سوالات شیمی کنکور تجربی ۱۴۰۲ نوبت اول با پاسخ تشریحی

هر عبارت را جداگانه بررسی می‌کنیم.

عبارت اول: درست است.
عددِ ابتدای نماد زیرلایه، مقدار $n$ را نشان می‌دهد و برای زیرلایه‌های $\mathrm{s}$، $\mathrm{p}$، $\mathrm{d}$ و $\mathrm{f}$، مقدار $l$ به‌ترتیب برابر $0$، $1$، $2$ و $3$ است (شیمی ۱، صفحه‌های ۲۹–۳۰). بنابراین:

$4\mathrm{f}:\quad n+l=4+3=7$

$5\mathrm{d}:\quad n+l=5+2=7$

$6\mathrm{p}:\quad n+l=6+1=7$

پس مجموع موردنظر در هر سه زیرلایه برابر است.

عبارت دوم: درست است.
در مقایسهٔ معمول عنصرهای یک دوره، فلزهای قلیاییِ گروه $1$ واکنش‌پذیرترین فلزها و هالوژن‌های گروه $17$ واکنش‌پذیرترین نافلزها هستند. این حکم دربارهٔ دوره‌هایی است که این خانواده‌ها را دارند؛ دورهٔ نخست اصلاً فلز و هالوژن ندارد و محل چنین مقایسه‌ای نیست. جایگاه گروه‌ها و مفهوم دوره و گروه در جدول تناوبی، مبنای این بررسی است (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۲).

عبارت سوم: درست است.
شمارهٔ خانهٔ هر عنصر همان عدد اتمی آن است؛ بنابراین عنصرهای موردنظر پتاسیم، کروم و مس‌اند (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۲). آرایش الکترونی حالت پایهٔ آن‌ها چنین است:

$\mathrm{K}\;(Z=19):\quad [Ar]\,4s^1$

$\mathrm{Cr}\;(Z=24):\quad [Ar]\,3d^5\,4s^1$

$\mathrm{Cu}\;(Z=29):\quad [Ar]\,3d^{10}\,4s^1$

کروم و مس از استثناهای آرایش الکترونی‌اند. در هر سه اتم، بیرونی‌ترین لایه دارای $n=4$ است و فقط یک الکترون در زیرلایهٔ $4s$ دارد. الکترون‌های $3d$ به لایهٔ سوم تعلق دارند، نه لایهٔ بیرونی. تمایز لایه و زیرلایه در این بررسی تعیین‌کننده است (شیمی ۱، صفحه‌های ۲۹–۳۰ و ۳۴).

عبارت چهارم: درست است.
عنصر دارای عدد اتمی $26$، آهن است که مطابق جدول کتاب در گروه $8$ قرار دارد (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۲). آرایش الکترونی آن:

$\mathrm{Fe}:\quad [Ar]\,3d^6\,4s^2$

در لایهٔ سوم، الکترون‌های دارای $l=1$ در زیرلایهٔ $3p$ و الکترون‌های دارای $l=2$ در زیرلایهٔ $3d$ هستند (شیمی ۱، صفحه‌های ۲۹–۳۰). بخش مربوط به لایهٔ سوم در آرایش آهن عبارت است از:

$3s^2\,3p^6\,3d^6$

پس شمار الکترون‌های دو دسته برابر است:

$N_{3p}=N_{3d}=6$

بنابراین هر چهار عبارت درست‌اند.

پاسخ: گزینهٔ ۴

ملاک بررسی، صفر بودن مجموع عددهای اکسایش در ترکیب خنثی است؛ همان روشی که برای تعیین عدد اکسایش در تمرین‌های کتاب به کار می‌رود (شیمی ۳، صفحهٔ ۶۳).

گام اول: تعیین عدد اکسایش دو عنصر

در $\mathrm{D_2SiO_4}$، عدد اکسایش اکسیژن $-2$ و سیلیسیم $+4$ است. اگر عدد اکسایش $\mathrm{D}$ را $x$ بنامیم:

$2x+(+4)+4(-2)=0\Rightarrow x=+2$

در $\mathrm{MO_3}$ نیز اگر عدد اکسایش $\mathrm{M}$ برابر $y$ باشد:

$y+3(-2)=0\Rightarrow y=+6$

پس باید سازگاری فرمول‌ها را با عدد اکسایش $+2$ برای $\mathrm{D}$ و $+6$ برای $\mathrm{M}$ بررسی کنیم. توجه کنید که برخی عنصرها در ترکیب‌های مختلف عدد اکسایش متفاوتی دارند (شیمی ۳، صفحه‌های ۵۳–۵۴)، اما ملاک این سؤال، عددهای اکسایش به‌دست‌آمده از دو فرمول داده‌شده است.

گام دوم: بررسی تک‌تک فرمول‌ها

• $\mathrm{D(NO_3)_2}$ درست است: بار هر یون نیترات $-1$ است؛ بنابراین مجموع بارها برابر $+2+2(-1)=0$ می‌شود.
• $\mathrm{NaMO_3}$ با عدد اکسایش داده‌شده سازگار نیست: مجموع عددهای اکسایش برابر $+1+(+6)+3(-2)=+1$ است، نه صفر. خنثی بودن این فرمول مستلزم عدد اکسایش $+5$ برای $\mathrm{M}$ است.
• $\mathrm{K_2MO_4}$ درست است: مجموع عددهای اکسایش برابر $2(+1)+(+6)+4(-2)=0$ است.
• $\mathrm{DBr_2}$ درست است: برم در این ترکیب عدد اکسایش $-1$ دارد و $+2+2(-1)=0$ می‌شود.
• $\mathrm{MF_6}$ درست است: عدد اکسایش فلوئور در ترکیب‌ها $-1$ است؛ بنابراین $+6+6(-1)=0$ می‌شود.
• $\mathrm{DO}$ درست است: مجموع عددهای اکسایش برابر $+2+(-2)=0$ است.

بنابراین، فقط یک فرمول با عددهای اکسایش موردنظر سازگار نیست و تعداد فرمول‌های درست برابر $5$ است.

پاسخ: گزینهٔ ۲

هر عبارت را جداگانه بررسی می‌کنیم:

۱. عبارت اول درست است. اوزون در استراتوسفر با جذب بخش قابل‌توجهی از تابش فرابنفش، نقشی محافظتی دارد؛ اما در تروپوسفر آلاینده‌ای سمی است و به چشم‌ها و ریه‌ها آسیب می‌رساند. بنابراین عملکرد آن در این دو لایه متفاوت و دوگانه است. (شیمی ۱، صفحه‌های ۷۴–۷۵)

۲. عبارت دوم درست است. طبق جدول کتاب، نقطه‌جوش اکسیژن در فشار $1\,\mathrm{atm}$ برابر $-183\,^{\circ}\mathrm{C}$ و نقطه‌جوش اوزون برابر $-112\,^{\circ}\mathrm{C}$ است. ترتیب دماها چنین است:
$-183\,^{\circ}\mathrm{C} < -150\,^{\circ}\mathrm{C} < -112\,^{\circ}\mathrm{C}$
پس دمای مسئله بالاتر از نقطه‌جوش اکسیژن است و اکسیژن گاز است؛ این دما برای اوزون در محدودهٔ حالت مایع قرار دارد و پایین‌تر از نقطه‌جوش آن است. بنابراین حالت فیزیکی هر دو ماده درست بیان شده است. (شیمی ۱، صفحه‌های ۷۲–۷۴)

۳. عبارت سوم درست است. در هوای آلوده، تولید اوزون از واکنش نیتروژن دی‌اکسید و اکسیژن در حضور نور خورشید انجام می‌شود:
$\mathrm{NO_2(g)+O_2(g)\xrightarrow{\text{نور خورشید}}NO(g)+O_3(g)}$
وابستگی این فرایند به نور خورشید نشان می‌دهد که بخش قابل‌توجهی از اوزون تروپوسفری در طول روز تشکیل می‌شود. (شیمی ۱، صفحهٔ ۷۵)

۴. عبارت چهارم نادرست است. اوزون استراتوسفری به‌صورت پوششی پیرامون زمین قرار دارد و بیشترین مقدار آن در محدوده‌ای مشخص، موسوم به لایهٔ اوزون، متمرکز است. در مقابل، تشکیل اوزون تروپوسفری به عواملی مانند وجود آلاینده‌های نیتروژن‌دار و نور خورشید وابسته است؛ بنابراین توزیع آن با شرایط محلی تغییر می‌کند و مشابه توزیع اوزون استراتوسفری نیست. (شیمی ۱، صفحه‌های ۷۲–۷۵)

در نتیجه، سه عبارت نخست درست و عبارت چهارم نادرست است.
پاسخ: گزینهٔ ۳

برای پاسخ، هر گزاره را جداگانه بررسی می‌کنیم.

