سوالات شیمی کنکور تجربی ۱۴۰۲ نوبت دوم با پاسخ تشریحی

در صورت سؤال، علامت «/» ممیز اعشاری است؛ بنابراین مقدار کل مخلوط الکل‌ها $1.8\,\mathrm{mol}$ و نسبت حجم‌های داده‌شده $0.4$ است.

گام اول: نوشتن واکنش‌های سوختن کامل
با رعایت پایستگی تعداد اتم‌های هر عنصر در دو سوی واکنش، معادله‌ها را موازنه می‌کنیم (شیمی ۱، صفحهٔ ۶۳–۶۴). سوختن کامل اتانول نیز در تمرین‌های کتاب مطرح شده است (شیمی ۱، صفحهٔ ۸۳–۸۴):

$\mathrm{CH_3OH+\tfrac{3}{2}O_2\rightarrow CO_2+2H_2O}$

$\mathrm{C_2H_5OH+3O_2\rightarrow 2CO_2+3H_2O}$

پس هر مول متانول، یک مول کربن‌دی‌اکسید و هر مول اتانول، دو مول کربن‌دی‌اکسید تولید می‌کند.

گام دوم: تعیین مقدار هر الکل
در دما و فشار یکسان، حجم گاز با مقدار مولی آن متناسب است؛ بنابراین نسبت حجم‌های کربن‌دی‌اکسید را می‌توان برابر نسبت مقدار مولی آن‌ها قرار داد (شیمی ۱، صفحهٔ ۷۷–۷۸).

اگر مقدار متانول را $x$ مول و مقدار اتانول را $y$ مول بگیریم:

$x+y=1.8$

$\dfrac{n_{\mathrm{CO_2}\text{ از متانول}}}{n_{\mathrm{CO_2}\text{ از اتانول}}}=\dfrac{x}{2y}=0.4$

در نتیجه:

$x=0.8y$

$0.8y+y=1.8\Rightarrow y=1.0\,\mathrm{mol},\qquad x=0.8\,\mathrm{mol}$

گام سوم: محاسبهٔ درصد جرمی متانول
جرم مولی دو الکل برابر است با:

$M_{\mathrm{CH_3OH}}=12+4(1)+16=32\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

$M_{\mathrm{C_2H_5OH}}=2(12)+6(1)+16=46\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

پس جرم هر جزء در مخلوط آغازین:

$m_{\text{متانول}}=0.8\times32=25.6\,\mathrm{g}$

$m_{\text{اتانول}}=1.0\times46=46\,\mathrm{g}$

درصد جرمی متانول از تقسیم جرم آن بر جرم کل مخلوط الکل‌ها به دست می‌آید:

$\%m_{\text{متانول}}=\dfrac{25.6}{25.6+46}\times100\approx35.7\%$

گام چهارم: محاسبهٔ حجم گاز در شرایط استاندارد
در شرایط $\mathrm{STP}$، آب تولیدشده مایع است؛ بنابراین در محاسبهٔ حجم گازهای فراورده فقط کربن‌دی‌اکسید را در نظر می‌گیریم. در نمونهٔ اکسایش کامل گلوکز کتاب نیز آب به‌صورت مایع نوشته شده است (شیمی ۱، صفحهٔ ۸۰).

$n_{\mathrm{CO_2}}=x+2y=0.8+2(1.0)=2.8\,\mathrm{mol}$

حجم مولی گازها در شرایط استاندارد برابر $22.4\,\mathrm{L\,mol^{-1}}$ است (شیمی ۱، صفحهٔ ۷۷–۷۸)، پس:

$V_{\mathrm{CO_2}}=2.8\times22.4=62.72\,\mathrm{L}$

این نتیجه با فرض معمول سؤال، یعنی نبود اکسیژن اضافی پس از واکنش، به دست می‌آید؛ اگر اکسیژن اضافی باقی بماند، برای تعیین حجم کل گاز باید مقدار آن نیز معلوم باشد.

پاسخ: گزینهٔ ۱

برای یافتن عبارت نادرست، گزینه‌ها را جداگانه بررسی می‌کنیم. در رسم ساختار لوویس باید مجموع الکترون‌های ظرفیت حفظ شود و در چارچوب روش این درس، اتم‌ها به آرایش هشت‌تایی برسند؛ همچنین هر خط پیوند نشان‌دهندهٔ یک جفت الکترون است (شیمی ۱، صفحهٔ ۵۷–۵۸).

گزینهٔ ۱ ـ درست است.
در مولکول $\mathrm{COCl_2}$، مجموع الکترون‌های ظرفیت برابر است با:
$4+6+2(7)=24$
کربن با اکسیژن یک پیوند دوگانه و با هر اتم کلر یک پیوند یگانه تشکیل می‌دهد؛ پس تعداد الکترون‌های پیوندی برابر است با:
$4+2+2=8$
اکسیژن دو جفت و هر کلر سه جفت الکترون ناپیوندی دارد؛ بنابراین:
$N_{\text{ناپیوندی}}=4+2(6)=16$
در نتیجه، نسبت موردنظر برابر است با:
$\dfrac{N_{\text{ناپیوندی}}}{N_{\text{پیوندی}}}=\dfrac{16}{8}=2$

گزینهٔ ۲ ـ نادرست است.
شباهت آرایش الکترون‌ـ‌نقطه‌ای اعضای یک گروه را نباید بدون توجه به استثناها به همهٔ عنصرهای آن گروه تعمیم داد. هلیم و نئون هر دو در گروه گازهای نجیب قرار دارند، اما هلیم در لایهٔ ظرفیت خود $2$ الکترون و نئون $8$ الکترون دارد؛ بنابراین تعداد نقطه‌های نمایش لوویس آن‌ها متفاوت است. هلیم با کامل‌شدن لایهٔ نخست پایدار می‌شود و مشمول آرایش هشت‌تایی نیست.

گزینهٔ ۳ ـ درست است.
مجموع الکترون‌های ظرفیت در گوگرد دی‌اکسید و کربن دی‌سولفید به‌ترتیب چنین است:
$\mathrm{SO_2}:\quad 6+2(6)=18$
$\mathrm{CS_2}:\quad 4+2(6)=16$
در ساختار هشت‌تایی $\mathrm{SO_2}$، گوگرد یک پیوند یگانه و یک پیوند دوگانه با اکسیژن‌ها و یک جفت الکترون ناپیوندی دارد. جای پیوند یگانه و دوگانه را نیز می‌توان عوض کرد. در مقابل، ساختار کربن دی‌سولفید به‌صورت $\mathrm{S=C=S}$ است و کربن مرکزی جفت الکترون ناپیوندی ندارد. پس ساختار لوویس این دو مولکول متفاوت است (شیمی ۱، صفحهٔ ۵۷–۵۸).

گزینهٔ ۴ ـ درست است.
برای شمارش الکترون‌های ظرفیت هر یون با بار منفیِ یک، یک الکترون به مجموع الکترون‌های ظرفیت اتم‌ها اضافه می‌کنیم:
$\mathrm{NO_2^-}:\quad 5+2(6)+1=18$
$\mathrm{CN^-}:\quad 4+5+1=10$
در یون نیتریت، نیتروژن با یکی از اکسیژن‌ها پیوند یگانه و با دیگری پیوند دوگانه دارد؛ پس تعداد جفت‌های پیوندی آن برابر است با:
$1+2=3$
در یون سیانید، کربن و نیتروژن با پیوند سه‌گانه به هم متصل‌اند؛ بنابراین این یون نیز $3$ جفت الکترون پیوندی دارد. پس شمار جفت‌های پیوندی دو یون برابر است.

پاسخ: گزینهٔ ۲

برای یافتن عبارت نادرست، ابتدا باید جهت اسمز و شرط توقف آن را مشخص کنیم.

