سوالات شیمی کنکور تجربی ۱۳۹۸ با پاسخ تشریحی

برای تکمیل جمله، باید هم جهت تغییر شعاع اتمی و هم علت آن را بررسی کنیم.

۱. در حرکت از بالا به پایین یک گروه، شمار لایه‌های الکترونی اشغال‌شده افزایش می‌یابد. در نتیجه، الکترون‌های لایهٔ بیرونی در لایه‌ای دورتر از هسته قرار می‌گیرند و اندازه و شعاع اتم بیشتر می‌شود. کتاب نیز افزایش شمار لایه‌های الکترونی را علت افزایش شعاع در این جهت معرفی می‌کند (شیمی ۲، صفحه‌های ۱۲–۱۳).

۲. برای نمونه، در گروه فلزهای قلیایی، از لیتیم به سدیم و سپس پتاسیم، شعاع اتمی به‌ترتیب برابر با $152\,\mathrm{pm}$، $186\,\mathrm{pm}$ و $231\,\mathrm{pm}$ است؛ این داده‌ها روند افزایشی شعاع را نشان می‌دهند (شیمی ۲، صفحهٔ ۱۲).

۳. باید میان «شمار لایه‌های الکترونی اشغال‌شده» و «شمار الکترون‌های لایهٔ ظرفیت» تفاوت گذاشت. ثابت‌ماندن شمار الکترون‌های ظرفیت در گروه‌های اصلی، علت بزرگ‌ترشدن اتم نیست؛ افزایش شمار لایه‌های اشغال‌شده این روند را توضیح می‌دهد. بنابراین دو جای خالی به‌ترتیب با «افزایش» و «لایه‌های الکترونی اشغال‌شدهٔ اتم آن‌ها افزایش می‌یابد» کامل می‌شوند.

پاسخ: گزینهٔ ۱

گام اول ـ تشخیص سنگین‌ترین ایزوتوپ طبیعی: طبق جدول کتاب، ایزوتوپ‌های $^{1}_{1}\mathrm{H}$، $^{2}_{1}\mathrm{H}$ و $^{3}_{1}\mathrm{H}$ در طبیعت وجود دارند؛ هرچند فراوانی سومی ناچیز است. ایزوتوپ‌های با عدد جرمی $4$ تا $7$ ساختگی‌اند. پس سنگین‌ترین ایزوتوپ طبیعی هیدروژن، تریتیم با نماد $^{3}_{1}\mathrm{H}$ است. پرتوزا بودن تریتیم، به معنای طبیعی نبودن آن نیست (شیمی ۱، صفحهٔ ۵–۶).

گام دوم ـ تعیین شمار پروتون‌ها و نوترون‌ها: در نماد $^{A}_{Z}\mathrm{E}$، عدد اتمی $Z$ شمار پروتون‌ها و عدد جرمی $A$ مجموع شمار پروتون‌ها و نوترون‌هاست؛ بنابراین $N=A-Z$ (شیمی ۱، صفحهٔ ۵). برای تریتیم داریم:
$P=Z=1$
$N=A-Z=3-1=2$

گام سوم ـ محاسبهٔ نسبت خواسته‌شده:
$\frac{N}{P}=\frac{2}{1}=2$

پاسخ: گزینهٔ ۲

ابتدا هر دو معادله را با کوچک‌ترین ضریب‌های طبیعی موازنه می‌کنیم. طبق قانون پایستگی جرم، شمار اتم‌های هر عنصر باید در دو سوی واکنش برابر باشد و هنگام موازنه فقط ضریب‌ها را تغییر می‌دهیم، نه زیروندهای فرمول‌ها را (شیمی ۱، صفحه‌های ۶۳–۶۵).

گام اول: موازنهٔ واکنش (آ)
با دادن ضریب $1$ به $\mathrm{TiCl_4}$، برای موازنهٔ کلر به $\mathrm{LiCl}$ ضریب $4$ می‌دهیم. سپس برای موازنهٔ لیتیم، ضریب $\mathrm{LiH}$ را $4$ قرار می‌دهیم. در نتیجه، چهار اتم هیدروژن در سمت چپ داریم و ضریب $\mathrm{H_2}$ برابر $2$ می‌شود:
$\mathrm{TiCl_4(l)+4LiH(s)\rightarrow Ti(s)+4LiCl(s)+2H_2(g)}$
مجموع ضریب‌های این معادله، با احتساب ضریب‌های یک، برابر است با:
$S_{\text{آ}}=1+4+1+4+2=12$

گام دوم: موازنهٔ واکنش (ب)
به $\mathrm{PCl_5}$ و $\mathrm{H_3PO_4}$ ضریب $1$ می‌دهیم. برای تأمین چهار اتم اکسیژن فراورده، ضریب آب باید $4$ باشد. همچنین، برای موازنهٔ کلر، ضریب $\mathrm{HCl}$ برابر $5$ می‌شود. در این حالت، هیدروژن نیز موازنه است:
$\mathrm{PCl_5(s)+4H_2O(l)\rightarrow 5HCl(g)+H_3PO_4(aq)}$
مجموع ضریب‌های این معادله برابر است با:
$S_{\text{ب}}=1+4+5+1=11$
پس داریم:
$S_{\text{آ}}>S_{\text{ب}}$
بنابراین، گزارهٔ گزینهٔ چهارم درست است. توجه کنید که ضریب یک معمولاً نوشته نمی‌شود، اما در محاسبهٔ مجموع ضریب‌ها باید منظور شود (شیمی ۱، صفحه‌های ۶۴–۶۵).

گام سوم: بررسی سایر گزاره‌ها

• گزینهٔ اول: واکنش (ب) هیدروژن کلرید و فسفریک اسید تولید می‌کند. هیدروژن کلرید در آب حل می‌شود و محیط را اسیدی می‌کند؛ بنابراین $\mathrm{pH}$ آب کاهش می‌یابد، نه افزایش.
• گزینهٔ دوم: در واکنش (آ)، عدد اکسایش تیتانیم از $+4$ به $0$ و عدد اکسایش هیدروژن در هیدرید لیتیم از $-1$ به $0$ تغییر می‌کند. اما در واکنش (ب)، عدد اکسایش فسفر $+5$، کلر $-1$، هیدروژن $+1$ و اکسیژن $-2$ باقی می‌ماند؛ پس هر دو واکنش با تغییر عدد اکسایش همراه نیستند.
• گزینهٔ سوم: ضریب‌های معادلهٔ موازنه‌شده، نسبت مولی مواد را نشان می‌دهند (شیمی ۱، صفحهٔ ۶۵). به‌ازای انجام هر واکنش مطابق ضریب‌های نوشته‌شده، در واکنش (آ) مقدار $2\,\mathrm{mol}$ گاز هیدروژن و در واکنش (ب) مقدار $5\,\mathrm{mol}$ گاز هیدروژن کلرید تولید می‌شود؛ پس این مقدارها برابر نیستند.

پاسخ: گزینهٔ ۴

۱) موازنۀ واکنش
با برابر کردن شمار اتم‌های هر عنصر در دو طرف، داریم:
$\mathrm{N_2O_5(g)+H_2O(l)\rightarrow 2HNO_3(aq)}$
پس هر $1\,\mathrm{mol}$ دی‌نیتروژن پنتااکسید، $2\,\mathrm{mol}$ نیتریک اسید تولید می‌کند. استفاده از ضرایب معادلۀ موازنه‌شده برای تبدیل مقدار فراورده به واکنش‌دهنده، همان روش به‌کاررفته در نمونه‌های استوکیومتری کتاب است (شیمی ۲، صفحهٔ ۲۲).

