سوالات شیمی کنکور تجربی ۱۴۰۴ نوبت اول با پاسخ تشریحی

برای بررسی عبارت‌ها، باید دو نکته را به یاد داشته باشیم: انرژی الکترون در اتم کوانتومی است و طیف نشری خطی، اطلاعاتی دربارهٔ انرژی لایه‌های الکترونی می‌دهد.

۱. بررسی گزینهٔ اول: با دادن انرژی مناسب به اتم، الکترون می‌تواند به لایه‌ای پرانرژی‌تر برود و اتم برانگیخته شود. هنگام بازگشت الکترون به لایه‌های کم‌انرژی‌تر، نور با طول موج‌های معین گسیل می‌شود. اندازه‌گیری دقیق این طول موج‌ها، راهی برای شناخت انرژی لایه‌ها و تعیین آرایش الکترونی اتم است؛ بنابراین این عبارت درست است (شیمی ۱، صفحهٔ ۲۶–۲۷). کتاب همچنین به کاربرد روش‌های طیف‌سنجی پیشرفته برای تعیین دقیق آرایش الکترونی اشاره می‌کند (شیمی ۱، صفحهٔ ۳۲–۳۳).

۲. بررسی گزینهٔ دوم: در اتم هیدروژن، هرچه از هسته دورتر شویم، فاصلهٔ انرژی لایه‌های متوالی کمتر می‌شود؛ پس با نزدیک شدن به هسته، این اختلاف انرژی افزایش می‌یابد. بنابراین جهت تغییر بیان‌شده در این گزینه برعکس است.

۳. بررسی گزینهٔ سوم: مطابق مدل کوانتومی، انرژی‌های مجاز الکترون گسسته‌اند؛ در نتیجه، برای انتقال از یک لایه به لایهٔ بالاتر، انرژی جذب‌شده باید دقیقاً با اختلاف انرژی آن دو لایه برابر باشد: $E_{\text{جذب‌شده}}=E_{\text{بالاتر}}-E_{\text{پایین‌تر}}$. پس تعبیر «هر مقدار انرژی» نادرست است (شیمی ۱، صفحهٔ ۲۶–۲۷).

۴. بررسی گزینهٔ چهارم: انرژی لایهٔ پنجم هیدروژن از لایهٔ چهارم بیشتر است. چون مقصد هر دو انتقال لایهٔ دوم است، داریم: $E_5>E_4\Rightarrow E_5-E_2>E_4-E_2$. بنابراین انرژی آزادشده در انتقال $5\to2$ بیشتر از انتقال $4\to2$ است، نه کمتر. این مقایسه بر همان اصل گسیل انرژی هنگام بازگشت الکترون از لایهٔ بالاتر به پایین‌تر استوار است (شیمی ۱، صفحهٔ ۲۶–۲۷).

پاسخ: گزینهٔ ۱

برای یافتن عبارت نادرست، ابتدا همهٔ زوج‌های سازگار با شرط سؤال را مشخص می‌کنیم.

گام اول: تشخیص زیرلایهٔ موردنظر
در عنصرهای دورهٔ دوم، لایهٔ دوم در حال پر شدن است و زیرلایه‌های $s$ و $p$ به‌ترتیب گنجایش $2$ و $6$ الکترون دارند (شیمی ۱، صفحهٔ ۲۷–۲۹). بیرونی‌ترین زیرلایهٔ دارای الکترون در لیتیم و بریلیم، به‌ترتیب $2s^1$ و $2s^2$ است. هیچ‌یک نمی‌تواند عضو زوج موردنظر باشد؛ زیرا حتی با بیشترین شمار ممکن در زیرلایهٔ آخر عنصر دیگر، مجموع به $9$ نمی‌رسد:
$1+6<9$ و $2+6<9$.

پس هر دو عنصر باید از بخش $p$ دورهٔ دوم باشند و آرایش آن‌ها به‌صورت $1s^2 2s^2 2p^x$ باشد.

گام دوم: تعیین زوج‌های ممکن
اگر شمار الکترون‌های زیرلایهٔ آخر دو اتم را $x$ و $y$ بگیریم، داریم:
$x+y=9$، با شرط $1\leq x,y\leq6$.
بنابراین، بدون در نظر گرفتن ترتیب، تنها حالت‌ها عبارت‌اند از:
$(x,y)=(3,6)$ یا $(4,5)$.

در اتم خنثی، عدد اتمی برابر شمار کل الکترون‌هاست (شیمی ۱، صفحهٔ ۲۷–۲۸). همچنین برای این عنصرها، الکترون‌های ظرفیت شامل هر دو زیرلایهٔ $2s$ و $2p$ هستند؛ مطابق تمرین آرایش الکترونی و الکترون‌های ظرفیت دورهٔ دوم در کتاب (شیمی ۱، صفحهٔ ۳۵–۳۶). در نتیجه:

گام سوم: بررسی گزینه‌ها

• گزینهٔ ۱ درست است: در زوج اکسیژن و فلوئور، اختلاف شمار الکترون‌های ظرفیت برابر $7-6=1$ است.
• گزینهٔ ۲ درست است: در زوج نیتروژن و نئون، زیرلایهٔ $2p^3$ نیم‌پر و زیرلایهٔ $2p^6$ پر است.
• گزینهٔ ۳ درست است: عدد اتمی نیتروژن برابر $0.7$ عدد اتمی نئون است: $7=0.7\times10$.
• گزینهٔ ۴ نادرست است: اختلاف عدد اتمی در دو زوج ممکن به‌ترتیب $10-7=3$ و $9-8=1$ است؛ هر دو فردند، نه زوج.

پاسخ: گزینهٔ ۴

۱. تعیین فراوانی‌ها
جرم اتمی میانگین از میانگین وزنی جرم ایزوتوپ‌ها به دست می‌آید؛ یعنی جرم هر ایزوتوپ در سهم فراوانی آن ضرب می‌شود و حاصل‌ها با هم جمع می‌شوند (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۵).

چون فراوانی ایزوتوپ سنگین‌تر چهار برابر ایزوتوپ سبک‌تر است، کل فراوانی را به پنج سهم تقسیم می‌کنیم:

$f_{\text{سبک}}=\frac{1}{1+4}=0.2=20\%$

$f_{\text{سنگین}}=\frac{4}{1+4}=0.8=80\%$

۲. نوشتن رابطهٔ میانگین وزنی
جرم ایزوتوپ سنگین‌تر را $m$ می‌نامیم. با توجه به اختلاف جرم دو ایزوتوپ، جرم ایزوتوپ سبک‌تر برابر $m-2\,\mathrm{amu}$ است. بنابراین:

$28.2\,\mathrm{amu}=0.2(m-2\,\mathrm{amu})+0.8m$

۳. حل معادله
با بازکردن پرانتز و جمع‌کردن جمله‌های هم‌نوع داریم:

$28.2\,\mathrm{amu}=m-0.4\,\mathrm{amu}$

$m=28.6\,\mathrm{amu}$

برای بررسی، جرم ایزوتوپ سبک‌تر برابر $26.6\,\mathrm{amu}$ می‌شود و میانگین وزنی آن‌ها برابر است با:

$0.2\times26.6\,\mathrm{amu}+0.8\times28.6\,\mathrm{amu}=28.2\,\mathrm{amu}$

پس نتیجه با دادهٔ سؤال سازگار است.