۱. در اسمز، آب از میان غشای نیمه‌تراوا از سمت آب خالص یا محلول رقیق‌تر به سمت محلول غلیظ‌تر جابه‌جا می‌شود؛ درحالی‌که حل‌شوندهٔ عبورناپذیر از غشا در همان سمت باقی می‌ماند. این رفتار را می‌توان با بررسی شکل آب مقطر و آب دریا در کتاب توضیح داد (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۱۸).

۲. با ورود آب به سمت محلول غلیظ‌تر، حجم و ارتفاع مایع در آن سمت افزایش می‌یابد. اختلاف ارتفاع، اختلاف فشاری ایجاد می‌کند که در برابر ادامهٔ ورود آب قرار می‌گیرد. هنگامی که این اثر با تمایل به عبور اسمزی آب موازنه شود، جابه‌جایی خالص آب متوقف می‌شود؛ بنابراین توقف اسمز الزاماً به معنای برابرشدن غلظت حل‌شونده در دو طرف نیست. برای مثال، در شکل کتاب، یون‌های نمک نمی‌توانند وارد سمت آب مقطر شوند؛ پس آن سمت همچنان بدون نمک می‌ماند، اما سمت دیگر محلول نمک است. در نتیجه، ادعای گزینهٔ ۳ نادرست است (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۱۸).

۳. اسمز در جهت طبیعی خود، خودبه‌خودی است. برای حرکت آب در جهت مخالف، باید به سمت محلول غلیظ‌تر فشار خارجی کافی وارد کنیم؛ همان کاری که پمپ در دستگاه اسمز معکوس انجام می‌دهد. بنابراین اسمز معکوس به صرف انرژی نیاز دارد و گزینهٔ ۲ درست است (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۱۸).

۴. کاربرد اسمز معکوس محدود به تهیهٔ آب شیرین نیست. اگر بخشی از آب شیر با اعمال فشار از غشای مناسب خارج شود و اجزای دیگر در سمت شیر باقی بمانند، مقدار آب نسبت به مواد باقی‌مانده کاهش می‌یابد و شیر تغلیظ می‌شود. این نتیجه با مفهوم غلظت، یعنی مقدار حل‌شونده در مقدار معینی از حلال یا محلول، سازگار است؛ پس گزینهٔ ۱ درست است (شیمی ۱، صفحه‌های ۹۴ و ۱۱۸).

۵. در دستگاه اسمز معکوس، عملکرد غشا به وضعیت آب ورودی نیز وابسته است. مواد معلق و مواد رسوب‌گذار می‌توانند غشا را دچار گرفتگی کنند و کارایی آن را کاهش دهند؛ بنابراین کیفیت آب بر مدت استفادهٔ مؤثر از غشا اثر می‌گذارد و گزینهٔ ۴ نیز درست است. این نکته با نقش اصلی غشا در دستگاه شیرین‌سازی نشان‌داده‌شده در کتاب ارتباط دارد (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۱۸).

پاسخ: گزینهٔ ۳

برای پاسخ، هر عبارت را جداگانه بررسی می‌کنیم.

الف) نادرست است.
در واکنش تیتانیم با آهن(III) اکسید، تیتانیم اکسیژن را می‌گیرد و آهن آزاد می‌شود:
$\mathrm{2Fe_2O_3 + 3Ti \xrightarrow{\Delta} 4Fe + 3TiO_2}$
پس تیتانیم از آهن واکنش‌پذیرتر است (شیمی ۲، صفحهٔ ۴۹–۵۰). از سوی دیگر، آزمایش قرار دادن آهن در محلول مس(II) سولفات نشان می‌دهد آهن از مس فعال‌تر است (شیمی ۲، صفحهٔ ۱۹–۲۰). بنابراین ترتیب واکنش‌پذیری چنین است:
$\mathrm{Ti > Fe > Cu}$
در نتیجه، واکنش‌پذیری تیتانیم بیشتر از مس است. مقاومت تیتانیم در برابر خوردگی را نباید به معنای واکنش‌پذیری کمتر آن دانست.

ب) نادرست است.
هگزان، آلکان و دارای فرمول $\mathrm{C_6H_{14}}$ است؛ یک‌هگزن، آلکن و دارای فرمول $\mathrm{C_6H_{12}}$ است. مطابق بحث آلکن‌ها در فصل اول شیمی ۲، آلکان‌ها و آلکن‌های متناظر خواص فیزیکی بسیار مشابهی دارند؛ بنابراین در چارچوب این پرسش، ویژگی‌های فیزیکی راه مناسبی برای تشخیص این دو نیست. تفاوت مهم برای شناسایی آن‌ها، رفتار شیمیایی پیوند دوگانه در یک‌هگزن است؛ برای نمونه، می‌توان از واکنش با برم در شرایط مناسب استفاده کرد. منظور، یکسان‌بودن دقیق همهٔ خواص فیزیکی این دو ماده نیست.

پ) درست است.
در تولید صنعتی آهن از آهن(III) اکسید با کربن مونوکسید، کربن دی‌اکسید تولید می‌شود:
$\mathrm{Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2}$
این واکنش در کتاب آمده است (شیمی ۲، صفحهٔ ۲۴–۲۵). کربن دی‌اکسید از گازهای گلخانه‌ای است و افزایش انتشار آن در گرم‌شدن زمین نقش دارد.
در تهیهٔ مس از سنگ معدن سولفیدی نیز گوگرد دی‌اکسید تولید می‌شود:
$\mathrm{Cu_2S + O_2 \rightarrow 2Cu + SO_2}$
واکنش استخراج مس در تمرین کتاب آمده است (شیمی ۲، صفحهٔ ۴۹–۵۰). گوگرد دی‌اکسید آلایندهٔ هواست و در ایجاد باران اسیدی نقش دارد. پس واکنش‌های یادشده برای تولید هر دو فلز، پیامد زیست‌محیطی نامطلوب دارند.

ت) درست است.
عنصر اصلی سازندهٔ سلول‌های خورشیدی، سیلیسیم است. سیلیسیم شبه‌فلز و هم‌گروه کربن است؛ نافلز این گروه، کربن است. مطابق مقایسهٔ کتابی واکنش‌پذیری این عنصرها، سیلیسیم از کربن واکنش‌پذیری کمتری دارد؛ پس عبارت درست است.

بنابراین فقط عبارت‌های «پ» و «ت» درست‌اند.

پاسخ: گزینهٔ ۴

برای پاسخ، هر گزاره را جداگانه بررسی می‌کنیم. مبنای کار، جایگاه عنصرها در جدول و تقسیم آن‌ها به فلز، نافلز و شبه‌فلز است (شیمی ۲، صفحهٔ ۶).

گام اول: بررسی گزارهٔ اول — درست است.
در هر یک از چهار دورهٔ نخست، دست‌کم دو نافلز می‌توان یافت:

• دورهٔ اول: هیدروژن و هلیم؛
• دورهٔ دوم: برای نمونه، کربن و نیتروژن؛
• دورهٔ سوم: برای نمونه، فسفر و گوگرد؛
• دورهٔ چهارم: برای نمونه، برم و کریپتون.

توجه کنید که گازهای نجیب نیز نافلزند؛ کم‌واکنش‌بودن آن‌ها به معنای خارج‌بودن از دستهٔ نافلزها نیست. این بررسی با الگوی جایگاه نافلزها در بخش راست و بالای جدول سازگار است (شیمی ۲، صفحهٔ ۹).

گام دوم: بررسی گزارهٔ دوم — درست است.
تنها نافلز مایع در شرایط معمول، برم است که در دورهٔ چهارم قرار دارد. در همین دوره، ژرمانیم یک شبه‌فلز است. عنصرهای پیش از ژرمانیم در این دوره عبارت‌اند از پتاسیم، کلسیم، اسکاندیم، تیتانیم، وانادیم، کروم، منگنز، آهن، کبالت، نیکل، مس، روی و گالیم که همگی فلزند. بنابراین ژرمانیم شرط موردنظر را دارد. قرارگرفتن شبه‌فلزها در مرز فلزها و نافلزها نیز در کتاب بیان شده است (شیمی ۲، صفحهٔ ۹).

