوند توسط نیتروژن سازگار است (شیمی ۲، صفحهٔ ۳۲). بنابراین:
$N(\text{جفت‌های ناپیوندی})=2(3)+2(2)+1=11$
برای تعیین عدد اکسایش کربن، هر پیوند یگانه با کلر یا نیتروژن سهم $+1$، هر پیوند با هیدروژن سهم $-1$ و پیوند با کربن سهم صفر دارد.

دو کربن حلقه‌ای متصل به کلر و دو کربن حلقه‌ای متصل به نیتروژن، هرکدام عدد اکسایش $+1$ دارند؛ پس شمار این کربن‌ها چهار است. کربن گروه کربوکسیل به‌علت داشتن یک پیوند دوگانه و یک پیوند یگانه با اکسیژن، عدد اکسایش $+3$ دارد و در این شمارش وارد نمی‌شود.
$\frac{N(\text{جفت‌های ناپیوندی})}{N(\text{کربن‌های با عدد اکسایش }+1)}=\frac{11}{4}=2.75$
بنابراین عبارت چهارم نیز درست است.

در مجموع، عبارت‌های سوم و چهارم درست‌اند؛ یعنی دو مورد درست است.

پاسخ: گزینهٔ ۳

مبنای بررسی، جدول مقایسهٔ تیتانیم و فولاد در کتاب است؛ توجه کنیم که در معرفی این جدول، فولاد زنگ‌نزن ذکر شده است (شیمی ۳، صفحهٔ ۸۷).

بررسی مورد «الف»: درست است.
نقطهٔ ذوب فولاد در جدول برابر با $1535\, ^\circ\mathrm{C}$ و نقطهٔ ذوب تیتانیم برابر با $1667\, ^\circ\mathrm{C}$ است. بنابراین:
$1535\, ^\circ\mathrm{C}<1667\, ^\circ\mathrm{C}$
پس نقطهٔ ذوب فولاد از تیتانیم کمتر است (شیمی ۳، صفحهٔ ۸۷).

بررسی مورد «ب»: درست است.
در جدول، مقاومت تیتانیم در برابر خوردگی «عالی» و مقاومت فولاد «ضعیف» توصیف شده است. مقاومت بیشتر در برابر خوردگی یعنی خوردگی کمتر؛ بنابراین شدت واکنش خوردگی تیتانیم از فولاد کمتر است (شیمی ۳، صفحهٔ ۸۷).

بررسی مورد «پ»: نادرست است.
واکنش تیتانیم با ذره‌های موجود در آب دریا «ناچیز» و واکنش فولاد «متوسط» است. در نتیجه، تیتانیم در برابر واکنش با این ذره‌ها مقاومت بیشتری دارد. عبارت سؤال این مقایسه را برعکس بیان کرده است (شیمی ۳، صفحهٔ ۸۷).

بررسی مورد «ت»: نادرست است.
کتاب مطرح می‌کند که امروزه در ساخت پروانهٔ کشتی اقیانوس‌پیما، تیتانیم جایگزین فولاد می‌شود. واکنش ناچیز با ذره‌های آب دریا و مقاومت بالای آن در برابر خوردگی، این انتخاب را توضیح می‌دهند؛ پس مقایسهٔ مطرح‌شده در مورد «ت» با کاربرد موردنظر کتاب سازگار نیست (شیمی ۳، صفحهٔ ۸۷).

بنابراین فقط موارد «الف» و «ب» درست‌اند.

پاسخ: گزینهٔ ۱

نکتهٔ اصلی سؤال، عبارت «تولید آمونیاک در واحد زمان» است؛ یعنی باید اثر عوامل بر سرعت تولید را نیز در نظر بگیریم، نه اینکه فقط مقدار آمونیاک در حالت تعادل را بررسی کنیم.

گام اول ـ معادلهٔ واکنش هابر را می‌نویسیم:
$\mathrm{N_2(g)+3H_2(g)\rightleftharpoons 2NH_3(g)}$
در سمت واکنش‌دهنده‌ها مجموع ضرایب گازها $4$ و در سمت فراورده‌ها $2$ است (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۰۴).

گام دوم ـ اثر شرایط پیشنهادی را بررسی می‌کنیم:

• خارج کردن فراورده: با جداسازی آمونیاک، مقدار آن در مخلوط کاهش می‌یابد و مطابق اصل لوشاتلیه، تعادل در جهت تولید دوبارهٔ آن جابه‌جا می‌شود. پس خارج کردن آمونیاک به ادامهٔ تولید کمک می‌کند. اصل جابه‌جایی تعادل برای مقابله با تغییر غلظت در کتاب توضیح داده شده است (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۰۶).

