سوال ۲۶۳ شیمی کنکور تجربی ۱۴۰۰ با پاسخ تشریحی

سوال ۲۶۳ دفترچهٔ اختصاصی کنکور تجربی ۱۴۰۰، با کلید رسمی سازمان سنجش. پاسخ تشریحی، دلیل نادرستی گزینه‌های دیگر و راهنمایی‌ها را هوش مصنوعی 1xAi بر پایهٔ همین کلید و متن کتاب درسی نوشته است.

سوال ۲۶۳ · شیمی

کنکور تجربی ۱۴۰۰ · سوال ۲۶۳ · کلید رسمی سازمان سنجش

شیمی · شیمی ۳ · فصل ۲: آسایش و رفاه در سایهٔ شیمی

با توجه به $E^\circ$ الکترودها، کدام واکنش در شرایط استاندارد، در جهت طبیعی پیش می‌رود و $\mathrm{emf}$ آن برای انجام برقکافت محلول الکترولیتی که به ولتاژ 1/5 ولت نیاز دارد، کافی است؟

a) $\mathrm{Co^{2+}(aq) + Zn(s) \rightarrow Co(s) + Zn^{2+}(aq)}$ ، $E^\circ[\mathrm{Co^{2+}(aq)/Co(s)}] = -0/28\,\mathrm{V}$
b) $\mathrm{2Ag(s) + Co^{2+}(aq) \rightarrow 2Ag^{+}(aq) + Co(s)}$ ، $E^\circ[\mathrm{Ag^{+}(aq)/Ag(s)}] = +0/8\,\mathrm{V}$
c) $\mathrm{Zn(s) + 2Ag^{+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + 2Ag(s)}$ ، $E^\circ[\mathrm{Zn^{2+}(aq)/Zn(s)}] = -0/76\,\mathrm{V}$
d) $\mathrm{Co(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Co^{2+}(aq) + Cu(s)}$ ، $E^\circ[\mathrm{Cu^{2+}(aq)/Cu(s)}] = +0/34\,\mathrm{V}$

گزینهٔ ۱: a
گزینهٔ ۲: b
گزینهٔ ۳: c
گزینهٔ ۴: d

نمایش پاسخ و پاسخ تشریحی

پاسخ درست: گزینهٔ ۳ (کلید رسمی سازمان سنجش)

پاسخ تشریحی

برای انتخاب پاسخ باید دو شرط را هم‌زمان بررسی کنیم: واکنش در جهت نوشته‌شده طبیعی باشد و نیروی الکتروموتوری آن بتواند ولتاژ موردنیاز برقکافت، یعنی $1.5\,\mathrm{V}$ ، را تأمین کند.

گام اول: رابطهٔ محاسبه را بنویسیم.
پتانسیل‌های جدول کتاب، پتانسیل کاهشی استاندارد هستند (شیمی ۳، صفحهٔ ۴۶–۴۷). در واکنش نوشته‌شده، محل کاهش کاتد و محل اکسایش آند است؛ بنابراین:
$E^\circ_{\mathrm{cell}}=E^\circ_{\text{کاتد}}-E^\circ_{\text{آند}}$
این همان رابطه‌ای است که در بررسی سلول استاندارد روی ــ مس به کار می‌رود (شیمی ۳، صفحهٔ ۴۷–۴۸). مثبت‌بودن این اختلاف نشان می‌دهد واکنش در شرایط استاندارد، در جهت نوشته‌شده طبیعی است. همچنین پتانسیل الکترود با ضرب‌کردن نیم‌واکنش در یک ضریب، تغییر نمی‌کند.

گام دوم: هر واکنش را بررسی کنیم.

واکنش a: روی اکسایش می‌یابد و یون کبالت کاهش می‌یابد؛ پس:

$E^\circ_a=(-0.28)-(-0.76)=+0.48\,\mathrm{V}$
واکنش طبیعی است، اما چون $0.48<1.5$ ، ولتاژ کافی برای برقکافت ندارد.

واکنش b: نقره اکسایش می‌یابد و یون کبالت کاهش می‌یابد؛ پس:

$E^\circ_b=(-0.28)-(+0.80)=-1.08\,\mathrm{V}$
نتیجه منفی است؛ بنابراین واکنش در جهت نوشته‌شده طبیعی نیست.