پاسخ: گزینهٔ ۲

برای پاسخ، باید تفاوت دگرشکل‌های اکسیژن و نقش انرژی در تبدیل آن‌ها را بررسی کنیم.

۱. اکسیژن با فرمول $\mathrm{O_2}$ و اوزون با فرمول $\mathrm{O_3}$ دو دگرشکل یک عنصرند؛ یعنی از اتم‌های یک عنصر ساخته شده‌اند، اما ساختار یکسانی ندارند. تفاوت ساختار می‌تواند باعث تفاوت خواص فیزیکی و شیمیایی شود. کتاب نیز اوزون را واکنش‌پذیرتر از اکسیژن معرفی می‌کند؛ پس ادعای یکسان‌بودن خواص شیمیایی دگرشکل‌ها نادرست است و گزینهٔ ۲ رد می‌شود. (شیمی ۱، صفحه‌های ۷۲–۷۴)

۲. در استراتوسفر، تابش فرابنفش در چرخهٔ تبدیل اکسیژن و اوزون نقش دارد و کتاب این تبدیل را به‌صورت یک واکنش برگشت‌پذیر نمایش می‌دهد:
$2\mathrm{O_3(g)}\rightleftharpoons3\mathrm{O_2(g)}$
این توضیح مربوط به لایهٔ اوزون در استراتوسفر است، نه فرایند تشکیل اوزونِ آلاینده در تروپوسفر؛ بنابراین گزینهٔ ۳ این دو موقعیت را با یکدیگر اشتباه گرفته است. (شیمی ۱، صفحهٔ ۷۴)

۳. در تروپوسفر، آلاینده‌های حاصل از سوختن سوخت‌ها در تشکیل اوزون نقش دارند؛ بنابراین یکسان‌بودن محصول نهایی، به معنای مشابه‌بودن واکنش‌دهنده‌های فرایند تشکیل آن در دو لایه نیست. پس گزینهٔ ۱ نیز درست نیست.

۴. تبدیل خالص اکسیژن به اوزون به دریافت انرژی نیاز دارد. می‌توان جهت انرژی‌گیر این تبدیل را به‌صورت زیر نشان داد:
$3\mathrm{O_2(g)}+\text{انرژی}\longrightarrow2\mathrm{O_3(g)}$
در نتیجه، اوزون نسبت به اکسیژن در سطح انرژی بالاتری قرار دارد. دقت کنید که این تبدیل خالص با واکنشِ ترکیب یک اتم اکسیژن و یک مولکول اکسیژن تفاوت دارد؛ کتاب برای واکنش اخیر، آزادشدن انرژی به شکل تابش فروسرخ را بیان می‌کند. (شیمی ۱، صفحهٔ ۷۴)

پس عبارت مربوط به بالاتربودن سطح انرژی اوزون درست است.

پاسخ: گزینهٔ ۴

نکتهٔ اصلی این است که نسبت داده‌شده برای گازها، نسبت جرمی است؛ اما ضرایب معادلهٔ موازنه‌شده، نسبت مولی مواد را نشان می‌دهند (شیمی ۱، صفحهٔ ۷۹).

گام اول: محاسبهٔ جرم‌های مولی
با استفاده از جرم‌های مولی اتمی داده‌شده داریم:
$M(\mathrm{H_2})=2\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
$M(\mathrm{SO_2})=32+2(16)=64\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
$M(\mathrm{PbO})=207+16=223\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
همچنین جرم مولی کربن برابر $12\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$ است.

گام دوم: نوشتن مقدار گازها برحسب واکنش‌دهنده‌ها
فرض می‌کنیم سرب(II) اکسید و کربن مصرف‌شده به‌ترتیب $x$ و $y$ مول باشند. هر دو معادله موازنه‌اند؛ بنابراین از ضرایب آن‌ها نتیجه می‌شود:
$n(\mathrm{H_2})=n(\mathrm C)=y$
$n(\mathrm{SO_2})=\frac{n(\mathrm{PbO})}{2}=\frac{x}{2}$

گام سوم: استفاده از نسبت جرم گازها
برای تبدیل مول به جرم، مقدار ماده را در جرم مولی ضرب می‌کنیم؛ این همان تبدیل مول و جرم در مسائل استوکیومتری است (شیمی ۱، صفحهٔ ۸۰). پس:
$m(\mathrm{H_2})=2y\,\mathrm g$
$m(\mathrm{SO_2})=64\times\frac{x}{2}=32x\,\mathrm g$
طبق صورت سؤال، جرم گوگرد دی‌اکسید چهار برابر جرم هیدروژن است:
$32x=4(2y)\quad\Rightarrow\quad y=4x$

گام چهارم: استفاده از مجموع جرم دو واکنش‌دهندهٔ مشخص‌شده
مجموع جرم کربن و سرب(II) اکسید مصرف‌شده برابر $2.71\,\mathrm g$ است؛ بنابراین:
$12y+223x=2.71$
با جای‌گذاری $y=4x$ داریم:
$12(4x)+223x=2.71$
$271x=2.71\quad\Rightarrow\quad x=0.010\,\mathrm{mol}$
پس مقدار سرب(II) اکسید شرکت‌کننده در واکنش دوم برابر $0.010\,\mathrm{mol}$ است.

پاسخ: گزینهٔ ۳

ابتدا دو نکته را در نظر می‌گیریم:

• در محلول حاصل از دو مایع امتزاج‌پذیر، جزء دارای مقدار مولی بیشتر را حلال در نظر می‌گیریم؛ بنابراین باید از رابطهٔ $n=\frac{m}{M}$ استفاده کنیم، نه اینکه فقط جرم‌ها را مقایسه کنیم.

• اتانول و استون به هر نسبتی در آب حل می‌شوند؛ پس مخلوط هرکدام از آن‌ها با آب، محلول تشکیل می‌دهد (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۰۹).

۱. محاسبهٔ جرم مولی مواد

برای آب، استون و اتانول داریم:

$M(\mathrm{H_2O})=2(1)+16=18\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$

$M(\mathrm{C_3H_6O})=3(12)+6(1)+16=58\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$

$M(\mathrm{C_2H_6O})=2(12)+6(1)+16=46\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$

۲. بررسی گزینهٔ دوم

در حالت اول، جرم آب $x$ گرم و جرم استون $4x$ گرم است. نسبت مقدار مولی استون به آب برابر است با:

$\frac{n_{\text{استون}}}{n_{\text{آب}}}=\frac{4x/58}{x/18}=\frac{72}{58}>1$

پس مقدار مولی استون بیشتر است و استون حلال محسوب می‌شود.

در حالت دوم، جرم دو مایع برابر است. اگر جرم هرکدام را $m$ بگیریم:

$n_{\text{آب}}=\frac{m}{18}>\frac{m}{58}=n_{\text{استون}}$

بنابراین آب مقدار مولی بیشتری دارد و حلال است. در نتیجه، هر دو بخش گزینهٔ دوم درست‌اند.

۳. بررسی نادرستی سایر گزینه‌ها

گزینهٔ اول: در جرم‌های برابر، مقدار مولی آب از اتانول بیشتر است؛ پس بخش نخست درست است. برای اینکه پس از افزودن اتانول، مقدار مولی آن از آب بیشتر شود، باید داشته باشیم:

$\frac{m_{\text{اتانول}}}{46}>\frac{y}{18}\quad\Rightarrow\quad m_{\text{اتانول}}>\frac{46}{18}y\simeq2.56y$

جرم نهایی اتانول با افزودن مقدار گفته‌شده به این حد نمی‌رسد؛ بنابراین آب همچنان حلال است و بخش دوم نادرست است.