گام سوم: بررسی گزارهٔ سوم — درست است.
عنصرهای گازی سه دورهٔ نخست در شرایط معمول عبارت‌اند از:

• دورهٔ اول: هیدروژن و هلیم؛
• دورهٔ دوم: نیتروژن، اکسیژن، فلوئور و نئون؛
• دورهٔ سوم: کلر و آرگون.

پس تعداد کل آن‌ها برابر است با:
$2+4+2=8$
هیدروژن و هلیم متعلق به دستهٔ $s$ هستند؛ در نتیجه شش عنصر دیگر به دستهٔ $p$ تعلق دارند:
$8-2=6$
نکتهٔ مهم، هلیم است: با وجود قرارگرفتن در گروه هجدهم، آرایش الکترونی آن $1s^2$ است و عضو دستهٔ $s$ محسوب می‌شود. کتاب نیز تأکید می‌کند که هلیم تنها دو الکترون در نخستین لایه دارد و لایهٔ ظرفیتش پر است (شیمی ۲، صفحه‌های ۶ تا ۸).

گام چهارم: بررسی گزارهٔ چهارم — درست است.
عبارت «می‌تواند» را باید با یافتن یک مثال درست بررسی کنیم، نه با اثبات یک قاعده برای همهٔ گازها. اکسیژن با عدد اتمی $8$ گازی با واکنش‌پذیری بالاست. اگر $x=8$ باشد، داریم:
$x+9=8+9=17$
عنصر با عدد اتمی $17$، کلر است که آن هم گازی با واکنش‌پذیری بالاست. پس این گزاره نیز درست است. توجه کنید که سؤال هم‌گروه‌بودن دو عنصر را شرط نکرده است؛ موقعیت عنصر در جدول به شناخت خواص آن کمک می‌کند (شیمی ۲، صفحهٔ ۶).

بنابراین هر چهار گزاره درست‌اند و تعداد موارد درست برابر با $4$ است.

پاسخ: گزینهٔ ۱

گام اول ـ محاسبهٔ جرم نمک در نمونه
طبق تعریف قسمت در میلیون، نسبت جرم حل‌شونده به جرم محلول را در $10^6$ ضرب می‌کنیم؛ یکای جرم در صورت و مخرج باید یکسان باشد (شیمی ۱، صفحه‌های ۹۴–۹۵):
$\mathrm{ppm}=\dfrac{m_{\text{حل‌شونده}}}{m_{\text{محلول}}}\times10^6$
بنابراین جرم نمک موجود در $300\,\mathrm{g}$ محلول برابر است با:
$m_{\text{نمک}}=\dfrac{170\times300}{10^6}=0.051\,\mathrm{g}$

گام دوم ـ محاسبهٔ جرم مولی نمک
با استفاده از رابطهٔ جرم مولی و شمار مول‌ها داریم:
$M_{\mathrm{MNO_3}}=\dfrac{m}{n}\simeq\dfrac{0.051\,\mathrm{g}}{6\times10^{-4}\,\mathrm{mol}}=85\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

گام سوم ـ جدا کردن سهم نیترات از جرم مولی نمک
هر واحد فرمولی این نمک، یک اتم فلز و یک گروه نیترات دارد. سهم نیترات از جرم مولی نمک برابر است با:
$M_{\mathrm{NO_3}}=14+3\times16=62\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
پس جرم مولی فلز برابر می‌شود با:
$M_{\text{فلز}}=85-62=23\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
این مقدار با سدیم، $\mathrm{Na}$، در گزینه‌ها مطابقت دارد؛ بنابراین نمک موردنظر سدیم نیترات است.

پاسخ: گزینهٔ ۲

برای یافتن عبارت درست، روند نقطهٔ جوش و سپس ساختار و نام‌گذاری آلکان‌ها را بررسی می‌کنیم.

۱. بررسی گزینهٔ اول: مولکول‌های آلکان ناقطبی‌اند و نیروی جاذبهٔ بین آن‌ها از نوع نیروهای پراکندگی لاندن است. با افزایش شمار کربن‌ها، اندازهٔ مولکول و قدرت این نیروها بیشتر می‌شود؛ در نتیجه نقطهٔ جوش افزایش می‌یابد (شیمی ۲، صفحهٔ ۳۴–۳۵).

نکتهٔ تعیین‌کننده این است که این افزایش، خطی و با آهنگ ثابت نیست؛ در روند نقطهٔ جوش آلکان‌های راست‌زنجیر، با بزرگ‌تر شدن زنجیر، افزایش نقطهٔ جوش به‌ازای افزودن تعداد معینی کربن کمتر می‌شود. در هر دو بازهٔ سؤال، اختلاف شمار کربن‌ها برابر است:
$17-14=5-2=3$
اما بازهٔ آلکان‌های سبک‌تر، افزایش نقطهٔ جوش بیشتری دارد. اگر $T_b(n)$ نقطهٔ جوش آلکان راست‌زنجیرِ دارای $n$ اتم کربن باشد، داریم:
$T_b(17)-T_b(14)<T_b(5)-T_b(2)$
پس عبارت اول درست است.

۲. بررسی گزینهٔ دوم: برای رد یک ادعای «نمی‌تواند»، یافتن یک مثال کافی است. ساختار زیر را در نظر بگیرید:
$\mathrm{CH_3-CH_2-CH(CH_2CH_3)-CH(CH_2CH_3)-CH_2-CH_3}$
در این ساختار، بلندترین زنجیره شش اتم کربن دارد و دو شاخهٔ اتیل نیز به آن متصل‌اند. نام آن $3،4$ـ‌دی‌اتیل‌هگزان است؛ بنابراین وجود دو شاخهٔ اتیل الزاماً زنجیرهٔ اصلی را از شش کربن بلندتر نمی‌کند. تشخیص شاخه و زنجیره باید بر اساس چگونگی اتصال کربن‌ها باشد، نه ظاهر رسم مولکول (شیمی ۲، صفحهٔ ۳۳–۳۵).

۳. بررسی گزینهٔ سوم: نگهداری زیر یک هیدروکربن مایع می‌تواند تماس برخی فلزهای واکنش‌پذیر با هوا و رطوبت را محدود کند؛ اما طلا فلزی کم‌واکنش است و در شرایط معمول دچار خوردگی نمی‌شود. پس نسبت دادن این کاربرد حفاظتی به طلا نادرست است.

۴. بررسی گزینهٔ چهارم: در نام‌گذاری، زنجیرهٔ اصلی باید بلندترین زنجیرهٔ پیوستهٔ کربنی باشد. ساختار متناظر با نام پیشنهادی $2$ـ‌اتیل‌پنتان چنین است:
$\mathrm{CH_3-CH(CH_2CH_3)-CH_2-CH_2-CH_3}$
با دنبال کردن مسیر از انتهای شاخهٔ اتیل تا انتهای دیگر مولکول، یک زنجیرهٔ شش‌کربنی پیدا می‌کنیم. بنابراین نام پایه باید هگزان باشد، نه پنتان؛ نام درست ترکیب $3$ـ‌متیل‌هگزان است. داشتن هفت اتم کربن، به‌تنهایی نام پیشنهادی را معتبر نمی‌کند (شیمی ۲، مبحث نام‌گذاری آلکان‌ها، صفحهٔ ۳۷–۳۸).

پاسخ: گزینهٔ ۱

گام اول: موازنهٔ واکنش

برای محاسبهٔ مقدار نظری فراورده، ابتدا باید معادلهٔ واکنش موازنه شود:

$\mathrm{2NaCl(s)+MnO_2(s)+3H_2SO_4(aq)\rightarrow 2NaHSO_4(aq)+MnSO_4(aq)+2H_2O(l)+Cl_2(g)}$

بنابراین نسبت مولی سولفوریک اسید به منگنز سولفات برابر با $3:1$ است. نکتهٔ مهم این است که سولفاتِ اسید فقط وارد منگنز سولفات نمی‌شود، بلکه در سدیم هیدروژن سولفات نیز حضور دارد.

