سوالات شیمی کنکور تجربی ۱۴۰۱ با پاسخ تشریحی

برای بررسی نام‌ها، ابتدا باید ترکیب‌های یونی را از ترکیب مولکولی جدا کنیم. در نام‌گذاری ترکیب یونی، نخست نام کاتیون و سپس نام آنیون می‌آید؛ اگر فلز کاتیون‌هایی با بارهای متفاوت تشکیل دهد، بار کاتیون با عدد رومی مشخص می‌شود. مثال‌های آهن و مس در کتاب همین قاعده را نشان می‌دهند (شیمی ۱، صفحهٔ ۵۵–۵۶). پیشوندهای شمارشی مانند «دی» و «تری» برای نام‌گذاری ترکیب‌های مولکولیِ مورد بحث به کار می‌روند (شیمی ۱، صفحهٔ ۵۶–۵۷).

۱. $\mathrm{ZnF_2}$: نام داده‌شده نادرست است. این ماده ترکیبی یونی از یون‌های $\mathrm{Zn^{2+}}$ و $\mathrm{F^-}$ است و برای نشان دادن شمار یون‌های فلوئورید از پیشوند «دی» استفاده نمی‌کنیم. نام درست آن «روی فلوئورید» است.

۲. $\mathrm{CuCl}$: نام داده‌شده درست است. یون کلرید بار $-1$ دارد؛ پس برای خنثی بودن ترکیب، بار یون مس باید $+1$ باشد: $x+(-1)=0\Rightarrow x=+1$. چون مس کاتیون‌هایی با بارهای متفاوت تشکیل می‌دهد، نام «مس ($\mathrm{I}$) کلرید» درست است (شیمی ۱، صفحهٔ ۵۵–۵۶).

۳. $\mathrm{FeO}$: نام داده‌شده درست است. بار یون اکسید $-2$ است، بنابراین بار یون آهن $+2$ خواهد بود: $x+(-2)=0\Rightarrow x=+2$. نام «آهن ($\mathrm{II}$) اکسید» در جدول کتاب نیز آمده است (شیمی ۱، صفحهٔ ۵۵–۵۶).

۴. $\mathrm{N_2O_3}$: نام داده‌شده نادرست است. پیشوندهای «دی» و «تری» شمار اتم‌های نیتروژن و اکسیژن را به‌درستی نشان می‌دهند، اما بخش دوم نام باید «اکسید» باشد، نه «اکسیژن». پس نام درست «دی‌نیتروژن تری‌اکسید» است؛ همین نام در بخش «خود را بیازمایید» کتاب نیز آمده است (شیمی ۱، صفحهٔ ۵۶–۵۷).

۵. $\mathrm{ScP}$: نام داده‌شده در الگوی نام‌گذاری کتاب درسی نادرست است. اسکاندیم کاتیون با بار معین $+3$ تشکیل می‌دهد؛ بنابراین عدد رومی برای آن نوشته نمی‌شود. نام درست «اسکاندیم فسفید» است. توجه کنید که صرفِ فلز واسطه بودن، دلیل استفاده از عدد رومی نیست؛ ملاک، تشکیل کاتیون‌هایی با بارهای متفاوت است.

۶. $\mathrm{Al_2(CO_3)_3}$: نام داده‌شده درست است. این ترکیب از کاتیون آلومینیم $\mathrm{Al^{3+}}$ و آنیون کربنات $\mathrm{CO_3^{2-}}$ تشکیل شده است. بار کل نیز برابر صفر است: $2(+3)+3(-2)=0$. آلومینیم بار معین دارد؛ پس نام «آلومینیم کربنات» به عدد رومی یا پیشوند شمارشی نیاز ندارد. نام‌گذاری بدون عدد رومی برای آلومینیم در مثال «آلومینیم فلوئورید» کتاب نیز دیده می‌شود (شیمی ۱، صفحهٔ ۵۶).

در نتیجه، نام‌های مربوط به مس کلرید، آهن اکسید و آلومینیم کربنات درست‌اند؛ یعنی سه نام درست داریم.

پاسخ: گزینهٔ ۳

ابتدا عنصر را شناسایی می‌کنیم و سپس چهار عبارت را بررسی می‌کنیم.

۱. تعیین آرایش الکترونی عنصر

عددهای کوانتومی $n=3$ و $l=2$، زیرلایهٔ $3d$ را مشخص می‌کنند؛ بنابراین اتم موردنظر دارای $3d^{10}$ است.

از طرف دیگر، $l=0$ مربوط به زیرلایه‌های $s$ است. زیرلایه‌های پرِ $1s$، $2s$ و $3s$ در مجموع شش الکترون دارند؛ پس از هفت الکترونِ نوع $s$، یک الکترون در $4s$ قرار دارد:

$N_s=2+2+2+1=7$

بنابراین آرایش الکترونی اتم چنین است:

$1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,3d^{10}\,4s^1=[\mathrm{Ar}]\,3d^{10}\,4s^1$

شمار کل الکترون‌ها برابر است با:

$Z=18+10+1=29$

پس عنصر موردنظر، مس با نماد $\mathrm{Cu}$ است. توجه کنید که آرایش واقعی مس از موارد استثنای قاعدهٔ آفباست؛ کتاب نیز تأکید می‌کند که این قاعده برای همهٔ عنصرها آرایش درست را پیش‌بینی نمی‌کند (شیمی ۱، صفحهٔ ۳۲).

۲. بررسی عبارت اول: نادرست

مس در گروه $11$ قرار دارد، نه گروه $9$. برای این عنصرِ دستهٔ $d$، مجموع الکترون‌های $3d$ و $4s$ نیز شمارهٔ گروه را نشان می‌دهد:

$10+1=11$

تعیین گروه و دوره از روی آرایش الکترونی، در شیمی ۱، صفحهٔ ۳۴ بررسی شده است.

۳. بررسی عبارت دوم: درست

بزرگ‌ترین عدد کوانتومی اصلی در آرایش مس، $n=4$ است؛ پس مس در دورهٔ چهارم قرار دارد. همچنین مس از فلزهای واسطهٔ دستهٔ $d$ است؛ وجود زیرلایهٔ بیرونیِ $4s^1$ به معنای تعلق آن به دستهٔ $s$ نیست (شیمی ۱، صفحهٔ ۳۴).

۴. بررسی عبارت سوم: درست

الکترون‌های دارای $l=1$ همان الکترون‌های زیرلایه‌های $p$ هستند. در اتم مس داریم:

$N_p(\mathrm{Cu})=2p^6+3p^6\ \Rightarrow\ 6+6=12$

آرایش الکترونی تیتانیم با عدد اتمی $22$ نیز چنین است:

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

بنابراین تیتانیم نیز فقط در زیرلایه‌های $2p$ و $3p$ الکترون دارد و شمار الکترون‌های نوع $p$ آن برابر است با:

$N_p(\mathrm{Ti})=6+6=12$

پس شمار این الکترون‌ها در دو اتم برابر است.

۵. بررسی عبارت چهارم: درست

آخرین زیرلایهٔ اشغال‌شده در نمایش لایه‌ای آرایش مس، یعنی زیرلایهٔ بیرونیِ $4s$، یک الکترون دارد.