گزینهٔ سوم: آلی بودن یک حلال به معنی ناقطبی بودن آن نیست. طبق جدول کتاب، استون گشتاور دوقطبی غیرصفر دارد، ولی گشتاور دوقطبی هگزان تقریباً صفر است (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۰۹). همچنین استون با آبِ قطبی محلول تشکیل می‌دهد؛ پس نمی‌توان گفت این حلال‌ها «تنها» مواد ناقطبی را حل می‌کنند (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۱۱).

گزینهٔ چهارم: جرم مولی هگزان برابر است با:

$M(\mathrm{C_6H_{14}})=6(12)+14(1)=86\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$

پس جرم مولی هگزان از آب بیشتر است. مخلوط آب و هگزان نیز ناهمگن است (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۱۰). بااین‌حال، چگالی هگزان از آب کمتر است؛ بنابراین این گزینه به دلیل ادعای بیشتر بودن چگالی هگزان نادرست است.

پاسخ: گزینهٔ ۲

۱. برابری غلظت مولی را به برابری مقدار مول تبدیل می‌کنیم.
غلظت مولی از رابطهٔ $c=\frac{n}{V}$ به دست می‌آید. چون حجم محلول برای هر دو نمک یکسان است، برابری غلظت مولی آن‌ها نشان می‌دهد:
$n(\mathrm{Na_2S})=n(\mathrm{NaF})=n$

۲. مقدار مول هر نمک را از جرم کل به دست می‌آوریم.
فرمول سدیم سولفید $\mathrm{Na_2S}$ و فرمول سدیم فلوئورید $\mathrm{NaF}$ است؛ بنابراین جرم‌های مولی آن‌ها برابرند با:
$M(\mathrm{Na_2S})=2(23)+32=78\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
$M(\mathrm{NaF})=23+19=42\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
مجموع جرم دو نمک برابر $6\,\mathrm{g}$ است، پس:
$n(78+42)=6\quad\Rightarrow\quad n=0.05\,\mathrm{mol}$

۳. جرم یون سولفید را محاسبه می‌کنیم.
هر واحد فرمولی سدیم سولفید، یک یون سولفید دارد:
$\mathrm{Na_2S(aq)\rightarrow 2Na^+(aq)+S^{2-}(aq)}$
بنابراین مقدار مول یون سولفید نیز $0.05\,\mathrm{mol}$ است و جرم آن برابر می‌شود با:
$m(\mathrm{S^{2-}})=0.05\times32=1.6\,\mathrm{g}$
دقت کنید که جرم خودِ یون سولفید خواسته شده است، نه جرم سدیم سولفید.

۴. غلظت جرمی یون سولفید را برحسب قسمت در میلیون به دست می‌آوریم.
طبق تعریف کتاب، برای محاسبهٔ $\mathrm{ppm}$ باید نسبت جرم مادهٔ موردنظر به جرم محلول را در $10^6$ ضرب کنیم و یکای دو جرم یکسان باشد (شیمی ۱، صفحهٔ ۹۴–۹۵):
$\mathrm{ppm}(\mathrm{S^{2-}})=\frac{m(\mathrm{S^{2-}})}{m(\text{محلول})}\times10^6=\frac{1.6}{500}\times10^6=3200$
در مخرج، جرم کل محلول یعنی $500\,\mathrm{g}$ قرار می‌گیرد، نه جرم آب یا جرم نمک‌ها.

پاسخ: گزینهٔ ۲

برای بررسی گزینه‌ها باید میان «یون»، «اتم» و «واحد فرمولی ترکیب یونی» تفاوت بگذاریم و نقش جاذبه‌های بین ذرات را در انحلال بشناسیم.

۱. بار یون چنداتمی: یون سولفات، $\mathrm{SO_4^{2-}}$، مجموعه‌ای از اتم‌های متصل به یکدیگر است. بار $2-$ به کل این مجموعه تعلق دارد و نمی‌توان آن را صرفاً متعلق به اتم‌های اکسیژن دانست. کتاب نیز در توضیح شکل پتاسیم سولفات بر همین نکته تأکید می‌کند؛ پس گزینهٔ ۱ نادرست است (شیمی ۱، صفحهٔ ۹۱–۹۲).

۲. ذرات حاصل از انحلال نمک: در بلور یک ترکیب یونی، کاتیون‌ها و آنیون‌ها با آرایشی منظم قرار دارند. با ورود نمک محلول به آب، مولکول‌های قطبی آب به یون‌های سطح بلور نزدیک می‌شوند و با آن‌ها جاذبهٔ یون ـ دوقطبی برقرار می‌کنند. سپس یون‌ها از شبکه جدا و آب‌پوشیده می‌شوند؛ بنابراین محصول این فرایند «اتم» نیست و گزینهٔ ۲ نادرست است (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۱۲).

۳. شمار یون‌های حاصل: تعداد یون‌ها را باید از نسبت یون‌ها در فرمول شیمیایی به دست آورد، نه برابر با تعداد واحدهای فرمولی حل‌شده فرض کرد. برای مثال:
$\mathrm{NaCl(s)\xrightarrow{H_2O}Na^+(aq)+Cl^-(aq)}$
پس اگر $N$ واحد فرمولی سدیم کلرید حل شود، $N$ یون سدیم و $N$ یون کلرید، یعنی در مجموع $2N$ یون، حاصل می‌شود. بنابراین گزینهٔ ۳ نیز نادرست است (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۱۲).

۴. مقایسهٔ جاذبه‌ها در انحلال: برای جدا شدن یون‌های نمک باید بر جاذبهٔ میان یون‌های شبکه غلبه شود. همچنین برای جای گرفتن یون‌ها میان مولکول‌های آب، بخشی از پیوندهای هیدروژنی آب گسسته می‌شود. در مقابل، میان یون‌ها و مولکول‌های آب جاذبهٔ یون ـ دوقطبی برقرار می‌شود که عامل جدا شدن و آب‌پوشیده شدن یون‌هاست (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۰۶–۱۰۷ و ۱۱۲).

در چارچوب مقایسهٔ کیفی نیروها در این پرسش، محلول بودن نمک نشان می‌دهد که جاذبهٔ تازهٔ یون ـ دوقطبی برای غلبه بر اثر جاذبه‌های پیشین کافی است؛ این همان برتری نسبت به میانگین جاذبه‌های نمک ـ نمک و آب ـ آب است که در گزینهٔ ۴ بیان شده است.

پاسخ: گزینهٔ ۴

نکتهٔ مهم: دادهٔ بازده در صورت سؤال با گزینهٔ اعلام‌شده در کلید سازگار نیست. ابتدا محاسبه را انجام می‌دهیم تا محل ناسازگاری مشخص شود.

گام اول: موازنهٔ واکنش‌ها

$\mathrm{2KMnO_4(s)\xrightarrow{\Delta}K_2MnO_4(s)+MnO_2(s)+O_2(g)}$

$\mathrm{2FeCO_3(s)\xrightarrow{\Delta}Fe_2O_3(s)+CO_2(g)+CO(g)}$

پس در هر دو واکنش، از هر $2\,\mathrm{mol}$ واکنش‌دهندهٔ خالص، به‌طور نظری $1\,\mathrm{mol}$ از گاز موردنظر تولید می‌شود. در واکنش دوم فقط کربن دی‌اکسید را می‌شماریم، نه مجموع دو گاز را.