گام دوم: محاسبهٔ مقدار اسید

حجم محلول را به لیتر تبدیل می‌کنیم و از رابطهٔ غلظت مولی استفاده می‌کنیم:

$V=150\,\mathrm{mL}=0.150\,\mathrm{L}$

$n(\mathrm{H_2SO_4})=CV=(4\,\mathrm{mol\,L^{-1}})(0.150\,\mathrm{L})=0.600\,\mathrm{mol}$

گام سوم: محاسبهٔ جرم نظری فراورده

طبق نسبت ضرایب در معادلهٔ موازنه‌شده:

$n_{\text{نظری}}(\mathrm{MnSO_4})=0.600\,\mathrm{mol}\times\frac{1}{3}=0.200\,\mathrm{mol}$

جرم مولی منگنز سولفات از مجموع جرم‌های مولی اتم‌های آن به دست می‌آید:

$M(\mathrm{MnSO_4})=55+32+4(16)=151\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

پس جرم نظری برابر است با:

$m_{\text{نظری}}=nM=(0.200\,\mathrm{mol})(151\,\mathrm{g\,mol^{-1}})=30.2\,\mathrm{g}$

گام چهارم: محاسبهٔ بازده درصدی

در کتاب، مقدار فراورده‌ای که از محاسبات استوکیومتری انتظار داریم «مقدار نظری» و مقدار به‌دست‌آمده در عمل «مقدار عملی» نامیده می‌شود. بازده درصدی از نسبت مقدار عملی به مقدار نظری محاسبه می‌شود (شیمی ۲، صفحه‌های ۲۳–۲۴).

$\text{بازده درصدی}=\frac{m_{\text{عملی}}}{m_{\text{نظری}}}\times100$

با جای‌گذاری جرم عملی داده‌شده در سؤال:

$\text{بازده درصدی}=\frac{22.65\,\mathrm{g}}{30.2\,\mathrm{g}}\times100=75\%$

پاسخ: گزینهٔ ۳

گام اول ـ موازنهٔ واکنش

معادلهٔ موازنه‌شده به صورت زیر است:
$\mathrm{CH_4(g)+2H_2S(g)\rightarrow CS_2(g)+4H_2(g)}$

بنابراین به‌ازای مصرف هر $1\,\mathrm{mol}$ متان، $2\,\mathrm{mol}$ هیدروژن سولفید مصرف و $1\,\mathrm{mol}$ کربن دی‌سولفید و $4\,\mathrm{mol}$ هیدروژن تولید می‌شود.

گام دوم ـ نوشتن مقدار گازها پس از واکنش

فرض می‌کنیم در بازهٔ موردنظر، $x\,\mathrm{mol}$ متان مصرف شده باشد. مقدار هر گاز برحسب مول برابر است با:
$n(\mathrm{CH_4})=0.2-x$
$n(\mathrm{H_2S})=0.4-2x$
$n(\mathrm{CS_2})=x$
$n(\mathrm{H_2})=4x$

پس مجموع مقدار گازهای درون ظرف برابر خواهد بود با:
$n_{\text{کل}}=(0.2-x)+(0.4-2x)+x+4x=0.6+2x$

نکتهٔ مهم این است که مجموع مول‌های گازی در این واکنش افزایش می‌یابد و برابر با مقدار اولیه باقی نمی‌ماند.

گام سوم ـ استفاده از درصد حجمی هیدروژن

برای گازها در دما و فشار یکسان، نسبت حجم‌ها با نسبت مول‌ها برابر است؛ بنابراین سهم حجمی هیدروژن همان سهم مولی آن است:
$\frac{n(\mathrm{H_2})}{n_{\text{کل}}}=\frac{50}{100}$
$\frac{4x}{0.6+2x}=0.5$
$4x=0.3+x\quad\Rightarrow\quad x=0.1$

در نتیجه، مقدار متان مصرف‌شده $0.1\,\mathrm{mol}$ است.

گام چهارم ـ محاسبهٔ سرعت متوسط واکنش

طبق تعریف کتاب، سرعت واکنش از تقسیم سرعت مصرف یا تولید هر ماده بر ضریب استوکیومتری آن به دست می‌آید (شیمی ۲، صفحه‌های ۹۲–۹۳). چون ضریب متان برابر با یک است، سرعت واکنش با سرعت مصرف متان برابر است. همچنین سرعت متوسط از نسبت تغییر مقدار ماده به بازهٔ زمانی محاسبه می‌شود (شیمی ۲، صفحه‌های ۸۸–۸۹). برای بیان سرعت برحسب غلظت در ظرفی با حجم ثابت داریم:
$\bar R=-\frac{\Delta[\mathrm{CH_4}]}{\Delta t}=\frac{n_{\text{متان مصرف‌شده}}}{V\Delta t}$

زمان را به دقیقه تبدیل می‌کنیم:
$\Delta t=30\,\mathrm{s}=0.5\,\mathrm{min}$

با جای‌گذاری حجم ظرف و مقدار متان مصرف‌شده:
$\bar R=\frac{0.1\,\mathrm{mol}}{1.25\,\mathrm{L}\times0.5\,\mathrm{min}}=0.16\,\mathrm{mol\,L^{-1}\,min^{-1}}$

پاسخ: گزینهٔ ۲

برای حل سؤال باید میان «انرژی جنبشی مولکول‌ها» و «انرژی پتانسیل ناشی از برهم‌کنش آن‌ها» تفاوت بگذاریم.

گام اول: ارتباط دما و انرژی جنبشی
طبق کتاب، دما معیاری برای توصیف میانگین انرژی جنبشی ذره‌های سازندهٔ ماده است؛ بنابراین ثابت ماندن دما نشان می‌دهد میانگین انرژی جنبشی آن‌ها تغییر محسوسی نکرده است، نه اینکه همهٔ شکل‌های انرژی ثابت مانده‌اند (شیمی ۲، صفحه‌های ۵۶–۵۷).

گام دوم: بررسی جوشش آب
هنگام جوشش آب در فشار معمول، آب مایع و بخار تشکیل‌شده در دمای $100^\circ\mathrm{C}$ قرار دارند. چون دما تغییر نمی‌کند و مولکول‌ها نیز همان مولکول‌های آب هستند، میانگین انرژی جنبشی آن‌ها تغییر چندانی ندارد. گرمای جذب‌شده در این مرحله صرف غلبه بر جاذبه‌های بین‌مولکولی و افزایش انرژی پتانسیل می‌شود، نه افزایش محسوس انرژی جنبشی. بنابراین گزینهٔ چهارم درست است. نمونهٔ ذوب یخ در دمای ثابت نیز در کتاب نشان می‌دهد که جذب گرما لزوماً با افزایش دما همراه نیست (شیمی ۲، صفحه‌های ۵۹–۶۰).

گام سوم: بررسی نادرستی سایر عبارت‌ها

• گزینهٔ اول: با یکسان بودن واکنش‌دهنده‌ها و سایر شرایط، حالت گازی یک ماده نسبت به حالت مایع آن انرژی بیشتری دارد. بنابراین اگر واکنش گرماده باشد، تشکیل فراوردهٔ گازی نسبت به تشکیل مایع همان ماده، گرمای کمتری آزاد می‌کند.
• گزینهٔ دوم: گرمای واکنش به وضعیت آغازین و پایانی، از جمله حالت فیزیکی مواد، وابسته است. ثابت بودن دما و فشار این وابستگی را از بین نمی‌برد.
• گزینهٔ سوم: ثابت ماندن دما فقط دربارهٔ میانگین انرژی جنبشی اطلاعات می‌دهد؛ از آن نمی‌توان نزدیک بودن انرژی پتانسیل واکنش‌دهنده‌ها و فراورده‌ها را نتیجه گرفت، زیرا در واکنش شیمیایی پیوندها تغییر می‌کنند.