گزارهٔ نخست: نادرست است.
تصفیهٔ آب آشامیدنی به معنای حذف همهٔ یون‌های محلول نیست. فلوئورید با مقدار مناسب، از یون‌های مفید آب آشامیدنی است و حذف آن از مراحل عمومی تصفیه محسوب نمی‌شود؛ البته مقدار بیش‌ازحد آن باید کاهش یابد. کتاب نیز یون $\mathrm{F^-}$ را در میان یون‌های موجود در آب آشامیدنی معرفی می‌کند (شیمی ۱، صفحهٔ ۹۱–۹۲).

گزارهٔ دوم: نادرست است.
در میدان الکتریکی، سر منفی مولکول به سوی قطب مثبت و سر مثبت آن به سوی قطب منفی جهت می‌گیرد. در آب، اکسیژنِ مرکزی سر منفی مولکول است؛ بنابراین به سوی قطب مثبت قرار می‌گیرد (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۰۳–۱۰۵). اما نمی‌توان این رفتار را به همهٔ مولکول‌های قطبی با ساختار $\mathrm{V}$ شکل تعمیم داد. برای مثال، در اکسیژن دی‌فلوئورید، $\mathrm{OF_2}$، فلوئور الکترونگاتیوتر از اکسیژن است؛ پس اکسیژنِ مرکزی بار جزئی مثبت دارد و به سمت قطب منفی جهت می‌گیرد. بنابراین خمیده‌بودن به‌تنهایی، جهت قرارگرفتن اتم مرکزی را تعیین نمی‌کند.

گزارهٔ سوم: نادرست است.
نمی‌توان برای حالت فیزیکی، تأثیری همواره بیشتر از جرم مولی و قطبیت بر نیروهای بین‌مولکولی قائل شد. در بررسی مواد مولکولی، جرم مولی و قطبیت از عوامل مؤثر بر قدرت جاذبه‌های بین‌مولکولی‌اند و حالت فیزیکی در دما و فشار معین، خود با قدرت این جاذبه‌ها ارتباط دارد. کتاب با مقایسهٔ مواد دارای جرم مولی نزدیک، اثر قطبیت بر نقطهٔ جوش را بررسی می‌کند (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۰۴–۱۰۵). همچنین مایع‌بودن آب در شرایط اتاق را به جاذبهٔ قوی میان مولکول‌های آن ارتباط می‌دهد، نه به برتری اثر حالت فیزیکی بر عوامل دیگر (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۰۶–۱۰۷).

گزارهٔ چهارم: نادرست است.
در ترکیب یونی، مجموع بارهای مثبت و منفی باید یکدیگر را خنثی کنند؛ زیروندها شمار نسبی یون‌ها را نشان می‌دهند، نه لزوماً اندازهٔ بار یون مقابل را (شیمی ۱، صفحهٔ ۹۱–۹۲). مثلاً در $\mathrm{MgO}$، زیروند هر دو یون برابر با $1$ است و نوشته نمی‌شود، درحالی‌که یون‌ها $\mathrm{Mg^{2+}}$ و $\mathrm{O^{2-}}$ هستند. پس زیروندها فقط نسبت شمار یون‌ها را مشخص می‌کنند و همیشه برای تعیین بار آن‌ها کافی نیستند.

در نتیجه، هر چهار گزاره نادرست‌اند.

پاسخ: گزینهٔ ۴

در این سؤال، «درصد جرمی اتم هیدروژن» یعنی سهم جرم همهٔ اتم‌های هیدروژن موجود در مخلوط؛ بنابراین هیدروژنِ متان و گاز هیدروژن هر دو باید حساب شوند.

گام اول: استفاده از پایستگی اتم‌ها
طبق قانون پایستگی اتم‌ها، مقدار هر عنصر طی واکنش تغییر نمی‌کند (شیمی ۱، صفحهٔ ۶۳–۶۴). در سوختن کامل متان نیز کربن به کربن دی‌اکسید و هیدروژن به آب تبدیل می‌شود:
$\mathrm{CH_4+2O_2\rightarrow CO_2+2H_2O}$
گاز هیدروژن هم با سوختن، آب تولید می‌کند. پس تمام کربن مخلوط در کربن دی‌اکسید و تمام هیدروژن آن در آبِ حاصل قرار دارد.

گام دوم: محاسبهٔ جرم کربن و هیدروژن مخلوط
جرم مولی کربن دی‌اکسید برابر $44\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$ است که سهم کربن از آن $12\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$ است. بنابراین:
$m_{\mathrm C}=17.6\times\frac{12}{44}=4.8\,\mathrm g$
جرم مولی آب برابر $18\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$ و سهم هیدروژن از آن $2\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$ است. بنابراین:
$m_{\mathrm H}=46.8\times\frac{2}{18}=5.2\,\mathrm g$
این تبدیل‌ها بر پایهٔ نسبت جرم عنصر به جرم ترکیب انجام می‌شوند؛ کاربرد عامل‌های تبدیل در محاسبات واکنش نیز در کتاب تمرین شده است (شیمی ۱، صفحهٔ ۸۰).

گام سوم: محاسبهٔ درصد جرمی هیدروژن
مخلوط اولیه فقط شامل کربن و هیدروژن است؛ پس:
$m_{\text{مخلوط}}=m_{\mathrm C}+m_{\mathrm H}=4.8+5.2=10.0\,\mathrm g$
در نتیجه:
$\text{درصد جرمی هیدروژن}=\frac{m_{\mathrm H}}{m_{\text{مخلوط}}}\times100=\frac{5.2}{10.0}\times100=52\%$
توجه کنید که اکسیژنِ موجود در فراورده‌ها از بیرون به مخلوط سوخت افزوده شده است؛ بنابراین جرم کل فراورده‌ها را نباید جرم مخلوط آغازین دانست.

پاسخ: گزینهٔ ۲

ملاک اصلی، مقایسهٔ واکنش‌پذیری فلزهاست: در الگوی مطرح‌شده در کتاب، فلز واکنش‌پذیرتر می‌تواند در شرایط مناسب، اکسیژن را از اکسید فلز کم‌واکنش‌پذیرتر بگیرد و آن فلز را آزاد کند. نمونهٔ کتاب، انجام‌پذیری واکنش سدیم با آهن اکسید و انجام‌نشدن واکنش مشابه با مس است (شیمی ۲، صفحهٔ ۲۰–۲۱).

۱. نتیجه‌گیری از واکنش روی با اکسید فلز ناشناخته
طبق فرض سؤال، روی می‌تواند با اکسید فلز $\mathrm{X}$ واکنش دهد؛ پس در چارچوب مقایسهٔ کتاب، روی از این فلز واکنش‌پذیرتر است:

$\text{واکنش‌پذیری روی}>\text{واکنش‌پذیری فلز }\mathrm{X}$

۲. مقایسهٔ پتاسیم و روی
در جدول کتاب، پتاسیم در گروه فلزهای با واکنش‌پذیری زیاد و روی در گروه فلزهای با واکنش‌پذیری کم قرار دارد (شیمی ۲، صفحهٔ ۲۰–۲۱). بنابراین:

$\text{واکنش‌پذیری پتاسیم}>\text{واکنش‌پذیری روی}>\text{واکنش‌پذیری فلز }\mathrm{X}$

پس پتاسیم نیز در شرایط مناسب می‌تواند اکسیژن را از اکسید این فلز بگیرد. همین شیوهٔ نتیجه‌گیری از ترتیب واکنش‌پذیری، در تمرین مقایسهٔ منیزیم، تیتانیم و آهن نیز به کار می‌رود (شیمی ۲، صفحهٔ ۴۹–۵۰). در نتیجه، گزینهٔ چهارم درست است.