گام دوم: محاسبهٔ جرم‌های مولی

$M(\mathrm{KMnO_4})=39+55+4(16)=158\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

$M(\mathrm{FeCO_3})=56+12+3(16)=116\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

گام سوم: واردکردن خلوص و بازده

در محاسبهٔ استوکیومتری باید جرم مادهٔ خالص را به کار برد، نه جرم کل نمونهٔ ناخالص (شیمی ۲، صفحه‌های ۲۴–۲۵). همچنین مقدار عملی فراورده از ضرب مقدار نظری در کسر بازده به دست می‌آید (شیمی ۲، صفحهٔ ۲۳).

کسر خلوص دو نمونه را $p_1$ و $p_2$، کسر بازده‌ها را $y_1$ و $y_2$ و جرم نمونهٔ دوم را $m$ می‌نامیم. طبق سؤال:

$\frac{p_1}{p_2}=2$

مول‌های عملی دو گاز برابرند؛ بنابراین:

$\frac{63.2}{158}\times p_1\times\frac{1}{2}\times y_1=\frac{m}{116}\times p_2\times\frac{1}{2}\times y_2$

با ساده‌کردن:

$m=63.2\times\frac{116}{158}\times\frac{p_1}{p_2}\times\frac{y_1}{y_2}=92.8\times\frac{y_1}{y_2}$

گام چهارم: بررسی دادهٔ بازده و کلید

اگر «۱/۲ برابر» در نگارش اعشاری سؤال به معنای $1.2$ برابر باشد، داریم:

$m=\frac{92.8}{1.2}=\frac{232}{3}\,\mathrm{g}\approx77.3\,\mathrm{g}$

این مقدار در گزینه‌ها نیست. اگر منظور از آن نصف باشد، جرم به‌دست‌آمده $185.6\,\mathrm{g}$ خواهد بود که باز هم در گزینه‌ها نیست.

برای رسیدن به جرم $58\,\mathrm{g}$ در کلید، باید نسبت بازده واکنش دوم به اول چنین باشد:

$\frac{y_2}{y_1}=\frac{92.8}{58}=1.6$

در این صورت:

$m=\frac{92.8}{1.6}=58\,\mathrm{g}$

بنابراین، گزینهٔ اعلام‌شده در کلید تنها در صورتی درست است که نسبت بازده واکنش دوم به اول، به‌جای مقدار درج‌شده، $1.6$ باشد. با فرض این اصلاح، پاسخ: گزینهٔ ۱

برای یافتن عبارت نادرست، باید «خصلت فلزی» را از «واکنش‌پذیری» جدا کنیم.

۱. مقایسهٔ خصلت فلزی: کربن و سیلیسیم در گروه چهاردهم جدول دوره‌ای قرار دارند و سیلیسیم پایین‌تر از کربن است. چون خصلت فلزی در یک گروه از بالا به پایین افزایش می‌یابد، خصلت فلزی سیلیسیم از کربن بیشتر است. پس بخش نخست گزینهٔ ۳ درست است (شیمی ۲، صفحهٔ ۹).

۲. بررسی روش تهیه و واکنش‌پذیری: سیلیسیم از واکنش سیلیس با کربن در دمای بالا تهیه می‌شود:
$\mathrm{SiO_2(s)+2C(s)\xrightarrow{\text{دمای بالا}}Si(s)+2CO(g)}$
در این واکنش، کربن اکسیژن را از سیلیس می‌گیرد و سیلیسیم آزاد می‌شود. بر اساس شیوهٔ مقایسهٔ واکنش‌پذیری در واکنش‌های استخراجِ کتاب، این واکنش نشان می‌دهد که کربن از سیلیسیم واکنش‌پذیرتر است؛ بنابراین بخش دوم گزینهٔ ۳ نادرست است. کتاب نیز از واکنش عنصرها با اکسیدها برای مقایسهٔ واکنش‌پذیری استفاده می‌کند (شیمی ۲، صفحه‌های ۲۰–۲۱).

۳. بررسی سایر عبارت‌ها: وجود شرط دمای بالا در واکنش بالا، درستی گزینهٔ ۱ را نشان می‌دهد. همچنین فراوردهٔ گازی واکنش، کربن مونوکسید با فرمول $\mathrm{CO}$ است؛ پس گزینهٔ ۴ نیز درست است. سیلیسیم نیز به دلیل ویژگی نیمه‌رسانایی در ساخت سلول‌های خورشیدی کاربرد اصلی دارد و گزینهٔ ۲ درست است؛ ویژگی نیمه‌رسانایی سیلیسیم و اهمیت آن در صنایع الکترونیک در کتاب بیان شده است (شیمی ۲، صفحهٔ ۹).

در نتیجه، بیشتر بودن خصلت فلزی سیلیسیم به معنای بیشتر بودن واکنش‌پذیری آن نسبت به کربن نیست.

پاسخ: گزینهٔ ۳

گام اول: تعیین فرمول آلکان

از الگوی اعضای خانوادهٔ آلکان‌ها، فرمول عمومی آن‌ها $\mathrm{C_nH_{2n+2}}$ است (شیمی ۲، صفحهٔ ۳۶). فرمول عمومی آلکن‌های زنجیریِ دارای یک پیوند دوگانه نیز $\mathrm{C_mH_{2m}}$ است؛ برای نمونه، کتاب هگزن را با فرمول $\mathrm{C_6H_{12}}$ معرفی می‌کند (شیمی ۲، صفحهٔ ۵۰).

بنابراین نسبت شمار اتم‌های هیدروژن به کربن در آلکن برابر است با:

$\dfrac{N_H}{N_C}=\dfrac{2m}{m}=2$

طبق شرط نخست سؤال، اختلاف شمار هیدروژن و کربن در آلکان، سه برابر این نسبت است:

$(2n+2)-n=3\times2$

$n+2=6\quad\Rightarrow\quad n=4$

پس آلکان موردنظر $\mathrm{X=C_4H_{10}}$ است.

گام دوم: تعیین فرمول آلکن با استفاده از اختلاف جرم مولی

جرم مولی آلکان برابر است با:

$M_X=4(12)+10(1)=58\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

چون جرم مولی آلکان از آلکن بیشتر است:

$M_Y=58-30=28\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

برای آلکن با فرمول $\mathrm{C_mH_{2m}}$ داریم:

$12m+2m=28\quad\Rightarrow\quad m=2$

پس آلکن موردنظر $\mathrm{Y=C_2H_4}$ است.

گام سوم: محاسبهٔ اختلاف جرم آب حاصل از سوختن

در سوختن کامل، همهٔ هیدروژن‌های هیدروکربن به آب تبدیل می‌شوند. چون هر مولکول آب دو اتم هیدروژن دارد، هر مول از این آلکان و آلکن، به‌ترتیب $5\,\mathrm{mol}$ و $2\,\mathrm{mol}$ آب تولید می‌کند:

$\mathrm{C_4H_{10}+\tfrac{13}{2}O_2\rightarrow4CO_2+5H_2O}$

$\mathrm{C_2H_4+3O_2\rightarrow2CO_2+2H_2O}$

بنابراین، برای سوختن $0.2\,\mathrm{mol}$ از هرکدام:

$\Delta n(\mathrm{H_2O})=0.2(5-2)=0.6\,\mathrm{mol}$

با توجه به جرم مولی آب، $M(\mathrm{H_2O})=18\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$، اختلاف جرم بخار آب برابر است با:

$\Delta m(\mathrm{H_2O})=0.6\times18=10.8\,\mathrm{g}$

پاسخ: گزینهٔ ۲

برای پاسخ، هر عبارت را جداگانه بررسی می‌کنیم.