۲) محاسبۀ مقدار نیتریک اسید
چون از تغییر حجم صرف‌نظر شده است، حجم محلول برابر $0.5\,\mathrm{L}$ است. از رابطۀ غلظت مولی داریم:
$n(\mathrm{HNO_3})=cV=(0.2\,\mathrm{mol\,L^{-1}})(0.5\,\mathrm{L})=0.10\,\mathrm{mol}$

۳) محاسبۀ جرم دی‌نیتروژن پنتااکسید خالص
با توجه به نسبت مولی واکنش:
$n(\mathrm{N_2O_5})=\frac{0.10}{2}=0.050\,\mathrm{mol}$
جرم مولی این ماده برابر است با:
$M(\mathrm{N_2O_5})=2(14)+5(16)=108\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
بنابراین جرم بخش خالص نمونه:
$m_{\text{خالص}}=nM=(0.050\,\mathrm{mol})(108\,\mathrm{g\,mol^{-1}})=5.4\,\mathrm{g}$

۴) محاسبۀ درصد خلوص
در مسائل خلوص، فقط بخش خالص نمونه در محاسبۀ استوکیومتری واکنش وارد می‌شود؛ این تمایز در مثال واکنش نمونۀ فولادی ناخالص با اسید نیز مطرح شده است (شیمی ۲، صفحه‌های ۲۳–۲۴). درصد خلوص، نسبت جرم مادۀ خالص به جرم کل نمونه، ضرب‌در صد است:
$\text{درصد خلوص}=\frac{m_{\text{خالص}}}{m_{\text{نمونه}}}\times100=\frac{5.4}{7.2}\times100=75\%$
در نتیجه، سه‌چهارم جرم نمونۀ اولیه را دی‌نیتروژن پنتااکسید خالص تشکیل می‌دهد.

پاسخ: گزینهٔ ۳

گام اول: تعیین مقدار نظری استر
در معادلهٔ داده‌شده، ضرایب استیک اسید و استر هر دو برابر با $1$ هستند؛ بنابراین نسبت مولی آن‌ها $1:1$ است. چون الکل به مقدار کافی وجود دارد، از $1\,\mathrm{mol}$ استیک اسید، به‌طور نظری $1\,\mathrm{mol}$ استر تولید می‌شود:
$n_{\text{استر، نظری}}=1\,\mathrm{mol}\times\frac{1\,\mathrm{mol}\ \text{استر}}{1\,\mathrm{mol}\ \text{استیک اسید}}=1\,\mathrm{mol}$
این همان روش تبدیل مقدار واکنش‌دهنده به مقدار نظری فراورده با استفاده از ضرایب معادله است که در نمونهٔ حل‌شدهٔ کتاب به کار رفته است (شیمی ۲، صفحه‌های ۲۳–۲۴).

گام دوم: محاسبهٔ جرم مولی و جرم نظری استر
فرمول استر $\mathrm{C_7H_{14}O_2}$ است؛ پس جرم مولی آن برابر است با:
$M=7(12)+14(1)+2(16)=130\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
در نتیجه، جرم نظری استر به دست می‌آید:
$m_{\text{نظری}}=nM=1\,\mathrm{mol}\times130\,\mathrm{g\,mol^{-1}}=130\,\mathrm{g}$

گام سوم: اعمال بازده درصدی
مطابق تعریف کتاب، بازده درصدی از نسبت مقدار عملی فراورده به مقدار نظری آن به دست می‌آید (شیمی ۲، صفحه‌های ۲۳–۲۴):
$\text{بازده درصدی}=\frac{m_{\text{عملی}}}{m_{\text{نظری}}}\times100$
بنابراین، با بازده $80\%$ داریم:
$m_{\text{عملی}}=\frac{80}{100}\times130\,\mathrm{g}=104\,\mathrm{g}$
پس جرم استر تولیدشده در عمل، کمتر از جرم نظری و برابر با $104\,\mathrm{g}$ است.

پاسخ: گزینهٔ ۱

برای یافتن حجم گاز، مسیر «جرم سیلیسیم کاربید ← مول سیلیسیم کاربید ← مول گاز ← حجم گاز» را طی می‌کنیم.

گام اول: موازنهٔ واکنش
طبق قانون پایستگی اتم‌ها، تعداد اتم‌های هر عنصر باید در دو سوی واکنش برابر باشد (شیمی ۱، صفحه‌های ۶۳–۶۴). برای موازنهٔ اکسیژن، به کربن‌مونوکسید ضریب $2$ می‌دهیم. اکنون در سمت فراورده‌ها، یک اتم کربن در سیلیسیم کاربید و دو اتم کربن در کربن‌مونوکسید داریم؛ پس ضریب کربنِ واکنش‌دهنده باید $3$ باشد:
$\mathrm{SiO_2(s)+3C(s)\xrightarrow{\Delta}SiC(s)+2CO(g)}$
بنابراین گاز آلایندهٔ تولیدشده کربن‌مونوکسید است و به‌ازای تولید هر $1\,\mathrm{mol}$ سیلیسیم کاربید، $2\,\mathrm{mol}$ از این گاز تولید می‌شود. استفاده از ضرایب معادلهٔ موازنه‌شده به‌عنوان نسبت مولی، در شیمی ۱، صفحهٔ ۷۹، توضیح داده شده است.

گام دوم: تبدیل جرم سیلیسیم کاربید به مول
جرم مولی سیلیسیم کاربید برابر است با:
$M(\mathrm{SiC})=28+12=40\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
جرم داده‌شده را به گرم تبدیل می‌کنیم:
$1\,\mathrm{kg}=1000\,\mathrm{g}$
پس مقدار سیلیسیم کاربید تولیدشده برابر است با:
$n(\mathrm{SiC})=\frac{1000\,\mathrm{g}}{40\,\mathrm{g\,mol^{-1}}}=25\,\mathrm{mol}$

گام سوم: محاسبهٔ مول گاز تولیدشده
با استفاده از نسبت مولی معادله داریم:
$n(\mathrm{CO})=25\,\mathrm{mol\,SiC}\times\frac{2\,\mathrm{mol\,CO}}{1\,\mathrm{mol\,SiC}}=50\,\mathrm{mol\,CO}$

گام چهارم: تبدیل مول گاز به حجم
در شرایط $\mathrm{STP}$، هر مول گاز حجمی برابر با $22.4\,\mathrm{L}$ دارد (شیمی ۱، صفحهٔ ۸۰). بنابراین:
$V(\mathrm{CO})=50\,\mathrm{mol}\times22.4\,\mathrm{L\,mol^{-1}}=1120\,\mathrm{L}$
پس به‌ازای تولید هر کیلوگرم سیلیسیم کاربید، $1120\,\mathrm{L}$ گاز کربن‌مونوکسید در شرایط استاندارد تولید می‌شود.

پاسخ: گزینهٔ ۲

۱. بخش‌های ساختار را شناسایی می‌کنیم. کتاب، ساختار کلی پاک‌کننده‌های غیرصابونی را به‌صورت $\mathrm{R-C_6H_4-SO_3^-Na^+}$ معرفی می‌کند. گروه یونی سولفونات، بخش آب‌دوست است و بخش هیدروکربنی شامل حلقهٔ بنزنی و گروه متصل به آن، بخش آب‌گریز را تشکیل می‌دهد (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۰–۱۱).

۲. ساختار پیشنهادی را با شویندهٔ کتاب مقایسه می‌کنیم. در ترکیب سؤال، گروه متصل به حلقه $\mathrm{CH_3}$ است؛ اما در نمونهٔ کتاب این گروه به‌صورت $\mathrm{CH_3(CH_2)_{11}}$، یعنی زنجیری با دوازده اتم کربن، نشان داده شده است. پس سر یونی و حلقهٔ بنزنی حفظ شده‌اند، ولی بخش هیدروکربنیِ ساختار پیشنهادی بسیار کوچک‌تر است (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۰–۱۱).