۳. بررسی سایر عبارت‌ها

• گزینهٔ اول: حلالیت یک ترکیب یونی به ویژگی‌های هر دو یون سازندهٔ آن وابسته است. برای مثال، سدیم کلرید و نقره کلرید با وجود آنیون مشترک، حلالیت یکسانی ندارند؛ همچنین نقره نیترات و نقره کلرید با وجود کاتیون مشترک، رفتار انحلالی متفاوتی دارند. بنابراین در برداشت موردنظر سؤال، نسبت‌دادن حلالیت به ماهیت یون فلزی به‌تنهایی، بیان کاملی نیست.

• گزینهٔ دوم: آهن و روی از مس واکنش‌پذیرترند و می‌توانند با کاهش مقدار یون $\mathrm{Cu^{2+}}$، رنگ آبی محلول را تغییر دهند؛ اما نقره از مس کم‌واکنش‌پذیرتر است و چنین واکنشی نمی‌دهد. آزمایش واکنش آهن با محلول مس سولفات نیز در کتاب آمده است (شیمی ۲، صفحهٔ ۱۹–۲۰).

• گزینهٔ سوم: افزودن سدیم هیدروکسید به محلول آهن سه‌کلرید باعث تشکیل رسوب آهن سه‌هیدروکسید می‌شود، نه محلول آجری‌رنگ:

$\mathrm{FeCl_3(aq)+3NaOH(aq)\rightarrow Fe(OH)_3(s)+3NaCl(aq)}$

رسوب حاصل قهوه‌ای مایل به قرمز است. کتاب نیز تشکیل رسوب هیدروکسیدهای آهن را نشان می‌دهد (شیمی ۲، صفحهٔ ۱۹–۲۰).

پاسخ: گزینهٔ ۴

۱. تعیین رابطهٔ مولی واکنش

معادلهٔ موازنه‌شدهٔ واکنش چنین است:
$\mathrm{(NH_4)_2SO_4(aq)+BaCl_2(aq)\rightarrow BaSO_4(s)+2NH_4Cl(aq)}$

بنابراین نسبت مولی آمونیوم سولفات به باریم سولفات برابر $1:1$ است. چون واکنش کامل است، باریم کلرید به مقدار کافی وجود دارد و ناخالصی‌ها واکنش نمی‌دهند، داریم:
$n\big(\mathrm{(NH_4)_2SO_4}\big)=n(\mathrm{BaSO_4})=0.2\,\mathrm{mol}$

در تمرین دوره‌ای کتاب نیز از تشکیل رسوب باریم سولفات برای تعیین خلوص کود استفاده شده است؛ البته در این سؤال، خلوص بر مبنای کل آمونیوم سولفات خواسته شده، نه فقط یون سولفات (شیمی ۲، صفحهٔ ۴۸–۴۹).

۲. محاسبهٔ جرم آمونیوم سولفات خالص

در فرمول آمونیوم سولفات، دو اتم نیتروژن، هشت اتم هیدروژن، یک اتم گوگرد و چهار اتم اکسیژن وجود دارد. پس جرم مولی آن برابر است با:
$M\big(\mathrm{(NH_4)_2SO_4}\big)=2(14)+8(1)+32+4(16)=132\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

جرم مادهٔ خالص موجود در کود:
$m=nM=0.2\times132=26.4\,\mathrm{g}$

۳. محاسبهٔ درصد خلوص

طبق مفهوم درصد خلوص، جرم مادهٔ خالص را بر جرم کل نمونه تقسیم می‌کنیم و حاصل را در صد ضرب می‌کنیم (شیمی ۲، صفحهٔ ۲۳):
$\text{درصد خلوص}=\frac{\text{جرم مادهٔ خالص}}{\text{جرم کل نمونه}}\times100$

$\text{درصد خلوص}=\frac{26.4}{33}\times100=80\%$

در این مسئله به ضریب بازده نیاز نداریم، زیرا واکنش کامل انجام شده است و کاهش مقدار مادهٔ واکنش‌دهنده صرفاً ناشی از ناخالصی کود است.

پاسخ: گزینهٔ ۱

برای یافتن عبارت نادرست، ابتدا ساختار دو ترکیب را می‌نویسیم:

بنزآلدهید: $\mathrm{C_6H_5{-}C(=O)H}$

۲-هپتانون: $\mathrm{CH_3{-}C(=O){-}(CH_2)_4{-}CH_3}$

این دو ساختار در شکل معرفی گروه کربونیل آمده‌اند (شیمی ۲، صفحهٔ ۷۰–۷۱).

۱) بررسی گروه عاملی: در هر دو مولکول پیوند $\mathrm{C=O}$ وجود دارد؛ بنابراین هر دو دارای گروه کربونیل‌اند. تفاوت آن‌ها این است که کربن کربونیل در بنزآلدهید به یک هیدروژن و یک کربن، اما در هپتانون به دو کربن متصل است. پس عبارت گزینهٔ ۱ درست است (شیمی ۲، صفحهٔ ۷۰–۷۱).

۲) شمارش کربن‌ها: بنزآلدهید شش کربن در حلقه و یک کربن در گروه آلدهیدی دارد:
$N_{\mathrm C}=6+1=7$
در هپتانون نیز:
$N_{\mathrm C}=1+1+4+1=7$
پس عبارت گزینهٔ ۲ درست است.

۳) بررسی عدد اکسایش: در محاسبهٔ عدد اکسایش کربن، هر پیوند یگانه با اکسیژن سهم $+1$، هر پیوند با هیدروژن سهم $-1$ و هر پیوند با کربن سهم صفر دارد. سهم پیوند دوگانهٔ کربن با اکسیژن نیز $+2$ است.

در هپتانون، کربن کربونیل به یک اکسیژن با پیوند دوگانه و به دو کربن متصل است؛ بنابراین:
$\mathrm{ON}(C_{\text{کربونیل}})=+2+0+0=+2$

اما در بنزآلدهید، همین کربن به هیدروژن نیز متصل است؛ پس:
$\mathrm{ON}(C_{\text{کربونیل}})=+2-1+0=+1$

از کربن‌های حلقهٔ بنزآلدهید، کربنِ متصل به گروه آلدهیدی فقط با کربن‌ها پیوند دارد و عدد اکسایش آن صفر است. پنج کربن دیگر حلقه، هرکدام یک پیوند با هیدروژن دارند و عدد اکسایششان $-1$ است. بنابراین در بنزآلدهید هیچ کربنی با عدد اکسایش $+2$ وجود ندارد و عبارت گزینهٔ ۳ نادرست است.

۴) بررسی قطبیت و انحلال‌پذیری: وجود گروه کربونیل به هر دو مولکول گشتاور دوقطبی می‌دهد؛ در نتیجه در میدان الکتریکی جهت‌گیری می‌کنند. بااین‌حال، بخش هیدروکربنی نسبتاً بزرگ آن‌ها برهم‌کنش مطلوب با آب را محدود می‌کند و انحلال‌پذیری آن‌ها در آب کم است. پس عبارت گزینهٔ ۴ نیز درست است.

پاسخ: گزینهٔ ۳

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

عبارت اول: درست است. انجام یک فرایند می‌تواند دمای سامانه را تغییر دهد؛ مثلاً آب با دریافت گرما هنگام گرم شدن، افزایش دما پیدا می‌کند. واژهٔ «می‌تواند» مهم است، زیرا تغییر دما در همهٔ فرایندها الزامی نیست. این نکته در کتاب نیز بیان شده است (شیمی ۲، صفحهٔ ۵۸).

عبارت دوم: درست است. ظرفیت گرمایی یک نمونه از رابطهٔ $C=mc$ به دست می‌آید. بنابراین برای دو نمونه با جرم برابر، هر کدام گرمای ویژهٔ بیشتری داشته باشد، ظرفیت گرمایی بیشتری دارد. در آزمایش کتاب، برای افزایش یکسان دمای جرم‌های برابر آب و روغن زیتون، آب گرمای بیشتری دریافت می‌کند. با توجه به رابطهٔ $C=\frac{Q}{\Delta\theta}$، ظرفیت گرمایی آب بیشتر است (شیمی ۲، صفحه‌های ۵۸ تا ۶۰).