الف ـ نادرست است. متان با فرمول $\mathrm{CH_4}$ از بوتین با فرمول $\mathrm{C_4H_6}$ کوچک‌تر است و الکترون‌های کمتری دارد؛ بنابراین نیروهای لاندن میان مولکول‌های متان ضعیف‌تر و نقطهٔ جوش آن پایین‌تر است. کتاب نیز تغییر اندازه و جرم مولکول هیدروکربن‌ها را از عوامل مؤثر بر جاذبهٔ بین‌مولکولی و نقطهٔ جوش معرفی می‌کند (شیمی ۲، صفحه‌های ۳۴–۳۵). پس برخلاف عبارت سؤال:
$T_b(\text{متان})<T_b(\text{بوتین})$

ب ـ درست است. بوتین یک آلکین و هیدروکربنی سیرنشده با پیوند سه‌گانهٔ کربن–کربن است؛ اما هگزان یک آلکان سیرشده است و فقط پیوندهای یگانه دارد. پیوند چندگانه امکان انجام واکنش‌های افزایشی را فراهم می‌کند؛ ازاین‌رو، در مقایسهٔ معمول کتاب درسی، بوتین از هگزان واکنش‌پذیرتر است. توجه کنید که این نتیجه به معنای ضعیف‌تر بودن کل پیوند سه‌گانه از پیوند یگانه نیست.

ج ـ درست است. اتان یک آلکان ناقطبی است و گشتاور دوقطبی آن تقریباً صفر است؛ این ویژگی برای آلکان‌ها در کتاب مطرح شده است (شیمی ۲، صفحه‌های ۳۴–۳۵). هگزنِ دارای پیوند دوگانه در ابتدای زنجیر نیز در تقریب کتاب درسی، هیدروکربنی ناقطبی محسوب می‌شود. وجود پیوند دوگانه به‌تنهایی باعث قطبی‌شدن قابل‌توجه مولکول نمی‌شود؛ بنابراین:
$\mu(\text{هگزن})\approx\mu(\text{اتان})\approx 0$
پس قید «تقریباً» در این عبارت مهم است.

د ـ نادرست است. پروپان یک آلکان ناقطبی است؛ ناقطبی‌بودن آلکان‌ها در کتاب تصریح شده است (شیمی ۲، صفحهٔ ۳۶). مولکول ید، $\mathrm{I_2}$، نیز به دلیل یکسان‌بودن دو اتم آن ناقطبی است. بنابراین جاذبهٔ بین‌مولکولی هر دو از نوع لاندن است. بزرگ‌تر بودن مولکول ید باعث تفاوت در شدت جاذبه می‌شود، نه تفاوت در نوع آن.

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

پاسخ: گزینهٔ ۳

۱. واکنش‌های سیرشدن را می‌نویسیم.
وجود پیوند چندگانه باعث سیرنشده‌بودن هیدروکربن می‌شود و با افزوده‌شدن اتم‌ها به دو کربنِ آن، پیوند چندگانه می‌تواند به پیوند یگانه تبدیل شود؛ این مفهوم در واکنش‌های افزایشی اتن توضیح داده شده است (شیمی ۲، صفحهٔ ۴۱).

اتن یک پیوند دوگانه دارد و برای سیرشدن، به یک مول هیدروژن به‌ازای هر مول اتن نیاز دارد:
$\mathrm{C_2H_4+H_2\longrightarrow C_2H_6}$

پروپین یک پیوند سه‌گانه دارد و برای تبدیل کامل به پروپان، به دو مول هیدروژن به‌ازای هر مول پروپین نیاز دارد:
$\mathrm{C_3H_4+2H_2\longrightarrow C_3H_8}$

۲. جرم‌های مولی و مول هیدروژن را حساب می‌کنیم.
$M(\mathrm{C_2H_4})=2(12)+4(1)=28\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
$M(\mathrm{C_3H_4})=3(12)+4(1)=40\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
$M(\mathrm{H_2})=2\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

عدد «۱/۴» در صورت سؤال، اعشاری و برابر با $1.4$ است؛ بنابراین:
$n(\mathrm{H_2})=\dfrac{1.4\,\mathrm{g}}{2\,\mathrm{g\,mol^{-1}}}=0.70\,\mathrm{mol}$

۳. دو معادله برای مول‌های اجزای مخلوط تشکیل می‌دهیم.
روش کار، تبدیل جرم به مول و استفاده از نسبت ضرایب معادلهٔ موازنه‌شده است؛ همان روشی که در نمونهٔ حل‌شدهٔ محاسبات واکنش به کار رفته است (شیمی ۲، صفحهٔ ۲۳–۲۴).

اگر مقدار اتن و پروپین به‌ترتیب $x$ و $y$ مول باشد، از جرم مخلوط داریم:
$28x+40y=18$

از مقدار هیدروژن مصرف‌شده نیز داریم:
$x+2y=0.70$

معادلهٔ دوم را در $28$ ضرب می‌کنیم و معادلهٔ جرم را از آن کم می‌کنیم:
$28x+56y=19.6$
$16y=1.6\quad\Rightarrow\quad y=0.10$

در نتیجه:
$x=0.70-2(0.10)=0.50$

پس مقدار کل گازهای مخلوط آغازی برابر است با:
$n_{\text{کل}}=0.50+0.10=0.60\,\mathrm{mol}$

۴. مول مخلوط را به حجم تبدیل می‌کنیم.
در شرایط $\mathrm{STP}$، حجم هر مول گاز برابر $22.4\,\mathrm{L}$ است. توجه کن که حجم خواسته‌شده فقط مربوط به مخلوط آغازی اتن و پروپین است، نه هیدروژن مصرفی:
$V=n_{\text{کل}}V_m=(0.60\,\mathrm{mol})(22.4\,\mathrm{L\,mol^{-1}})=13.44\,\mathrm{L}$

پاسخ: گزینهٔ ۴

برای کامل‌کردن جمله، باید هر دو جای خالی درست باشند.

۱. شناسایی جزء عمدهٔ گاز طبیعی: متان با فرمول $\mathrm{CH_4}$ جزء اصلی گاز طبیعی است، نه اتان. کتاب نیز در مبحث آلکان‌ها، متان را ساده‌ترین عضو این خانواده معرفی می‌کند و در کادر مربوط به گاز شهری، آن را جزء عمدهٔ این مخلوط می‌داند (شیمی ۲، صفحه‌های ۳۳–۳۴). بنابراین، گزینه‌های دارای «اتان» کنار می‌روند.

۲. تعیین نوع باکتری‌ها: متان از تجزیهٔ بقایای گیاهی در شرایط فاقد اکسیژن، مانند رسوبات زیر آب، نیز تولید می‌شود. باکتری‌های دخیل در این فرایند بی‌هوازی‌اند؛ در مقابل، باکتری‌های هوازی برای فعالیت خود به اکسیژن نیاز دارند. توجه کن که صرفِ زیر آب بودن همیشه به معنای نبود اکسیژن نیست؛ منظور سؤال، شرایط بی‌هوازیِ تجزیهٔ بقایای گیاهی است.

