سوالات شیمی کنکور تجربی ۱۳۹۹ با پاسخ تشریحی

برای تشخیص عبارت درست، باید میان «کاهش انرژی در یک گذار» و «رسیدن نهایی به حالت پایه» تفاوت بگذاریم.

۱. بررسی گزینهٔ ۱: طبق مدل بیان‌شده در کتاب، هرچه الکترون در لایه‌ای دورتر از هسته قرار گیرد، انرژی بیشتری دارد؛ انتقال به لایهٔ بالاتر نیز به جذب انرژی نیاز دارد. پس کاهش انرژی با دور شدن از هسته نادرست است (شیمی ۱، صفحهٔ ۲۵–۲۶).

۲. بررسی گزینهٔ ۲: حالت پایه، کم‌انرژی‌ترین آرایش مجاز الکترون‌های یک اتم است، نه نام یک لایهٔ مشترک برای همهٔ اتم‌ها. در اتم هیدروژن، تنها الکترون در حالت پایه در تراز $n=1$ قرار دارد؛ اما در اتم‌های چندالکترونی، آرایش حالت پایه می‌تواند شامل الکترون‌هایی در لایه‌های بالاتر نیز باشد. بنابراین نباید ویژگی حالت پایهٔ هیدروژن را به همهٔ اتم‌ها تعمیم داد (شیمی ۱، صفحهٔ ۲۵–۲۶).

۳. بررسی گزینهٔ ۳: شکل طیف مرئی هیدروژن در کتاب، نوار زرد ندارد. همچنین طبق رابطهٔ $E=\frac{hc}{\lambda}$، انرژی فوتون با طول موج نسبت وارون دارد؛ بنابراین در میان نوارهای مرئی هیدروژن، نوار قرمز که بیشترین طول موج را دارد، کمترین انرژی فوتون را خواهد داشت (شیمی ۱، صفحهٔ ۲۶–۲۷، شکل ۲۲).

۴. بررسی گزینهٔ ۴: اتم برانگیخته ناپایدار است و با نشر انرژی به حالت کم‌انرژی‌تر می‌رود؛ اما یک گذار رو به پایین لزوماً آن را مستقیماً به حالت پایه نمی‌رساند. برای نمونه، در هیدروژن، گذار $n=4\rightarrow n=3$ با از دست دادن انرژی همراه است، ولی الکترون هنوز در حالت برانگیخته قرار دارد. بازگشت نهایی به حالت پایه می‌تواند طی چند گذار انجام شود. کتاب نیز از رفتن به حالت پایدارتر و «در نهایت» رسیدن به حالت پایه سخن می‌گوید (شیمی ۱، صفحهٔ ۲۶–۲۷).

پس منظور عبارت درست این است که الکترون با هر بار از دست دادن انرژی، الزاماً مستقیماً به حالت پایه نمی‌رسد؛ نه اینکه هرگز به حالت پایه بازنمی‌گردد.

پاسخ: گزینهٔ ۴

برای پاسخ، هر عبارت را جداگانه بررسی می‌کنیم:

۱. عبارت نخست نادرست است. دگرشکل‌ها، شکل‌های گوناگون «مولکولی یا بلوری» یک عنصر هستند؛ بنابراین به‌کاربردن واژهٔ «اتمی» به‌جای «مولکولی» تعریف را نادرست می‌کند. برای نمونه، اکسیژن با فرمول $\mathrm{O_2}$ و اوزون با فرمول $\mathrm{O_3}$، دو دگرشکل مولکولی عنصر اکسیژن‌اند.

۲. عبارت دوم نادرست است. فرمول مولکولی، نوع عنصرها و شمار اتم‌های هر عنصر را در یک مولکول مشخص می‌کند، نه شمار یون‌ها را. برای مثال، فرمول $\mathrm{CO_2}$ نشان می‌دهد هر مولکول کربن دی‌اکسید از یک اتم کربن و دو اتم اکسیژن ساخته شده است؛ این اتم‌ها با پیوند اشتراکی به هم متصل‌اند (شیمی ۱، صفحهٔ ۵۷–۵۸).

۳. عبارت سوم درست است. طبق قانون آووگادرو، در دما و فشار ثابت، حجم گاز با مقدار مولی آن رابطهٔ مستقیم دارد:
$V\propto n\qquad(T,P\ \text{ثابت})$
پس اگر مقدار مولی گازهای گوناگون برابر باشد، در دما و فشار یکسان حجم آن‌ها نیز برابر خواهد بود. داده‌های جدول کتاب نیز نشان می‌دهند که مقدارهای مولی برابر از گازهای متفاوت، در شرایط یکسان حجم برابری دارند (شیمی ۱، صفحهٔ ۷۷–۷۸). این حکم به شرایط استاندارد محدود نیست.

