سوالات شیمی کنکور تجربی ۱۴۰۵ با پاسخ تشریحی

چون سؤال عبارت «نادرست» را می‌خواهد، باید درستی هر چهار عبارت را بررسی کنیم.

گام اول: محاسبهٔ مقدار مولی گازها
جرم مولی هر گاز از مجموع جرم‌های مولی اتم‌های سازندهٔ آن به دست می‌آید:
$M(\mathrm{N_2})=2\times14=28\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
$M(\mathrm{CO_2})=12+2\times16=44\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
با تبدیل جرم به مول، مطابق روش عامل تبدیل کتاب، داریم (شیمی ۱، صفحهٔ ۸۰):
$n_{\text{الف}}=\dfrac{14\,\mathrm{g}}{28\,\mathrm{g\,mol^{-1}}}=0.5\,\mathrm{mol}$
$n_{\text{ب}}=\dfrac{44\,\mathrm{g}}{44\,\mathrm{g\,mol^{-1}}}=1\,\mathrm{mol}$

گام دوم: بررسی حجم‌ها و گزینهٔ ۱
در شرایط $\mathrm{STP}$، حجم مولی گازها برابر $22.4\,\mathrm{L\,mol^{-1}}$ است (شیمی ۱، صفحه‌های ۷۷–۷۸). بنابراین:
$a=0.5\times22.4=11.2\,\mathrm{L}$
$b=1\times22.4=22.4\,\mathrm{L}$
پس:
$a+b=11.2+22.4=33.6\,\mathrm{L}$
بنابراین گزینهٔ ۱ درست است.

گام سوم: بررسی رابطهٔ حجم و شمار مولکول‌ها در گزینهٔ ۲
طبق قانون آووگادرو، در دما و فشار یکسان، حجم گازها با مقدار مولی و در نتیجه با شمار مولکول‌هایشان متناسب است (شیمی ۱، صفحه‌های ۷۸–۷۹). پس:
$\dfrac{a}{b}=\dfrac{c}{d}\quad\Rightarrow\quad ad=bc$
بنابراین گزینهٔ ۲ نیز درست است.

گام چهارم: بررسی مجموع شمار اتم‌ها در گزینهٔ ۳
با استفاده از ثابت آووگادرو، $N_A=6.02\times10^{23}\,\mathrm{mol^{-1}}$، شمار مولکول‌های دو ظرف برابر است با:
$c=0.5\times6.02\times10^{23}=3.01\times10^{23}$
$d=1\times6.02\times10^{23}=6.02\times10^{23}$
هر مولکول $\mathrm{N_2}$ دارای دو اتم و هر مولکول $\mathrm{CO_2}$ دارای سه اتم است. بنابراین شمار اتم‌های هر ظرف می‌شود:
$N_{\text{اتم، الف}}=2c=6.02\times10^{23}$
$N_{\text{اتم، ب}}=3d=1.806\times10^{24}$
مجموع شمار اتم‌ها:
$N_{\text{کل}}=6.02\times10^{23}+1.806\times10^{24}=2.408\times10^{24}$
پس گزینهٔ ۳ درست است.

گام پنجم: بررسی نسبت شمار اتم‌ها در گزینهٔ ۴
نسبت شمار اتم‌های ظرف «ب» به ظرف «الف» برابر است با:
$\dfrac{N_{\text{اتم، ب}}}{N_{\text{اتم، الف}}}=\dfrac{1.806\times10^{24}}{6.02\times10^{23}}=3$
بنابراین شمار اتم‌های ظرف «ب» سه برابر ظرف «الف» است، نه دو برابر. دوبرابر بودن فقط دربارهٔ شمار مولکول‌های این دو نمونه صدق می‌کند؛ پس عبارت گزینهٔ ۴ نادرست است.

پاسخ: گزینهٔ ۴

برای بررسی گزینه‌ها باید میان اطلاعات معادلهٔ نمادی، شرایط واکنش و معنای ضرایب تفاوت بگذاریم.

۱) گزینهٔ اول نادرست است. در معادلهٔ موازنه‌شده، شمار اتم‌های هر عنصر در دو طرف برابر است، نه لزوماً شمار مولکول‌ها. برای نمونه، در واکنش $\mathrm{2SO_2(g)+O_2(g)\rightarrow 2SO_3(g)}$، سه مولکول واکنش‌دهنده به دو مولکول فراورده تبدیل می‌شوند، در حالی که شمار اتم‌های گوگرد و اکسیژن حفظ شده است. در مقیاس مولی نیز مجموع سه مول گاز به دو مول گاز تبدیل می‌شود (شیمی ۱، صفحهٔ ۷۹).