پس دو واژهٔ مناسب برای جای خالی‌ها، به‌ترتیب «متان» و «بی‌هوازی» هستند.

پاسخ: گزینهٔ ۳

گام اول: ارتباط مقدار ماده و گرمای واکنش

گرمای واکنش به مقدار مواد شرکت‌کننده بستگی دارد؛ بنابراین اگر مقدار انجام واکنش چند برابر شود، گرمای آن نیز به همان نسبت تغییر می‌کند (شیمی ۲، صفحه‌های ۶۳–۶۴ و ۷۴–۷۵). چون هر دو واکنش گرماده‌اند، برای محاسبهٔ مجموع گرمای آزادشده، قدرمطلق گرمای آنها را جمع می‌کنیم.

گام دوم: تعیین نسبت مولی مواد

مقدار اکسیژن مصرفی در هر ظرف را $n$ مول در نظر می‌گیریم. طبق معادلهٔ اول، نسبت مولی کربن به اکسیژن برابر یک است؛ پس:

$n(\mathrm{C})=n$

در معادلهٔ دوم، به ازای هر نیم مول اکسیژن، یک مول هیدروژن مصرف می‌شود؛ بنابراین:

$n(\mathrm{H_2})=2n$

گام سوم: محاسبهٔ اکسیژن مصرفی هر واکنش

از سوختن $n$ مول کربن، $394n\,\mathrm{kJ}$ و از سوختن $2n$ مول هیدروژن، $286(2n)\,\mathrm{kJ}$ گرما آزاد می‌شود. در نتیجه:

$394n+286(2n)=193.2$

$966n=193.2\quad\Rightarrow\quad n=0.2\,\mathrm{mol}$

پس در هر واکنش، $0.2\,\mathrm{mol}$ اکسیژن مصرف شده است؛ این مقدار را نباید دوباره بین دو ظرف تقسیم کرد.

گام چهارم: محاسبهٔ مجموع جرم‌ها

جرم مولی کربن $12\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$ و جرم مولی گاز هیدروژن $2\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$ است. بنابراین:

$x=0.2\times12=2.4\,\mathrm{g}$

$y=(2\times0.2)\times2=0.8\,\mathrm{g}$

$x+y=2.4+0.8=3.2\,\mathrm{g}$

بنابراین مجموع جرم‌ها $3.2\,\mathrm{g}$ و اکسیژن مصرفی در هر واکنش $0.2\,\mathrm{mol}$ است.

پاسخ: گزینهٔ ۱

۱. پرسش دربارهٔ فراورده‌های تجزیهٔ مواد زیست‌تخریب‌پذیر به‌وسیلهٔ جانداران ذره‌بینی است. طبق تعریف کتاب، این جانداران مواد یادشده را به مولکول‌هایی کوچک و ساده تبدیل می‌کنند؛ کربن دی‌اکسید، متان و آب از نمونه‌های این فراورده‌ها هستند (شیمی ۲، صفحه‌های ۱۱۹–۱۲۰).

۲. بنابراین، متان و آب مثال‌های درستی برای فراورده‌های این فرایندند. در این تعریف، منظور تشکیل پلیمرهای جدید، درشت‌مولکول‌ها یا اتم‌های آزاد نیست.

۳. بخش «پلیمر سبز» نیز همین مفهوم را تأیید می‌کند: پلیمرهای سبز با فعالیت جانداران ذره‌بینی به مواد ساده‌ای مانند آب و کربن دی‌اکسید تبدیل می‌شوند (شیمی ۲، صفحهٔ ۱۲۱).

پاسخ: گزینهٔ ۱

صورت سؤال عبارت «نادرست» را می‌خواهد؛ بنابراین باید درستی هر چهار عبارت را بررسی کنیم.

۱) اثر دما و جرم الکترود
پتانسیل نیم‌سلول به دما وابسته است. کتاب نیز پتانسیل استاندارد را برای شرایط معین، شامل دمای $25^\circ\mathrm{C}$، فشار $1\,\mathrm{atm}$ و غلظت $1\,\mathrm{mol\,L^{-1}}$ معرفی می‌کند (شیمی ۳، صفحهٔ ۴۶–۴۷).
اما پتانسیل یک الکترود فلزی خالص به جرم آن وابسته نیست؛ در دما و غلظت ثابت، افزودن مقداری از همان فلز، پتانسیل نیم‌سلول و در نتیجه نیروی محرکهٔ سلول را تغییر نمی‌دهد. جرم بیشتر الکترود را نباید با پتانسیل بیشتر اشتباه گرفت. پس یکسان دانستن اثر افزایش دما و افزایش جرم الکترود نادرست است.

۲) ارتباط نیروی محرکه با پتانسیل نیم‌سلول فلزی
طبق رابطهٔ کتاب داریم:
$\mathrm{emf}=E^\circ_{\text{کاتد}}-E^\circ_{\text{آند}}$
همچنین پتانسیل استاندارد نیم‌سلول هیدروژن به‌قرارداد صفر است (شیمی ۳، صفحهٔ ۴۶–۴۸).
اگر نیم‌سلول فلزی کاتد باشد:
$\mathrm{emf}=E^\circ_{\mathrm{X}}-0=E^\circ_{\mathrm{X}}$
در این حالت $E^\circ_{\mathrm{X}}>0$ است.
اگر نیم‌سلول فلزی آند باشد:
$\mathrm{emf}=0-E^\circ_{\mathrm{X}}=-E^\circ_{\mathrm{X}}$
در این حالت $E^\circ_{\mathrm{X}}<0$ است. پس در هر دو حالت:
$\mathrm{emf}=\left|E^\circ_{\mathrm{X}}\right|$
بنابراین عبارت دوم درست است.

۳) جهت مهاجرت آنیون‌ها
اگر نیم‌سلول هیدروژن کاتد باشد، نیم‌سلول فلزی آند است. در آند، فلز اکسایش می‌یابد و کاتیون وارد محلول می‌شود؛ در کاتد نیز یون هیدروژن کاهش می‌یابد. برای حفظ خنثی بودن الکتریکی محلول‌ها، آنیون‌ها از نیم‌سلول کاتد، یعنی نیم‌سلول هیدروژن، به نیم‌سلول آند، یعنی نیم‌سلول فلزی، مهاجرت می‌کنند. این همان جهت مهاجرت یونی بیان‌شده در کتاب است؛ پس عبارت سوم درست است (شیمی ۳، صفحهٔ ۴۵–۴۶).

۴) تعیین علامت پتانسیل از روی واکنش کلی
در واکنش داده‌شده، نیم‌واکنش‌ها عبارت‌اند از:
آند: $\mathrm{H_2(g)\rightarrow 2H^+(aq)+2e^-}$
کاتد: $\mathrm{X^{2+}(aq)+2e^-\rightarrow X(s)}$
پس نیم‌سلول فلزی کاتد و نیم‌سلول هیدروژن آند است. در سلول گالوانی، پتانسیل کاهشی کاتد از آند بیشتر است؛ بنابراین:
$E^\circ_{\mathrm{X}}>E^\circ_{\mathrm{SHE}}=0$
پس عبارت چهارم نیز درست است (شیمی ۳، صفحهٔ ۴۵–۴۸).