پاسخ: گزینهٔ ۴

نخست یک نکتهٔ نگارشی: در عبارت «الف»، با توجه به ساختار و پاسخ تأییدشده، منظور «کربن‌هایی است که فقط به اتم‌های غیرهیدروژن متصل‌اند»، یعنی هیدروژن ندارند. اگر واژهٔ «فقط» منظور نباشد، عبارت به شکل نوشته‌شده درست نخواهد بود؛ زیرا همهٔ کربن‌های این مولکول دست‌کم به یک اتم غیرهیدروژن متصل‌اند.

برای خواندن شکل، باید هیدروژن‌های نوشته‌نشده را با توجه به چهارظرفیتی بودن کربن مشخص کنیم. در فرمول پیوند ــ خط، معمولاً نماد کربن و هیدروژن‌های متصل به آن نمایش داده نمی‌شود (شیمی ۲، صفحهٔ ۳۱–۳۲ و ۳۳–۳۴).

بررسی «الف»: درست است.
کربن‌های بدون هیدروژن عبارت‌اند از:

• سه کربن حلقهٔ بنزنی که به دو اتم نیتروژن و یک اتم فلوئور متصل‌اند؛
• کربن گروه کربونیل در حلقهٔ پنج‌ضلعی؛
• کربن گروه کربونیل در شاخهٔ آمیدی.

بنابراین شمار آن‌ها برابر است با $3+1+1=5$.

بررسی «ب»: درست است.
کربن می‌تواند پیوند یگانه، دوگانه یا سه‌گانه تشکیل دهد؛ هنگام شمارش، هر پیوند دوگانه را یک پیوند از نوع دوگانه می‌شماریم، نه دو پیوند یگانه (شیمی ۲، صفحهٔ ۳۲–۳۳).

در این ساختار، حلقهٔ بنزنی دارای $3$ پیوند دوگانه و دو گروه کربونیل دارای $2$ پیوند دوگانه‌اند؛ پس مجموع پیوندهای غیریگانه برابر $5$ است و پیوند سه‌گانه‌ای وجود ندارد.

شمار پیوندهای یگانهٔ میان اتم‌های غیرهیدروژن برابر $21$ است. برای شمارش پیوندهای متصل به هیدروژن نیز بخش‌های مولکول را جدا می‌کنیم:

• حلقهٔ مورفولین: $8$ هیدروژن؛
• حلقهٔ بنزنی: $3$ هیدروژن؛
• بخش کربنی حلقهٔ پنج‌ضلعی: $3$ هیدروژن؛
• گروه متیلن شاخه: $2$ هیدروژن؛
• گروه $\mathrm{NH}$: یک هیدروژن؛
• گروه متیل انتهایی: $3$ هیدروژن.

پس شمار هیدروژن‌ها و در نتیجه پیوندهای یگانهٔ متصل به آن‌ها برابر است با:
$8+3+3+2+1+3=20$

بنابراین:
$N_{\text{یگانه}}=21+20=41$

و نسبت خواسته‌شده برابر است با:
$\dfrac{N_{\text{یگانه}}}{N_{\text{سایر}}}=\dfrac{41}{5}=8.2$

پس عدد «۸/۲» در صورت سؤال، به معنای اعشاری $8.2$ است.

بررسی «پ»: نادرست است.
مولکول دارای پیوند $\mathrm{N-H}$ و اتم‌های اکسیژن مناسب برای پذیرش پیوند هیدروژنی است؛ بنابراین امکان تشکیل پیوند هیدروژنی دارد. اما برای تشکیل زنجیر پلی‌آمیدی، وجود گروه‌های عاملی آزاد و مناسب برای اتصال پیاپی مولکول‌ها لازم است. این ساختار چنین گروه‌هایی ندارد؛ صرفِ وجود گروه آمیدی در مولکول کافی نیست. چون بخش مربوط به تشکیل پلی‌آمید نادرست است، کل عبارت «پ» نادرست خواهد بود.

بررسی «ت»: نادرست است.
کربن‌های متصل مستقیم به اکسیژن را می‌شماریم:

• دو کربن در دو سوی اکسیژن حلقهٔ مورفولین؛
• دو کربن متصل به اکسیژن حلقهٔ پنج‌ضلعی که یکی از آن‌ها همان کربن کربونیل حلقه است؛
• کربن کربونیل شاخهٔ آمیدی.

پس تعداد کربن‌های متصل به اکسیژن برابر $5$ است. توجه کنید کربن کربونیل حلقه، با وجود اتصال به دو اکسیژن، فقط یک بار شمرده می‌شود.

برای نیتروژن‌ها، نیتروژن مورفولین به $3$ کربن، نیتروژن حلقهٔ پنج‌ضلعی به $3$ کربن و نیتروژن شاخهٔ آمیدی به $2$ کربن متصل است. این کربن‌ها مشترک نیستند؛ بنابراین شمار آن‌ها برابر است با:
$3+3+2=8$

چون $5\ne8$، عبارت «ت» نادرست است.

در نتیجه، فقط عبارت‌های «الف» و «ب» درست‌اند.

پاسخ: گزینهٔ ۱

گام اول: محاسبهٔ غلظت و مقدار اسید

طبق تعریف کتاب، $\mathrm{pH}=-\log[\mathrm{H^+}]$ و در نتیجه $[\mathrm{H^+}]=10^{-\mathrm{pH}}$ است (شیمی ۳، صفحهٔ ۲۴–۲۶). بنابراین با توجه به $\mathrm{pH}=0.3$ داریم:

$[\mathrm{H^+}]=10^{-0.3}\simeq 0.50\,\mathrm{mol\,L^{-1}}$

این تقریب از $\log 2\simeq0.30$ به دست می‌آید (شیمی ۳، صفحهٔ ۲۴–۲۵). چون $\mathrm{HA}$ اسیدی قوی و تک‌پروتونی است، غلظت مولی آن تقریباً برابر غلظت یون هیدروژن خواهد بود.

با تبدیل حجم محلول به لیتر:

$V=100\,\mathrm{mL}=0.100\,\mathrm{L}$

$n(\mathrm{HA})=CV\simeq0.50\times0.100=0.050\,\mathrm{mol}$

گام دوم: تعیین مجموع مول‌های دو اکسید

در هر دو واکنش داده‌شده، هر مول اکسید با $2$ مول اسید واکنش می‌دهد. پس در خنثی‌شدن کامل مخلوط:

$n(\mathrm{Na_2O})+n(\mathrm{K_2O})=\frac{n(\mathrm{HA})}{2}\simeq0.025\,\mathrm{mol}$

گام سوم: نوشتن معادلهٔ جرم مخلوط

جرم‌های مولی دو اکسید عبارت‌اند از:

$M(\mathrm{Na_2O})=2(23)+16=62\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

$M(\mathrm{K_2O})=2(39)+16=94\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

اگر جرم سدیم اکسید را $x$ گرم بگیریم، جرم پتاسیم اکسید $(2-x)$ گرم خواهد بود. بنابراین:

$\frac{x}{62}+\frac{2-x}{94}=0.025$

با ضرب دو طرف در $62\times94$:

$94x+62(2-x)=0.025\times62\times94$

$32x+124=145.7$

$x=\frac{21.7}{32}=0.678125\,\mathrm{g}\simeq0.68\,\mathrm{g}$

پس جرم تقریبی سدیم اکسید در مخلوط $0.68\,\mathrm{g}$ است.

پاسخ: گزینهٔ ۲

برای پاسخ، ابتدا الگوی اتصال اتم‌ها در استر را بررسی می‌کنیم و سپس حکم‌های کلی گزینه‌ها را می‌سنجیم.

۱. بررسی ساختار استر و گزینهٔ چهارم
ساختار عمومی استر را می‌توان به صورت $\mathrm{R-C(=O)-O-R'}$ نوشت. در این ساختار، کربن گروه کربونیل به هر دو اتم اکسیژن پیوند دارد و کربنِ بخش الکلی نیز به اکسیژنِ دارای پیوند یگانه متصل است. پس دو اتم کربن در اتصال به دو اتم اکسیژنِ گروه استری شرکت دارند؛ منظور این نیست که هر کدام از این دو کربن، به هر دو اکسیژن متصل‌اند. بنابراین گزینهٔ چهارم درست است. الگوی اتصال بخش‌های دو سوی گروه استری در کتاب معرفی شده است (شیمی‌شناسی ۲، صفحات ۱۰۹ تا ۱۱۱).