۴. عبارت چهارم نادرست است. درنظرگرفتن همهٔ هزینه‌های اقتصادی و زیست‌محیطی برای تولید یک فراورده، به مفهوم «شیمی سبز» مربوط است. توسعهٔ پایدار به تأمین نیازهای نسل کنونی بدون به‌خطرانداختن توانایی نسل‌های آینده برای تأمین نیازهایشان اشاره دارد. بنابراین، مرتبط‌بودن این دو مفهوم، به معنای یکسان‌بودن تعریف آن‌ها نیست.

۵. عبارت پنجم درست است. استوکیومتری واکنش، روابط کمّی میان مواد شرکت‌کننده در واکنش را بررسی می‌کند. معادلهٔ موازنه‌شده مبنای تعیین این روابط است؛ برای نمونه، در معادلهٔ
$\mathrm{CH_4(g)+2O_2(g)\rightarrow CO_2(g)+2H_2O(g)}$
ضرایب، نسبت مقدار مولی مواد مصرف‌شده و تولیدشده را مشخص می‌کنند. کتاب نیز موازنهٔ این واکنش را با تکیه بر ثابت‌ماندن شمار اتم‌های هر عنصر توضیح می‌دهد (شیمی ۱، صفحهٔ ۶۳–۶۴).

در نتیجه، فقط عبارت‌های سوم و پنجم درست‌اند؛ یعنی دو مورد.

پاسخ: گزینهٔ ۲

عبارت‌ها را جداگانه بررسی می‌کنیم:

عبارت نخست: درست است. میزان قطبیت مولکول را می‌توان با گشتاور دوقطبی مقایسه کرد؛ هرچه این کمیت بیشتر باشد، مولکول قطبی‌تر است. طبق داده‌های کتاب:
$\mu(\mathrm{H_2S})=0.97\,\mathrm{D}<\mu(\mathrm{H_2O})=1.85\,\mathrm{D}$
پس مولکول هیدروژن سولفید از مولکول آب قطبیت کمتری دارد؛ هرچند هر دو قطبی‌اند. (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۰۶–۱۰۷)

عبارت دوم: درست است. مطابق مبحث انحلال‌پذیری گازها در فصل سوم شیمی ۱، در فشار ثابت، با کاهش دمای آب، انحلال‌پذیری گازها در آن افزایش می‌یابد. بنابراین نباید رفتار گازها را با روند انحلال‌پذیری بسیاری از جامدها یکسان فرض کرد.

عبارت سوم: درست است. وقتی جرم مولی مواد مولکولی مشابه باشد، مادهٔ دارای مولکول‌های قطبی، جاذبهٔ بین‌مولکولی قوی‌تر و نقطهٔ جوش بالاتری دارد. در نتیجه، مادهٔ دارای مولکول‌های ناقطبی نقطهٔ جوش پایین‌تری خواهد داشت. مقایسهٔ فلوئور و هیدروژن کلرید در کتاب نیز همین نتیجه را نشان می‌دهد. (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۰۴–۱۰۵)

عبارت چهارم: درست است. گسترهٔ دمایی مایع‌بودن، فاصلهٔ میان دمای ذوب و دمای جوش در فشار معین است، نه صرفاً بالا بودن دمای ذوب. در مقایسهٔ کلی مواد یونی و مولکولی در سطح کتاب درسی، جاذبه‌های الکتروستاتیکی قوی میان یون‌ها باعث می‌شود مواد یونی در گسترهٔ دمایی بیشتری به حالت مایع باقی بمانند.

عبارت پنجم: نادرست است. مولکول $\mathrm{CO_2}$ ناقطبی است؛ کتاب نیز گشتاور دوقطبی آن را صفر معرفی می‌کند. (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۰۴–۱۰۵ و ۱۰۶–۱۰۷) در مقابل، مولکول خمیدهٔ $\mathrm{SO_2}$ قطبی است و جرم مولی بیشتری هم دارد. با توجه به وابستگی نیروهای بین‌مولکولی به قطبیت و جرم مولکول‌ها، جاذبهٔ میان مولکول‌های گوگرد دی‌اکسید قوی‌تر است؛ پس در شرایط یکسان، گوگرد دی‌اکسید آسان‌تر به مایع تبدیل می‌شود، نه کربن دی‌اکسید. (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۰۵–۱۰۶)

در نتیجه، چهار عبارت نخست درست و فقط عبارت پایانی نادرست است؛ بنابراین تعداد عبارت‌های درست برابر با $4$ است.