۲) گزینهٔ دوم نادرست است. اطلاعات نوشته‌شده روی پیکان، شرایط انجام واکنش را بیان می‌کنند؛ مثلاً کتاب با نوشتن نماد پلاتین روی پیکان، حضور کاتالیزگر را نشان می‌دهد (شیمی ۱، صفحهٔ ۶۲). بنابراین نماد $\xrightarrow{20\,\mathrm{atm}}$ یعنی واکنش در فشار $20\,\mathrm{atm}$ انجام می‌شود، نه اینکه واکنش‌دهنده‌ها الزاماً با این فشار وارد ظرف شوند.

۳) گزینهٔ سوم درست است. در معادلهٔ نمادی، فرمول شیمیایی واکنش‌دهنده‌ها و فراورده‌ها نوشته می‌شود و حالت فیزیکی آن‌ها نیز می‌تواند با نمادهای کنار فرمول مشخص شود. برای مثال، در $\mathrm{C(s)+O_2(g)\rightarrow CO_2(g)}$، فرمول مواد و حالت جامد کربن و گازی بودن اکسیژن و کربن دی‌اکسید نشان داده شده است. نمادهای $\mathrm{(s)}$، $\mathrm{(l)}$، $\mathrm{(g)}$ و $\mathrm{(aq)}$ به‌ترتیب بیانگر جامد، مایع، گاز و محلول آبی‌اند (شیمی ۱، صفحهٔ ۶۲).

۴) گزینهٔ چهارم نادرست است. ضرایب معادله نسبت مولی مواد را مشخص می‌کنند (شیمی ۱، صفحهٔ ۷۹). بنابراین در واکنش $\mathrm{2Na(s)+Cl_2(g)\rightarrow 2NaCl(s)}$، به‌ازای مصرف دو مول سدیم و یک مول کلر، دو مول سدیم کلرید تولید می‌شود. اما سدیم کلرید جامد، ترکیبی یونی است و مولکول مجزا ندارد؛ پس در مقیاس ذره‌ای باید «دو واحد فرمولی سدیم کلرید» گفت، نه «دو مولکول سدیم کلرید». در نتیجه، بخش مولکولی این گزینه نادرست است.

پاسخ: گزینهٔ ۳

نکتهٔ مهم: داده‌های فعلی سؤال با پاسخ تأییدشدهٔ گزینهٔ ۲ سازگار نیستند. محاسبه با غلظت داده‌شدهٔ $0.56\,\mathrm{mol\,L^{-1}}$ به صورت زیر است.

۱. تعیین سهم باقی‌ماندهٔ واکنش‌دهنده‌ها
طبق مفهوم پیشرفت واکنش، هرچه درصد پیشرفت بیشتر باشد، سهم بیشتری از واکنش‌دهنده‌ها به فراورده تبدیل می‌شود (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۰۴). چون گازها متناسب با ضرایب استوکیومتری وارد ظرف شده‌اند، با پیشرفت $80\%$ واکنش، از هر کدام $20\%$ مقدار اولیه باقی می‌ماند:
$1-0.80=0.20$

۲. محاسبهٔ مجموع مول باقی‌مانده
از رابطهٔ غلظت مولی داریم:
$n_{\text{باقی‌مانده، کل}}=C_{\text{باقی‌مانده، کل}}V=0.56\times5=2.8\,\mathrm{mol}$
بنابراین مجموع مول اولیه برابر است با:
$n_{\text{اولیه، کل}}=\dfrac{2.8}{0.20}=14\,\mathrm{mol}$

۳. تعیین مول اولیهٔ هر گاز
در واکنش $\mathrm{2NO(g)+2H_2(g)\rightarrow N_2(g)+2H_2O(g)}$، ضرایب دو واکنش‌دهنده برابرند؛ پس مول‌های اولیهٔ آن‌ها نیز برابر است:
$n_0(\mathrm{NO})=n_0(\mathrm{H_2})=\dfrac{14}{2}=7\,\mathrm{mol}$

۴. محاسبهٔ مجموع جرم اولیه
جرم‌های مولی دو گاز عبارت‌اند از:
$M(\mathrm{NO})=14+16=30\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
$M(\mathrm{H_2})=2\times1=2\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
پس:
$m_{\text{اولیه، کل}}=7\times30+7\times2=224\,\mathrm{g}$