۳. اثر این تغییر را بر پاک‌کنندگی بررسی می‌کنیم. هنگام شست‌وشو، بخش ناقطبی شوینده با چربی برهم‌کنش می‌کند و بخش یونی با آب ارتباط دارد. زنجیر هیدروکربنی بلندتر، امکان برهم‌کنش‌های پراکندگی قوی‌تری با مولکول‌های چربی فراهم می‌کند؛ بنابراین جایگزینی آن با گروه متیل، جاذبهٔ بخش ناقطبی با لکهٔ چربی را کاهش می‌دهد.

۴. نتیجه می‌گیریم که صرفِ داشتن سر آب‌دوست یا حتی تمایل بیشتر به حل‌شدن در آب، برای شویندگی مناسب کافی نیست. ترکیب پیشنهادی در مقایسه با شویندهٔ دارای زنجیر دوازده‌کربنی، بخش ناقطبی کوچک‌تر و برهم‌کنش ضعیف‌تری با چربی دارد؛ پس با دلیل مطرح‌شده در سؤال، برای تولید صنعتی به‌عنوان شوینده پیشنهاد نمی‌شود.

پاسخ: گزینهٔ ۴

گام اول ـ موازنهٔ واکنش: طبق قانون پایستگی جرم، شمار اتم‌های هر عنصر باید در دو سوی معادله برابر باشد و برای موازنه فقط ضرایب را تغییر می‌دهیم، نه زیروندها را (شیمی ۱، صفحه‌های ۶۳ تا ۶۵). معادلهٔ موازنه‌شده چنین است:
$\mathrm{2AgNO_3(aq)+MgCl_2(s)\rightarrow 2AgCl(s)+Mg(NO_3)_2(aq)}$

گام دوم ـ تعیین مقدار مول منیزیم کلرید: ضرایب معادلهٔ موازنه‌شده نسبت مولی مواد را نشان می‌دهند (شیمی ۱، صفحهٔ ۶۵). پس هر $2\,\mathrm{mol}$ نقره نیترات با $1\,\mathrm{mol}$ منیزیم کلرید واکنش می‌دهد:
$n(\mathrm{MgCl_2})=0.02\,\mathrm{mol}\times\frac{1}{2}=0.01\,\mathrm{mol}$

گام سوم ـ تبدیل مول به جرم: جرم مولی منیزیم کلرید از مجموع جرم مولی یک اتم منیزیم و دو اتم کلر به دست می‌آید:
$M(\mathrm{MgCl_2})=24+2(35.5)=95\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
با استفاده از تبدیل مول به جرم، مشابه روش عامل تبدیل کتاب (شیمی ۱، صفحهٔ ۸۰)، داریم:
$m=nM=0.01\,\mathrm{mol}\times95\,\mathrm{g\,mol^{-1}}=0.95\,\mathrm{g}$

نکته: حجم $50\,\mathrm{mL}$ محلول در محاسبه لازم نیست؛ زیرا مقدار مول نقره نیترات مستقیماً داده شده است.

پاسخ: گزینهٔ ۱

۱. فرمول نمک‌ها را مشخص می‌کنیم. طبق توضیح انحلال یونی، نمک‌های حل‌شده در آب به صورت یون‌های آب‌پوشیده حضور دارند (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۱۲). پس از تبخیر کامل آب، برای محاسبهٔ جرم نمک‌های بدون آب، باید نسبت یون‌ها در ترکیب یونی خنثی را در نظر بگیریم:

$\mathrm{2Na^+ + SO_4^{2-}\longrightarrow Na_2SO_4}$

$\mathrm{Mg^{2+}+SO_4^{2-}\longrightarrow MgSO_4}$

بنابراین نمک سدیم، سدیم سولفات و نمک منیزیم، منیزیم سولفات است. چون نمک‌ها «بدون آب» هستند، آب تبلور در جرم آن‌ها منظور نمی‌شود.

۲. مقدار مول هر نمک را به دست می‌آوریم. با استفاده از رابطهٔ $n=\frac{m}{M}$، مقدار مول یون سدیم برابر است با:

$n(\mathrm{Na^+})=\frac{184}{23}=8\,\mathrm{mol}$

در هر مول سدیم سولفات، دو مول یون سدیم وجود دارد؛ پس:

$n(\mathrm{Na_2SO_4})=\frac{8}{2}=4\,\mathrm{mol}$

برای یون منیزیم داریم:

$n(\mathrm{Mg^{2+}})=\frac{72}{24}=3\,\mathrm{mol}$

نسبت مولی منیزیم سولفات به یون منیزیم برابر یک است؛ بنابراین:

$n(\mathrm{MgSO_4})=3\,\mathrm{mol}$

۳. جرم نمک‌های بدون آب را محاسبه می‌کنیم. جرم مولی گروه سولفات برابر است با:

$M(\mathrm{SO_4^{2-}})=32+4\times16=96\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

پس جرم مولی و جرم سدیم سولفات عبارت‌اند از:

$M(\mathrm{Na_2SO_4})=2\times23+96=142\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

$m(\mathrm{Na_2SO_4})=4\times142=568\,\mathrm{g}$

برای منیزیم سولفات نیز داریم:

$M(\mathrm{MgSO_4})=24+96=120\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

$m(\mathrm{MgSO_4})=3\times120=360\,\mathrm{g}$

۴. نسبت خواسته‌شده را می‌یابیم. جرم نمک سدیم باید در صورت و جرم نمک منیزیم در مخرج قرار گیرد:

$\frac{m(\mathrm{Na_2SO_4})}{m(\mathrm{MgSO_4})}=\frac{568}{360}\approx1.58$

نکتهٔ کلیدی این است که نسبت جرم نمک‌ها با نسبت جرم کاتیون‌ها یکسان نیست؛ جرم سولفات همراه هر کاتیون نیز باید محاسبه شود.

پاسخ: گزینهٔ ۳

برای شمارش عبارت‌های درست، هر عبارت را جداگانه بررسی می‌کنیم.

۱. عبارت اول نادرست است. در واکنش گرماده، سامانه گرما از دست می‌دهد؛ بنابراین انرژی از سامانه به محیط منتقل می‌شود و برای سامانه داریم: $Q<0$. جهت انتقال انرژی در عبارت سؤال برعکس بیان شده است. کتاب نیز در مثال شیر گرم، خروج انرژی از شیر به بدن را نمونهٔ فرایند گرماده معرفی می‌کند (شیمی ۲، صفحهٔ ۶۰–۶۱).

۲. عبارت دوم درست است. گرمای مبادله‌شده در اثر تغییر دمای یک ماده، در شرایط کاربرد رابطه، از $Q=mc\Delta\theta$ به دست می‌آید. در این رابطه، $m$ جرم ماده، $c$ گرمای ویژه و $\Delta\theta=\theta_f-\theta_i$ تغییر دماست. برای دو ماده‌ای که با یکدیگر تبادل گرما دارند، این رابطه را برای هر ماده جداگانه به کار می‌بریم. منظور این عبارت، تبادل گرمای ناشی از اختلاف دماست؛ نباید آن را به همهٔ واکنش‌های شیمیایی تعمیم داد.

۳. عبارت سوم درست است. گوارش و سوخت‌وساز شیر با واکنش‌های شیمیایی و آزاد شدن انرژی همراه است. در نمودار کتاب، دمای شیر و فراورده‌ها هر دو $37\,^\circ\mathrm{C}$ است، اما برای این فرایند همچنان $Q<0$ نشان داده شده است. پس ثابت بودن دما به معنای صفر بودن گرمای واکنش نیست (شیمی ۲، صفحهٔ ۶۰–۶۱). مثال واکنش هیدروژن و کلر در دمای ثابت نیز نشان می‌دهد که واکنش شیمیایی می‌تواند بدون تغییر دمای آغاز و پایان، گرما آزاد کند (شیمی ۲، صفحهٔ ۶۲–۶۳).

