سوال ۷۶ شیمی کنکور ریاضی ۱۴۰۳ نوبت دوم با پاسخ تشریحی

ابتدا عنصر را شناسایی می‌کنیم و سپس رابطهٔ عددی گزینهٔ دوم را می‌آزماییم.

گام اول: نوشتن آرایش الکترونی و شناسایی عنصر

با توجه به ترتیب پر شدن زیرلایه‌ها، پیش از ورود الکترون به زیرلایهٔ $4p$، زیرلایه‌های $4s$ و $3d$ پر شده‌اند؛ بنابراین آرایش فشردهٔ اتم چنین است (شیمی ۱، صفحهٔ ۳۰–۳۱):

$A:\ [\mathrm{Ar}]\,3d^{10}4s^2 4p^1$

شمار الکترون‌های این اتم برابر است با:

$N_e=18+10+2+1=31$

پس عنصر $A$، گالیم با نماد $\mathrm{Ga}$ است که در دورهٔ چهارم و گروه سیزدهم قرار دارد. لایهٔ بیرونی آن $n=4$ و آرایش این لایه $4s^2 4p^1$ است؛ پس سه الکترون ظرفیت دارد (شیمی ۱، صفحهٔ ۳۲–۳۳).

گام دوم: بررسی گزینهٔ دوم

عنصر قبلی و بعدی گالیم در گروه سیزدهم، به‌ترتیب آلومینیم و ایندیم‌اند:

$\mathrm{Al}: Z=13 \qquad \mathrm{Ga}: Z=31 \qquad \mathrm{In}: Z=49$

در اتم خنثی، شمار الکترون‌ها با عدد اتمی برابر است؛ کتاب نیز چیدمان عنصرها را بر پایهٔ عدد اتمی یا شمار الکترون‌های اتم آن‌ها توضیح می‌دهد (شیمی ۱، صفحهٔ ۲۷–۲۸). بنابراین:

$\dfrac{N_e(\mathrm{Al})+N_e(\mathrm{In})}{2}=\dfrac{13+49}{2}=31=N_e(\mathrm{Ga})$

پس شمار الکترون‌های اتم گالیم دقیقاً نصف مجموع شمار الکترون‌های دو همسایهٔ گروهی آن است و گزینهٔ دوم به یقین درست است.

بررسی سایر گزینه‌ها

• گزینهٔ اول: یون متداول گالیم با از دست دادن سه الکترون بیرونی تشکیل می‌شود:

$\mathrm{Ga^{3+}}:\ [\mathrm{Ar}]\,3d^{10}$

این آرایش با آرایش هر دو یون $\mathrm{Cu^+}$ و $\mathrm{Zn^{2+}}$ یکسان است؛ بنابراین محدود کردن آن به یون پایدار «تنها یکی» از عنصرهای واسطهٔ دورهٔ چهارم نادرست است.

• گزینهٔ سوم: برابر بودن شمار الکترون‌های ظرفیت، برای نتیجه‌گیری دربارهٔ هم‌گروه بودن همهٔ عنصرها کافی نیست. در عنصرهای دستهٔ $d$ دورهٔ چهارم، الکترون‌های زیرلایه‌های $3d$ و $4s$ هر دو در شمار الکترون‌های ظرفیت منظور می‌شوند (شیمی ۱، صفحهٔ ۳۳). برای نمونه:

$\mathrm{Sc}:\ [\mathrm{Ar}]\,3d^1 4s^2$

اسکاندیم سه الکترون ظرفیت دارد، ولی در گروه سوم است؛ درحالی‌که گالیم با همین شمار الکترون ظرفیت در گروه سیزدهم قرار دارد.

• گزینهٔ چهارم: داشتن سه الکترون ظرفیت برای گالیم درست است؛ اما بخش بعدی، نحوهٔ به‌کارگیری هر سه الکترون را در تشکیل ترکیب‌ها به‌صورت یک حکم کلی بیان می‌کند. کتاب، از دست دادن، گرفتن و به‌اشتراک‌گذاری الکترون را راه‌هایی برای رسیدن به وضعیت پایدارتر معرفی می‌کند، نه حکمی الزامی برای مشارکت همهٔ الکترون‌های ظرفیت در تمام ترکیب‌های هر عنصر (شیمی ۱، صفحهٔ ۳۵–۳۶). بنابراین این عبارت، برخلاف رابطهٔ عددی گزینهٔ دوم، نتیجه‌ای قطعی از دادهٔ سؤال نیست.

پاسخ: گزینهٔ ۲