پاسخ: گزینهٔ ۳

هر عبارت را جداگانه بررسی می‌کنیم.

عبارت اول ـ نادرست: در کاوش شناسایی زنگ آهن، زنگ را در هیدروکلریک اسید حل می‌کنند و سپس با افزودن سدیم هیدروکسید، رسوب حاصل را با رسوب‌های شناخته‌شدهٔ یون‌های آهن مقایسه می‌کنند. نتیجه نشان می‌دهد که یون آهن موجود در زنگ آهن، $\mathrm{Fe^{3+}}$ است، نه $\mathrm{Fe^{2+}}$؛ بنابراین در چارچوب مدل کتاب درسی، عبارت اول نادرست است. (شیمی ۲، صفحه‌های ۱۹–۲۰)

عبارت دوم ـ درست: آزمایش قرار دادن میخ آهنی در محلول مس(II) سولفات نشان می‌دهد که آهن می‌تواند مس را از ترکیب آن خارج کند؛ پس آهن از مس واکنش‌پذیرتر است:
$\mathrm{Fe(s)+CuSO_4(aq)\rightarrow FeSO_4(aq)+Cu(s)}$
در نتیجه مس نمی‌تواند آهن را از آهن(II) اکسید خارج کند و واکنش مورد نظر انجام‌ناپذیر است. (شیمی ۲، صفحه‌های ۱۹–۲۰)

عبارت سوم ـ نادرست: آهن فلزی با هیدروکلریک اسید، آهن(II) کلرید تولید می‌کند:
$\mathrm{Fe(s)+2HCl(aq)\rightarrow FeCl_2(aq)+H_2(g)}$
اما با حل شدن زنگ آهن در هیدروکلریک اسید، آهن(III) کلرید تشکیل می‌شود؛ زیرا یون آهن در زنگ آهن از نوع $\mathrm{Fe^{3+}}$ است. بنابراین نمک‌های حاصل، یعنی $\mathrm{FeCl_2}$ و $\mathrm{FeCl_3}$، یکسان نیستند. آزمایش حل کردن زنگ آهن و شناسایی یون آن، مبنای این تمایز است. (شیمی ۲، صفحه‌های ۱۹–۲۰)

عبارت چهارم ـ درست: مطابق آزمایش کتاب، واکنش آهن(III) کلرید با سدیم هیدروکسید، رسوب آهن(III) هیدروکسید تولید می‌کند. (شیمی ۲، صفحهٔ ۱۹)
ابتدا معادله را موازنه می‌کنیم:
$\mathrm{FeCl_3(aq)+3NaOH(aq)\rightarrow Fe(OH)_3(s)+3NaCl(aq)}$
نسبت مولی آهن(III) کلرید به رسوب برابر $1:1$ است. چون سدیم هیدروکسید کافی است، داریم:
$n\big(\mathrm{Fe(OH)_3}\big)=n\big(\mathrm{FeCl_3}\big)=0.05\,\mathrm{mol}$
جرم مولی رسوب برابر است با:
$M\big(\mathrm{Fe(OH)_3}\big)=56+3(16+1)=107\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
پس جرم رسوب:
$m=nM=0.05\times107=5.35\,\mathrm{g}$
این مقدار با مقدار بیان‌شده در سؤال برابر است.

بنابراین عبارت‌های دوم و چهارم درست‌اند و تعداد عبارت‌های درست، دو مورد است.

پاسخ: گزینهٔ ۲

۱. محاسبهٔ انرژی وعدهٔ غذایی
طبق کتاب، انرژی حاصل از مصرف مقدار معینی غذا را می‌توان با استفاده از ارزش سوختی و جرم مصرفی آن محاسبه کرد (شیمی ۲، صفحات ۷۲–۷۳). چون داده‌های جدول برای $100\,\mathrm{g}$ از هر خوراکی هستند، داریم:

تخم‌مرغ:
$E_1=\frac{100}{100}\times140=140\,\mathrm{kcal}$

نان:
$E_2=\frac{146}{100}\times250=365\,\mathrm{kcal}$

سیب‌زمینی:
$E_3=\frac{50}{100}\times70=35\,\mathrm{kcal}$

پس انرژی کل وعده برابر است با:
$E_{\text{کل}}=140+365+35=540\,\mathrm{kcal}$

۲. تبدیل انرژی غذا به ژول
کتاب، ژول و کالری را از یکاهای انرژی معرفی می‌کند (شیمی ۲، صفحهٔ ۵۸). در این مسئله باید از تقریب داده‌شده در صورت سؤال، یعنی $1\,\mathrm{cal}=4.2\,\mathrm{J}$، استفاده کنیم:

$E_{\text{کل}}=540\,\mathrm{kcal}\times\frac{1000\,\mathrm{cal}}{1\,\mathrm{kcal}}\times\frac{4.2\,\mathrm{J}}{1\,\mathrm{cal}}=2{,}268{,}000\,\mathrm{J}$

۳. محاسبهٔ انرژی لازم برای تپش قلب در یک شبانه‌روز
با آهنگ $75$ تپش در دقیقه، تعداد تپش‌های روزانه برابر است با:

$N=75\times60\times24=108{,}000$

چون هر تپش به $1\,\mathrm{J}$ انرژی نیاز دارد، مصرف انرژی روزانهٔ قلب برابر است با:

$E_{\text{روزانه}}=108{,}000\times1=108{,}000\,\mathrm{J}$

۴. محاسبهٔ مدت تأمین انرژی
با فرض مسئله که تمام انرژی این وعده صرف تپش قلب شود، تعداد روزها از تقسیم انرژی کل بر مصرف روزانه به دست می‌آید:

$n=\frac{2{,}268{,}000}{108{,}000}=21$

بنابراین این وعده، در چارچوب فرض‌های سؤال، انرژی لازم برای تپش قلب را به مدت $21$ روز تأمین می‌کند؛ نه انرژی لازم برای همهٔ فعالیت‌های بدن را.

پاسخ: گزینهٔ ۳

برای بررسی گزینه‌ها باید سه مفهوم «انرژی فعال‌سازی»، «سرعت واکنش» و «گرمای واکنش» را از هم جدا کنیم.

گام اول: اثر افزایش دما بر سرعت واکنش
هر واکنش، چه گرماده و چه گرماگیر، برای آغاز شدن به انرژی فعال‌سازی نیاز دارد. با افزایش دما، شمار ذره‌هایی که انرژی کافی برای عبور از سد انرژی دارند افزایش می‌یابد؛ بنابراین در واحد زمان ذره‌های بیشتری به فراورده تبدیل می‌شوند و سرعت واکنش افزایش می‌یابد. پس عبارت گزینهٔ اول درست است (شیمی ۳، صفحهٔ ۹۶–۹۷).

گام دوم: بررسی نقش کاتالیزگر در واکنش هیدروژن و اکسیژن
واکنش هیدروژن با اکسیژن و تشکیل آب، گرماده است؛ اما در مثال کتاب، انجام انفجاری آن در مجاورت پلاتین مطرح می‌شود، نه گرد روی. بنابراین درست بودن بخش «گرماده» برای درست بودن کل گزینهٔ دوم کافی نیست.

گام سوم: تفاوت گرماده بودن و سریع بودن
گرماده بودن نشان می‌دهد که در واکنش انرژی آزاد می‌شود، نه اینکه واکنش حتماً سریع است. برای نمونه، سوختن متان نیز گرماده است، اما برای آغاز شدن به جرقه یا شعله نیاز دارد تا انرژی فعال‌سازی آن تأمین شود (شیمی ۳، صفحهٔ ۹۷). واکنش‌های حذف آلاینده‌های اگزوز نیز در دماهای پایین سرعت کافی ندارند؛ پس ادعای «سریع بودن در دماهای پایین» در گزینهٔ سوم نادرست است.

گام چهارم: تفاوت انرژی فعال‌سازی و تغییر آنتالپی
کاتالیزگر با فراهم کردن مسیری با انرژی فعال‌سازی کمتر، سرعت واکنش را افزایش می‌دهد؛ کاربرد آن برای دستیابی به سرعت مناسب در دماهای پایین‌تر در فرایند هابر نیز مطرح شده است (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۰۸–۱۰۹). بااین‌حال، کاتالیزگر آنتالپی مواد آغازین و پایانی را تغییر نمی‌دهد. چون
$\Delta H = H_{\text{فراورده‌ها}}-H_{\text{واکنش‌دهنده‌ها}}$
است، کاهش $E_\mathrm{a}$ باعث تغییر علامت $\Delta H$ نمی‌شود؛ بنابراین واکنش گرماگیر با افزودن کاتالیزگر به واکنش گرماده تبدیل نمی‌شود و گزینهٔ چهارم نادرست است.

پاسخ: گزینهٔ ۱