۴. عبارت چهارم نادرست است. در فرایند گرماده، بخشی از انرژی سامانه به محیط منتقل می‌شود؛ بنابراین فراورده‌ها در سطح انرژی پایین‌تری نسبت به واکنش‌دهنده‌ها قرار دارند. نمودار انرژی گوارش و سوخت‌وساز شیر نیز همین کاهش سطح انرژی را نشان می‌دهد (شیمی ۲، صفحهٔ ۶۰–۶۱).

در نتیجه، عبارت‌های دوم و سوم درست‌اند؛ یعنی تعداد عبارت‌های درست برابر با $2$ است.

پاسخ: گزینهٔ ۲

برای محاسبه از قانون هس استفاده می‌کنیم: اگر چند واکنش را طوری ترکیب کنیم که حاصل آن‌ها واکنش هدف باشد، آنتالپی واکنش هدف نیز برابر مجموع آنتالپی همان واکنش‌های تغییریافته است. هنگام وارونه‌کردن یک واکنش، علامت آنتالپی عوض می‌شود و هنگام ضرب ضرایب در یک عدد، آنتالپی نیز در همان عدد ضرب می‌شود (شیمی ۲، صفحهٔ ۷۴ و تمرین‌های صفحهٔ ۷۶).

گام اول ـ تنظیم واکنش متان:
در واکنش هدف، ضریب متان برابر $2$ است؛ بنابراین واکنش دومِ داده‌شده را دو برابر می‌کنیم:
$2\mathrm{CH_4(g)}+4\mathrm{O_2(g)}\rightarrow2\mathrm{CO_2(g)}+4\mathrm{H_2O(l)}$
$\Delta H_a=2(-890)=-1780\,\mathrm{kJ}$

گام دوم ـ تنظیم واکنش اتان:
اتان باید با ضریب $1$ در سمت فراورده‌ها باشد؛ پس واکنش اول را وارونه و سپس نصف می‌کنیم:
$2\mathrm{CO_2(g)}+3\mathrm{H_2O(l)}\rightarrow\mathrm{C_2H_6(g)}+\frac{7}{2}\mathrm{O_2(g)}$
$\Delta H_b=-\frac{1}{2}(-3120)=+1560\,\mathrm{kJ}$

گام سوم ـ تنظیم واکنش هیدروژن:
هیدروژن نیز باید با ضریب $1$ در سمت فراورده‌ها باشد؛ پس واکنش سوم را وارونه و نصف می‌کنیم:
$\mathrm{H_2O(l)}\rightarrow\mathrm{H_2(g)}+\frac{1}{2}\mathrm{O_2(g)}$
$\Delta H_c=-\frac{1}{2}(-572)=+286\,\mathrm{kJ}$

گام چهارم ـ جمع‌کردن معادله‌ها:
با جمع سه معادله، $2\mathrm{CO_2(g)}$، $4\mathrm{H_2O(l)}$ و $4\mathrm{O_2(g)}$ از دو طرف حذف می‌شوند و دقیقاً واکنش هدف باقی می‌ماند:
$2\mathrm{CH_4(g)}\rightarrow\mathrm{C_2H_6(g)}+\mathrm{H_2(g)}$
یکسان‌بودن حالت فیزیکی مواد حذف‌شونده مهم است؛ در این سؤال آب در همهٔ معادله‌ها مایع است (شیمی ۲، صفحه‌های ۶۳–۶۴).

بنابراین:
$\Delta H=\Delta H_a+\Delta H_b+\Delta H_c=-1780+1560+286=+66\,\mathrm{kJ}$
علامت مثبت نشان می‌دهد واکنش هدف گرماگیر است.

پاسخ: گزینهٔ ۲

۱. تعیین گرمای آزادشده
طبق کتاب، علامت منفی آنتالپی نشان‌دهندهٔ گرماده‌بودن واکنش است؛ بنابراین گرمای آزادشدهٔ واکنش به آب منتقل می‌شود و دمای آن را افزایش می‌دهد (شیمی ۲، صفحهٔ ۶۶–۶۷).

در معادلهٔ داده‌شده، ضریب $\mathrm{SO_3}$ برابر $1$ است؛ پس با مصرف هر $1\,\mathrm{mol}$ از این گاز، مقدار $228\,\mathrm{kJ}$ گرما آزاد می‌شود. برای مقدار گاز داده‌شده داریم:

$Q_{\text{آب}}=-Q_{\text{واکنش}}=10\times228=2280\,\mathrm{kJ}=2.28\times10^6\,\mathrm{J}$

۲. محاسبهٔ افزایش دمای کل آب
با فرض مسئله، تمام گرمای واکنش فقط صرف گرم‌شدن آب می‌شود. بنابراین از رابطهٔ گرماسنجی استفاده می‌کنیم:

$Q_{\text{آب}}=m_{\text{آب}}c_{\text{آب}}\Delta T$

جرم آب و گرمای ویژهٔ آن در واحدهای سازگار عبارت‌اند از:

$m_{\text{آب}}=10.18\,\mathrm{kg}=10180\,\mathrm{g}$

$c_{\text{آب}}=4.2\,\mathrm{J\,g^{-1}\,K^{-1}}$

پس:

$\Delta T=\frac{2.28\times10^6}{10180\times4.2}\approx53.33\,\mathrm{K}$

اندازهٔ تغییر دما در مقیاس کلوین و سلسیوس یکسان است؛ بنابراین افزایش دمای کل آب برابر با حدود $53.33\,{}^\circ\mathrm{C}$ است.

۳. محاسبهٔ میانگین افزایش دما در هر دقیقه
برای به‌دست‌آوردن آهنگ متوسط یک تغییر، مقدار تغییر را بر بازهٔ زمانی تقسیم می‌کنیم؛ همین مفهوم در بحث سرعت متوسط نیز به کار رفته است (شیمی ۲، صفحهٔ ۸۹–۹۰):

$\frac{\Delta T}{\Delta t}=\frac{53.33}{5}\approx10.67\,{}^\circ\mathrm{C}\,\mathrm{min^{-1}}$

توجه: با جرم درج‌شده در صورت سؤال، نتیجهٔ محاسبه حدود $10.67\,{}^\circ\mathrm{C}$ در هر دقیقه است، نه دقیقاً $10.86\,{}^\circ\mathrm{C}$. نزدیک‌ترین گزینه، مقدار $10.86\,{}^\circ\mathrm{C}$ است. این مقدار با تقریب‌زدن جرم آب به $10\,\mathrm{kg}$ نیز به دست می‌آید.

پاسخ: گزینهٔ ۴

۱. رابطهٔ محاسبهٔ آنتالپی را می‌نویسیم.
طبق روش آنتالپی پیوند، شکستن پیوندها به انرژی نیاز دارد و تشکیل پیوندها با آزاد شدن انرژی همراه است؛ بنابراین (شیمی ۲، صفحات ۶۸–۶۹):
$\Delta H\approx\sum E_{\text{پیوندهای شکسته‌شده}}-\sum E_{\text{پیوندهای تشکیل‌شده}}$

۲. پیوندهای دو طرف را مقایسه می‌کنیم.
در پلیمری شدن اتیلن، تعداد پیوندهای $\mathrm{C-H}$ تغییر نمی‌کند؛ پس سهم آن‌ها در تفریق حذف می‌شود و به مقدار انرژی این پیوند نیازی نداریم.
هر مولکول اتیلن یک پیوند $\mathrm{C=C}$ دارد. در پلی‌اتیلن، علاوه بر پیوند یگانهٔ بین دو کربنِ هر واحد تکرارشونده، پیوندهای یگانه‌ای نیز واحدها را به یکدیگر متصل می‌کنند. برای زنجیری با $n$ واحد، تعداد پیوندهای کربن–کربن تقریباً $2n$ است؛ اثر دو انتهای زنجیر در تقریب زنجیر بلند ناچیز است.
پس به‌ازای مصرف یک مول اتیلن، یک مول پیوند $\mathrm{C=C}$ را در واکنش‌دهنده و تقریباً دو مول پیوند $\mathrm{C-C}$ را در فراورده حساب می‌کنیم.