عبارت سوم: درست است. انرژی گرمایی نمونه به دما و مقدار آن وابسته است. برای نمونه‌های هم‌جنس، در دمای یکسان، نمونهٔ بزرگ‌تر ذرات بیشتری دارد و انرژی گرمایی بیشتری نیز دارد؛ همچنین برای مقدار معیّنی از ماده، افزایش دما با افزایش انرژی جنبشی متوسط ذرات همراه است. پس دما به‌تنهایی برای مقایسهٔ انرژی گرمایی دو نمونه کافی نیست. مقایسهٔ نمونه‌های آب و روغن در کتاب نیز بر ضرورت تفکیک دما از انرژی گرمایی تأکید دارد (شیمی ۲، صفحه‌های ۵۸ تا ۶۰).

عبارت چهارم: نادرست است. گرما ویژگی یک نمونهٔ ماده نیست، بلکه انرژی‌ای است که به علت اختلاف دما میان سامانه و محیط منتقل می‌شود؛ کتاب صریحاً بر ویژگی نمونه نبودن گرما تأکید می‌کند (شیمی ۲، صفحهٔ ۵۸). افزون بر این، دادوستد گرما لزوماً باعث تغییر دما نمی‌شود؛ برای مثال، هنگام ذوب یخ، انرژی جذب می‌شود ولی دما می‌تواند ثابت بماند (شیمی ۲، صفحهٔ ۶۰).

در نتیجه، سه عبارت نخست درست و عبارت چهارم نادرست است.

پاسخ: گزینهٔ ۳

۱. به‌دست‌آوردن واکنش کلی با قانون هس
طبق قانون هس، با جمع‌کردن مراحل یک واکنش، آنتالپی واکنش کلی نیز از جمع آنتالپی همان مراحل به دست می‌آید (شیمی ۲، صفحهٔ ۷۴–۷۵). دو معادله را بدون تغییر ضرایب جمع می‌کنیم:
$\mathrm{2H_2(g)+O_2(g)+CO_2(g)+2H_2O(g)\rightarrow 2H_2O(g)+CH_4(g)+2O_2(g)}$
آب گازی از دو طرف حذف می‌شود. همچنین با حذف مقدار مشترک اکسیژن، واکنش کلی چنین است:
$\mathrm{CO_2(g)+2H_2(g)\rightarrow CH_4(g)+O_2(g)}$

۲. نوشتن رابطهٔ آنتالپی پیوندها
همهٔ مواد این واکنش گازی‌اند؛ بنابراین می‌توان از داده‌های آنتالپی پیوند استفاده کرد. شکستن پیوندها انرژی می‌گیرد و تشکیل پیوندها انرژی آزاد می‌کند؛ پس داریم (شیمی ۲، صفحهٔ ۶۸–۷۰):
$\Delta H=\sum E_{\text{پیوندهای شکسته‌شده}}-\sum E_{\text{پیوندهای تشکیل‌شده}}$

۳. شمارش پیوندها و جای‌گذاری داده‌ها
در واکنش‌دهنده‌ها، هر مولکول کربن‌دی‌اکسید دو پیوند $\mathrm{C=O}$ دارد و هر مولکول هیدروژن دارای یک پیوند $\mathrm{H-H}$ است. بنابراین مجموع انرژی لازم برای شکستن پیوندها برابر است با:
$E_{\text{شکستن}}=2(790)+2(435)=2450\,\mathrm{kJ}$
در فراورده‌ها، متان چهار پیوند $\mathrm{C-H}$ و اکسیژن یک پیوند $\mathrm{O=O}$ دارد. مجموع انرژی آزادشده از تشکیل این پیوندها برابر است با:
$E_{\text{تشکیل}}=4(414)+494=2150\,\mathrm{kJ}$
آنتالپی پیوند $\mathrm{O-H}$ در محاسبهٔ مستقیم واکنش کلی لازم نیست؛ زیرا آب از معادلهٔ کلی حذف شده است.

۴. محاسبه و تفسیر نتیجه
$\Delta H=2450-2150=+300\,\mathrm{kJ}$
علامت مثبت نشان می‌دهد واکنش کلی گرماگیر است (شیمی ۲، صفحهٔ ۶۶–۶۷). چون ضرایب دو مرحله را تغییر نداده‌ایم، این مقدار نباید نصف شود.

پاسخ: گزینهٔ ۱

گام اول ـ موازنهٔ واکنش

با قرار دادن ضریب یک برای هیدرازین، ضریب آب از موازنهٔ هیدروژن برابر دو می‌شود. سپس با موازنهٔ نیتروژن و اکسیژن داریم:

$2\mathrm{N_2O_4(g)}+\mathrm{N_2H_4(g)}\rightarrow6\mathrm{NO(g)}+2\mathrm{H_2O(g)}$

ضرایب معادلهٔ موازنه‌شده، نسبت مولی مواد را مشخص می‌کنند؛ در نمونهٔ حل‌شدهٔ کتاب نیز تبدیل مقدار مواد با همین نسبت‌ها انجام شده است (شیمی ۲، صفحه‌های ۲۳–۲۴).

گام دوم ـ محاسبهٔ جرم نمونهٔ ناخالص

برای تشکیل $0.15\,\mathrm{mol}$ نیتروژن مونوکسید، مقدار دی‌نیتروژن تتراکسید خالص لازم برابر است با:

$n(\mathrm{N_2O_4})=0.15\times\frac{2}{6}=0.050\,\mathrm{mol}$

جرم مولی این ماده:

$M(\mathrm{N_2O_4})=2(14)+4(16)=92\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

پس جرم خالص موردنیاز:

$m_{\text{خالص}}=0.050\times92=4.60\,\mathrm{g}$

در محاسبات نمونهٔ ناخالص، فقط سهم مادهٔ خالص در واکنش موردنظر شرکت می‌کند؛ اهمیت این موضوع در بحث «دنیای واقعی واکنش‌ها» و تمرین‌های خلوص کتاب مطرح شده است (شیمی ۲، صفحهٔ ۲۲ و صفحه‌های ۴۸–۴۹). بنابراین:

$\text{درصد خلوص}=\frac{m_{\text{خالص}}}{m_{\text{نمونه}}}\times100$

$m_{\text{نمونه}}=\frac{4.60}{0.80}=5.75\,\mathrm{g}$

گام سوم ـ محاسبهٔ تفاوت جرم آب و هیدرازین

از نسبت ضرایب معادله:

$n(\mathrm{H_2O})=0.15\times\frac{2}{6}=0.050\,\mathrm{mol}$

$n(\mathrm{N_2H_4})=0.15\times\frac{1}{6}=0.025\,\mathrm{mol}$

با جرم‌های مولی $M(\mathrm{H_2O})=18\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$ و $M(\mathrm{N_2H_4})=32\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$ داریم:

$m(\mathrm{H_2O})=0.050\times18=0.90\,\mathrm{g}$

$m(\mathrm{N_2H_4})=0.025\times32=0.80\,\mathrm{g}$

بنابراین جرم بخار آب تشکیل‌شده از جرم هیدرازین مصرف‌شده بیشتر است و تفاوت آن‌ها برابر است با:

$\Delta m=0.90-0.80=0.10\,\mathrm{g}$

پس به‌ترتیب، جرم نمونهٔ لازم و تفاوت جرم‌ها برابر $5.75\,\mathrm{g}$ و $0.10\,\mathrm{g}$ است.