در نتیجه، تنها عبارت نخست نادرست است.
پاسخ: گزینهٔ ۱

چون سؤال عبارت «نادرست» را می‌خواهد، ابتدا واکنش را موازنه و سپس هر چهار عبارت را بررسی می‌کنیم.

گام اول: تعیین عددهای اکسایش و نقش گونه‌ها
با در نظر گرفتن عدد اکسایش $-2$ برای اکسیژن، عدد اکسایش منگنز در $\mathrm{MnO_2}$ برابر $+4$ و در $\mathrm{Mn^{2+}}$ برابر $+2$ است. بنابراین هر اتم منگنز با گرفتن $2$ الکترون کاهش می‌یابد و $\mathrm{MnO_2}$ اکسنده است.

عدد اکسایش نیتروژن در $\mathrm{NO}$ برابر $+2$ و در $\mathrm{NO_3^-}$ برابر $+5$ است؛ پس هر اتم نیتروژن با از دست دادن $3$ الکترون اکسایش می‌یابد و $\mathrm{NO}$ کاهنده است. تشخیص اکسایش و کاهش از تغییر عدد اکسایش در کتاب تمرین شده است (شیمی ۳، صفحه‌های ۵۳–۵۴)؛ تعریف اکسنده و کاهنده نیز بر پایهٔ گرفتن و دادن الکترون است (شیمی ۳، صفحهٔ ۴۰).

گام دوم: موازنه با نیم‌واکنش‌ها
هر نیم‌واکنش باید هم از نظر تعداد اتم‌ها و هم از نظر بار الکتریکی موازنه باشد (شیمی ۳، صفحهٔ ۴۰). در محیط اسیدی داریم:

نیم‌واکنش کاهش:
$\mathrm{MnO_2+4H^++2e^-\rightarrow Mn^{2+}+2H_2O}$

نیم‌واکنش اکسایش:
$\mathrm{NO+2H_2O\rightarrow NO_3^-+4H^++3e^-}$

برای برابر شدن تعداد الکترون‌ها، نیم‌واکنش کاهش را در $3$ و نیم‌واکنش اکسایش را در $2$ ضرب می‌کنیم. با جمع آن‌ها و حذف الکترون‌ها و گونه‌های مشترک، معادلهٔ نهایی به دست می‌آید؛ این همان روش جمع نیم‌واکنش‌هاست که در کتاب آمده است (شیمی ۳، صفحهٔ ۴۲):

$\mathrm{3MnO_2(s)+4H^+(aq)+2NO(g)\rightarrow 3Mn^{2+}(aq)+2H_2O(l)+2NO_3^-(aq)}$

در این واکنش، $6$ مول الکترون به ازای ضرایب نوشته‌شده مبادله می‌شود؛ نه مجموع الکترون‌های گرفته‌شده و داده‌شده، زیرا این دو مقدار مربوط به همان الکترون‌های منتقل‌شده‌اند.

گام سوم: بررسی عبارت‌ها

گزینهٔ ۱ درست است. نسبت مقدار الکترون مبادله‌شده به یون هیدروژن مصرف‌شده برابر $\frac{6}{4}$ است؛ بنابراین:

$n(e^-)=0.2\,\mathrm{mol}\times\frac{6}{4}=0.3\,\mathrm{mol}$

گزینهٔ ۲ درست است. مجموع کوچک‌ترین ضرایب صحیح واکنش برابر است با:

$3+4+2+3+2+2=16$

گزینهٔ ۳ نادرست است. جمع عددهای اکسایش منگنز در دو سوی واکنش با جمع عددهای اکسایش نیتروژن برابر نیست:

$\mathrm{Mn}:\quad (+4)+(+2)=+6$

$\mathrm{N}:\quad (+2)+(+5)=+7$

حتی اگر تعداد اتم‌ها مطابق ضرایب موازنه‌شده را نیز در جمع لحاظ کنیم، برای منگنز $3(+4)+3(+2)=+18$ و برای نیتروژن $2(+2)+2(+5)=+14$ به دست می‌آید که باز هم برابر نیستند. آنچه باید برابر باشد، مقدار کل کاهش و افزایش عدد اکسایش است: $3\times2=2\times3$، نه جمع خود عددهای اکسایش.

گزینهٔ ۴ درست است. اکسنده $\mathrm{MnO_2}$ با ضریب $3$ و کاهنده $\mathrm{NO}$ با ضریب $2$ است؛ پس نسبت خواسته‌شده برابر $\frac{3}{2}=1.5$ است.

پاسخ: گزینهٔ ۳

برای بررسی عبارت‌ها باید هم «نوع ذرهٔ سازنده» و هم «بُعد گسترش ساختار» را در نظر بگیریم. کتاب، شبکهٔ بلوری را آرایش منظم و سه‌بعدی ذرات در حالت جامد معرفی می‌کند؛ نوع این ذرات در جامدهای مختلف متفاوت است (شیمی ۳، صفحهٔ ۸۰).

الف ـ درست است. در مدل جامد فلزی، کاتیون‌های فلزی آرایشی منظم و سه‌بعدی دارند و الکترون‌های نامستقر در سراسر ساختار حرکت می‌کنند. بنابراین، توصیف آرایش کاتیون‌ها در این عبارت درست است؛ البته کل جامد به دلیل حضور الکترون‌ها خنثی است.

ب ـ نادرست است. در جامد مولکولی، واحدهای سازندهٔ شبکه، مولکول‌ها هستند. پس توصیف مناسب، «آرایش منظم مولکول‌ها در سه بُعد» است. اینکه هر مولکول از اتم تشکیل شده، به معنای اتمی‌بودن واحدهای سازندهٔ شبکه نیست.

ج ـ درست است. در جامد کووالانسی، اتم‌ها با پیوندهای کووالانسی به یکدیگر متصل‌اند. این اتصال می‌تواند شبکه‌ای سه‌بعدی، مانند الماس، یا ساختاری دوبعدی در هر لایه، مانند گرافیت، ایجاد کند. در گرافیت، منظور از ساختار دوبعدی، شبکهٔ پیوندهای کووالانسی درون هر لایه است؛ خود قطعهٔ گرافیت از لایه‌های روی‌هم‌قرارگرفته تشکیل می‌شود.

د ـ نادرست است. یون‌های مثبت و منفی در جامد یونی، شبکه‌ای منظم و سه‌بعدی می‌سازند. کتاب نیز تشکیل شبکهٔ بلوری یونی را حاصل آرایش یون‌ها در سه بُعد می‌داند؛ بنابراین افزودن امکان «دوبعدی» به این توصیف نادرست است (شیمی ۳، صفحهٔ ۸۰).

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

پاسخ: گزینهٔ ۴

صورت سؤال، عبارت «نادرست» را می‌خواهد؛ بنابراین باید نوع واکنش‌ها و شرایط تبدیل مواد را بررسی کنیم.

۱. مونومرهای پلیمر را مشخص می‌کنیم.
پلی‌اتیلن ترفتالات یا $\mathrm{PET}$ از واکنش اتیلن گلیکول، یک الکل دوعاملی، با ترفتالیک اسید، یک اسید دوعاملی، تهیه می‌شود (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۱۵–۱۱۶).

۲. نوع واکنش تهیهٔ این مونومرها را بررسی می‌کنیم.