۳. داده‌ها را جای‌گذاری می‌کنیم:
$\Delta H\approx(1\,\mathrm{mol})(612\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}})-(2\,\mathrm{mol})(348\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}})$
$\Delta H\approx612-696=-84\,\mathrm{kJ}$

منفی بودن آنتالپی نشان می‌دهد که پلیمری شدن گرماده است؛ یعنی از پلیمری شدن کامل یک مول اتیلن، تقریباً $84\,\mathrm{kJ}$ گرما آزاد می‌شود.

پاسخ: گزینهٔ ۳

۱. شناسایی گروه عاملی و نوشتن واکنش
در ساختار ویتامین آ، گروه انتهایی $\mathrm{-CH_2OH}$ وجود دارد؛ بنابراین این مولکول یک الکل یک‌عاملی است. اتانوئیک اسید نیز با فرمول $\mathrm{CH_3COOH}$ یک کربوکسیلیک اسید یک‌عاملی است (شیمی ۲، صفحهٔ ۱۱۱).
اگر ویتامین آ را به‌صورت $\mathrm{ROH}$ نمایش دهیم، واکنش آن چنین است:
$\mathrm{ROH+CH_3COOH\rightleftharpoons CH_3COOR+H_2O}$
پس همراه استر، آب نیز تشکیل می‌شود؛ تشکیل گروه استری با جداشدن آب همراه است (شیمی ۲، صفحهٔ ۱۱۵).

۲. چرا فراورده پلی‌استر نیست؟
وجود یک گروه استری برای پلی‌استر بودن کافی نیست. در الگوی معرفی‌شده در کتاب، اسید و الکل دوعاملی‌اند و گروه‌های عاملی باقی‌مانده، ادامهٔ واکنش و تشکیل زنجیر بلند را ممکن می‌کنند. در این سؤال هر دو واکنش‌دهنده یک‌عاملی‌اند؛ بنابراین یک استر معمولی تشکیل می‌شود، نه پلی‌استر (شیمی ۲، صفحهٔ ۱۱۵).

۳. بررسی رفتار فراورده در برابر آب
ویتامین آ بخش هیدروکربنی بزرگی دارد و در چربی حل می‌شود. در این واکنش، گروه هیدروکسیل الکلی به گروه استری تبدیل می‌شود؛ در نتیجه مولکول دیگر هیدروژنِ متصل به اکسیژن برای تشکیل پیوند هیدروژنی با آب ندارد، هرچند اکسیژن‌های آن همچنان می‌توانند پذیرندهٔ این پیوند باشند. همچنین بخش هیدروکربنی مولکول بزرگ‌تر می‌شود. بنابراین انحلال‌پذیری در آب افزایش نمی‌یابد و آبگریزی نیز کاهش پیدا نمی‌کند. این نتیجه با تأکید کتاب بر نقش بخش ناقطبی در کاهش انحلال‌پذیری مواد آلی در آب سازگار است (شیمی ۲، صفحه‌های ۱۱۳–۱۱۴).

۴. مقایسهٔ جرم‌ها
طبق قانون پایستگی جرم، برای مقدارهایی از واکنش‌دهنده‌ها که واقعاً مصرف می‌شوند، داریم:
$m_{\text{الکل}}+m_{\text{اسید}}=m_{\text{استر}}+m_{\text{آب}}$
پس:
$m_{\text{استر}}=m_{\text{الکل}}+m_{\text{اسید}}-m_{\text{آب}}$
چون بخشی از جرم واکنش‌دهنده‌ها در آبِ تولیدشده قرار می‌گیرد، جرم استر به‌تنهایی از مجموع جرم دو واکنش‌دهندهٔ مصرف‌شده کمتر است. این موضوع نقض پایستگی جرم نیست؛ جرم مجموع استر و آب با جرم مجموع واکنش‌دهنده‌های مصرف‌شده برابر است.

پاسخ: گزینهٔ ۴

برای پاسخ، هر عبارت را جداگانه بررسی می‌کنیم:

آ) نادرست است. بیشتر پلاستیک‌های معمول، زیست‌تخریب‌پذیر نیستند و در طبیعت ماندگاری زیادی دارند. کتاب نیز انباشته شدن پسماند پلاستیک‌ها را به مصرف زیاد و زیست‌تخریب‌ناپذیری آن‌ها مرتبط می‌داند. وجود پلیمرهای سبزِ زیست‌تخریب‌پذیر، به معنای زیست‌تخریب‌پذیر بودن بیشتر پلاستیک‌ها نیست. (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۱۸–۱۲۰)

ب) درست است. پلی‌اتیلن ترفتالات از پلاستیک‌های قابل بازیافت است. پسماند آن را می‌توان جداگانه جمع‌آوری کرد و با فرایندهای فیزیکی و شیمیایی به مواد قابل استفاده تبدیل کرد؛ برای نمونه، یکی از روش‌ها شست‌وشو، ذوب و استفادهٔ دوباره در تولید وسایل است. دقت کنید که بازیافت‌پذیری با زیست‌تخریب‌پذیری تفاوت دارد. (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۱۹–۱۲۰)

پ) درست است. تولید پلاستیک‌ها نمونه‌ای از به‌کارگیری دانش و خلاقیت بشر برای ساخت مواد کاربردی است و کتاب نیز آن‌ها را از دستاوردهای خلاقیت و نوآوری انسان معرفی می‌کند. (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۱۹–۱۲۰)

ت) نادرست است. طبق کتاب، از ویژگی‌های پلاستیک‌ها «چگالی کم» و نفوذناپذیری نسبت به آب و هواست. بنابراین، هرچند بخش نفوذناپذیری درست است، عبارت «چگالی بالا» باعث نادرستی کل گزاره می‌شود. (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۱۹–۱۲۰)

پس فقط عبارت‌های «ب» و «پ» درست‌اند.

پاسخ: گزینهٔ ۱

برای یافتن عبارت نادرست، ساختار و فرمول ترکیب‌ها را بررسی می‌کنیم.

۱) بررسی اختلاف جرم مولی سیانواتان و پروپن
گروه سیانو، $\mathrm{-C\equiv N}$، خود دارای یک اتم کربن است؛ بنابراین ساختار سیانواتان $\mathrm{CH_3-CH_2-C\equiv N}$ و فرمول مولکولی آن $\mathrm{C_3H_5N}$ است. پروپن نیز فرمول مولکولی $\mathrm{C_3H_6}$ دارد. جرم مولی از جمع سهم اتم‌های سازنده محاسبه می‌شود؛ کاربرد جرم مولی در تبدیل جرم به مقدار ماده نیز در نمونهٔ حل‌شدهٔ کتاب دیده می‌شود (شیمی ۲، صفحهٔ ۲۲).
$M(\mathrm{C_3H_5N})=3(12)+5(1)+14=55\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
$M(\mathrm{C_3H_6})=3(12)+6(1)=42\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
پس:
$\Delta M=55-42=13\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
با این محاسبه، مقدار نوشته‌شده در گزینهٔ ۱ با نام «سیانواتان» سازگار نیست. عدد $11\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$ برای اختلاف جرم مولی سیانواتن، با فرمول $\mathrm{C_3H_3N}$، و پروپن به دست می‌آید:
$M(\mathrm{C_3H_3N})=3(12)+3(1)+14=53\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
$53-42=11\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
بنابراین برای سازگاری سؤال با کلید تأییدشده، ظاهراً در گزینهٔ ۱ باید «سیانواتن» به‌جای «سیانواتان» نوشته شود. همچنین واحد اختلاف جرم مولی باید $\mathrm{g\,mol^{-1}}$ باشد، نه $\mathrm{g}$.