۲. چرا گزینهٔ دوم نادرست است؟
در بسیاری از استرها، کربن گروه کربونیل به دو اکسیژن و یک کربن متصل است؛ اما این ویژگی همگانی نیست. متانوئیک اسید، ساده‌ترین اسید آلی معرفی‌شده در کتاب است. در استرهای حاصل از آن، مانند $\mathrm{H-C(=O)-O-CH_3}$، کربن گروه کربونیل به دو اکسیژن و یک هیدروژن متصل است، نه یک کربن. همین مثال برای رد واژهٔ «هر» کافی است (شیمی ۲، صفحات ۱۰۹ تا ۱۱۱).

۳. چرا گزینهٔ نخست نادرست است؟
در تشکیل پلی‌اتن، پیوند دوگانهٔ اتن باز می‌شود و واحدهای آن بدون حذف مولکول کوچک به هم متصل می‌شوند:
$\mathrm{n\,CH_2=CH_2\longrightarrow[-CH_2-CH_2-]_n}$
بنابراین فرمول مولکولی اتن و واحد تکرارشوندهٔ پلی‌اتن، هر دو $\mathrm{C_2H_4}$ است. اما پلی‌استر از واکنش اسید دوعاملی و الکل دوعاملی ساخته می‌شود و هنگام ایجاد پیوندهای استری، آب حذف می‌شود؛ پس نمی‌توان برابری فرمول مونومر و واحد تکرارشونده را به پلی‌استر تعمیم داد (شیمی ۲، صفحات ۱۰۹ و ۱۱۵).

۴. چرا گزینهٔ سوم نادرست است؟
کتاب، متیل بوتانوات را عامل بو و طعم خوش آناناس معرفی می‌کند و ساختار استر مربوط به موز را نیز در خود را بیازمایید نشان می‌دهد. این دو، با وجود داشتن گروه عاملی استر، بخش‌های هیدروکربنی و ساختار مولکولی متفاوتی دارند؛ بنابراین صرفِ استر بودن، دلیل مشابه بودن ساختار کامل آن‌ها نیست (شیمی ۲، صفحات ۱۰۹ تا ۱۱۱ و صفحهٔ ۱۱۵).

پاسخ: گزینهٔ ۴

برای پاسخ باید میان «ولتاژ سلول» و «مقدار مادۀ قابل مصرف در سلول» تفاوت بگذاریم. همچنین مقدار $E^\circ=+0.76\,\mathrm{V}$ مربوط به شرایط استاندارد است، نه همۀ شرایط ممکن. در کتاب، پتانسیل‌های استاندارد در دمای $25^\circ\mathrm{C}$، فشار $1\,\mathrm{atm}$ و غلظت $1\,\mathrm{mol\,L^{-1}}$ برای محلول الکترولیت‌ها گزارش شده‌اند (شیمی ۳، صفحه‌های ۴۶–۴۷).

واکنش سلول عبارت است از:
$\mathrm{Zn(s)+2H^+(aq)\rightarrow Zn^{2+}(aq)+H_2(g)}$

اکنون موارد را جداگانه بررسی می‌کنیم:

• افزایش غلظت $\mathrm{H^+}$: مؤثر است. یون هیدروژن در نیم‌سلول کاتدی مصرف می‌شود و پتانسیل این نیم‌سلول به غلظت آن وابسته است. با ثابت بودن سایر شرایط، افزایش غلظت این یون، ولتاژ سلول را افزایش می‌دهد.

• افزودن یکی از نمک‌های روی: مؤثر است. منظور، افزودن نمک محلول روی و افزایش غلظت $\mathrm{Zn^{2+}}$ است. این یون فرآوردۀ واکنش سلول است و افزایش غلظت آن، با ثابت بودن سایر شرایط، ولتاژ سلول را کاهش می‌دهد.

• بالا رفتن دما: مؤثر است. ولتاژ سلول به دما وابسته است؛ به همین دلیل، دما از شرایط مشخص‌شده برای گزارش پتانسیل استاندارد است (شیمی ۳، صفحه‌های ۴۶–۴۷). برای این پرسش کافی است بدانیم دما ولتاژ را تغییر می‌دهد و نیازی به تعیین جهت تغییر نیست.

• به‌کار بردن الکترود روی با جرم بیشتر: مؤثر نیست. پتانسیل یک الکترود جامد خالص به جرم آن وابسته نیست؛ بنابراین، تا زمانی که الکترود روی وجود دارد و سایر شرایط یکسان است، روی بیشتر ولتاژ را تغییر نمی‌دهد. جرم بیشتر می‌تواند مقدار مادۀ قابل مصرف و در نتیجه مدت کارکرد سلول را افزایش دهد، نه ولتاژ آن را.

پس سه مورد نخست سبب تغییر ولتاژ می‌شوند و مورد آخر اثری بر آن ندارد.

پاسخ: گزینهٔ ۳

گام اول: شناسایی عنصرها
عددهای اتمی داده‌شده نشان می‌دهند که $\mathrm{X}$ گوگرد و $\mathrm{Y}$ کلر است:
$\mathrm{X}=\mathrm{S}\quad (Z=16)$
$\mathrm{Y}=\mathrm{Cl}\quad (Z=17)$
گوگرد دارای شش و کلر دارای هفت الکترون ظرفیت است.

گام دوم: بررسی بار جزئی کلر در ترکیب با هیدروژن
ترکیب دوتایی کلر با هیدروژن، $\mathrm{HCl}$ است. کلر نسبت به هیدروژن تمایل بیشتری به جذب الکترون‌های پیوندی دارد؛ بنابراین تراکم الکترونی در سمت کلر بیشتر است و بارهای جزئی به صورت $\mathrm{H}^{\delta+}-\mathrm{Cl}^{\delta-}$ هستند. پس گزینهٔ ۱ نادرست است (شیمی ۳، صفحهٔ ۷۵–۷۶).

گام سوم: بررسی ساختار گوگرد
گوگرد یک نافلز است و در حالت معمول از مولکول‌های $\mathrm{S_8}$ تشکیل می‌شود. بنابراین ساختار آن آرایش کاتیون‌های فلزی نیست. منظم‌بودن آرایش ذرات در یک جامد را نباید با کاتیونی‌بودن آن ذرات یکسان دانست؛ واحدهای سازندهٔ جامدهای مولکولی، مولکول‌اند (شیمی ۳، صفحهٔ ۷۳–۷۴). پس گزینهٔ ۲ نادرست است.

گام چهارم: تعیین شکل مولکول هیدروژن سولفید
در $\mathrm{H_2X}=\mathrm{H_2S}$، اتم گوگرد با دو اتم هیدروژن دو پیوند یگانه تشکیل می‌دهد و دو جفت‌الکترون ناپیوندی نیز روی آن باقی می‌ماند. با درنظرگرفتن آرایش جفت‌های الکترونی، شکل مولکول خمیده است، نه خطی. کتاب نیز نقش جفت‌الکترون‌های ناپیوندی اتم مرکزی در برهم‌زدن تقارن مولکول را یادآوری می‌کند (شیمی ۳، صفحهٔ ۷۶). پس گزینهٔ ۳ نادرست است.