۵. بررسی ناسازگاری با پاسخ اعلام‌شده
اگر مجموع جرم اولیه $24\,\mathrm{g}$ باشد، با فرض $x$ مول از هر گاز خواهیم داشت:
$30x+2x=24\Rightarrow x=0.75\,\mathrm{mol}$
در این حالت، مجموع غلظت واکنش‌دهنده‌های باقی‌مانده برابر می‌شود با:
$C_{\text{باقی‌مانده، کل}}=\dfrac{0.20(0.75+0.75)}{5}=0.06\,\mathrm{mol\,L^{-1}}$
بنابراین اگر غلظت صورت سؤال به‌جای $0.56$ برابر $0.06\,\mathrm{mol\,L^{-1}}$ باشد، گزینهٔ ۲ درست خواهد بود؛ اما با داده‌های فعلی، جرم محاسبه‌شده $224\,\mathrm{g}$ است و هیچ گزینه‌ای درست نیست.

پاسخ: هیچ‌یک از گزینه‌ها؛ گزینهٔ ۲ فقط با اصلاح غلظت به $0.06\,\mathrm{mol\,L^{-1}}$ درست است.

برای مقایسهٔ نسبت شمار یون‌ها، ابتدا باید فرمول درست هر ترکیب را بنویسیم. مبنای فرمول‌نویسی این است که ترکیب یونی خنثی است؛ بنابراین مجموع بارهای مثبت و منفی آن باید یکدیگر را خنثی کنند. همچنین یون چنداتمی، با وجود داشتن چند اتم، در شمارش یون‌ها یک یون محسوب می‌شود (شیمی ۱، صفحهٔ ۹۱–۹۲).

گام اول: بررسی گزینهٔ ۱
پتاسیم سیلیکات از یون‌های $\mathrm{K^+}$ و $\mathrm{SiO_3^{2-}}$ تشکیل می‌شود؛ پس فرمول آن $\mathrm{K_2SiO_3}$ است و نسبت شمار کاتیون به آنیون در آن برابر $\frac{2}{1}=2$ است.
نقره استات از یون‌های $\mathrm{Ag^+}$ و $\mathrm{CH_3COO^-}$ تشکیل می‌شود و فرمول آن $\mathrm{AgCH_3COO}$ است؛ بنابراین نسبت شمار کاتیون به آنیون در آن $\frac{1}{1}=1$ است. این دو نسبت برابر نیستند.

گام دوم: بررسی گزینهٔ ۲
یون‌های سازندهٔ آلومینیم فسفات، $\mathrm{Al^{3+}}$ و $\mathrm{PO_4^{3-}}$ هستند. چون بزرگی بار این دو یون برابر است، به ازای هر یون آلومینیم، یک یون فسفات لازم است؛ پس فرمول ترکیب $\mathrm{AlPO_4}$ و نسبت شمار کاتیون به آنیون برابر $\frac{1}{1}=1$ است.
آهن (II) کربنات نیز از یون‌های $\mathrm{Fe^{2+}}$ و $\mathrm{CO_3^{2-}}$ تشکیل شده است. بار این یون‌ها در جدول خود را بیازمایید آمده است (شیمی ۱، صفحهٔ ۹۲–۹۳). در نتیجه، فرمول ترکیب $\mathrm{FeCO_3}$ و نسبت شمار کاتیون به آنیون آن $\frac{1}{1}=1$ است.
پس دو نسبت خواسته‌شده برابرند و این گزینه عبارت را درست کامل می‌کند.

گام سوم: بررسی گزینهٔ ۳
فرمول آمونیوم کربنات $\mathrm{(NH_4)_2CO_3}$ است؛ هر واحد آن دو یون آمونیوم و یک یون کربنات دارد (شیمی ۱، صفحهٔ ۹۱–۹۳). بنابراین نسبت آنیون به کاتیون در آن $\frac{1}{2}$ است.
اسکاندیم پرکلرات از یون‌های $\mathrm{Sc^{3+}}$ و $\mathrm{ClO_4^-}$ تشکیل می‌شود و فرمول آن $\mathrm{Sc(ClO_4)_3}$ است؛ پس نسبت کاتیون به آنیون در آن $\frac{1}{3}$ است. این دو نسبت برابر نیستند.