۲) بررسی فرمول مولکولی ۲-هگزن و سیکلوهگزان
آلکن زنجیرباز با یک پیوند دوگانه، فرمول عمومی $\mathrm{C_nH_{2n}}$ دارد. جابه‌جایی محل پیوند دوگانه، شمار اتم‌ها را تغییر نمی‌دهد؛ پس فرمول ۲-هگزن، مانند ۱-هگزن، $\mathrm{C_6H_{12}}$ است. فرمول ۱-هگزن در تمرین کتاب نیز آمده است (شیمی ۲، صفحهٔ ۵۰). سیکلوهگزان هم یک سیکلوآلکان تک‌حلقه‌ای با فرمول $\mathrm{C_6H_{12}}$ است. در نتیجه این عبارت درست است؛ یکسان‌بودن فرمول مولکولی به معنای یکسان‌بودن ساختار نیست.

۳) بررسی تکپار پلی‌وینیل‌کلرید
تکپار سازندهٔ پلی‌وینیل‌کلرید، کلرواتن یا وینیل‌کلرید با فرمول ساختاری $\mathrm{CH_2=CHCl}$ است. در پلیمری‌شدن افزایشی، پیوند دوگانهٔ تکپار باز می‌شود و زنجیر پلیمری تشکیل می‌شود:
$n\,\mathrm{CH_2=CHCl}\longrightarrow[-\mathrm{CH_2-CHCl}-]_n$
اما کلرواتان با فرمول $\mathrm{CH_3-CH_2Cl}$ پیوند دوگانه ندارد و تکپار این پلیمر نیست؛ بنابراین گزینهٔ ۳ نادرست است.

۴) بررسی فرمول تجربی ۱،۲-دی‌برمواتان
ساختار این ماده $\mathrm{CH_2Br-CH_2Br}$ و فرمول مولکولی آن $\mathrm{C_2H_4Br_2}$ است. برای یافتن فرمول تجربی، زیروندها را به ساده‌ترین نسبت صحیح تبدیل می‌کنیم:
$\mathrm{C_2H_4Br_2}\xrightarrow{\text{تقسیم زیروندها بر }2}\mathrm{CH_2Br}$
پس فرمول تجربی و مولکولی متفاوت‌اند و این عبارت درست است.

جمع‌بندی: گزینهٔ ۳ قطعاً نادرست است و پاسخ کلید را نشان می‌دهد؛ بااین‌حال، صورت تایپ‌شدهٔ گزینهٔ ۱ نیز ایراد دارد و برای تک‌پاسخی‌بودن سؤال باید «سیانواتان» به «سیانواتن» اصلاح شود.
پاسخ: گزینهٔ ۳

گام اول ـ شناسایی نوع پلیمر و بازسازی مونومرها:
در زنجیر پلیمر، گروه $\mathrm{-CO-NH-}$ تکرار شده است؛ بنابراین پلیمر از نوع پلی‌آمید است. طبق واکنش تشکیل پلی‌آمید، گروه کربوکسیلِ دی‌اسید با گروه آمینِ دی‌آمین واکنش می‌دهد و همراه با تشکیل پیوند آمیدی، آب جدا می‌شود (شیمی ۲، صفحهٔ ۱۱۶–۱۱۷).

برای بازگشت از ساختار پلیمر به مونومرها، پیوند میان کربن کربونیل و نیتروژن را در نظر می‌گیریم: به بخش کربونیل، $\mathrm{-OH}$ و به نیتروژن، $\mathrm{H}$ اضافه می‌کنیم. در نتیجه، دو مونومر عبارت‌اند از:

دی‌اسید: $\mathrm{HOOC-C_6H_4-COOH}$

دی‌آمین: $\mathrm{H_2N-C_6H_4-NH_2}$

در هر دو مونومر، دو گروه در موقعیت پارا قرار دارند. چون دو هیدروژن بنزن با این گروه‌ها جایگزین شده‌اند، بخش حلقه در هرکدام $\mathrm{C_6H_4}$ است.

گام دوم ـ محاسبهٔ جرم مولی دی‌اسید:
با افزودن اتم‌های دو گروه کربوکسیل به اتم‌های حلقه، فرمول مولکولی دی‌اسید برابر $\mathrm{C_8H_6O_4}$ می‌شود. پس:

$M_{\text{دی‌اسید}}=8(12)+6(1)+4(16)=166\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

گام سوم ـ محاسبهٔ جرم مولی دی‌آمین:
دو گروه $\mathrm{-NH_2}$ در مجموع چهار هیدروژن و دو نیتروژن دارند؛ بنابراین فرمول مولکولی دی‌آمین $\mathrm{C_6H_8N_2}$ است:

$M_{\text{دی‌آمین}}=6(12)+8(1)+2(14)=108\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

گام چهارم ـ محاسبهٔ تفاوت جرم مولی:

$\Delta M=166-108=58\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

دقت کنید که باید جرم مولی مونومرهای اولیه را مقایسه کنیم، نه جرم بخش‌های باقی‌ماندهٔ آن‌ها در زنجیر پلیمر. همچنین واحد دقیق اختلاف جرم مولی، $\mathrm{g\,mol^{-1}}$ است.

پاسخ: گزینهٔ ۲

۱. محاسبهٔ مقدار گاز حل‌شده
در شرایط $\mathrm{STP}$، حجم هر مول گاز برابر $22.4\ \mathrm{L}$ است. بنابراین:
$V_{\mathrm{HCl}}=44.8\ \mathrm{mL}=0.0448\ \mathrm{L}$
$n_{\mathrm{HCl}}=\dfrac{0.0448}{22.4}=2.0\times10^{-3}\ \mathrm{mol}$

۲. محاسبهٔ غلظت یون هیدرونیوم
هیدروژن کلرید در آب اسیدی قوی است و تقریباً به‌طور کامل یونیده می‌شود:
$\mathrm{HCl(g)+H_2O(l)\rightarrow H_3O^+(aq)+Cl^-(aq)}$
پس غلظت یون هیدرونیوم تقریباً برابر غلظت مولار اسید است؛ کتاب نیز برای محلول هیدروکلریک اسید از همین برابری استفاده می‌کند (شیمی ۳، صفحهٔ ۲۷).
با صرف‌نظر از تغییر حجم آب بر اثر حل‌شدن گاز، حجم محلول را $0.5\ \mathrm{L}$ می‌گیریم:
$[\mathrm{H_3O^+}]\simeq\dfrac{2.0\times10^{-3}}{0.5}=4.0\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$
سهم یونش آب در برابر این غلظت ناچیز است.

۳. محاسبهٔ پی‌اچ
طبق تعریف پی‌اچ در کتاب (شیمی ۳، صفحه‌های ۲۵–۲۶):
$\mathrm{pH}=-\log[\mathrm{H_3O^+}]$
پس با استفاده از لگاریتم داده‌شده داریم:
$\mathrm{pH}=-\log(4\times10^{-3})=3-\log4\simeq3-0.6=2.4$

۴. محاسبهٔ نسبت غلظت دو یون
در دمای اتاق، حاصل‌ضرب غلظت یون‌های هیدرونیوم و هیدروکسید ثابت است (شیمی ۳، صفحهٔ ۲۶):
$[\mathrm{H_3O^+}][\mathrm{OH^-}]=10^{-14}$
بنابراین:
$[\mathrm{OH^-}]=\dfrac{10^{-14}}{4\times10^{-3}}=2.5\times10^{-12}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$
نسبت خواسته‌شده برابر است با:
$\dfrac{[\mathrm{H_3O^+}]}{[\mathrm{OH^-}]}=\dfrac{4\times10^{-3}}{2.5\times10^{-12}}=1.6\times10^9$
پس پی‌اچ محلول تقریباً $2.4$ و غلظت یون هیدرونیوم $1.6\times10^9$ برابر غلظت یون هیدروکسید است.