گام پنجم: بررسی قطبیت مولکول گوگرد دی‌کلرید
مولکول $\mathrm{XY_2}=\mathrm{SCl_2}$ در مجموع $6+2\times7=20$ الکترون ظرفیت دارد. در ساختار لوویس آن، گوگرد اتم مرکزی است و با هر کلر یک پیوند یگانه تشکیل می‌دهد. پس از کامل‌کردن هشت‌تایی کلرها، چهار الکترون، یعنی دو جفت‌الکترون ناپیوندی، روی گوگرد باقی می‌ماند؛ بنابراین این مولکول نیز خمیده است.
از سوی دیگر، کلر الکترونگاتیوتر از گوگرد است و هر پیوند $\mathrm{S-Cl}$ قطبی است. چون مولکول خمیده است، دوقطبی‌های دو پیوند در جهت‌های کاملاً مخالف قرار ندارند و یکدیگر را خنثی نمی‌کنند؛ در نتیجه $\mu_{\mathrm{SCl_2}}>0$ و مولکول قطبی است. این استدلال با مقایسهٔ مولکول خمیدهٔ آب و مولکول خطی کربن‌دی‌اکسید در کتاب سازگار است: برای تعیین قطبیت، هم قطبیت پیوندها و هم شکل مولکول اهمیت دارند (شیمی ۳، صفحهٔ ۷۶–۷۷).

پاسخ: گزینهٔ ۴

گام اول: تعیین جهت جابه‌جایی تعادل
در واکنش $\mathrm{A(g)+D(g)\rightleftharpoons X(g)}$، مجموع ضرایب گازی در سمت واکنش‌دهنده‌ها برابر $2$ و در سمت فراورده برابر $1$ است. کاهش حجم در دمای ثابت، تعادل را به سمت مول‌های گازی کمتر، یعنی به سمت تولید $\mathrm{X}$، جابه‌جا می‌کند؛ در این فرایند ثابت تعادل تغییر نمی‌کند (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۰۶).

گام دوم: محاسبهٔ ثابت تعادل از وضعیت اولیه
غلظت اولیهٔ هر گاز برابر است با:
$[\mathrm{A}]=[\mathrm{D}]=[\mathrm{X}]=\frac{0.20}{4}=0.050\,\mathrm{mol\,L^{-1}}$
پس برای واکنش داده‌شده داریم:
$K=\frac{[\mathrm{X}]}{[\mathrm{A}][\mathrm{D}]}=\frac{0.050}{0.050\times0.050}=20$

گام سوم: نوشتن مقدار مواد در تعادل جدید
در لحظهٔ کاهش حجم، تعداد مول‌های گازها تغییر نمی‌کند؛ سپس با پیشرفت واکنش، مقداری از واکنش‌دهنده‌ها مصرف می‌شود. اگر مقدار گاز تولیدشدهٔ $\mathrm{X}$ را برابر $x\,\mathrm{mol}$ بگیریم، با توجه به نسبت ضرایب واکنش داریم:
$n_{\mathrm{A}}=n_{\mathrm{D}}=(0.20-x)\,\mathrm{mol}$
$n_{\mathrm{X}}=(0.20+x)\,\mathrm{mol}$
حجم نهایی $1\,\mathrm{L}$ است؛ بنابراین مقدار عددی غلظت هر ماده با مقدار عددی مول آن برابر خواهد بود. چون دما ثابت است، همان ثابت تعادل اولیه را به کار می‌بریم؛ مطابق کتاب، تغییر حجم در دمای ثابت باعث تغییر $K$ نمی‌شود (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۰۶):
$20=\frac{0.20+x}{(0.20-x)^2}$

گام چهارم: حل معادله و انتخاب ریشهٔ مجاز
$20(0.20-x)^2=0.20+x$
$20x^2-9x+0.60=0$
$x=\frac{9\pm\sqrt{81-48}}{40}=\frac{9\pm\sqrt{33}}{40}$
ریشهٔ بزرگ‌تر از $0.20$ بیشتر است و به مقدار منفی برای مول واکنش‌دهنده‌ها می‌انجامد؛ پس پذیرفتنی نیست. با استفاده از تقریب داده‌شده:
$x=\frac{9-5.74}{40}=0.0815$
بنابراین مقدار فراورده در تعادل جدید برابر است با:
$n_{\mathrm{X}}=0.20+0.0815=0.2815\,\mathrm{mol}\simeq0.28\,\mathrm{mol}$
این نتیجه با افزایش مقدار فراورده در اثر کاهش حجم نیز سازگار است.

پاسخ: گزینهٔ ۳

۱. آنتالپی فروپاشی شبکه، انرژی مصرف‌شده در فشار ثابت برای تبدیل یک مول جامد یونی به یون‌های گازی سازندهٔ آن است. پس هرچه شبکه محکم‌تر باشد، آنتالپی فروپاشی آن بیشتر است (شیمی ۳، صفحهٔ ۸۲–۸۳).

۲. مطابق کتاب، افزایش قدرت جاذبهٔ یون‌ها، استحکام شبکه و انرژی لازم برای جداسازی کامل یون‌ها را افزایش می‌دهد. همچنین در شعاع برابر، یون با بار بیشتر، چگالی بار بیشتری دارد (شیمی ۳، صفحهٔ ۸۰–۸۱). در این سؤال داریم:
$r_{\mathrm{A^-}}=r_{\mathrm{D^{2-}}}$ و $r_{\mathrm{X^+}}=r_{\mathrm{Y^{2+}}}$.
بنابراین در مقایسه‌های موردنیاز، عامل تفاوت شعاع حذف می‌شود و می‌توان اثر بار یون‌ها را بررسی کرد.

۳. مقایسهٔ $\mathrm{XA}$ و $\mathrm{X_2D}$: کاتیون هر دو ترکیب $\mathrm{X^+}$ است. آنیون‌ها شعاع برابر دارند، اما اندازهٔ بار $\mathrm{D^{2-}}$ بیشتر از $\mathrm{A^-}$ است؛ پس جاذبه و استحکام شبکهٔ $\mathrm{X_2D}$ بیشتر است. در نتیجه:
$\Delta H_{\text{فروپاشی}}(\mathrm{XA})<\Delta H_{\text{فروپاشی}}(\mathrm{X_2D})$.

۴. مقایسهٔ $\mathrm{X_2D}$ و $\mathrm{YD}$: آنیون هر دو ترکیب $\mathrm{D^{2-}}$ است. کاتیون‌ها شعاع برابر دارند، اما بار $\mathrm{Y^{2+}}$ بیشتر از $\mathrm{X^+}$ است؛ پس شبکهٔ $\mathrm{YD}$ محکم‌تر است و انرژی بیشتری برای فروپاشی نیاز دارد:
$\Delta H_{\text{فروپاشی}}(\mathrm{X_2D})<\Delta H_{\text{فروپاشی}}(\mathrm{YD})$.

۵. با کنار هم گذاشتن دو مقایسه، ترتیب آنتالپی فروپاشی شبکه به دست می‌آید:
$\Delta H_{\text{فروپاشی}}(\mathrm{XA})<\Delta H_{\text{فروپاشی}}(\mathrm{X_2D})<\Delta H_{\text{فروپاشی}}(\mathrm{YD})$.
توجه کنید که زیروندهای فرمول ترکیب یونی، نسبت یون‌های لازم برای خنثی بودن ترکیب را نشان می‌دهند و نباید آن‌ها را با بار هر یون اشتباه گرفت (شیمی ۳، صفحهٔ ۸۰).

پاسخ: گزینهٔ ۴

برای داوری دربارهٔ عبارت‌ها، ابتدا نیم‌واکنش‌های زنگ زدن آهن را می‌نویسیم. مطابق فعالیت کتاب، آهن الکترون از دست می‌دهد و اکسیژن در حضور آب الکترون می‌گیرد (شیمی ۳، صفحهٔ ۵۷):

نیم‌واکنش اکسایش:
$\mathrm{Fe(s)\rightarrow Fe^{2+}(aq)+2e^-}$

نیم‌واکنش کاهش:
$\mathrm{O_2(g)+2H_2O(l)+4e^-\rightarrow4OH^-(aq)}$

بررسی عبارت «الف»: نادرست است.
طبق تعریف کتاب، دهندهٔ الکترون «کاهنده» و گیرندهٔ الکترون «اکسنده» است (شیمی ۳، صفحهٔ ۴۰). بنابراین آهن که الکترون از دست می‌دهد، کاهنده است و اکسیژن که الکترون می‌گیرد، اکسنده است؛ در این عبارت نقش‌ها برعکس بیان شده‌اند.

