سوال ۱۰۰ شیمی کنکور ریاضی ۱۴۰۴ نوبت دوم با پاسخ تشریحی

برای یافتن عبارت نادرست، نیم‌واکنش‌های دو سلول را مقایسه می‌کنیم. در هر سلول الکتروشیمیایی، آند محل اکسایش و کاتد محل کاهش است؛ یعنی در آند الکترون تولید و در کاتد مصرف می‌شود (شیمی ۳، صفحهٔ ۴۵).

گام اول: نیم‌واکنش‌های برقکافت آب
با موازنهٔ اتم‌ها و بار الکتریکی در نیم‌واکنش‌های داده‌شده در کتاب، داریم (شیمی ۳، صفحه‌های ۵۴–۵۵):

آند:
$\mathrm{2H_2O(l)\rightarrow O_2(g)+4H^+(aq)+4e^-}$

کاتد:
$\mathrm{2H_2O(l)+2e^-\rightarrow H_2(g)+2OH^-(aq)}$

پس در آند، اکسیژن و در کاتد، هیدروژن تولید می‌شود.

گام دوم: نیم‌واکنش‌های سلول سوختی هیدروژن ـ اکسیژن
در سلول سوختی کتاب، هیدروژن در آند اکسایش می‌یابد و اکسیژن در کاتد کاهش می‌یابد و آب تشکیل می‌شود (شیمی ۳، صفحهٔ ۵۲). نیم‌واکنش‌ها با کوچک‌ترین ضرایب صحیح چنین‌اند:

آند:
$\mathrm{H_2(g)\rightarrow 2H^+(aq)+2e^-}$

کاتد:
$\mathrm{O_2(g)+4H^+(aq)+4e^-\rightarrow 2H_2O(g)}$

گام سوم: بررسی عبارت‌ها

• عبارت اول درست است: مطابق نیم‌واکنش‌ها، فراوردهٔ گازی کاتد برقکافت، هیدروژن است و در کاتد سلول سوختی، آب تشکیل می‌شود.

• عبارت دوم در تعبیر مورد نظر سؤال درست است: منظور از «جهت جریان» در این عبارت، جهت حرکت الکترون‌هاست، نه جهت قراردادی جریان. در برقکافت، آند به قطب مثبت و کاتد به قطب منفی منبع متصل است؛ الکترون‌های آزادشده در آند به قطب مثبت منبع می‌روند و منبع از قطب منفی خود به کاتد الکترون می‌رساند. بنابراین الکترون‌ها مستقیماً از درون محلول از آند به کاتد حرکت نمی‌کنند؛ رسانش در محلول بر عهدهٔ یون‌هاست (شیمی ۳، صفحه‌های ۵۴–۵۵). در سلول سوختی نیز الکترون‌ها در مدار بیرونی از آندِ منفی به کاتدِ مثبت می‌روند. جهت قراردادی جریان، خلاف جهت حرکت الکترون‌هاست.

• عبارت سوم درست است: یکی از فراورده‌های آند برقکافت، اکسیژن است و گاز ورودی به آند سلول سوختی، هیدروژن است. این دو گاز طبق واکنش زیر آب تولید می‌کنند (شیمی ۳، صفحهٔ ۵۲):

$\mathrm{2H_2(g)+O_2(g)\rightarrow 2H_2O(g)}$

• عبارت چهارم نادرست است: در نیم‌واکنش آندی برقکافت آب، ضریب الکترون $4$ و در نیم‌واکنش کاتدی سلول سوختی نیز ضریب الکترون $4$ است. بنابراین نسبت آن‌ها برابر است با:

$\dfrac{n(e^-)_{\text{آند برقکافت}}}{n(e^-)_{\text{کاتد سلول سوختی}}}=\dfrac{4}{4}=1$
پس شمار الکترون‌ها برابر است، نه دو برابر. نکتهٔ مهم این است که مقایسه باید پس از موازنه با کوچک‌ترین ضرایب صحیح انجام شود؛ نیم‌واکنش‌ها نیز باید هم از نظر اتم‌ها و هم از نظر بار موازنه باشند (شیمی ۳، صفحهٔ ۴۰).

پاسخ: گزینهٔ ۴