پاسخ: گزینهٔ ۴

برای بررسی عبارت‌ها، ابتدا تغییر عدد اکسایش روی و نقره را تعیین می‌کنیم.

گام اول: تعیین عددهای اکسایش
عدد اکسایش هر عنصر در حالت آزاد برابر $0$ است. همچنین عدد اکسایش اکسیژن در $\mathrm{ZnO}$ و $\mathrm{Ag_2O}$ برابر $-2$ است؛ بنابراین:

در $\mathrm{ZnO}$، عدد اکسایش روی برابر $+2$ است و تغییر آن چنین است:
$\mathrm{Zn}:\quad 0\longrightarrow +2$

در $\mathrm{Ag_2O}$، مجموع عددهای اکسایش دو اتم نقره باید برابر $+2$ باشد؛ پس عدد اکسایش هر اتم نقره برابر $+1$ است:
$\mathrm{Ag}:\quad +1\longrightarrow 0$

گام دوم: بررسی عبارت‌های «آ» و «ب»
روی با افزایش عدد اکسایش، الکترون از دست می‌دهد و اکسایش می‌یابد؛ در مقابل، نقره با کاهش عدد اکسایش، الکترون می‌گیرد و کاهش می‌یابد. طبق تعریف کتاب، دهندهٔ الکترون کاهنده و گیرندهٔ الکترون اکسنده است (شیمی ۳، صفحهٔ ۴۰).

پس عبارت «آ» نادرست است؛ زیرا نقره کاهش یافته، نه اکسایش. عبارت «ب» نیز نادرست است؛ زیرا $\mathrm{Ag_2O}$ گونهٔ اکسنده و $\mathrm{Zn}$ گونهٔ کاهنده است.

گام سوم: بررسی عبارت «پ»
در سلول الکتروشیمیایی، اکسایش در آند و کاهش در کاتد رخ می‌دهد. چون روی اکسایش می‌یابد، الکترود روی آند است؛ همچنین کاهش نقرهٔ موجود در $\mathrm{Ag_2O}$ در کاتد انجام می‌شود. بنابراین عبارت «پ»، با منظور گرفتن $\mathrm{Ag_2O}$ به‌عنوان مادهٔ فعال کاتد، درست است.

گام چهارم: بررسی عبارت «ت»
کتاب در تمرین ششم، همین واکنش را برای باتری دکمه‌ای روی ــ نقره آورده است؛ بنابراین عبارت «ت» نیز درست است (شیمی ۳، صفحهٔ ۶۳).

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

پاسخ: گزینهٔ ۲

۱) مشخص کردن نقش نمک و کمیت ثابت
در محلول آب‌نمک، یون‌های آب‌پوشیده در سراسر محلول پراکنده‌اند (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۱۲). در مدل داده‌شدهٔ سؤال، نمک نقش الکترولیت دارد و واکنش موردنظر فقط تجزیهٔ آب است؛ بنابراین جرم نمک را ثابت می‌گیریم. با مصرف آب و خروج گازها، جرم محلول کاهش و درصد جرمی نمک افزایش می‌یابد.

۲) محاسبهٔ جرم نمک و جرم نهایی محلول
رابطهٔ درصد جرمی چنین است:
$w\%=\frac{m_{\text{حل‌شونده}}}{m_{\text{محلول}}}\times100$
جرم اولیهٔ محلول برابر $1\,\mathrm{kg}=1000\,\mathrm{g}$ است؛ پس جرم نمک برابر است با:
$m_{\text{نمک}}=\frac{1}{100}\times1000=10\,\mathrm{g}$
در پایان، همین مقدار نمک، $2\%$ جرم محلول را تشکیل می‌دهد:
$\frac{10}{m_{\text{محلول نهایی}}}\times100=2$
بنابراین:
$m_{\text{محلول نهایی}}=500\,\mathrm{g}$

۳) محاسبهٔ مقدار آب تجزیه‌شده
چون نمک باقی می‌ماند، کاهش جرم محلول برابر جرم آب تجزیه‌شده است:
$m_{\text{آب مصرف‌شده}}=1000-500=500\,\mathrm{g}$
توجه کنید که آب اولیه $990\,\mathrm{g}$ و آب باقی‌مانده $490\,\mathrm{g}$ است؛ اختلاف آن‌ها نیز همین مقدار را می‌دهد.
جرم مولی آب و مقدار مول مصرف‌شده عبارت‌اند از:
$M(\mathrm{H_2O})=2(1)+16=18\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
$n(\mathrm{H_2O})=\frac{500}{18}\,\mathrm{mol}$

۴) استفاده از نسبت مولی معادلهٔ موازنه‌شده
$2\mathrm{H_2O(l)}\rightarrow2\mathrm{H_2(g)}+\mathrm{O_2(g)}$
از هر دو مول آب، دو مول هیدروژن و یک مول اکسیژن، یعنی در مجموع سه مول گاز، تولید می‌شود. پس:
$n_{\text{کل گازها}}=\frac{3}{2}\times\frac{500}{18}=\frac{125}{3}\,\mathrm{mol}$

۵) تبدیل مول گازها به حجم
در شرایط $\mathrm{STP}$، حجم مولی گازها تقریباً $22.4\,\mathrm{L\,mol^{-1}}$ است؛ بنابراین:
$V_{\text{کل}}=\frac{125}{3}\times22.4\simeq933\,\mathrm{L}$

پاسخ: گزینهٔ ۳

برای پاسخ، هر عبارت را جداگانه بررسی می‌کنیم:

آ) نادرست است. سیلیسیم شبه‌فلز است، اما کربن نافلز به شمار می‌رود. قرار گرفتن این دو عنصر در یک خانواده، به معنای یکسان بودن نوع آن‌ها نیست. کتاب نیز سیلیسیم را شبه‌فلزی از خانوادهٔ کربن معرفی می‌کند (شیمی ۳، صفحهٔ ۷۰).

ب) درست است. در شبکهٔ سیلیس، هر اتم $\mathrm{Si}$ با چهار اتم اکسیژن پیوند اشتراکی دارد و هر اتم اکسیژن، دو اتم سیلیسیم را به هم متصل می‌کند. بنابراین، تعداد اکسیژن‌های متصل به هر سیلیسیم با نسبت اتم‌ها در فرمول $\mathrm{SiO_2}$ تفاوت دارد؛ اشتراک اکسیژن‌ها میان اتم‌های سیلیسیم باعث می‌شود نسبت کلی تعداد اتم‌های اکسیژن به سیلیسیم برابر $2:1$ باشد (شیمی ۳، صفحه‌های ۷۰–۷۱).

پ) نادرست است. سیلیس ساختاری شبکه‌ای و پیوسته دارد که در آن اتم‌ها با پیوندهای اشتراکی به هم متصل‌اند؛ اما کربن‌دی‌اکسید ماده‌ای مولکولی است و حتی در حالت جامد، از مولکول‌های مجزای $\mathrm{CO_2}$ تشکیل می‌شود. پس شباهت فرمول‌های $\mathrm{SiO_2}$ و $\mathrm{CO_2}$ به معنای مشابه بودن ساختار بلوری آن‌ها نیست (شیمی ۳، صفحه‌های ۷۰–۷۱).

ت) درست است. مطابق متن و جدول فراوانی عنصرها، اکسیژن فراوان‌ترین عنصر پوستهٔ جامد زمین است و سیلیسیم پس از آن قرار دارد (شیمی ۳، صفحهٔ ۷۰).

در نتیجه، فقط عبارت‌های «ب» و «ت» درست‌اند.