بررسی عبارت «ب»: درست است.
آهن ابتدا به یون $\mathrm{Fe^{2+}}$ تبدیل می‌شود، اما زنگ آهن دارای یون آهن سه‌ظرفیتی است. پس یون دوظرفیتی در مرحله‌ای بعد، مطابق نیم‌واکنش زیر اکسایش می‌یابد:
$\mathrm{Fe^{2+}(aq)\rightarrow Fe^{3+}(aq)+e^-}$
سپس یون سه‌ظرفیتی در تشکیل زنگ آهن نقش دارد. بنابراین $\mathrm{Fe^{2+}}$ واسطهٔ این مسیر است و به‌صورت غیرمستقیم در تشکیل زنگ آهن شرکت می‌کند (شیمی ۳، صفحهٔ ۵۷).

بررسی عبارت «پ»: نادرست است.
با مقایسهٔ دو نیم‌واکنش آغازین می‌بینیم که آب در نیم‌واکنش کاهش اکسیژن حضور دارد؛ در نیم‌واکنش اکسایش آهن، آب نوشته نمی‌شود. پس ضروری بودن رطوبت برای زنگ زدن، به معنای شرکت آن در نیم‌واکنش اکسایش نیست (شیمی ۳، صفحهٔ ۵۷).

بررسی عبارت «ت»: درست است.
با در نظر گرفتن فرمول پیشنهادی کتاب برای زنگ آهن، معادلهٔ کلی موازنه‌شده چنین است:
$\mathrm{4Fe(s)+6H_2O(l)+3O_2(g)\rightarrow4Fe(OH)_3(s)}$
در واکنش‌دهنده‌ها، آهن جامد، آب مایع و اکسیژن گاز است؛ بنابراین سه حالت فیزیکی متفاوت در واکنش کلی حضور دارند. زنگ آهن نیز جامد است و حالت فیزیکی تازه‌ای به این مجموعه اضافه نمی‌کند (شیمی ۳، صفحهٔ ۵۷).

در نتیجه، فقط عبارت‌های «ب» و «ت» درست‌اند.

پاسخ: گزینهٔ ۲

گام اول: پیام نمودار را مشخص می‌کنیم.
با افزایش دما، مقدار $K$ کاهش می‌یابد؛ پس در تعادل جدید، نسبت حاصل‌ضرب غلظت فراورده‌ها به حاصل‌ضرب غلظت واکنش‌دهنده‌ها، با توان‌های استوکیومتری، کوچک‌تر می‌شود. بنابراین افزایش دما تعادل را در جهت برگشت جابه‌جا می‌کند.

گام دوم: گرماده یا گرماگیر بودن واکنش را تعیین می‌کنیم.
طبق اصل لوشاتلیه، افزایش دما جهت گرماگیر را تقویت می‌کند. چون در این نمودار با گرم‌کردن، جهت برگشت تقویت می‌شود، جهت برگشت گرماگیر و جهت رفت گرماده است؛ یعنی $\Delta H<0$ (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۰۷–۱۰۸).

گام سوم: واکنش‌های پیشنهادی را بررسی می‌کنیم.
واکنش $\mathrm{N_2H_4+H_2\rightleftharpoons 2NH_3}$ در جهت تولید آمونیاک گرماده است؛ بنابراین افزایش دما جهت برگشت آن را تقویت می‌کند و مقدار $K$ کاهش می‌یابد. پس این واکنش می‌تواند با نمودار سازگار باشد.
در مقابل، واکنش $\mathrm{2SO_3\rightleftharpoons 2SO_2+O_2}$ گرماگیر است. جدول کتاب نیز نشان می‌دهد که ثابت تعادل آن با افزایش دما بیشتر می‌شود؛ پس با نمودار نزولی سؤال سازگار نیست (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۰۷–۱۰۸).

گام چهارم: عبارت‌های مربوط به غلظت را بررسی می‌کنیم.
برای واکنش پیشنهادیِ سازگار با نمودار داریم:
$K=\dfrac{[\mathrm{NH_3}]^2}{[\mathrm{N_2H_4}][\mathrm{H_2}]}$
افزایش دما تعادل را به چپ می‌برد و باعث مصرف فراورده می‌شود؛ بنابراین ادعای افزایش غلظت فراورده‌ها درست نیست. برعکس، کاهش دما جهت رفتِ گرماده را تقویت می‌کند؛ در نتیجه واکنش‌دهنده‌های موجود در مخرج کسر مصرف می‌شوند و ادعای افزایش غلظت آن‌ها نیز نادرست است.

پاسخ: گزینهٔ ۱

ابتدا عنصر را شناسایی می‌کنیم و سپس درستی عبارت‌ها را می‌سنجیم.

گام اول: تعیین عدد اتمی
نخستین فلز قلیایی لیتیم و دومین آن سدیم با عدد اتمی $11$ است؛ هیدروژن با وجود قرارگرفتن در گروه نخست، فلز قلیایی نیست.

در نماد اتم، عدد جرمی برابر مجموع شمار پروتون‌ها و نوترون‌هاست و عدد اتمی، شمار پروتون‌ها را نشان می‌دهد (شیمی ۱، صفحهٔ ۵). بنابراین با نام‌گذاری شمار نوترون‌ها به‌صورت $N$ داریم:
$N+Z=79$
$N-Z=11$
با کم‌کردن رابطهٔ دوم از رابطهٔ اول:
$2Z=79-11=68\Rightarrow Z=34$
پس عنصر موردنظر، سلنیم با نماد $\mathrm{Se}$ است.

گام دوم: نوشتن آرایش الکترونی
اتم خنثای سلنیم دارای $34$ الکترون است و آرایش الکترونی فشردهٔ آن چنین است:
$\mathrm{Se}: [Ar]\,3d^{10}\,4s^2\,4p^4$
پس لایهٔ ظرفیت آن با $n=4$، آرایش $4s^2\,4p^4$ و شش الکترون دارد. ارتباط آرایش الکترونی و الکترون‌های ظرفیت با رفتار شیمیایی در شیمی ۱، صفحه‌های ۳۵ و ۳۶، بررسی شده است.

گام سوم: بررسی عبارت‌ها

الف ـ درست است. سلنیم و گوگرد هر دو در گروه $16$ قرار دارند و آرایش لایهٔ ظرفیتشان از نوع $ns^2np^4$ است. عنصرهای یک گروه خواص شیمیایی مشابه دارند؛ بنابراین سلنیم از نظر شیمیایی به گوگرد شبیه است (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۲).

ب ـ نادرست است. عدد کوانتومی فرعی $l=1$ مربوط به زیرلایهٔ $p$ است. در لایهٔ ظرفیت سلنیم، زیرلایهٔ $4p$ چهار الکترون دارد، نه سه الکترون. سه، تعداد اوربیتال‌های زیرلایهٔ $p$ است و نباید آن را با تعداد الکترون‌های این زیرلایه اشتباه گرفت.

پ ـ درست است. سلنیم با گرفتن دو الکترون، یون پایدار $\mathrm{Se}^{2-}$ را تشکیل می‌دهد. این یون دارای $36$ الکترون و آرایش الکترونی گاز نجیب کریپتون است:
$\mathrm{Se}^{2-}: [Ar]\,3d^{10}\,4s^2\,4p^6=[Kr]$
رسیدن به آرایش پایدار گاز نجیب با گرفتن یا از دست دادن الکترون، از مبناهای توضیح رفتار شیمیایی اتم‌هاست (شیمی ۱، صفحهٔ ۳۶).

ت ـ نادرست است. عدد اتمی سلنیم واقعاً $34$ است، اما این عنصر در گروه $16$ قرار دارد، نه گروه $6$. شش الکترون ظرفیت داشتن، به معنای قرارگرفتن در گروه ششم نیست؛ بنابراین این عبارت در مجموع نادرست است.

در نتیجه فقط عبارت‌های «الف» و «پ» درست‌اند.

پاسخ: گزینهٔ ۳