• استفاده از کاتالیزگر: کاتالیزگر سرعت واکنش را افزایش می‌دهد، هرچند جایگاه تعادل را تغییر نمی‌دهد. کتاب نیز بیان می‌کند که هابر با استفاده از کاتالیزگر توانست در دمای پایین‌تر به سرعت مناسب برسد؛ بنابراین این عامل برای افزایش تولید در واحد زمان مفید است (شیمی ۳، صفحه‌های ۱۰۸–۱۰۹).

• کاهش فشار: کاهش فشار، از راه افزایش حجم در دمای ثابت، تعادل را به سوی طرفی می‌برد که مجموع ضرایب گازی بیشتری دارد؛ در این واکنش، آن طرف واکنش‌دهنده‌ها هستند. بنابراین این تغییر به سود تولید آمونیاک نیست. کتاب نیز تصریح می‌کند که در دمای ثابت، افزایش فشار موجب افزایش درصد مولی آمونیاک می‌شود، نه کاهش فشار (شیمی ۳، صفحه‌های ۱۰۶ و ۱۰۹–۱۱۰).

• افزایش دما: واکنش تولید آمونیاک گرماده است؛ در نتیجه افزایش دما مقدار آمونیاک در مخلوط تعادلی را کاهش می‌دهد. بااین‌حال، افزایش دما سرعت واکنش را بیشتر می‌کند و از نظر تولید در واحد زمان اثر مساعد دارد. همین تفاوت میان سرعت و پیشرفت تعادلی، دلیل انتخاب دمای بهینه در فرایند هابر است (شیمی ۳، صفحه‌های ۱۰۸–۱۰۹).

پس از میان موارد داده‌شده، کاهش فشار شرط افزایش تولید آمونیاک در واحد زمان نیست.

پاسخ: گزینهٔ ۳

برای انتخاب پاسخ، ابتدا اثر فشار و سپس اثر دما را بررسی می‌کنیم.

گام اول: مقایسهٔ فشار دو منحنی
واکنش داده‌شده عبارت است از:
$\mathrm{A(g)+D(g)\rightleftharpoons AD(g)}$
در سمت چپ، مجموع ضرایب گازها برابر $2$ و در سمت راست برابر $1$ است. طبق اصل لوشاتلیه، افزایش فشار بر اثر کاهش حجم در دمای ثابت، تعادل را به سمت دارای مول گازی کمتر، یعنی به راست، جابه‌جا می‌کند؛ بنابراین تشکیل فراورده بیشتر می‌شود. این همان مبنای بررسی اثر فشار در نمودارهای تعادلی کتاب است (شیمی ۳، صفحه‌های ۱۰۹–۱۱۰).

در یک دمای معین، منحنی $P_2$ بالاتر از منحنی $P_1$ قرار دارد؛ یعنی غلظت تعادلی $\mathrm{AD}$ در آن بیشتر است. پس:
$P_2>P_1$

گام دوم: تعیین گرماده یا گرماگیر بودن واکنش
هر دو منحنی با افزایش دما نزولی‌اند؛ یعنی افزایش دما تشکیل فراورده را نامساعد می‌کند و تعادل به سمت واکنش‌دهنده‌ها می‌رود. از آنجا که افزایش دما جهت مصرف گرما را تقویت می‌کند، جهت برگشت گرماگیر و جهت رفت گرماده است. بنابراین می‌توان نوشت:
$\mathrm{A(g)+D(g)\rightleftharpoons AD(g)}+\text{گرما}$
این تحلیل بر قاعدهٔ اثر دما بر تعادل استوار است (شیمی ۳، صفحه‌های ۱۰۷–۱۰۸).

گام سوم: بررسی تغییر ثابت تعادل
عبارت ثابت تعادل این واکنش چنین است:
$K=\dfrac{[\mathrm{AD}]}{[\mathrm{A}][\mathrm{D}]}$
در واکنش گرماده، کاهش دما جهت رفت و تشکیل فراورده را تقویت می‌کند؛ در نتیجه ثابت تعادل افزایش می‌یابد. توجه کن که در این مبحث، دما عامل تغییر $K$ است و تغییر فشار در دمای ثابت، مقدار آن را تغییر نمی‌دهد (شیمی ۳، صفحه‌های ۱۰۷–۱۰۸).

پس هر دو بخش گزینهٔ نخست درست‌اند: $P_1<P_2$ و با کاهش دما، $K$ افزایش می‌یابد.

پاسخ: گزینهٔ ۱