گام چهارم: بررسی گزینهٔ ۴
سدیم هیدروژن کربنات با فرمول $\mathrm{NaHCO_3}$ دارای یک یون $\mathrm{Na^+}$ و یک یون $\mathrm{HCO_3^-}$ است؛ بنابراین نسبت آنیون به کاتیون آن $1$ است.
در منیزیم کلرید، $\mathrm{MgCl_2}$، به ازای هر یون $\mathrm{Mg^{2+}}$ دو یون $\mathrm{Cl^-}$ وجود دارد؛ پس نسبت کاتیون به آنیون برابر $\frac{1}{2}$ است. این دو نسبت نیز برابر نیستند.

پاسخ: گزینهٔ ۲

۱. شناسایی ترکیب‌ها

سه عنصر نخست گروه هفدهم، فلوئور، کلر و برم هستند؛ ترکیب‌های حاصل از واکنش آن‌ها با هیدروژن به‌ترتیب $\mathrm{HF}$، $\mathrm{HCl}$ و $\mathrm{HBr}$ است. طبق جدول کتاب، نقطهٔ جوش این ترکیب‌ها چنین است (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۰۷):

$T_b(\mathrm{HCl})=-85\,{}^\circ\mathrm{C}$

$T_b(\mathrm{HBr})=-67\,{}^\circ\mathrm{C}$

$T_b(\mathrm{HF})=19\,{}^\circ\mathrm{C}$

بنابراین ترتیب نقطهٔ جوش برابر است با:

$\mathrm{HCl}<\mathrm{HBr}<\mathrm{HF}$

چون $\mathrm{A}$ کمترین و $\mathrm{D}$ بیشترین نقطهٔ جوش را دارد، نتیجه می‌گیریم:

$\mathrm{A}=\mathrm{HCl},\qquad \mathrm{X}=\mathrm{HBr},\qquad \mathrm{D}=\mathrm{HF}$

۲. بررسی عبارت «الف»: درست

در فشار یکسان، هرچه نقطهٔ جوش ماده بالاتر باشد، گاز آن هنگام سرد شدن در دمای بالاتری مایع می‌شود؛ یعنی برای میعان به سرد کردن کمتری نیاز دارد. بنابراین $\mathrm{D}$ آسان‌تر و $\mathrm{A}$ دشوارتر مایع می‌شود. این نتیجه با نقش نیروهای بین‌مولکولی در کنار هم نگه داشتن مولکول‌ها سازگار است (شیمی ۱، صفحه‌های ۱۰۵–۱۰۶).

۳. بررسی عبارت «ب»: نادرست

جرم‌های مولی جدول کتاب عبارت‌اند از (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۰۷):

$M(\mathrm{HF})=20\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

$M(\mathrm{HCl})=36.5\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

$M(\mathrm{HBr})=81\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

پس ترتیب درست چنین است:

$M(\mathrm{D})<M(\mathrm{A})<M(\mathrm{X})$

در نتیجه، جرم مولی $\mathrm{X}$ از جرم مولی هر دو مادهٔ دیگر بیشتر است، نه اینکه میان آن‌ها باشد.

۴. بررسی عبارت «ج»: درست

در چارچوب کتاب درسی، وقتی هیدروژن مستقیماً به فلوئور، اکسیژن یا نیتروژن متصل باشد، امکان تشکیل پیوند هیدروژنی میان مولکول‌ها وجود دارد. بنابراین در $\mathrm{D}=\mathrm{HF}$ جاذبهٔ غالب، پیوند هیدروژنی است؛ اما $\mathrm{A}=\mathrm{HCl}$ و $\mathrm{X}=\mathrm{HBr}$ پیوند هیدروژنی ندارند و جاذبهٔ بین‌مولکولی آن‌ها از نوع واندروالس است (شیمی ۱، صفحهٔ ۱۰۷).

۵. بررسی عبارت «د»: نادرست

گشتاور دوقطبی معیاری برای میزان قطبیت مولکول است و با افزایش قطبیت افزایش می‌یابد (شیمی ۱، صفحه‌های ۱۰۶–۱۰۷). ترتیب گشتاور دوقطبی این هیدروژن‌هالیدها چنین است:

$\mu(\mathrm{HBr})<\mu(\mathrm{HCl})<\mu(\mathrm{HF})$

پس:

$\mu(\mathrm{X})<\mu(\mathrm{A})<\mu(\mathrm{D})$

بنابراین گشتاور دوقطبی $\mathrm{X}$ از گشتاور دوقطبی $\mathrm{A}$ کمتر است و عبارت «د» نادرست است. توجه کنید که ترتیب نقطهٔ جوش لزوماً با ترتیب گشتاور دوقطبی یکسان نیست؛ جرم مولکولی و نوع جاذبهٔ بین‌مولکولی نیز مؤثرند.