پاسخ: گزینهٔ ۱

برای تعیین تعداد موارد درست، هر عبارت را جداگانه بررسی می‌کنیم:

۱. «پلیمری زیست‌تخریب‌پذیر است»: درست است. نشاسته پلیمری طبیعی است و طبق کتاب، پلیمرهای طبیعی زیست‌تخریب‌پذیرند؛ یعنی جانداران ذره‌بینی می‌توانند آن‌ها را به مولکول‌های کوچک‌تر و ساده تبدیل کنند. (شیمی ۲، صفحات ۱۱۸ و ۱۱۹)

۲. «به‌عنوان مادهٔ اولیه در تهیهٔ پلی‌لاکتیک اسید، کاربرد دارد»: درست است. در فرایند معرفی‌شده در کتاب، ابتدا نشاستهٔ فراورده‌های کشاورزی به لاکتیک اسید تبدیل می‌شود؛ سپس با پلیمری‌شدن لاکتیک اسید، پلی‌لاکتیک اسید تولید می‌شود. پس نشاسته مادهٔ اولیهٔ این فرایند است، نه مونومر مستقیم پلی‌لاکتیک اسید. (شیمی ۲، صفحهٔ ۱۲۱)

۳. «پلیمری دوست‌دار محیط زیست، از دستهٔ پلی‌استرهاست»: نادرست است. نشاسته یک پلی‌ساکارید است، نه پلی‌استر. پلی‌لاکتیک اسید دارای پیوندهای استری است؛ نباید ویژگی ساختاری آن را به نشاسته نسبت داد. بنابراین، زیست‌تخریب‌پذیربودن نشاسته باعث درست‌شدن کل این عبارت نمی‌شود. (شیمی ۲، صفحات ۱۱۸ و ۱۲۰–۱۲۱)

۴. «در محیط‌های گرم و خشک، به‌آرامی به گلوکز تجزیه می‌شود»: نادرست است. کتاب برای این تبدیل، محیط مرطوب همراه با کاتالیزگر یا محیط گرم و مرطوب را ذکر می‌کند؛ جایگزین‌کردن «مرطوب» با «خشک» عبارت را نادرست کرده است. (شیمی ۲، صفحهٔ ۱۱۸)

۵. «پلیمری طبیعی است که از اتصال شمار بسیار زیادی مولکول گلوکز به یکدیگر تشکیل می‌شود»: درست است. نشاسته پلی‌ساکاریدی طبیعی است که واحدهای سازندهٔ آن گلوکز هستند. (شیمی ۲، صفحهٔ ۱۱۸)

پس عبارت‌های اول، دوم و پنجم درست‌اند؛ در نتیجه سه مورد درست است.

پاسخ: گزینهٔ ۳

گام اول: محاسبهٔ غلظت یون هیدروژن در محلول باز

باریم هیدروکسید باز قوی است و در آب به‌طور کامل تفکیک می‌شود:
$\mathrm{Ba(OH)_2(aq)\rightarrow Ba^{2+}(aq)+2OH^-(aq)}$
پس غلظت یون هیدروکسید دو برابر غلظت مولی باز است:
$[\mathrm{OH^-}]=2\times 0.001=2\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$
در دمای اتاق، حاصل‌ضرب غلظت یون‌های هیدروژن و هیدروکسید برابر $10^{-14}$ است (شیمی ۳، صفحهٔ ۲۶–۲۷). بنابراین:
$[\mathrm{H^+}]_{\text{باز}}=\frac{10^{-14}}{2\times10^{-3}}=5\times10^{-12}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$

گام دوم: محاسبهٔ غلظت یون هیدروژن در محلول اسید

طبق تعریف $\mathrm{pH}=-\log[\mathrm{H^+}]$، کاهش $\mathrm{pH}$ به اندازهٔ $7.3$ واحد، غلظت یون هیدروژن را $10^{7.3}$ برابر می‌کند. پس:
$[\mathrm{H^+}]_{\text{اسید}}=5\times10^{-12}\times10^{7.3}$
با تقریب $10^{0.3}\simeq2$ داریم:
$[\mathrm{H^+}]_{\text{اسید}}\simeq5\times10^{-12}\times2\times10^7=10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$

گام سوم: تعیین ثابت یونش اسید

برای اسید تک‌پروتونی موردنظر:
$\mathrm{HA(aq)\rightleftharpoons H^+(aq)+A^-(aq)}$
با صرف‌نظر از سهم ناچیز یونش آب، غلظت دو یون حاصل برابر است. عبارت ثابت یونش نیز از نسبت حاصل‌ضرب غلظت تعادلی یون‌ها به غلظت تعادلی اسید به دست می‌آید (شیمی ۳، صفحهٔ ۲۲–۲۳):
$K_\mathrm{a}=\frac{[\mathrm{H^+}][\mathrm{A^-}]}{[\mathrm{HA}]}=\frac{(10^{-4})^2}{0.05-10^{-4}}$
چون مقدار یونیده‌شده در برابر غلظت اولیه بسیار کوچک است، می‌توان مخرج را تقریباً برابر غلظت اولیه گرفت:
$K_\mathrm{a}\simeq\frac{10^{-8}}{0.05}=2\times10^{-7}$

گام چهارم: محاسبهٔ جرم کلسیم کربنات

برای واکنش کامل، باید کل مقدار اسید را در نظر گرفت، نه فقط یون هیدروژن موجود در تعادل اولیه؛ با مصرف یون‌ها، اسید یونیده‌نشده نیز به واکنش ادامه می‌دهد.
حجم محلول و مقدار اسید عبارت‌اند از:
$V=100\ \mathrm{mL}=0.100\ \mathrm{L}$
$n_{\mathrm{HA}}=CV=0.05\times0.100=0.005\ \mathrm{mol}$
طبق معادلهٔ داده‌شده، هر مول کلسیم کربنات با دو مول اسید واکنش می‌دهد؛ بنابراین:
$n_{\mathrm{CaCO_3}}=\frac{0.005}{2}=0.0025\ \mathrm{mol}$
جرم مولی کلسیم کربنات:
$M_{\mathrm{CaCO_3}}=40+12+3(16)=100\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$
در نتیجه:
$m=nM=0.0025\times100=0.25\ \mathrm{g}$
پس ثابت یونش تقریباً $2\times10^{-7}$ و جرم کلسیم کربنات برابر $0.25\ \mathrm{g}$ است.

پاسخ: گزینهٔ ۴

عبارت‌ها را جداگانه بررسی می‌کنیم:

۱. عبارت نخست نادرست است. در مبحث بهبود پاک‌کنندگی صابون، افزودنیِ مورد نظر سدیم کربنات با فرمول $\mathrm{Na_2CO_3}$ است؛ نباید آن را با جوش‌شیرین، یعنی سدیم هیدروژن‌کربنات با فرمول $\mathrm{NaHCO_3}$، اشتباه گرفت. یون کربنات می‌تواند با رسوب دادن یون‌های عامل سختی، مقدار آن‌ها را در آب کاهش دهد؛ برای نمونه:
$\mathrm{Ca^{2+}(aq)+CO_3^{2-}(aq)\rightarrow CaCO_3(s)}$
در نتیجه، صابون کمتری بر اثر تشکیل رسوب از دسترس خارج می‌شود. مبنای این اثر آن است که یون‌های کلسیم و منیزیمِ آب سخت با صابون رسوب می‌دهند و پاک‌کنندگی آن را کاهش می‌دهند (شیمی ۳، صفحهٔ ۹). بنابراین، در بیان کتابیِ این موضوع، جایگزین کردن نام سدیم کربنات با جوش‌شیرین درست نیست.

۲. عبارت دوم درست است. مولکول‌های قندی موجود در عسل گروه‌های هیدروکسیل فراوان دارند و با آب پیوند هیدروژنی برقرار می‌کنند؛ کتاب نیز انحلال عسل در آب را با همین جاذبه توضیح می‌دهد (شیمی ۳، صفحهٔ ۵). اتیلن‌گلیکول با ساختار $\mathrm{HO{-}CH_2{-}CH_2{-}OH}$ و اوره با ساختار $\mathrm{CO(NH_2)_2}$ نیز می‌توانند با مولکول‌های آب پیوند هیدروژنی تشکیل دهند. پس جاذبهٔ مؤثر مورد نظر در هر سه مورد مشابه است.

۳. عبارت سوم درست است. در کاوش کتاب، مقدار صابون، حجم آب و شیوهٔ هم‌زدن کنترل می‌شود و ارتفاع کف در آب‌های مختلف اندازه‌گیری می‌شود. کاهش کف در حضور یون‌های کلسیم و منیزیم با تشکیل رسوب صابون و کاهش پاک‌کنندگی همراه است؛ بنابراین، کف یکی از شواهد عینی بررسی عملکرد صابون است (شیمی ۳، صفحه‌های ۸–۹). البته این به معنای آن نیست که در هر شرایطی، هر شوینده‌ای که کف بیشتری بسازد الزاماً پاک‌کنندهٔ بهتری است.

۴. عبارت چهارم درست است. صابون و پاک‌کننده‌های غیرصابونیِ آنیونی، هر دو بخش ناقطبیِ چربی‌دوست و سر قطبیِ آب‌دوست دارند. تفاوت اصلی آن‌ها در گروه قطبیِ دارای بار منفی است: این گروه در صابون، کربوکسیلات $\mathrm{RCOO^-}$ است؛ در پاک‌کننده‌های غیرصابونیِ مورد بحث، گروه‌هایی مانند سولفونات وجود دارد. نقش دو بخش آب‌دوست و چربی‌دوست در پاک‌کنندگی نیز در کتاب توضیح داده شده است (شیمی ۳، صفحهٔ ۸).