عنصر با عدد اتمی $21$، اسکاندیم است و آرایش آن به‌صورت زیر نوشته می‌شود:

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

طبق کتاب، در عنصرهای دستهٔ $d$ دورهٔ چهارم، الکترون‌های ظرفیت شامل الکترون‌های هر دو زیرلایهٔ $4s$ و $3d$ هستند؛ پس اسکاندیم سه الکترون ظرفیت دارد، نه دو الکترون (شیمی ۱، صفحه‌های ۳۲–۳۳).

$N_{\text{ظرفیت}}(\mathrm{Sc})=1+2=3$

در نتیجه:

$\frac{1}{3}\times3=1$

این مقدار با شمار الکترون‌های زیرلایهٔ $4s$ مس برابر است؛ بنابراین عبارت چهارم نیز درست است.

در مجموع، عبارت‌های دوم، سوم و چهارم درست‌اند؛ یعنی سه مورد درست است.

پاسخ: گزینهٔ ۲

برای هر عبارت باید بررسی کنیم آیا مقدار آن در یک مولکول اوزون، $\mathrm{O_3}$، از یک مولکول اکسیژن، $\mathrm{O_2}$، بیشتر است یا نه.

گام اول: مقایسۀ الکترون‌های پیوندی و ناپیوندی
طبق روش رسم ساختار لوویس، مجموع الکترون‌های پیوندی و ناپیوندی باید با مجموع الکترون‌های ظرفیت اتم‌های مولکول برابر باشد (شیمی ۱، صفحهٔ ۵۷–۵۸). هر اتم اکسیژن $6$ الکترون ظرفیت دارد.

در مولکول اکسیژن، ساختار $\mathrm{O=O}$ دارای یک پیوند دوگانه، یعنی $4$ الکترون پیوندی است. بنابراین:
$N_{\text{ناپیوندی}}(\mathrm{O_2})=2\times6-4=8$

در ساختار لوویس اوزون، یک پیوند یگانه و یک پیوند دوگانه داریم؛ یعنی در مجموع سه جفت الکترون پیوندی. کتاب نیز وجود سه پیوند اشتراکی در اوزون را بیان می‌کند (شیمی ۱، صفحهٔ ۷۴). پس شمار الکترون‌های پیوندی آن $6$ و شمار الکترون‌های ناپیوندی آن برابر است با:
$N_{\text{ناپیوندی}}(\mathrm{O_3})=3\times6-6=12$

بنابراین هم شمار الکترون‌های ناپیوندی، با مقایسۀ $12>8$، و هم شمار الکترون‌های پیوندی، با مقایسۀ $6>4$، در اوزون بیشتر است. دو عبارت نخست درست‌اند.

گام دوم: مقایسۀ پایداری و واکنش‌پذیری
اوزون نسبت به اکسیژن کم‌پایدارتر است؛ پس عبارت «پایداری مولکول اوزون در مقایسه با مولکول اکسیژن بیشتر است» نادرست است. در مقابل، اوزون واکنش‌پذیری بیشتری دارد؛ کتاب این ویژگی را صریحاً بیان کرده و کاربرد آن در گندزدایی را نیز مطرح می‌کند (شیمی ۱، صفحهٔ ۷۳–۷۴). بنابراین عبارت پایداری نادرست و عبارت واکنش‌پذیری درست است.

گام سوم: مقایسۀ گشتاور دوقطبی
مولکول اکسیژن دو اتم یکسان دارد و توزیع بار آن متقارن است؛ در نتیجه گشتاور دوقطبی آن صفر است. اما مولکول اوزون ساختاری خمیده و توزیع بار نامتقارن دارد و قطبی است؛ بنابراین:
$\mu(\mathrm{O_3})>\mu(\mathrm{O_2})=0$
پس عبارت گشتاور دوقطبی نیز درست است. توجه کنید که ساخته‌شدن مولکول از اتم‌های یک عنصر، به‌تنهایی به معنای ناقطبی‌بودن آن نیست.

در نتیجه، به‌جز «پایداری»، چهار عبارت دیگر مفهوم علمی درستی دارند.

پاسخ: گزینهٔ ۳

برای پاسخ، باید «واکنش‌پذیری کم» را از «بی‌خطر بودن» جدا کنیم و نقش آلکان‌ها در حل‌کردن چربی را در نظر بگیریم.

گام اول ــ بررسی قطبیت: آلکان‌ها ناقطبی‌اند؛ چربی‌ها نیز طبق دادهٔ خود را بیازمایید، گشتاور دوقطبی نزدیک به صفر دارند و ناقطبی محسوب می‌شوند. بنابراین بر پایهٔ قاعدهٔ «شبیه، شبیه را حل می‌کند»، آلکان‌های مایع می‌توانند چربی‌ها را در خود حل کنند؛ به همین دلیل بنزین و نفت، گریس را از دست پاک می‌کنند. (شیمی ۲، صفحه‌های ۳۶ و ۳۷)

گام دوم ــ بررسی اثر بر پوست: این حلال‌ها همراه با آلودگی چرب، چربی طبیعی و محافظ سطح پوست را نیز حل و از آن جدا می‌کنند. در نتیجه پوست خشک می‌شود و تکرار این کار در درازمدت به بافت پوست آسیب می‌رساند. پس گزارهٔ سوم درست است. (شیمی ۲، صفحهٔ ۳۷)

گام سوم ــ رد سایر گزاره‌ها: آلکان‌ها هیدروکربن‌های سیرشده با تمایل کم به واکنش‌اند؛ بنابراین هم‌واکنش‌پذیر دانستن آن‌ها با آلکن‌ها درست نیست. همچنین کم‌بودن نسبی سمیت و واکنش‌پذیری آلکان‌ها به معنای بی‌خطر بودن بخار بنزین نیست: ورود این بخارها به شش‌ها می‌تواند مانع انتقال گازهای تنفسی شود و در مقدار زیاد، مرگ‌آور باشد. پس نه توصیف همهٔ آلکان‌ها به‌عنوان مواد بسیار سمی درست است و نه کم‌خطر دانستن مکیدن بنزین با شلنگ. (شیمی ۲، صفحهٔ ۳۷)

پاسخ: گزینهٔ ۳

برای پاسخ، باید اطلاعاتی را که از هویت عنصر به دست می‌آیند، از اطلاعات وابسته به ایزوتوپ جدا کنیم.

۱. شمارهٔ گروه و شمارهٔ دوره: مشخص می‌شوند. ستون عنصر، گروه و ردیف آن، دوره را تعیین می‌کند؛ پس جایگاه عنصر هر دو را مشخص می‌کند (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۲).

۲. عدد اتمی: مشخص می‌شود. عنصرها در جدول تناوبی به ترتیب افزایش عدد اتمی قرار گرفته‌اند و هر خانه به یک عنصر معین تعلق دارد؛ بنابراین جایگاه عنصر، عدد اتمی آن را تعیین می‌کند (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۲).

۳. شمار ایزوتوپ‌ها: مشخص نمی‌شود. جایگاه جدول بر اساس عدد اتمی است و به‌تنهایی نشان نمی‌دهد یک عنصر چند ایزوتوپ دارد.