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

پاسخ: گزینهٔ ۱

برای حل سؤال، باید ویژگی برش‌های نفتی را از بالای برج به پایین مقایسه کنیم، نه تغییر ویژگی‌های یک مایع معین بر اثر گرم‌شدن را.

۱. جهت تغییر دما را مشخص می‌کنیم: دمای برج از پایین به بالا کاهش می‌یابد؛ بنابراین با کاهش ارتفاع، به قسمت‌های گرم‌تر برج می‌رسیم. مولکول‌های سبک‌تر و فرّارتر بیشتر بالا می‌روند و برش‌های دارای نقطهٔ جوش بالاتر در بخش‌های پایین‌تر جدا می‌شوند (شیمی ۲، صفحهٔ ۴۴–۴۵).

۲. ویژگی برش‌های پایین‌تر را بررسی می‌کنیم: این برش‌ها از هیدروکربن‌های سنگین‌تر تشکیل شده‌اند و به‌طور کلی نقطهٔ جوش، گرانروی و چگالی بیشتری دارند. پس این سه ویژگی با کاهش ارتفاع برج، روند افزایشی دارند.

۳. فرّار بودن یعنی تمایل ماده به بخارشدن. در شرایط یکسان، هیدروکربن‌هایی که نقطهٔ جوش بالاتری دارند، دشوارتر بخار می‌شوند و فرّار بودن کمتری دارند. مقایسهٔ برش‌های سبک مانند بنزین با برش‌های سنگین مانند نفت کوره نیز همین روند را نشان می‌دهد (شیمی ۲، صفحهٔ ۴۴).

بنابراین با حرکت به سمت پایین برج، فرّار بودن کاهش می‌یابد.

پاسخ: گزینهٔ ۴

۱. محاسبهٔ مقدار نظری اکسیژن
جرم مولی مس(II) اکسید برابر است با:
$M(\mathrm{CuO})=64+16=80\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
بنابراین مقدار اولیهٔ آن:
$n(\mathrm{CuO})=\frac{30}{80}=0.375\,\mathrm{mol}$
طبق ضرایب واکنش اول، از هر $4\,\mathrm{mol}$ مس(II) اکسید، $1\,\mathrm{mol}$ اکسیژن تولید می‌شود؛ پس:
$n_{\text{نظری}}(\mathrm{O_2})=\frac{30}{80}\times\frac{1}{4}=0.09375\,\mathrm{mol}$

۲. اعمال بازده درصدی
بازده درصدی، نسبت مقدار واقعی فراورده به مقدار نظری آن، ضرب‌در صد است؛ بنابراین برای بازده درصدی $a$ داریم (شیمی ۲، صفحهٔ ۲۳):
$n_{\text{واقعی}}(\mathrm{O_2})=0.09375\times\frac{a}{100}\,\mathrm{mol}$

۳. محاسبهٔ جرم کلسیم خالص موردنیاز
طبق واکنش دوم، به‌ازای هر مول اکسیژن، دو مول کلسیم مصرف می‌شود. چون تمام اکسیژن تولیدشده واکنش می‌دهد:
$n(\mathrm{Ca})=2\times0.09375\times\frac{a}{100}\,\mathrm{mol}$
پس جرم کلسیم خالص برابر است با:
$m(\mathrm{Ca})=2\times0.09375\times\frac{a}{100}\times40=0.075a\,\mathrm{g}$

۴. اعمال خلوص نمونه
در محاسبات استوکیومتری باید مقدار خالص واکنش‌دهنده را در نظر گرفت، نه جرم کل نمونهٔ ناخالص (شیمی ۲، صفحه‌های ۲۴–۲۵). نمونهٔ $x\,\mathrm{g}$ با خلوص $60\%$، دارای $0.60x\,\mathrm{g}$ کلسیم است؛ بنابراین:
$0.60x=0.075a$
$\frac{x}{a}=\frac{0.075}{0.60}=0.125$

پاسخ: گزینهٔ ۳

گام اول: شمار جفت‌الکترون‌های پیوندی ۱ـ هگزین را حساب می‌کنیم.