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

پاسخ: گزینهٔ ۲

برای درست بودن یک گزینه، باید دو شرط هم‌زمان برقرار باشد: هر دو عنصر اکسید اسیدی بسازند و مقایسهٔ تعداد هیدروژن‌های اسیدی نیز درست باشد.

گام اول: تشخیص اکسید اسیدی و بازی
طبق مدل آرنیوس، اسید در آب غلظت یون هیدرونیوم را افزایش می‌دهد و باز باعث افزایش غلظت یون هیدروکسید می‌شود (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۵). بنابراین اکسیدی که در واکنش با آب اسید تولید کند، اکسید اسیدی است.

در مثال‌های کتاب، اکسیدهای نیتروژن و گوگرد با آب اسید تولید می‌کنند:
$\mathrm{N_2O_5 + H_2O \rightarrow 2HNO_3}$
$\mathrm{SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4}$
پس دی‌نیتروژن پنتااکسید و گوگرد تری‌اکسید، اکسیدهای اسیدی‌اند (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۶). دقت کن که لازم نیست همهٔ اکسیدهای یک عنصر اسیدی باشند؛ در اینجا اکسیدهای اسیدیِ شناخته‌شدهٔ آن عنصرها بررسی می‌شوند.

در مقابل، باریم اکسید و کلسیم اکسید با آب باز تولید می‌کنند:
$\mathrm{BaO + H_2O \rightarrow Ba(OH)_2}$
$\mathrm{CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2}$
بنابراین گزینه‌های ۲ و ۳ شرط نخست را ندارند (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۶).

گام دوم: مقایسهٔ اسیدهای نیتروژن و گوگرد
اسیدهای مربوط به اکسیدهای بالا، نیتریک اسید با فرمول $\mathrm{HNO_3}$ و سولفوریک اسید با فرمول $\mathrm{H_2SO_4}$ هستند؛ فرمول این دو اسید در جدول اسیدهای کتاب نیز آمده است (شیمی ۳، صفحه‌های ۲۳–۲۴).

نیتریک اسید یک هیدروژن اسیدی و سولفوریک اسید دو هیدروژن اسیدی در هر مولکول دارند. پس اسید مربوط به گوگرد هیدروژن اسیدی بیشتری دارد. منظور، تعداد هیدروژن‌های قابل یونش در هر مولکول است، نه قدرت اسید یا غلظت یون هیدرونیوم محلول؛ همچنین هیدروژن‌های سولفوریک اسید به‌صورت مرحله‌ای جدا می‌شوند.

گام سوم: بررسی جفت کربن و فسفر
کربن و فسفر نیز اکسید اسیدی تشکیل می‌دهند، اما اسیدهای مربوط، کربنیک اسید با فرمول $\mathrm{H_2CO_3}$ و فسفریک اسید با فرمول $\mathrm{H_3PO_4}$ هستند. کربنیک اسید دو و فسفریک اسید سه هیدروژن اسیدی دارند؛ پس در این جفت، اسیدِ فسفر هیدروژن اسیدی بیشتری دارد، نه اسیدِ کربن. بنابراین گزینهٔ ۴ نیز نادرست است.

پاسخ: گزینهٔ ۱

گام اول: غلظت اسید قوی پس از رقیق‌سازی

اسید قوی در آب تقریباً به‌طور کامل یونیده می‌شود و هر مول اسید تک‌پروتون‌دار، یک مول یون هیدرونیوم تولید می‌کند؛ بنابراین غلظت هیدرونیوم آن تقریباً برابر غلظت اسید است (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۸–۱۹).

اگر حجم اولیه را $V$ بگیریم، با افزودن $9V$ آب، حجم نهایی برابر است با:
$V_f=V+9V=10V$

با افزودن آب، مقدار اسید ثابت می‌ماند؛ پس:
$C_iV_i=C_fV_f$
$C_f=\frac{0.002\times V}{10V}=2\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$

در نتیجه:
$[\mathrm{H_3O^+}]_f=2\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$

گام دوم: تغییر پی‌اچ

از تعریف $\mathrm{pH}=-\log[\mathrm{H_3O^+}]$ داریم:
$\Delta\mathrm{pH}=\mathrm{pH}_f-\mathrm{pH}_i=\log\left(\frac{[\mathrm{H_3O^+}]_i}{[\mathrm{H_3O^+}]_f}\right)$
$\Delta\mathrm{pH}=\log\left(\frac{2\times10^{-3}}{2\times10^{-4}}\right)=\log10=1$

پس با کاهش ده‌برابری غلظت هیدرونیوم، پی‌اچ یک واحد افزایش می‌یابد.

گام سوم: درصد یونش اسید ضعیف

برای یکسان بودن پی‌اچ دو محلول، غلظت هیدرونیوم آن‌ها باید برابر باشد. بنابراین محلول اسید ضعیف نیز باید غلظت هیدرونیوم $2\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$ داشته باشد.

در محاسبهٔ درجهٔ یونش می‌توان از نسبت غلظت مولی مقدار یونیده‌شده به غلظت اولیهٔ اسید استفاده کرد؛ درصد یونش نیز برابر $100\alpha$ است (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۸–۱۹). چون اسید $\mathrm{HA}$ تک‌پروتون‌دار است:
$\alpha=\frac{[\mathrm{H_3O^+}]}{C_{\mathrm{HA}}}=\frac{2\times10^{-4}}{1\times10^{-3}}=0.2$
$\text{درصد یونش}=100\times0.2=20\%$

بنابراین پی‌اچ یک واحد افزایش می‌یابد و درصد یونش اسید ضعیف باید $20\%$ باشد.

پاسخ: گزینهٔ ۱

برای پاسخ، باید هر دو شرط سؤال برقرار باشد: واکنش خودبه‌خودی انجام شود و دست‌کم یکی از فراورده‌ها رنگی باشد. در واکنش اکسایش ـ کاهش، یک گونه الکترون از دست می‌دهد و گونهٔ دیگر آن را دریافت می‌کند (شیمی ۳، صفحه‌های ۴۰–۴۱).

۱) مس و هیدروکلریک اسید: مس از هیدروژن کم‌فعال‌تر است؛ بنابراین نمی‌تواند یون هیدروژنِ این اسید را به گاز هیدروژن کاهش دهد. در شرایط معمول، واکنشی انجام نمی‌شود و این مورد شرط نخست را ندارد.

۲) آهن و محلول پتاسیم نیترات: آهن از پتاسیم کم‌فعال‌تر است و نمی‌تواند یون پتاسیم را به پتاسیم فلزی تبدیل کند؛ پس واکنش جانشینی مورد انتظار انجام نمی‌شود. کتاب نیز توضیح می‌دهد که فلزهای بسیار فعال را باید با صرف انرژی و از راه برقکافت نمک مذاب تهیه کرد، نه با جانشینی به‌وسیلهٔ فلزی کم‌فعال‌تر در محلول آبی (شیمی ۳، صفحه‌های ۵۵–۵۶).

۳) روی و محلول نقره سولفات: روی از نقره فعال‌تر است؛ بنابراین اتم‌های روی اکسایش می‌یابند و یون‌های نقره کاهش پیدا می‌کنند:
$\mathrm{Zn(s)+2Ag^+(aq)\longrightarrow Zn^{2+}(aq)+2Ag(s)}$
این واکنش خودبه‌خودی است. الگوی انتقال الکترون از روی به کاتیون فلز کم‌فعال‌تر، در واکنش روی با یون مس نیز در کتاب بررسی شده است (شیمی ۳، صفحه‌های ۴۰–۴۱). بااین‌حال، محلول روی سولفات بی‌رنگ است و نقرهٔ فلزیِ تولیدشده جلای نقره‌ای دارد؛ بنابراین این مورد فراوردهٔ رنگیِ موردنظر سؤال را تولید نمی‌کند.