• در تبدیل اتن به اتیلن گلیکول، ساختار $\mathrm{CH_2{=}CH_2}$ به $\mathrm{HOCH_2CH_2OH}$ تبدیل می‌شود. عدد اکسایش هر اتم کربن از $-2$ به $-1$ افزایش می‌یابد؛ پس این تبدیل، اکسایش است، نه کاهش.
• در تبدیل پارازایلن به ترفتالیک اسید، دو گروه $\mathrm{-CH_3}$ به دو گروه $\mathrm{-COOH}$ تبدیل می‌شوند. عدد اکسایش کربن هر گروه از $-3$ به $+3$ افزایش می‌یابد؛ بنابراین این واکنش نیز اکسایش است. کتاب هم پتاسیم پرمنگنات را به‌عنوان اکسندهٔ مناسب برای این تبدیل معرفی می‌کند (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۱۷).

در نتیجه، گزینهٔ ۲ به‌اشتباه تهیهٔ این دو مونومر از اتن و پارازایلن را «کاهش» نامیده است.

۳. درستی عبارت‌های دیگر را کنترل می‌کنیم.

• گزینهٔ ۱ درست است: متان جزء اصلی گاز طبیعی است و سوزاندن بخشی از گازهای همراه نفت در میدان‌های نفتی، با هدف افزایش ایمنی انجام می‌شود.
• گزینهٔ ۳ درست است: در شرایط مناسب و با کاتالیزگر، می‌توان متان را با اکسیژن به متانول تبدیل کرد. این فرایند را نباید با سوختن کامل متان یکسان دانست.
• گزینهٔ ۴ درست است: امکان‌پذیر بودن این تبدیل به معنای آسان‌بودن آن نیست؛ کنترل واکنش برای تولید متانول و جلوگیری از اکسایش بیشتر، به دانش و فناوری پیشرفته نیاز دارد.

پاسخ: گزینهٔ ۲

گام اول: تعیین ترکیب تعادل اولیه

در عبارت ثابت تعادل، غلظت هر ماده به توان ضریب آن در معادلهٔ موازنه‌شده می‌رسد؛ بنابراین برای واکنش داده‌شده داریم:

$K=\dfrac{[\mathrm{NO_2}]^2}{[\mathrm{NO}]^2[\mathrm{O_2}]}$

در تعادل اولیه، شمار مول‌های هر سه ماده برابر است؛ چون همگی در یک ظرف‌اند، غلظت‌هایشان نیز برابر است. اگر غلظت مشترک را $c$ بنامیم:

$0.5=\dfrac{c^2}{c^2\times c}=\dfrac{1}{c}$

پس:

$c=2\,\mathrm{mol\,L^{-1}}$

حجم ظرف $5\,\mathrm{L}$ است؛ بنابراین مول اولیهٔ هر ماده برابر است با:

$n=cV=2\times5=10\,\mathrm{mol}$

گام دوم: تعیین تغییر مول‌ها با کاهش دما

طبق کتاب، دما علاوه بر جابه‌جا کردن تعادل، می‌تواند مقدار ثابت تعادل را نیز تغییر دهد؛ پس باید ثابت تعادل را از ترکیب تعادل جدید محاسبه کنیم (شیمی ۳، صفحات ۱۰۷–۱۰۸).

در ابتدا مول فراورده از مجموع مول‌های واکنش‌دهنده‌ها کمتر است. برای برقرار شدن شرط جدید، واکنش در جهت رفت پیش می‌رود. اگر $x$ مول اکسیژن مصرف شود، مطابق نسبت ضرایب واکنش، $2x$ مول نیتروژن مونوکسید مصرف و $2x$ مول نیتروژن دی‌اکسید تولید می‌شود. بنابراین:

$n_{\mathrm{NO}}=10-2x$

$n_{\mathrm{O_2}}=10-x$

$n_{\mathrm{NO_2}}=10+2x$

طبق شرط مسئله، در تعادل جدید مول فراورده برابر مجموع مول‌های واکنش‌دهنده‌هاست:

$10+2x=(10-2x)+(10-x)$

$5x=10\quad\Rightarrow\quad x=2\,\mathrm{mol}$

پس شمار مول‌های مواد در تعادل جدید عبارت است از:

$n_{\mathrm{NO}}=6\,\mathrm{mol},\qquad n_{\mathrm{O_2}}=8\,\mathrm{mol},\qquad n_{\mathrm{NO_2}}=14\,\mathrm{mol}$

گام سوم: محاسبهٔ ثابت تعادل جدید

با ثابت ماندن حجم ظرف، غلظت‌های جدید را از تقسیم شمار مول‌ها بر حجم به دست می‌آوریم:

$K_{\mathrm{new}}=\dfrac{(14/5)^2}{(6/5)^2(8/5)}=\dfrac{14^2\times5}{6^2\times8}=\dfrac{980}{288}\simeq3.40$

نکته: چون مجموع توان‌های غلظت در صورت و مخرج برابر نیست، نمی‌توان شمار مول‌ها را مستقیماً به‌جای غلظت‌ها گذاشت و حجم را حذف کرد.

پاسخ: گزینهٔ ۱

برای پاسخ، ابتدا نسبت شمار هیدروژن‌ها و سپس تفاوت شمار اکسیژن‌ها را به دست می‌آوریم.

گام اول: شمار هیدروژن‌های اتیل بوتانوات
بر اساس الگوی واکنش استری‌شدن، اتیل بوتانوات از بوتانوئیک اسید و اتانول تشکیل می‌شود؛ بخش بوتانوات از اسید و بخش اتیل از الکل می‌آید (شیمی ۲، صفحهٔ ۱۱۴–۱۱۵). ساختار فشردهٔ آن چنین است:
$\mathrm{CH_3CH_2CH_2C(=O)OCH_2CH_3}$
پس شمار هیدروژن‌های آن برابر است با:
$N_{\mathrm{H}}=3+2+2+2+3=12$
کربن گروه کربونیل، هیدروژن ندارد.

گام دوم: شمار هیدروژن‌های نفتالن و محاسبهٔ نسبت
نفتالن با دو حلقهٔ بنزنیِ جوش‌خورده، فرمول مولکولی $\mathrm{C_{10}H_8}$ دارد؛ بنابراین نسبت خواسته‌شده برابر است با:
$R=\frac{12}{8}=\frac{3}{2}$

گام سوم: تفاوت شمار اکسیژن‌ها
کتاب، کربوکسیلیک اسیدهای دوعاملی و الکل‌های دوعاملی را به‌عنوان مواد سازندهٔ پلی‌استرها معرفی می‌کند (شیمی ۲، صفحهٔ ۱۱۵).
ترفتالیک اسید با ساختار فشردهٔ $\mathrm{HOOC{-}C_6H_4{-}COOH}$، دو گروه کربوکسیل دارد. هر گروه کربوکسیل دارای دو اتم اکسیژن است؛ پس این ترکیب چهار اتم اکسیژن دارد.
اتیلن گلیکول با ساختار $\mathrm{HO{-}CH_2{-}CH_2{-}OH}$، دو گروه هیدروکسیل و در نتیجه دو اتم اکسیژن دارد. بنابراین:
$\Delta N_{\mathrm{O}}=4-2=2$

گام چهارم: محاسبهٔ «چند برابر»
برای تعیین اینکه نسبت هیدروژن‌ها چند برابر اختلاف اکسیژن‌هاست، نسبت را بر اختلاف تقسیم می‌کنیم:
$\frac{R}{\Delta N_{\mathrm{O}}}=\frac{12/8}{4-2}=\frac{3}{4}=0.75$

پاسخ: گزینهٔ ۴