هر پیوند یگانه یک، پیوند دوگانه دو و پیوند سه‌گانه سه جفت‌الکترون پیوندی دارد؛ این شمارش بر پایهٔ الگوی اشتراک الکترون‌ها در پیوندهای کربن است (شیمی ۲، صفحهٔ ۳۱–۳۲).

ساختار ۱ـ هگزین چنین است:
$\mathrm{HC\equiv C-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3}$

این مولکول دارای $10$ پیوند کربن–هیدروژن، چهار پیوند یگانهٔ کربن–کربن و یک پیوند سه‌گانه است. بنابراین:
$P_{\text{1ـ هگزین}}=10+4+3=17$

طبق صورت سؤال، برای ترکیب موردنظر داریم:
$P_X=17+1=18$

گام دوم: فرمول مولکولی گزینه‌ها را تعیین می‌کنیم.

شاخهٔ متیل یک اتم کربن به شمار کربن‌های زنجیر اصلی اضافه می‌کند. همچنین راست‌زنجیر یا شاخه‌داربودن، فرمول عمومی آلکان‌ها را تغییر نمی‌دهد (شیمی ۲، صفحهٔ ۳۳–۳۴ و ۳۶).

• گزینهٔ ۱: آلکن دارای پنج کربن در زنجیر اصلی و یک کربن در شاخه است؛ پس با فرمول عمومی $\mathrm{C_nH_{2n}}$، فرمول آن $\mathrm{C_6H_{12}}$ است.

• گزینهٔ ۲: آلکان دارای چهار کربن در زنجیر اصلی و دو کربن در شاخه‌هاست؛ پس فرمول آن $\mathrm{C_6H_{14}}$ است.

• گزینهٔ ۳: آلکینِ شش‌کربنی است و فرمول $\mathrm{C_6H_{10}}$ دارد.

• گزینهٔ ۴: هگزان راست‌زنجیر با فرمول $\mathrm{C_6H_{14}}$ است.

گام سوم: شرط هم‌پاری و آزمون برم را بررسی می‌کنیم.

برای هیدروکربن $\mathrm{C_nH_m}$، چون هر کربن چهار و هر هیدروژن یک سهم در تشکیل پیوند دارد و هر جفت پیوندی میان دو اتم مشترک است، داریم:
$P=\frac{4n+m}{2}$

پس برای فرمول‌های گزینه‌ها:
$P(\mathrm{C_6H_{12}})=\frac{4(6)+12}{2}=18$
$P(\mathrm{C_6H_{14}})=19$
$P(\mathrm{C_6H_{10}})=17$

بنابراین فقط فرمول مولکولی گزینهٔ ۱ با شمار جفت‌الکترون‌های پیوندی ترکیب موردنظر سازگار است.

نکتهٔ مهم این است که خودِ ترکیب موردنظر نباید برم را بی‌رنگ کند، نه هم‌پار آن. برای نمونه، سیکلوهگزان با فرمول $\mathrm{C_6H_{12}}$ فقط پیوندهای یگانه دارد و در شرایط معمول آزمون برم، آن را بی‌رنگ نمی‌کند؛ درحالی‌که هم‌پار آلکنی آن چنین واکنشی می‌دهد. پس هم‌فرمول‌بودن الزاماً به معنای رفتار شیمیایی یکسان نیست.

پاسخ: گزینهٔ ۱

برای حل سؤال، ابتدا دو عنصر هر گزینه را شناسایی می‌کنیم و سپس نافلزهای میان آن‌ها در ترتیب عدد اتمی را می‌شماریم. خودِ دو عنصرِ ابتدا و انتهای بازه شمرده نمی‌شوند و گازهای نجیب نیز طبق صورت سؤال کنار گذاشته می‌شوند.

گام اول: یادآوری روند نافلزی
در یک دوره، خصلت نافلزی از چپ به راست افزایش می‌یابد و در گروه‌های $15$، $16$ و $17$، عنصرهای بالاتر خصلت نافلزی بیشتری دارند. همچنین شبه‌فلزها دسته‌ای جدا از نافلزها هستند (شیمی ۲، صفحهٔ ۹).