۴. عدد جرمی: مشخص نمی‌شود. ایزوتوپ‌های یک عنصر عدد اتمی یکسان، ولی عدد جرمی متفاوت دارند. پس بدون تعیین ایزوتوپ نمی‌توان عدد جرمی معینی به اتم نسبت داد. توجه کنید که «جرم اتمی میانگین» در خانهٔ جدول، با «عدد جرمی» یک ایزوتوپ تفاوت دارد؛ دادهٔ جرمیِ معرفی‌شده در خانهٔ نمونهٔ کتاب نیز جرم اتمی میانگین است (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۲).

۵. شمار پروتون‌ها و الکترون‌های اتم: مشخص می‌شود. عدد اتمی برابر شمار پروتون‌هاست و در اتم خنثی، شمار الکترون‌ها نیز با آن برابر است:
$N_p=Z\qquad N_e=Z$
کتاب نیز چیدمان عنصرها را بر مبنای عدد اتمی یا شمار الکترون‌های اتم بیان می‌کند (شیمی ۱، صفحه‌های ۲۷–۲۸). این عبارت در فهرست سؤال، یک مورد محسوب می‌شود.

۶. شمار نوترون‌های اتم: مشخص نمی‌شود. برای محاسبهٔ آن، علاوه بر عدد اتمی، عدد جرمی نیز لازم است:
$N_n=A-Z$
چون ایزوتوپ و در نتیجه عدد جرمی مشخص نیست، شمار نوترون‌ها نیز تعیین نمی‌شود.

۷. زیرلایهٔ در حال پر شدن اتم: مشخص می‌شود. با معلوم بودن عدد اتمی، شمار الکترون‌های اتم خنثی مشخص است؛ از توزیع این الکترون‌ها در لایه‌ها و زیرلایه‌ها، زیرلایهٔ در حال پر شدن تعیین می‌شود (شیمی ۱، صفحه‌های ۲۷–۳۰).

در نتیجه، شمارهٔ گروه، شمارهٔ دوره، عدد اتمی، شمار پروتون‌ها و الکترون‌های اتم، و زیرلایهٔ در حال پر شدن مشخص می‌شوند؛ یعنی در مجموع پنج مورد.

پاسخ: گزینهٔ ۲

۱. تعیین مقدار هیدروژن لازم برای تبدیل اتین به اتان

در هیدروکربن‌های سیرنشده، با انجام واکنش افزایشی می‌توان پیوند چندگانه را به پیوند یگانه تبدیل کرد؛ کتاب این مفهوم را برای آلکن‌ها توضیح می‌دهد (شیمی ۲، صفحهٔ ۴۱). اتین دارای پیوند سه‌گانه است و برای تبدیل کامل آن به اتان، واکنش زیر انجام می‌شود:

$\mathrm{C_2H_2+2H_2\longrightarrow C_2H_6}$

پس هر مول اتین به دو مول هیدروژن نیاز دارد. برای مقدار اتین داده‌شده داریم:

$n(\mathrm{H_2})=2\times 0.1=0.2\,\mathrm{mol}$

۲. محاسبهٔ حجم گاز آزادشده

حجم هر مول گاز در شرایط استاندارد برابر $22.4\,\mathrm{L}$ است؛ بنابراین:

$V(\mathrm{H_2})=0.2\,\mathrm{mol}\times 22.4\,\mathrm{L\,mol^{-1}}=4.48\,\mathrm{L}$

۳. تعیین جرم روی در آلیاژ

مس با هیدروکلریک اسید واکنش نمی‌دهد، اما روی با این اسید واکنش می‌دهد و هیدروژن آزاد می‌کند:

$\mathrm{Zn+2HCl\longrightarrow ZnCl_2+H_2}$

مانند نمونهٔ محاسبهٔ گاز حاصل از واکنش فلز با اسید در کتاب، باید نسبت مولی را از معادلهٔ موازنه‌شده به دست آوریم (شیمی ۲، صفحه‌های ۲۳–۲۴). نسبت مول روی به هیدروژن یک‌به‌یک است؛ پس:

$n(\mathrm{Zn})=n(\mathrm{H_2})=0.2\,\mathrm{mol}$

$m(\mathrm{Zn})=0.2\,\mathrm{mol}\times65\,\mathrm{g\,mol^{-1}}=13\,\mathrm{g}$

۴. محاسبهٔ درصد جرمی مس

آلیاژ فقط از مس و روی تشکیل شده است؛ بنابراین جرم مس برابر است با:

$m(\mathrm{Cu})=40-13=27\,\mathrm{g}$

درصد جرمی مس از تقسیم جرم مس بر جرم کل آلیاژ به دست می‌آید:

$\text{درصد جرمی مس}=\frac{m(\mathrm{Cu})}{m(\text{آلیاژ})}\times100=\frac{27}{40}\times100=67.5\%$

پس حجم گاز آزادشده $4.48\,\mathrm{L}$ و درصد جرمی مس $67.5\%$ است.

پاسخ: گزینهٔ ۱

برای محاسبهٔ بازده، باید مقدار عملی فراورده را بر مقدار نظری آن تقسیم کنیم. مقدار نظری از واکنش کاملِ مادهٔ اولیه به دست می‌آید، اما مقدار عملی همان مقداری است که واقعاً تولید شده است (شیمی ۲، صفحه‌های ۲۳ و ۲۴):
$\text{بازده درصدی}=\frac{\text{مقدار عملی فراورده}}{\text{مقدار نظری فراورده}}\times100$

گام اول: تعیین مقدار عملی کربن دی‌اکسید
معادلهٔ موازنه‌شدهٔ سوختن کامل پروپان چنین است:
$\mathrm{C_3H_8(g)+5O_2(g)\rightarrow3CO_2(g)+4H_2O(g)}$
پس مقدار کربن دی‌اکسید حاصل از سوختن پروپان برابر است با:
$n(\mathrm{CO_2})=0.03\,\mathrm{mol}\times3=0.09\,\mathrm{mol}$
طبق صورت سؤال، جرم کربن دی‌اکسید حاصل از تجزیه با جرم این گاز برابر است. چون در هر دو واکنش یک مادهٔ یکسان را مقایسه می‌کنیم، مقدار مولی آن‌ها نیز برابر است؛ بنابراین مقدار عملی کربن دی‌اکسید در واکنش تجزیه برابر با $0.09\,\mathrm{mol}$ است.

گام دوم: محاسبهٔ مقدار نظری کربن دی‌اکسید
جرم مولی کلسیم کربنات را محاسبه می‌کنیم:
$M(\mathrm{CaCO_3})=40+12+3(16)=100\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
بنابراین مقدار کلسیم کربنات اولیه برابر است با:
$n(\mathrm{CaCO_3})=\frac{10\,\mathrm{g}}{100\,\mathrm{g\,mol^{-1}}}=0.10\,\mathrm{mol}$
در واکنش تجزیه، نسبت مولی کلسیم کربنات به کربن دی‌اکسید یک‌به‌یک است:
$\mathrm{CaCO_3(s)\rightarrow CaO(s)+CO_2(g)}$
در نتیجه، اگر تمام کلسیم کربنات تجزیه شود، مقدار نظری کربن دی‌اکسید برابر با $0.10\,\mathrm{mol}$ خواهد بود.