پاسخ: گزینهٔ ۴

گام اول ـ شناسایی ترکیب حاصل و شکل آن:
با جایگزین کردن هر دو اتم اکسیژن در $\mathrm{CO_2}$ با گوگرد، کربن دی‌سولفید با فرمول $\mathrm{CS_2}$ تشکیل می‌شود. ساختار لوویس دو مولکول به‌صورت $\mathrm{O=C=O}$ و $\mathrm{S=C=S}$ است. در هر دو، اتم کربن فاقد جفت‌الکترون ناپیوندی است و مولکول ساختاری خطی و متقارن دارد. کتاب نیز بر نقش آرایش جفت‌الکترون‌های پیوندی و ناپیوندی در رفتار مولکول تأکید می‌کند (شیمی ۳، صفحهٔ ۷۵–۷۶).

گام دوم ـ مقایسهٔ گشتاور دوقطبی:
گشتاور دوقطبی مولکول از جمع برداری گشتاورهای پیوندی به دست می‌آید. در هر یک از این دو مولکول، دو پیوند یکسان در جهت‌های مخالف قرار دارند؛ بنابراین اثر آنها یکدیگر را خنثی می‌کند. طبق کتاب، در کربن دی‌اکسید نیز همین توزیع متقارن بار علت صفر بودن گشتاور دوقطبی است (شیمی ۳، صفحهٔ ۷۶–۷۷). در نتیجه:
$\mu(\mathrm{CO_2})=\mu(\mathrm{CS_2})=0$
پس با این جایگزینی، گشتاور دوقطبی مولکول تغییر نمی‌کند.

گام سوم ـ بررسی سایر ادعاها:
عدد اکسایش اکسیژن در کربن دی‌اکسید و گوگرد در کربن دی‌سولفید برابر با $-2$ است. چون هر دو مولکول خنثی‌اند، عدد اکسایش کربن در هر دو از رابطهٔ $x+2(-2)=0$ برابر با $+4$ به دست می‌آید و تغییر نمی‌کند.
همچنین گوگرد، مانند اکسیژن، از کربن الکترونگاتیوتر است؛ بنابراین بار جزئی کربن از $\delta^+$ به $\delta^-$ تبدیل نمی‌شود. باید توجه کرد که بار جزئی اتم با گشتاور دوقطبی کل مولکول یکسان نیست؛ یک مولکول متقارن می‌تواند با وجود پیوندهای قطبی، ناقطبی باشد (شیمی ۳، صفحهٔ ۷۶–۷۷).
در نهایت، بزرگ‌تر و قطبش‌پذیرتر بودن ابر الکترونی در کربن دی‌سولفید باعث تقویت نیروهای پراکندگی لاندن می‌شود؛ پس ادعای کاهش قدرت نیروهای بین‌مولکولی نیز نادرست است.

پاسخ: گزینهٔ ۳

برای مقایسهٔ یون‌های $\mathrm{NH_4^+}$ و $\mathrm{SO_4^{2-}}$، ابتدا ساختار لوویس آن‌ها را با رعایت شرط سؤال رسم می‌کنیم. طبق روش کتاب، شمار الکترون‌های پیوندی و ناپیوندی باید با مجموع الکترون‌های ظرفیت سازگار باشد و اتم‌ها به آرایش هشتایی برسند؛ هیدروژن با دو الکترون پایدار می‌شود (شیمی ۱، صفحهٔ ۵۷–۵۸).

گام اول: ساختار لوویس دو یون

در آمونیوم، شمار کل الکترون‌های ظرفیت برابر است با:
$5+4(1)-1=8$
این الکترون‌ها چهار پیوند یگانهٔ $\mathrm{N-H}$ تشکیل می‌دهند؛ بنابراین چهار جفت پیوندی و هیچ جفت ناپیوندی نداریم.

در سولفات، شمار کل الکترون‌های ظرفیت برابر است با:
$6+4(6)+2=32$
با توجه به تأکید سؤال بر قاعدهٔ هشتایی، گوگرد با هر اکسیژن یک پیوند یگانه تشکیل می‌دهد. چهار پیوند، هشت الکترون مصرف می‌کنند و باقی الکترون‌ها به‌صورت جفت‌های ناپیوندی روی اکسیژن‌ها قرار می‌گیرند:
$32-8=24$
پس هر اکسیژن سه جفت ناپیوندی دارد و مجموع جفت‌های ناپیوندی سولفات برابر است با:
$\dfrac{24}{2}=12$
روی گوگرد جفت ناپیوندی وجود ندارد. رسم پیوند دوگانه در این سؤال مناسب نیست، زیرا با وجود چهار اتم متصل به گوگرد، شمار الکترون‌های اطراف آن را از هشت بیشتر می‌کند.

گام دوم: بررسی موارد سؤال

• عدد اکسایش اتم مرکزی: متفاوت است. مجموع عددهای اکسایش اتم‌ها برابر بار یون است. با درنظرگرفتن عدد اکسایش هیدروژن برابر $+1$ و اکسیژن برابر $-2$ داریم:

آمونیوم: $x+4(+1)=+1\Rightarrow x=-3$
سولفات: $y+4(-2)=-2\Rightarrow y=+6$

• شمار جفت الکترون‌های پیوندی: یکسان است. هر دو یون چهار پیوند یگانه، یعنی چهار جفت الکترون پیوندی دارند.

• قطبیت و شکل هندسی: تفاوتی ندارند. در هر دو، اتم مرکزی چهار جفت پیوندی و هیچ جفت ناپیوندی دارد؛ بنابراین شکل هر دو چهاروجهی متقارن است و برآیند دوقطبی پیوندها صفر می‌شود. منظور از مقایسهٔ قطبیت در اینجا همین تقارن پیوندهاست، نه نداشتن بار الکتریکی؛ هر دو ذره یون‌اند.

• شمار جفت الکترون‌های ناپیوندی روی اتم‌ها: متفاوت است. در آمونیوم این شمار صفر و در سولفات دوازده است. دقت کنید که سؤال همهٔ اتم‌ها را در نظر دارد، نه فقط اتم مرکزی.

بنابراین فقط مورد نخست و مورد چهارم متفاوت‌اند؛ یعنی دو مورد.

پاسخ: گزینهٔ ۲

۱. ابتدا اثر تغییر غلظت را مشخص می‌کنیم. طبق اصل لوشاتلیه، اگر غلظت یکی از مواد کاهش یابد، سامانه در جهت تولید آن ماده پیش می‌رود تا بخشی از کاهش ایجادشده را جبران کند (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۰۵).

۲. با کاهش غلظت یکی از فراورده‌ها، واکنش باید در جهت تولید فراورده پیش برود. چون در جهت رفت، واکنش‌دهنده‌ها مصرف و فراورده‌ها تولید می‌شوند، جهت جابه‌جایی تعادل «رفت» است.

۳. اکنون ثابت تعادل را بررسی می‌کنیم. تغییر غلظت در دمای ثابت می‌تواند ترکیب سامانه را تغییر دهد و تعادل جدیدی برقرار کند، اما مقدار $K$ را تغییر نمی‌دهد (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۰۵). عامل تغییر ثابت تعادل، دماست که در این پرسش ثابت نگه داشته شده است (شیمی ۳، صفحه‌های ۱۰۷ و ۱۰۸).

۴. بنابراین، پس از کاهش غلظت فراورده، واکنش در جهت رفت پیش می‌رود تا تعادل دوباره با همان مقدار آغازی ثابت تعادل برقرار شود؛ یعنی $K_{\text{نهایی}}=K_{\text{آغازی}}$. نکتهٔ اصلی این است که «تعادل جدید» الزاماً به معنای «ثابت تعادل جدید» نیست.

پس واژه‌های درست به‌ترتیب عبارت‌اند از: «فراورده، کاهش، رفت، آغازی».

پاسخ: گزینهٔ ۱