گام دوم: بررسی گزینه‌ها

گزینهٔ ۱: فلز دستهٔ $p$ در دورهٔ سوم، آلومینیم با نماد $\mathrm{Al}$ است. در گروه $16$، اکسیژن گاز است؛ پس قوی‌ترین نافلزِ جامد این گروه، گوگرد با نماد $\mathrm{S}$ است. عنصرهای میان این دو عبارت‌اند از:
$\mathrm{Al}\;|\;\mathrm{Si},\mathrm{P}\;|\;\mathrm{S}$
سیلیسیم شبه‌فلز و فسفر نافلز است؛ بنابراین این بازه یک نافلز دارد. جایگاه و ویژگی‌های عنصرهای دورهٔ سوم در کتاب بررسی شده است (شیمی ۲، صفحه‌های ۶ تا ۹).

گزینهٔ ۲: با کنارگذاشتن گازهای نجیب، عنصر دورهٔ سوم که یون تک‌اتمی پایدار تشکیل نمی‌دهد، سیلیسیم با نماد $\mathrm{Si}$ است؛ این عنصر در ترکیب‌های خود معمولاً الکترون به اشتراک می‌گذارد (شیمی ۲، صفحه‌های ۶ تا ۸). نخستین عنصر واسطه نیز اسکاندیم با نماد $\mathrm{Sc}$ است (شیمی ۲، صفحهٔ ۱۶).
عنصرهای میان آن‌ها عبارت‌اند از:
$\mathrm{Si}\;|\;\mathrm{P},\mathrm{S},\mathrm{Cl},\mathrm{Ar},\mathrm{K},\mathrm{Ca}\;|\;\mathrm{Sc}$
آرگون گاز نجیب است و شمرده نمی‌شود؛ پتاسیم و کلسیم نیز فلزند. در نتیجه، فسفر، گوگرد و کلر، سه نافلز این بازه‌اند.

گزینهٔ ۳: قوی‌ترین نافلز دورهٔ سوم، کلر با نماد $\mathrm{Cl}$ است. فلز واسطهٔ دورهٔ چهارم که دو زیرلایهٔ نیمه‌پر دارد، کروم است:
$\mathrm{Cr}:[\mathrm{Ar}]\,3d^5\,4s^1$
در این آرایش، هر دو زیرلایهٔ $3d$ و $4s$ نیمه‌پرند؛ آرایش کروم در مبحث عنصرهای دستهٔ $d$ بررسی می‌شود (شیمی ۲، صفحه‌های ۱۵ تا ۱۶).
عنصرهای میان کلر و کروم عبارت‌اند از:
$\mathrm{Cl}\;|\;\mathrm{Ar},\mathrm{K},\mathrm{Ca},\mathrm{Sc},\mathrm{Ti},\mathrm{V}\;|\;\mathrm{Cr}$
با حذف آرگون، همهٔ عنصرهای باقی‌مانده فلزند؛ پس این بازه هیچ نافلزی ندارد.

گزینهٔ ۴: تنها نافلز گروه $14$، کربن با نماد $\mathrm{C}$ است؛ سیلیسیم و ژرمانیم شبه‌فلزند (شیمی ۲، صفحه‌های ۶ تا ۸). هالوژنی که حتی در دمای $-200^{\circ}\mathrm{C}$ با هیدروژن واکنش می‌دهد، فلوئور با نماد $\mathrm{F}$ است.
عنصرهای میان آن‌ها عبارت‌اند از:
$\mathrm{C}\;|\;\mathrm{N},\mathrm{O}\;|\;\mathrm{F}$
بنابراین این بازه دو نافلز، یعنی نیتروژن و اکسیژن، دارد.

جمع‌بندی: تعداد نافلزهای میان دو عنصر در گزینه‌های اول تا چهارم، به‌ترتیب برابر است با:
$1,\;3,\;0,\;2$
پس بازهٔ سیلیسیم تا اسکاندیم بیشترین تعداد نافلز را در بر دارد.

پاسخ: گزینهٔ ۲

۱. شناسایی عنصرها
در آرایش الکترون‌ـ‌نقطه‌ای، الکترون‌های ظرفیت ابتدا به‌صورت تک‌تک در چهار سمت نماد عنصر قرار می‌گیرند و سپس جفت می‌شوند. بنابراین، در عنصرهای دورهٔ دوم:
ـ یک جفت‌الکترون همراه با سه الکترون تک، یعنی پنج الکترون ظرفیت: $A=\mathrm{N}$.
ـ دو جفت‌الکترون همراه با دو الکترون تک، یعنی شش الکترون ظرفیت: $X=\mathrm{O}$.
ـ سه جفت‌الکترون همراه با یک الکترون تک، یعنی هفت الکترون ظرفیت: $D=\mathrm{F}$.
توجه کنید که شمار جفت‌ها در اینجا مربوط به نماد الکترون‌ـ‌نقطه‌ای است، نه شمار جفت‌الکترون‌های آرایش زیرلایه‌ای اتم.