گام سوم: محاسبهٔ بازده درصدی
برای یک فراوردهٔ یکسان، نسبت جرم‌ها با نسبت مقدارهای مولی برابر است؛ پس می‌توان مستقیماً نوشت:
$\text{بازده درصدی}=\frac{0.09}{0.10}\times100=90\%$

پاسخ: گزینهٔ ۱

۱. رابطهٔ محاسبهٔ آنتالپی واکنش

طبق روش آنتالپی پیوند، انرژی لازم برای شکستن پیوندهای واکنش‌دهنده‌ها را جمع می‌کنیم و انرژی آزادشده از تشکیل پیوندهای فراورده‌ها را از آن کم می‌کنیم (شیمی ۲، صفحه‌های ۶۸–۶۹):

$\Delta H=\sum E_{\text{پیوندهای شکسته‌شده}}-\sum E_{\text{پیوندهای تشکیل‌شده}}$

۲. معادله‌های سوختن کامل را برای یک مول سوخت می‌نویسیم.

در سوختن کامل هیدروکربن‌ها، کربن‌دی‌اکسید و آب تولید می‌شوند (شیمی ۲، صفحه‌های ۷۲–۷۳). در محاسبه با آنتالپی پیوند، مولکول‌ها را در حالت گازی در نظر می‌گیریم:

$\mathrm{C_4H_{10}(g)+\frac{13}{2}O_2(g)\rightarrow4CO_2(g)+5H_2O(g)}$

$\mathrm{C_2H_6(g)+\frac{7}{2}O_2(g)\rightarrow2CO_2(g)+3H_2O(g)}$

۳. آنتالپی سوختن بوتان را محاسبه می‌کنیم.

هر مولکول بوتان دارای ده پیوند $\mathrm{C-H}$ و سه پیوند $\mathrm{C-C}$ است. در فراورده‌ها نیز هشت پیوند $\mathrm{C=O}$ و ده پیوند $\mathrm{O-H}$ تشکیل می‌شود. بنابراین برای سوختن یک مول بوتان:

$\Delta H_{\mathrm{B}}=\left[10(414)+3(348)+\frac{13}{2}(495)\right]-\left[8(800)+10(463)\right]$

$\Delta H_{\mathrm{B}}=8401.5-11030=-2628.5\,\mathrm{kJ}$

۴. آنتالپی سوختن اتان را محاسبه می‌کنیم.

هر مولکول اتان شش پیوند $\mathrm{C-H}$ و یک پیوند $\mathrm{C-C}$ دارد. در فراورده‌ها چهار پیوند $\mathrm{C=O}$ و شش پیوند $\mathrm{O-H}$ تشکیل می‌شود. پس برای سوختن یک مول اتان:

$\Delta H_{\mathrm{E}}=\left[6(414)+348+\frac{7}{2}(495)\right]-\left[4(800)+6(463)\right]$

$\Delta H_{\mathrm{E}}=4564.5-5978=-1413.5\,\mathrm{kJ}$

۵. مقدار مادهٔ داده‌شده و تفاوت گرمای آزادشده را در نظر می‌گیریم.

آنتالپی سوختن برای یک مول ماده تعریف می‌شود؛ بنابراین برای مقدار $0.5\,\mathrm{mol}$، گرمای هر واکنش نصف می‌شود (شیمی ۲، صفحه‌های ۷۳–۷۴). علامت منفی، گرماده بودن واکنش را نشان می‌دهد و برای مقایسهٔ مقدار گرمای آزادشده، بزرگی آن را در نظر می‌گیریم (شیمی ۲، صفحه‌های ۶۶–۶۷):

$\Delta Q=0.5\left(2628.5-1413.5\right)=0.5(1215)=607.5\,\mathrm{kJ}$

پس سوختن مقدار داده‌شده از بوتان، به اندازهٔ $607.5\,\mathrm{kJ}$ گرمای بیشتری آزاد می‌کند.

پاسخ: گزینهٔ ۱

نکتهٔ مهم: گزینهٔ چهارم با برداشت معمول سؤال درست است، اما گزینهٔ اول نیز درست است؛ بنابراین سؤال با متن فعلی، پاسخ یکتایی ندارد. بررسی زیر این ناسازگاری را روشن می‌کند.

گام اول ـ نوشتن غلظت‌ها برحسب پیشرفت واکنش
در برداشت معمول از این نمودار، حجم ثابت است و در آغاز فقط دو واکنش‌دهنده حضور دارند. چون مول‌های اولیهٔ آن‌ها برابر است، غلظت اولیهٔ هر کدام را $c$ می‌گیریم. اگر تا زمان دلخواه، غلظت $\mathrm{A}$ به اندازهٔ $x$ کاهش یابد، از معادلهٔ موازنه‌شده داریم:
$[\mathrm{A}]=c-x$
$[\mathrm{D}]=c-2x$
$[\mathrm{X}]=2x$
$[\mathrm{Y}]=x$
این روابط از تناسب مقدار مصرف و تولید مواد با ضرایب استوکیومتری به دست می‌آیند (شیمی ۲، صفحهٔ ۹۲–۹۳).

گام دوم ـ بررسی گزینهٔ چهارم
در محل تقاطع نمودارهای $\mathrm{A}$ و $\mathrm{X}$، غلظت آن‌ها برابر است؛ پس:
$c-x=2x\ \Rightarrow\ x=\frac{c}{3}$
پیش از تعادل، با پیشرفت خالص واکنش به سمت فراورده‌ها، $x$ افزایش می‌یابد. بنابراین اگر دو نمودار واقعاً یکدیگر را قطع کنند و از هم بگذرند، پس از تقاطع داریم:
$[\mathrm{X}]-[\mathrm{A}]=2x-(c-x)=3x-c>0$
در نتیجه، در حالت نهایی نیز غلظت $\mathrm{X}$ بیشتر از غلظت $\mathrm{A}$ خواهد بود. پس گزینهٔ چهارم درست است. منظور از «قطع کردن» در این استدلال، عبور نمودارها از یکدیگر است، نه صرفاً رسیدن به غلظت برابر در تعادل.

گام سوم ـ بررسی دو گزینهٔ نادرست
برای واکنش‌دهنده‌ها داریم:
$[\mathrm{A}]-[\mathrm{D}]=(c-x)-(c-2x)=x$
پس پس از شروع واکنش، نمودار $\mathrm{A}$ بالاتر از نمودار $\mathrm{D}$ قرار می‌گیرد و این دو، جز نقطهٔ آغاز مشترک، تقاطعی ندارند؛ بنابراین گزینهٔ دوم نادرست است.
همچنین چون مقدار مصرف $\mathrm{D}$ با مقدار تولید $\mathrm{X}$ برابر است:
$\frac{\Delta[\mathrm{D}]}{\Delta t}=-\frac{\Delta[\mathrm{X}]}{\Delta t}$
پس شیب این دو نمودار قرینهٔ یکدیگر است، نه عکس یکدیگر؛ بنابراین گزینهٔ سوم نیز نادرست است. علامت منفی شیب نمودار واکنش‌دهنده، بیانگر کاهش مقدار آن است (شیمی ۲، صفحهٔ ۸۹–۹۰).