۴) کلر و محلول سدیم برمید: کلر اکسندهٔ قوی‌تری از برم است؛ بنابراین از یون برمید الکترون می‌گیرد و آن را به برم تبدیل می‌کند. نیم‌واکنش‌ها عبارت‌اند از:
$\mathrm{Cl_2(g)+2e^-\longrightarrow 2Cl^-(aq)}$
$\mathrm{2Br^-(aq)\longrightarrow Br_2(aq)+2e^-}$
پس معادلهٔ یونی خالص چنین است:
$\mathrm{Cl_2(g)+2Br^-(aq)\longrightarrow 2Cl^-(aq)+Br_2(aq)}$
یون سدیم در این واکنش تماشاگر است. واکنش خودبه‌خودی انجام می‌شود و برمِ تولیدشده، رنگ نارنجی تا قهوه‌ای به محلول می‌دهد؛ بنابراین هر دو شرط سؤال برقرار است.

پاسخ: گزینهٔ ۴

۱. تعیین آند و کاتد
چون سلول برای روشن‌کردن لامپ به کار می‌رود، سلول گالوانی است و انرژی واکنش خودبه‌خودی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند (شیمی ۳، صفحهٔ ۴۴–۴۵). در سلول گالوانی، نیم‌سلول با پتانسیل کاهشی بزرگ‌تر، محل کاهش و کاتد است. با توجه به داده‌های سؤال:
$E^\circ(\mathrm{Ag^+/Ag})=+0.8\,\mathrm{V}>E^\circ(\mathrm{Cd^{2+}/Cd})=-0.4\,\mathrm{V}$
پس نقره کاتد و کادمیم آند است. توجه کنید که پتانسیل‌های داده‌شده، پتانسیل کاهش‌اند (شیمی ۳، صفحهٔ ۴۶–۴۸).

۲. نوشتن نیم‌واکنش‌ها و واکنش کلی
در آند، کادمیم اکسید می‌شود:
$\mathrm{Cd(s)\rightarrow Cd^{2+}(aq)+2e^-}$
در کاتد، یون نقره کاهش می‌یابد:
$\mathrm{Ag^+(aq)+e^-\rightarrow Ag(s)}$
برای برابرشدن تعداد الکترون‌ها، نیم‌واکنش کاهش را در $2$ ضرب می‌کنیم. با جمع دو نیم‌واکنش و حذف الکترون‌ها داریم:
$\mathrm{2Ag^+(aq)+Cd(s)\rightarrow 2Ag(s)+Cd^{2+}(aq)}$
بنابراین واکنش گزینهٔ ۱ موازنه نیست، هرچند جهت حرکت الکترون‌ها در آن درست بیان شده است: الکترون‌ها در مدار بیرونی از آند کادمیمی به کاتد نقره‌ای می‌روند. تعریف آند و کاتد و ارتباط آن‌ها با انتقال الکترون در کتاب آمده است (شیمی ۳، صفحهٔ ۴۵).

۳. محاسبهٔ نیروی الکتروموتوری
با استفاده از پتانسیل‌های کاهشی استاندارد، پتانسیل آند را از پتانسیل کاتد کم می‌کنیم (شیمی ۳، صفحهٔ ۴۸):
$\mathrm{emf}=E^\circ_{\text{کاتد}}-E^\circ_{\text{آند}}$
$\mathrm{emf}=(+0.8)-(-0.4)=+1.2\,\mathrm{V}$
ضرب‌کردن نیم‌واکنش نقره در $2$، پتانسیل کاهشی آن را تغییر نمی‌دهد.

۴. بررسی تغییر جرم تیغه‌ها و غلظت یون‌ها
در آند، اتم‌های کادمیم به یون تبدیل و وارد محلول می‌شوند؛ بنابراین جرم تیغهٔ کادمیم کاهش و غلظت یون $\mathrm{Cd^{2+}}$ افزایش می‌یابد. در کاتد، یون‌های $\mathrm{Ag^+}$ با گرفتن الکترون به نقرهٔ فلزی تبدیل می‌شوند و روی تیغه رسوب می‌کنند؛ در نتیجه جرم تیغهٔ نقره افزایش و غلظت یون نقره کاهش می‌یابد. این تحلیل همانند بررسی تغییر جرم الکترودهای سلول گالوانی در کتاب است (شیمی ۳، صفحهٔ ۴۵).

پس هم مقدار نیروی الکتروموتوری و هم تغییر جرم تیغه‌ها در گزینهٔ ۲ درست است.
پاسخ: گزینهٔ ۲

برای تعیین تعداد عبارت‌های درست، هر عبارت را جداگانه بررسی می‌کنیم.

۱. عبارت اول نادرست است. طبق کتاب، الکترولیت در سلول الکترولیتی «محلول یونی» یا «ترکیب یونی مذاب» است و یون‌های آن امکان جابه‌جایی دارند. بنابراین نمی‌توان هر محلولِ یک ماده در آب را الکترولیت دانست؛ مثلاً حل‌شدن شکر در آب، یون ایجاد نمی‌کند. اشکال عبارت، حذف شرط یونی‌بودن محلول است. (شیمی ۳، صفحهٔ ۵۵)

۲. عبارت دوم درست است. در سلول الکترولیتیِ معرفی‌شده در کتاب، هر دو الکترود در یک الکترولیت قرار دارند؛ اما در سلول گالوانی روی ـ مس، تیغهٔ روی در محلول روی سولفات و تیغهٔ مس در محلول مس سولفات قرار می‌گیرد و دو نیم‌سلول به هم متصل می‌شوند. پس مقایسهٔ عبارت با آرایش سلول‌های معرفی‌شده در کتاب سازگار است. (شیمی ۳، صفحهٔ ۵۵ و صفحه‌های ۴۴–۴۵)

۳. عبارت سوم درست است. در سلول الکترولیتی، با اعمال ولتاژ بیرونی و مصرف انرژی الکتریکی، واکنش در خلاف جهت طبیعی پیش می‌رود. برقکافت آب نمونه‌ای از این فرایندهاست و آبکاری نیز در سلول الکترولیتی انجام می‌شود. (شیمی ۳، صفحه‌های ۵۴–۵۵ و ۶۰–۶۱)

۴. عبارت چهارم نادرست است. کتاب برای تهیهٔ صنعتی سدیم، برقکافت سدیم کلرید مذاب در سلول دانز را معرفی می‌کند، نه تجزیهٔ گرمایی آن در دمای حدود $4000^\circ\mathrm{C}$. گرمای لازم برای مذاب‌کردن نمک را نباید با انرژی الکتریکی لازم برای تجزیهٔ آن اشتباه گرفت. (شیمی ۳، صفحه‌های ۵۵–۵۶)

بنابراین عبارت‌های دوم و سوم درست‌اند و تعداد عبارت‌های درست برابر با $2$ است.

پاسخ: گزینهٔ ۲

ابتدا توجه کنیم که منظور از نگارش اعشاری «۸/۵» در صورت سؤال، $8.5$ است.

گام اول: نوشتن عبارت ثابت تعادل
در عبارت ثابت تعادل، غلظت تعادلی هر ماده به توان ضریب آن در معادلهٔ موازنه‌شده می‌رسد؛ غلظت فراورده‌ها در صورت و غلظت واکنش‌دهنده‌ها در مخرج قرار می‌گیرد. نوشتن این عبارت برای تعادل‌های گازی در فعالیت کتاب نیز مطرح شده است (شیمی ۳، صفحه‌های ۱۰۷–۱۰۸). بنابراین برای واکنش
$3\mathrm{A(g)}+2\mathrm{D(g)}\rightleftharpoons\mathrm{X(g)}+2\mathrm{Z(g)}$
داریم:
$K=\dfrac{[\mathrm{X}][\mathrm{Z}]^2}{[\mathrm{A}]^3[\mathrm{D}]^2}$

گام دوم: محاسبهٔ مول‌های تعادلی
در ابتدا فراورده‌ای نداریم؛ بنابراین وجود $2\,\mathrm{mol}$ از $\mathrm{X}$ در تعادل، به معنی تشکیل همین مقدار از آن است. مطابق ضرایب واکنش، به‌ازای تشکیل هر $1\,\mathrm{mol}$ از $\mathrm{X}$، مقدار $3\,\mathrm{mol}$ از $\mathrm{A}$ و $2\,\mathrm{mol}$ از $\mathrm{D}$ مصرف و $2\,\mathrm{mol}$ از $\mathrm{Z}$ تولید می‌شود. پس:

$n_{\mathrm{A},\mathrm{eq}}=8.5-3(2)=2.5\,\mathrm{mol}$

$n_{\mathrm{D},\mathrm{eq}}=5-2(2)=1\,\mathrm{mol}$

$n_{\mathrm{X},\mathrm{eq}}=2\,\mathrm{mol}$

$n_{\mathrm{Z},\mathrm{eq}}=2(2)=4\,\mathrm{mol}$

گام سوم: تبدیل مول به غلظت
حجم ظرف $5\,\mathrm{L}$ است و از رابطهٔ $[\mathrm{M}]=\dfrac{n_{\mathrm{M}}}{V}$ استفاده می‌کنیم:

$[\mathrm{A}]=\dfrac{2.5}{5}=0.5\,\mathrm{mol\,L^{-1}}$

$[\mathrm{D}]=\dfrac{1}{5}=0.2\,\mathrm{mol\,L^{-1}}$

$[\mathrm{X}]=\dfrac{2}{5}=0.4\,\mathrm{mol\,L^{-1}}$

$[\mathrm{Z}]=\dfrac{4}{5}=0.8\,\mathrm{mol\,L^{-1}}$

گام چهارم: جای‌گذاری در عبارت ثابت تعادل
$K=\dfrac{(0.4)(0.8)^2}{(0.5)^3(0.2)^2}=\dfrac{0.256}{0.005}=51.2$

پس مقدار ثابت تعادل با عدد گزینهٔ نخست برابر است.

پاسخ: گزینهٔ ۱

برای یافتن عبارت نادرست، باید «تغییر آنتالپی» را از «انرژی فعال‌سازی» جدا کنیم.

گام اول: تعیین گرماگیر یا گرماده بودن واکنش
در نمودار، سطح انرژی فراورده‌های $\mathrm{D+E}$ بالاتر از واکنش‌دهندهٔ $\mathrm{A}$ است؛ بنابراین:
$\Delta H=H_{\text{فراورده‌ها}}-H_{\text{واکنش‌دهنده‌ها}}>0$
پس واکنش گرماگیر است و گزینهٔ اول درست است. برای تشخیص نوع واکنش، سطح انرژی ابتدا و انتها را مقایسه می‌کنیم، نه ارتفاع قله را؛ این همان روش بررسی نمودارهای انرژی در کتاب است (شیمی ۳، صفحهٔ ۹۷–۹۸).

گام دوم: مقایسهٔ انرژی فعال‌سازی و سرعت
انرژی فعال‌سازی، اختلاف انرژی میان قلهٔ مسیر و سطح واکنش‌دهنده‌هاست. چون هر دو مسیر از سطح یکسانی آغاز می‌شوند، ولی قلهٔ مسیر $(1)$ بلندتر است، داریم:
$E_{\mathrm{a},1}>E_{\mathrm{a},2}$
در شرایط یکسان، سد انرژی بزرگ‌تر باعث کمتر شدن سرعت واکنش می‌شود؛ بنابراین مسیر $(1)$ کندتر است و گزینهٔ دوم درست است (شیمی ۳، صفحهٔ ۹۷).

گام سوم: بررسی نقش کاتالیزگر
کاتالیزگر با فراهم کردن مسیری با انرژی فعال‌سازی کمتر، سرعت واکنش را افزایش می‌دهد. بنابراین مسیر $(2)$ با مسیر کاتالیزشده سازگار است و گزینهٔ چهارم نیز درست است (شیمی ۳، صفحهٔ ۹۷–۹۸).

گام چهارم: بررسی عبارت نادرست
کوتاه‌تر بودن قلهٔ مسیر $(2)$ به معنای انجام واکنش در دمای بالاتر نیست؛ کاهش انرژی فعال‌سازی می‌تواند انجام واکنش با سرعت مناسب در دمای پایین‌تر را امکان‌پذیر کند. همچنین کاتالیزگر سطح انرژی آغاز و پایان را تغییر نمی‌دهد؛ پس:
$\Delta H_1=\Delta H_2>0$
در نتیجه هر دو مسیر گرماگیرند و ادعای «آزاد شدن گرمای بیشتر» نیز نادرست است. گزینهٔ سوم، هم در برداشت از دما و هم در برداشت از گرمای واکنش خطا دارد.

پاسخ: گزینهٔ ۳

ابتدا با شمردن الکترون‌ها، عنصرها را شناسایی می‌کنیم:

• $\mathrm{A}$ با $10+2+3=15$ الکترون، فسفر است: $\mathrm{P}$.
• $\mathrm{D}$ با $18+1=19$ الکترون، پتاسیم است: $\mathrm{K}$.
• $\mathrm{X}$ با $18+5+1=24$ الکترون، کروم است: $\mathrm{Cr}$.
• $\mathrm{Z}$ با $18+10+2+3=33$ الکترون، آرسنیک است: $\mathrm{As}$.

آرایش استثنایی کروم، یعنی داشتن تنها یک الکترون در زیرلایهٔ $4s$، در کتاب نیز مطرح شده است (شیمی ۱، صفحهٔ ۳۱–۳۲).

بررسی عبارت اول: درست است.
فسفر با گرفتن سه الکترون و پتاسیم با از دست دادن یک الکترون، به آرایش آرگون می‌رسند:

$\mathrm{P}+3e^-\longrightarrow\mathrm{P^{3-}}\qquad:\quad[\mathrm{Ar}]$

$\mathrm{K}\longrightarrow\mathrm{K^+}+e^-\qquad:\quad[\mathrm{Ar}]$

پس آرایش الکترونی این دو یون یکسان است. یون‌های $\mathrm{P^{3-}}$ و $\mathrm{K^+}$ در جدول یون‌های شناخته‌شدهٔ کتاب آمده‌اند (شیمی ۱، صفحهٔ ۳۷).

بررسی عبارت دوم: نادرست است.
پتاسیم در گروه اول و کروم در گروه ششم قرار دارد؛ وجود آرایش $4s^1$ در هر دو، برای نتیجه‌گیری دربارهٔ شباهت خواص شیمیایی کافی نیست، زیرا کروم الکترون‌های ظرفیت $3d$ نیز دارد. از سوی دیگر، فسفر و آرسنیک هر دو در گروه پانزدهم‌اند و آرایش لایهٔ بیرونی آن‌ها از نوع $ns^2np^3$ است؛ بنابراین خواص شیمیایی مشابهی دارند، نه متفاوت. ارتباط رفتار شیمیایی با الکترون‌های ظرفیت در کتاب توضیح داده شده است (شیمی ۱، صفحهٔ ۳۲–۳۳ و ۳۵–۳۶).

بررسی عبارت سوم: درست است.
فسفر و آرسنیک برای تشکیل آنیون‌های سه‌بار منفی، سه الکترون می‌گیرند و پتاسیم برای تشکیل کاتیون پایدار خود، یک الکترون از دست می‌دهد. کروم نیز می‌تواند با از دست دادن سه الکترون، یون پایدار $\mathrm{Cr^{3+}}$ را تشکیل دهد:

$\mathrm{Cr}\longrightarrow\mathrm{Cr^{3+}}+3e^-$

بنابراین کروم می‌تواند به بیشترین تغییر شمار الکترون‌ها در این مقایسه، یعنی سه الکترون، برسد. دقت کنید که عبارت نگفته است این تغییر «حتماً بیشتر از همهٔ عنصرهای دیگر» است؛ این بیشینه می‌تواند مشترک باشد.

بررسی عبارت چهارم: نادرست است.
برای فسفر، پتاسیم و آرسنیک، الکترون‌های ظرفیت همان الکترون‌های بیرونی‌ترین لایه‌اند؛ اما در عنصرهای دستهٔ $d$ دورهٔ چهارم، الکترون‌های هر دو زیرلایهٔ $3d$ و $4s$ ظرفیت محسوب می‌شوند (شیمی ۱، صفحهٔ ۳۳). در نتیجه، کروم دارای $5+1=6$ الکترون ظرفیت است، ولی بیرونی‌ترین لایهٔ اشغال‌شدهٔ آن، یعنی لایهٔ $n=4$، فقط یک الکترون دارد.

پس عبارت‌های اول و سوم درست‌اند و تعداد عبارت‌های درست برابر با دو است.

پاسخ: گزینهٔ ۲