واکنش c: روی اکسایش می‌یابد و یون نقره کاهش می‌یابد. نیم‌واکنش‌ها عبارت‌اند از:

آند: $\mathrm{Zn(s)\rightarrow Zn^{2+}(aq)+2e^-}$
کاتد: $\mathrm{2Ag^+(aq)+2e^-\rightarrow 2Ag(s)}$
بنابراین:
$E^\circ_c=(+0.80)-(-0.76)=+1.56\,\mathrm{V}$
این مقدار هم مثبت است و هم از ولتاژ موردنیاز بیشتر است: $1.56>1.5$ . پس واکنش هر دو شرط سؤال را دارد.

واکنش d: کبالت اکسایش می‌یابد و یون مس کاهش می‌یابد؛ پس:

$E^\circ_d=(+0.34)-(-0.28)=+0.62\,\mathrm{V}$
واکنش طبیعی است، اما چون $0.62<1.5$ ، ولتاژ کافی برای برقکافت فراهم نمی‌کند.

در نتیجه، فقط واکنش c هم در جهت طبیعی پیش می‌رود و هم نیروی الکتروموتوری کافی برای برقکافت موردنظر دارد.

پاسخ: گزینهٔ ۳

چرا گزینه‌های دیگر نادرست‌اند

گزینهٔ ۱: ممکن است دانش‌آموز فقط طبیعی‌بودن واکنش را بررسی کند؛ نیروی الکتروموتوری این واکنش $+0.48\,\mathrm{V}$ است، پس در جهت نوشته‌شده طبیعی است، اما ولتاژ لازم برای برقکافت را تأمین نمی‌کند.
گزینهٔ ۲: ممکن است دانش‌آموز ترتیب تفریق پتانسیل‌ها را برعکس کند یا پتانسیل نقره را در ضریب استوکیومتری آن ضرب کند. در جهت نوشته‌شده، نیروی الکتروموتوری $-1.08\,\mathrm{V}$ است؛ بنابراین واکنش طبیعی نیست.
گزینهٔ ۴: ممکن است دانش‌آموز کاهش یون مس به‌وسیلهٔ کبالت را برای انتخاب کافی بداند. این واکنش طبیعی است، اما نیروی الکتروموتوری آن فقط $+0.62\,\mathrm{V}$ است و برای برقکافت موردنظر کافی نیست.

راهنمایی قدم‌به‌قدم (پیش از دیدن پاسخ)

رابطهٔ نیروی الکتروموتوری با پتانسیل کاهشی استاندارد آند و کاتد را از بخش «پیوند با ریاضی» مرور کن؛ دقت کن که پتانسیل‌های داده‌شده همگی کاهشی‌اند.
در هر واکنش، گونه‌ای که الکترون می‌گیرد در کاتد و فلزی که الکترون از دست می‌دهد در آند است. پتانسیل کاهشی آند را از پتانسیل کاهشی کاتد کم کن؛ مثبت‌بودن نتیجه فقط شرط طبیعی‌بودن واکنش است.
از میان واکنش‌های طبیعی، اختلاف پتانسیل زوجی را بررسی کن که یون فلزی آن بیشترین پتانسیل کاهشی و فلز واکنش‌دهندهٔ آن کمترین پتانسیل کاهشی را دارد؛ سپس نتیجه را با ولتاژ لازم برای برقکافت مقایسه کن.

فصل «آسایش و رفاه در سایهٔ شیمی» را در پنل یادگیری تمرین کن

در پنل یادگیری 1xAi سوال‌هایی مثل همین را جواب می‌دهی و جوابت ثبت می‌شود؛ پیش از دیدن پاسخ، سه راهنمایی پله‌پله داری و معلم هوشمند بی‌آن‌که جواب را لو بدهد کمکت می‌کند. تمرین و آزمون رایگان است؛ معلم هوشمند هم سهمیهٔ روزانهٔ رایگان دارد.

ساختن حساب رایگان است و بعد از ثبت‌نام مستقیم به همین بخش از پنل برمی‌گردی.