گام چهارم ـ اشکال گزینهٔ اول و کلید
شیب در یک بازهٔ زمانی از تقسیم تغییر مقدار بر تغییر زمان به دست می‌آید (شیمی ۲، صفحهٔ ۸۸–۸۹). از روابط فراورده‌ها در هر بازه داریم:
$\Delta[\mathrm{X}]=2\Delta[\mathrm{Y}]\ \Rightarrow\ \frac{\Delta[\mathrm{X}]}{\Delta t}=2\frac{\Delta[\mathrm{Y}]}{\Delta t}$
پس گزینهٔ اول نیز درست است؛ در تعادل هم هر دو شیب صفرند و همین تساوی برقرار می‌ماند. بنابراین گزینهٔ چهارم قابل اثبات است، اما برای یکتا شدن پاسخ، متن گزینهٔ اول یا بخشی از صورت سؤال باید اصلاح شود.

پاسخ: گزینهٔ ۴

۱. سرعت اولیهٔ واکنش را مشخص می‌کنیم.
طبق تعریف کتاب، سرعت واکنش از تقسیم سرعت مصرف یا تولید هر ماده بر ضریب استوکیومتری آن به دست می‌آید (شیمی ۲، صفحهٔ ۹۲–۹۳). در واکنش $\mathrm{A+X\rightarrow D}$، ضریب $\mathrm{A}$ برابر $1$ است؛ بنابراین سرعت اولیهٔ واکنش با سرعت مصرف آن برابر است:
$R_1=0.4\,\mathrm{mol\,L^{-1}\,s^{-1}}$

۲. نسبت سرعت نهایی به سرعت اولیه را حساب می‌کنیم:
$\frac{R_2}{R_1}=\frac{3.2}{0.4}=8=2^3$
پس سرعت باید سه بار دو برابر شود.

۳. افزایش دمای لازم را به دست می‌آوریم.
کتاب، افزایش دما را یکی از عوامل افزایش سرعت واکنش معرفی می‌کند (شیمی ۲، صفحهٔ ۸۲). طبق دادهٔ همین سؤال، هر بار دو برابر شدن سرعت به $10^\circ\mathrm{C}$ افزایش دما نیاز دارد؛ پس:
$\Delta T=3\times 10=30^\circ\mathrm{C}$

دقت کنید که سؤال «افزایش دما» را می‌خواهد؛ بنابراین نباید دمای آغازین را به این مقدار اضافه کنیم.

پاسخ: گزینهٔ ۱

ابتدا ساختار پنتیل اتانوات را می‌نویسیم:

$\mathrm{CH_3-C(=O)-O-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3}$

این ماده یک استر است. اکنون عبارت‌ها را جداگانه بررسی می‌کنیم.

عبارت اول: درست است. بسیاری از استرهای کوچک، رایحهٔ میوه‌ای دارند و پنتیل اتانوات نیز از استرهای خوش‌بوی مرتبط با بوی میوه‌هاست.

عبارت دوم: درست است. گروه عاملی استری، یعنی $\mathrm{-C(=O)-O-}$، از یک اتم کربن و دو اتم اکسیژن تشکیل شده است؛ بنابراین سه اتم دارد. کربن‌ها و هیدروژن‌های دو طرف این گروه، جزو خود گروه عاملی نیستند.

عبارت سوم: نادرست است. در ساختار این مولکول فقط یک پیوند دوگانه، یعنی پیوند $\mathrm{C=O}$، وجود دارد. اکسیژن دیگر با دو پیوند یگانه به دو اتم کربن متصل است و در زنجیرهای کربنی نیز پیوند دوگانه‌ای وجود ندارد.

عبارت چهارم: درست است. هر اتم اکسیژن در این ساختار خنثی، دو جفت‌الکترون ناپیوندی دارد؛ پس مجموع آن‌ها برابر است با:

$2\times 2=4$

عبارت پنجم: درست است. آبکافت پنتیل اتانوات، اتانوئیک اسید و پنتانول تولید می‌کند:

$\mathrm{CH_3COOC_5H_{11}+H_2O\rightleftharpoons CH_3COOH+C_5H_{11}OH}$

اسید حاصل، همان استیک اسید یا اتانوئیک اسید با فرمول $\mathrm{CH_3COOH}$ است که در مبحث کربوکسیلیک‌اسیدها نیز معرفی شده است (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۸–۱۹).

طبق معادله، از هر یک مول استر، در حالت نظری یک مول اسید تشکیل می‌شود. با بازده $50\%$ داریم:

$n_{\text{اسید، واقعی}}=1\times\frac{50}{100}=0.5\ \mathrm{mol}$

جرم مولی اتانوئیک اسید برابر است با:

$M(\mathrm{C_2H_4O_2})=2(12)+4(1)+2(16)=60\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$

بنابراین جرم اسید تولیدشده:

$m=nM=0.5\times60=30\ \mathrm{g}$

پس عبارت‌های اول، دوم، چهارم و پنجم درست‌اند؛ یعنی در مجموع چهار عبارت درست است.

پاسخ: گزینهٔ ۲

برای پاسخ، هر عبارت را جداگانه بررسی می‌کنیم:

۱. «پیوند کووالانسی، سنگ‌بنای تشکیل پلیمرهای سنتزی است»: درست است. در بسپارش، مولکول‌های کوچک با ایجاد پیوندهای کووالانسی به یکدیگر متصل می‌شوند و زنجیرهای بلند می‌سازند. برای نمونه، در پلی‌اتن، اتصال اتم‌های کربن در زنجیر از نوع پیوند اشتراکی یا کووالانسی است؛ نیروهای بین‌مولکولی را نباید با این پیوندها اشتباه گرفت. (شیمی ۲، صفحهٔ ۱۰۴)

۲. «در هر مولکول انسولین، واحدهای تکرارشونده دارای اتم‌های کربن و هیدروژن‌اند»: نادرست است. در چارچوب ساختار و دسته‌بندی ارائه‌شده در این بخش کتاب، برای انسولین واحد تکرارشوندهٔ بسپاری مانند واحدهای نشاسته، سلولز یا پلی‌اتن در نظر گرفته نشده است. نکتهٔ عبارت، وجود «واحدهای تکرارشونده» است؛ صرف وجود اتم‌های $\mathrm{C}$ و $\mathrm{H}$ در یک مولکول، وجود چنین واحدهایی را ثابت نمی‌کند. (شیمی ۲، صفحه‌های ۱۰۳–۱۰۴)

۳. «پلیمرها، درشت‌مولکول‌هایی‌اند که از واحدهای تکرارشونده تشکیل شده‌اند»: درست است. این همان ویژگی اصلی بسپارهاست؛ مثلاً سلولز و نشاسته از اتصال شمار زیادی واحد مشتق از گلوکز ساخته می‌شوند. (شیمی ۲، صفحه‌های ۱۰۲–۱۰۴)

۴. «درشت‌مولکول‌های مختلف، خواص فیزیکی یکسان و خواص شیمیایی متفاوتی دارند»: نادرست است. درشت‌مولکول بودن، یکسان بودن خواص فیزیکی را تضمین نمی‌کند؛ ساختار مولکولی و نیروهای بین‌مولکولی بر خواص ماده اثر دارند. کتاب نیز با مقایسهٔ نشاسته و سلولز نشان می‌دهد که حتی با وجود سازندهٔ اولیهٔ مشترک، تفاوت ساختار می‌تواند به تفاوت خواص بینجامد. بنابراین نمی‌توان برای همهٔ درشت‌مولکول‌ها چنین حکم کلی‌ای صادر کرد. (شیمی ۲، صفحه‌های ۱۰۳–۱۰۴)

پس عبارت‌های دوم و چهارم نادرست‌اند؛ یعنی دو مورد.

