سوال ۲۳۹ شیمی کنکور تجربی ۱۴۰۱ با پاسخ تشریحی

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