سوال ۱۰۵ شیمی کنکور تجربی ۱۴۰۴ نوبت اول با پاسخ تشریحی

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