پاسخ: گزینهٔ ۳

۱) ابتدا قدرت دو اسید را مقایسه می‌کنیم. مطابق جدول ثابت یونش اسیدها، استیک اسید ضعیف است و تنها بخشی از مولکول‌های آن یونیده می‌شوند، اما نیتریک اسید قوی است و در آب تقریباً به‌طور کامل یونیده می‌شود (شیمی ۳، صفحهٔ ۲۳–۲۴):

$\mathrm{CH_3COOH(aq)\rightleftharpoons H^+(aq)+CH_3COO^-(aq)}$

$\mathrm{HNO_3(aq)\rightarrow H^+(aq)+NO_3^-(aq)}$

در این معادله‌ها، نماد $\mathrm{H^+(aq)}$ برای نمایش یون هیدرونیوم به کار رفته است (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۵).

۲) غلظت مولار اولیهٔ مشترک دو اسید را $C$ و درجهٔ یونش استیک اسید را $\alpha$ می‌نامیم. با صرف‌نظر از سهم ناچیز خودیونش آب، داریم:

$[\mathrm{H^+}]_{\mathrm{I}}=[\mathrm{CH_3COO^-}]=\alpha C$

$[\mathrm{H^+}]_{\mathrm{II}}=[\mathrm{NO_3^-}]\simeq C$

چون $\alpha<1$ است، غلظت یون‌های حاصل از اسید در محلول استیک اسید کمتر است. کامل بودن تقریبی یونش نیتریک اسید در تمرین‌های کتاب نیز به کار رفته است (شیمی ۳، صفحهٔ ۳۳–۳۴).

۳) با افزایش دما، تعادل یونش استیک اسید در جهت تولید یون‌های بیشتر جابه‌جا می‌شود و درجهٔ یونش آن افزایش می‌یابد. در مقابل، نیتریک اسید از ابتدا تقریباً کامل یونیده است و از نظر افزایش میزان یونش، تغییر محسوسی ندارد. بنابراین غلظت یون‌ها در محلول استیک اسید به غلظت یون‌ها در محلول نیتریک اسید نزدیک‌تر می‌شود.

برای مجموع غلظت یون‌های حاصل از اسید، اختلاف اولیه چنین است:

$\Delta c_{\text{یون‌ها}}\simeq 2C-2\alpha C=2C(1-\alpha)$

پس با افزایش $\alpha$، این اختلاف کاهش می‌یابد و عبارت گزینهٔ سوم درست است.

۴) برای بررسی سایر عبارت‌ها، توجه کنید که مجموع غلظت مولکول‌های اسیدِ یونیده‌نشده و یون‌های حاصل از آن در محلول استیک اسید برابر است با:

$C(1-\alpha)+2\alpha C=C(1+\alpha)<2C$

پس این مجموع از مقدار متناظر در محلول نیتریک اسید کمتر است، نه بیشتر. همچنین افزایش دمای یکسان، الزاماً تغییر یکسان $\mathrm{pH}$ ایجاد نمی‌کند؛ زیرا پاسخ یونش دو اسید به گرم کردن یکسان نیست. در نهایت، ثابت یونش در دمای ثابت به غلظت اولیه وابسته نیست، بنابراین تغییر غلظت نمی‌تواند ثابت یونش دو اسید را به یکدیگر نزدیک کند.

پاسخ: گزینهٔ ۳

برای بررسی عبارت‌ها، ابتدا تغییر عدد اکسایش عناصر را در واکنش مشخص می‌کنیم. همین واکنش در تمرین باتری روی ـ نقرهٔ کتاب آمده است (شیمی ۳، صفحهٔ ۶۳):

$\mathrm{Zn(s)+Ag_2O(s)\rightarrow ZnO(s)+2Ag(s)}$

عدد اکسایش اکسیژن در هر دو اکسید برابر $-2$ است؛ پس روی از صفر به $+2$ و نقره از $+1$ به صفر می‌رسد:

$\mathrm{Zn:\quad 0\rightarrow +2}$

$\mathrm{Ag:\quad +1\rightarrow 0}$

بنابراین روی اکسایش می‌یابد و نقرهٔ موجود در اکسید نقره کاهش پیدا می‌کند.

عبارت اول: درست است. با استفاده از پتانسیل‌های داده‌شده در چارچوب سؤال، پتانسیل کاهشی نقره بیشتر است؛ بنابراین سمت نقره کاتد و سمت روی آند است. رابطهٔ محاسبهٔ نیروی الکتروموتوری، اختلاف پتانسیل کاهشی کاتد و آند است (شیمی ۳، صفحه‌های ۴۷–۴۸):

$\mathrm{emf}=E^\circ_{\text{کاتد}}-E^\circ_{\text{آند}}$

$\mathrm{emf}=(+0.80)-(-0.76)=1.56\,\mathrm{V}$

عبارت دوم: درست است. روی با افزایش عدد اکسایش، الکترون از دست می‌دهد. گونه‌ای که الکترون می‌دهد و خود اکسایش می‌یابد، کاهنده است؛ پس اتم‌های روی نقش کاهنده دارند. این تشخیص با جایگاه گونهٔ کاهنده در نیم‌واکنش‌های جدول پتانسیل کاهشی نیز سازگار است (شیمی ۳، صفحه‌های ۴۶–۴۷).

عبارت سوم: نادرست است. اکسنده، گونه‌ای است که الکترون می‌گیرد. در این واکنش، نقرهٔ دارای عدد اکسایش $+1$ در ترکیب $\mathrm{Ag_2O}$ الکترون می‌گیرد؛ پس اکسید نقره گونهٔ اکسنده است، نه اتم‌های نقرهٔ فلزی. نقرهٔ فلزی محصول کاهش است (شیمی ۳، صفحه‌های ۴۶–۴۷ و ۶۳).

عبارت چهارم: نادرست است. هرچند روی محل اکسایش و در نتیجه آند است و کاهش در سمت نقره، یعنی کاتد، رخ می‌دهد، علامت قطب‌ها برعکس نوشته شده است. در سلول گالوانیِ در حال کار، آند قطب منفی و کاتد قطب مثبت است.

عبارت پنجم: درست است. هر اتم نقره برای تغییر عدد اکسایش از $+1$ به صفر، یک الکترون می‌گیرد. با استفاده از عدد آووگادرو، مقدار مولی الکترون‌ها برابر است با:

$n(e^-)=\frac{3.01\times10^{20}}{6.02\times10^{23}}=5.00\times10^{-4}\,\mathrm{mol}$

نسبت مولی نقرهٔ تشکیل‌شده به الکترون برابر یک است؛ بنابراین:

$n(\mathrm{Ag})=5.00\times10^{-4}\,\mathrm{mol}$

$m(\mathrm{Ag})=nM=(5.00\times10^{-4})(108)=0.054\,\mathrm{g}=54\,\mathrm{mg}$

در نتیجه، عبارت‌های اول، دوم و پنجم درست‌اند و در مجموع سه عبارت درست داریم.

پاسخ: گزینهٔ ۳

برای بررسی عبارت‌ها، باید میان «نقش ثابت آند و کاتد» و «واکنش ویژهٔ هر سلول» تفاوت بگذاریم.

۱. عبارت اول درست است. آند همواره محل اکسایش و تولید الکترون، و کاتد محل کاهش و مصرف الکترون است؛ بنابراین جهت انتقال الکترون در مدار بیرونی از آند به کاتد است. در سلول سوختی این انتقال با تولید انرژی الکتریکی انجام می‌شود؛ در سلول الکترولیتی، منبع برق الکترون‌ها را از آند می‌گیرد و به کاتد می‌رساند. الکترون‌ها از درون محلول عبور نمی‌کنند. (شیمی ۳، صفحه‌های ۴۵–۴۶ و ۵۴–۵۵)

۲. عبارت دوم نادرست است. در سلول سوختی، هیدروژن و اکسیژن مصرف و آب تولید می‌شود:
$\mathrm{2H_2(g)+O_2(g)\longrightarrow 2H_2O(g)}$
اما در برقکافت آب، با مصرف انرژی الکتریکی، آب به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌شود:
$\mathrm{2H_2O(l)\longrightarrow 2H_2(g)+O_2(g)}$
پس جهت تبدیل مواد در این دو واکنش معکوس یکدیگر است، نه یکسان. (شیمی ۳، صفحهٔ ۵۲ و صفحه‌های ۵۴–۵۵)

۳. عبارت سوم درست است. در سلول سوختی هیدروژن ـ اکسیژنِ کتاب، نیم‌واکنش آندی چنین است:
$\mathrm{H_2(g)\longrightarrow 2H^+(aq)+2e^-}$
در برقکافت آب نیز نیم‌واکنش آندی به‌صورت زیر موازنه می‌شود:
$\mathrm{2H_2O(l)\longrightarrow O_2(g)+4H^+(aq)+4e^-}$
در هر دو آند، یون $\mathrm{H^+}$ تولید می‌شود؛ بنابراین محیط پیرامون آند اسیدی می‌شود و کاغذ $\mathrm{pH}$ به رنگ قرمز درمی‌آید. (شیمی ۳، بخش سلول سوختی، صفحهٔ ۵۲؛ برقکافت آب، صفحه‌های ۵۴–۵۵)

۴. عبارت چهارم نادرست است. نیم‌واکنش کاتدی سلول سوختی با کوچک‌ترین ضرایب صحیح عبارت است از:
$\mathrm{O_2(g)+4H^+(aq)+4e^-\longrightarrow 2H_2O(g)}$
نیم‌واکنش کاتدی برقکافت آب نیز چنین است:
$\mathrm{2H_2O(l)+2e^-\longrightarrow H_2(g)+2OH^-(aq)}$
پس شمار الکترون‌ها به‌ترتیب $4$ و $2$ است. دو برابر کردن نیم‌واکنش دوم برای جمع‌کردن نیم‌واکنش‌ها، نباید مبنای این مقایسه قرار گیرد. (شیمی ۳، صفحهٔ ۵۲ و صفحه‌های ۵۴–۵۵)

۵. عبارت پنجم نادرست است. طبق همین نیم‌واکنش‌های کاتدی، در سلول سوختی، اکسیژن کاهش می‌یابد و آب تولید می‌شود؛ اما در سلول الکترولیتی، آب کاهش می‌یابد و گاز هیدروژن و یون هیدروکسید تولید می‌شوند. بنابراین این دو نیم‌واکنش یکسان نیستند. (شیمی ۳، صفحهٔ ۵۲ و صفحه‌های ۵۴–۵۵)

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

پاسخ: گزینهٔ ۱

ملاک قطبی یا ناقطبی بودن مولکول، توزیع بار و برآیند گشتاورهای دوقطبی آن است؛ بنابراین شکل مولکول به‌تنهایی برای داوری کافی نیست. همچنین علامت بار جزئی هر اتم به تراکم الکترون روی آن بستگی دارد (شیمی ۳، صفحهٔ ۷۵–۷۶).

عبارت اول: نادرست است.
خطی‌بودن لزوماً به معنای ناقطبی‌بودن نیست. در کربن‌دی‌اکسید، $\mathrm{CO_2}$، دو سوی مولکول یکسان‌اند و اثر گشتاورهای پیوندی یکدیگر را خنثی می‌کند؛ اما در کربونیل سولفید، $\mathrm{COS}$، با ساختار خطی $\mathrm{O=C=S}$، دو انتهای مولکول متفاوت‌اند و گشتاورها کاملاً خنثی نمی‌شوند؛ پس این مولکول قطبی است. همین مثال، حکم کلی عبارت اول را رد می‌کند (شیمی ۳، صفحهٔ ۷۶–۷۷).

عبارت دوم: درست است.
کربن تتراکلرید، $\mathrm{CCl_4}$، و کلروفرم، $\mathrm{CHCl_3}$، در شرایط معمول مایع‌اند. در کربن تتراکلرید، چهار پیوند یکسان در آرایش چهاروجهی متقارن قرار دارند و برآیند گشتاورهای آن‌ها صفر است؛ بنابراین مولکول ناقطبی است. در کلروفرم، جایگزینی یکی از اتم‌های کلر با هیدروژن، تقارن توزیع بار را از بین می‌برد و مولکول قطبی می‌شود. مقایسۀ رفتار باریکۀ این دو مایع در کنار میلۀ باردار نیز بر همین تفاوت استوار است (شیمی ۳، صفحهٔ ۷۷).

عبارت سوم: درست است.
فرمول عمومی $\mathrm{AX_3}$ به‌تنهایی شکل و قطبیت مولکول را مشخص نمی‌کند:

• آمونیاک، $\mathrm{NH_3}$، به‌علت وجود جفت‌الکترون ناپیوندی روی نیتروژن، شکل هرمی دارد و قطبی است.
• گوگرد تری‌اکسید، $\mathrm{SO_3}$، مسطح مثلثی و متقارن است؛ گشتاورهای پیوندی آن یکدیگر را خنثی می‌کنند و مولکول ناقطبی است.

پس مولکول‌های چهار‌اتمی با این فرمول عمومی می‌توانند قطبی یا ناقطبی باشند (شیمی ۳، صفحهٔ ۷۶–۷۷).

عبارت چهارم: نادرست است.
خمیده‌بودن، علامت بار جزئی اتم مرکزی را تعیین نمی‌کند. در آب، $\mathrm{H_2O}$، اکسیژن مرکزی الکترونگاتیوتر از هیدروژن است و بار جزئی $\delta^-$ دارد؛ اما در گوگرد دی‌اکسید، $\mathrm{SO_2}$، که آن هم خمیده است، اکسیژن‌ها الکترونگاتیوتر از گوگردند؛ بنابراین به گوگرد مرکزی بار جزئی $\delta^+$ نسبت می‌دهیم. پس ویژگی اتم مرکزی آب را نمی‌توان به همۀ مولکول‌های خمیده تعمیم داد (شیمی ۳، صفحهٔ ۷۵–۷۶).

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

پاسخ: گزینهٔ ۲

برای بررسی عبارت‌ها، اثر دما و فشار را جداگانه در نظر می‌گیریم.

گام اول: تشخیص جهت گرماده و شمار مول‌های گازی
چون $\Delta H<0$ است، واکنش رفت گرماده است؛ بنابراین می‌توان گرما را به‌صورت مفهومی در سمت فراورده‌ها قرار داد:
$\mathrm{2A(g)+D(g)\rightleftharpoons 2X(g)}+\text{گرما}$
همچنین مجموع ضرایب گازی در سمت واکنش‌دهنده‌ها $2+1=3$ و در سمت فراورده‌ها $2$ است.

گام دوم: بررسی عبارت اول — درست
با کاهش دما، مطابق اصل لوشاتلیه تعادل در جهت تولید گرما جابه‌جا می‌شود تا با کاهش دما مقابله کند. چون جهت رفت گرماده است، تعادل به سمت فراورده‌ها پیش می‌رود. (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۰۷–۱۰۸)

گام سوم: بررسی عبارت دوم — درست
افزایش دما، جهت مصرف گرما یعنی جهت برگشت را تقویت می‌کند. در نتیجه، برای این واکنش گرماده مقدار ثابت تعادل کاهش می‌یابد. عبارت ثابت تعادل نیز به شکل $K=\frac{[X]^2}{[A]^2[D]}$ است؛ افزایش دما تعادل را به سود واکنش‌دهنده‌ها تغییر می‌دهد و مقدار این نسبت در تعادل جدید کوچک‌تر می‌شود. (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۰۷–۱۰۸)

گام چهارم: بررسی عبارت سوم — نادرست
افزایش فشار بر اثر کاهش حجم، در دمای ثابت، تعادل را به سمت مول‌های گازی کمتر، یعنی جهت رفت، جابه‌جا می‌کند؛ اما مقدار ثابت تعادل تغییر نمی‌کند. در این بررسی‌ها، تنها تغییر دما می‌تواند مقدار $K$ را تغییر دهد. بنابراین افزایش مقدار فراورده بر اثر فشار را نباید با افزایش ثابت تعادل اشتباه گرفت. (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۰۶ و صفحهٔ ۱۰۷–۱۰۸)

گام پنجم: بررسی عبارت چهارم — درست
کاهش فشار بر اثر افزایش حجم، در دمای ثابت، تعادل را به سمت مول‌های گازی بیشتر می‌برد. سمت واکنش‌دهنده‌ها دارای $3$ مول گاز در برابر $2$ مول گاز در سمت فراورده‌هاست؛ پس تعادل در جهت برگشت جابه‌جا می‌شود. (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۰۷)

در نتیجه، عبارت‌های اول، دوم و چهارم درست‌اند و در مجموع سه عبارت درست داریم.

پاسخ: گزینهٔ ۳

برای پاسخ، هر چهار عبارت را جداگانه بررسی می‌کنیم.

۱. مقدار ترفتالیک اسید تولیدشده — درست
در تبدیل پارازایلین به ترفتالیک اسید، دو گروه متیل به دو گروه کربوکسیل تبدیل می‌شوند و اسکلت کربنی حفظ می‌شود؛ بنابراین نسبت مولی پارازایلین به ترفتالیک اسید برابر $1:1$ است (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۱۷). معادلهٔ موازنه‌شده با اکسیژن چنین است:
$\mathrm{C_8H_{10}+3O_2\xrightarrow{\text{کاتالیزگر}}C_8H_6O_4+2H_2O}$
جرم مولی ترفتالیک اسید را حساب می‌کنیم:
$M(\mathrm{C_8H_6O_4})=8(12)+6(1)+4(16)=166\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$
پس با فرض واکنش کامل:
$n(\text{ترفتالیک اسید})=n(\text{پارازایلین})=0.1\ \mathrm{mol}$
$m=nM=0.1\times166=16.6\ \mathrm{g}$
بنابراین مقدار بیان‌شده در عبارت اول درست است.

۲. مناسب‌تر بودن پرمنگنات غلیظ از نگاه بازدهی — نادرست
کتاب ابتدا امکان اکسایش پارازایلین با محلول غلیظ پتاسیم پرمنگنات را مطرح می‌کند، اما در ادامه توضیح می‌دهد که حتی با افزایش دما، بازده همچنان مطلوب نیست. استفاده از اکسیژن هوا و کاتالیزگر مناسب، راهکاری برای دستیابی به شرایط مناسب‌تر و بازده بالاتر معرفی شده است؛ پس نمی‌توان روش پرمنگنات را از نظر بازدهی مناسب‌تر دانست (شیمی ۳، صفحه‌های ۱۱۷–۱۱۸).

۳. افزایش مجموع عدد اکسایش کربن‌ها — درست
در مولکول خنثی، مجموع عددهای اکسایش همهٔ اتم‌ها صفر است. در این دو ترکیب، عدد اکسایش هیدروژن $+1$ و اکسیژن $-2$ است. اگر مجموع عدد اکسایش کربن‌ها را با $S$ نشان دهیم، برای پارازایلین داریم:
$S_{\mathrm{C_8H_{10}}}+10(+1)=0\ \Rightarrow\ S_{\mathrm{C_8H_{10}}}=-10$
برای ترفتالیک اسید نیز:
$S_{\mathrm{C_8H_6O_4}}+6(+1)+4(-2)=0\ \Rightarrow\ S_{\mathrm{C_8H_6O_4}}=+2$
پس تغییر مجموع عدد اکسایش کربن‌ها برابر است با:
$\Delta S=(+2)-(-10)=+12$
این نتیجه با بررسی ساختار هم سازگار است: عدد اکسایش کربن هر گروه متیل از $-3$ به $+3$ در گروه کربوکسیل می‌رسد؛ برای دو کربن، افزایش کل برابر $2\times6=12$ است (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۱۷).

۴. رسیدن به بازده مطلوب با پرمنگنات غلیظ و دمای بالا — نادرست
بخش نخست عبارت، یعنی دشوار بودن اکسایش پارازایلین، درست است؛ اما بخش دوم آن با متن کتاب سازگار نیست. افزایش دما شرایط انجام واکنش با پرمنگنات غلیظ را فراهم می‌کند، ولی بازده همچنان مطلوب نیست. درست بودن بخش اول برای درست بودن کل عبارت کافی نیست (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۱۸).

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

پاسخ: گزینهٔ ۲