۲. بررسی ترکیب‌های مورد نظر در گزینهٔ سوم
نیتروژن با فلوئور، ترکیب $\mathrm{NF_3}$ و اکسیژن با فلوئور، ترکیب $\mathrm{OF_2}$ را تشکیل می‌دهد.
در $\mathrm{NF_3}$، اتم مرکزی نیتروژن سه پیوند و یک جفت‌الکترون ناپیوندی دارد؛ بنابراین مولکول هرمی است. پیوندهای نیتروژن‌ـ‌فلوئور قطبی‌اند و اثر قطبی آن‌ها در این شکل یکدیگر را خنثی نمی‌کند؛ پس مولکول قطبی است.
در $\mathrm{OF_2}$، اتم مرکزی اکسیژن دو پیوند و دو جفت‌الکترون ناپیوندی دارد؛ بنابراین مولکول خمیده است. اثر قطبی پیوندهای اکسیژن‌ـ‌فلوئور نیز خنثی نمی‌شود و این مولکول هم قطبی است.
مولکول‌های قطبی در میدان الکتریکی جهت‌گیری می‌کنند؛ در نتیجه، حکم گزینهٔ سوم دربارهٔ هر دو ترکیب درست است.

۳. بررسی گزینه‌های دیگر
گزینهٔ اول: مولکول نیتروژن به‌علت پیوند سه‌گانهٔ محکم، پایداری زیاد و واکنش‌پذیری کمی دارد. اکسیژن از نیتروژن واکنش‌پذیرتر و از فلوئور کم‌واکنش‌پذیرتر است؛ پس مقایسه‌های این گزینه درست نیستند.
گزینهٔ دوم: در دورهٔ دوم، شعاع اتمی از نیتروژن به فلوئور کاهش می‌یابد؛ پس بخش اول درست است. اما خصلت نافلزی در یک دوره از چپ به راست افزایش می‌یابد؛ بنابراین فلوئور خصلت نافلزی بیشتری از اکسیژن دارد و بخش دوم نادرست است (شیمی ۲، صفحهٔ ۹).
گزینهٔ چهارم: ترکیب فلوئور با هیدروژن، $\mathrm{HF}$، و ترکیب اکسیژن با هیدروژن، $\mathrm{H_2O}$ است. هر دو ماده پیوند هیدروژنی بین‌مولکولی دارند، اما آب شبکهٔ گسترده‌تری از این پیوندها تشکیل می‌دهد؛ ازاین‌رو نقطهٔ جوش آب از هیدروژن فلوئورید بالاتر است، نه برعکس.

پاسخ: گزینهٔ ۳

برای بررسی گزینه‌ها باید میان «واکنش‌پذیری رادیکال‌ها»، «ساختار مواد» و «سازوکار نگهدارندگی» تفاوت بگذاریم.

۱. رادیکال‌ها گونه‌هایی دارای الکترون جفت‌نشده‌اند؛ به همین دلیل، ناپایدار و بسیار واکنش‌پذیرند. در بدن نیز رادیکال تولید می‌شود و اگر بازدارنده‌ها آن‌ها را به دام نیندازند، واکنش‌های سریع آن‌ها می‌تواند به بافت‌ها آسیب برساند. بنابراین گزارهٔ گزینهٔ ۱ درست است (شیمی ۲، صفحهٔ ۹۰–۹۱).

۲. لیکوپن موجود در هندوانه و گوجه‌فرنگی فعالیت رادیکال‌ها را کاهش می‌دهد؛ اما در ساختار آن چندین پیوند دوگانهٔ کربن–کربن وجود دارد. پس لیکوپن هیدروکربنی سیرنشده است و واژهٔ «سیرشده» گزینهٔ ۲ را نادرست می‌کند (شیمی ۲، صفحهٔ ۹۰–۹۱).

۳. در گزینهٔ ۳، نقش بازدارندگی لیکوپن و وجود بیش از یک پیوند دوگانه در آن درست است؛ ولی کلسترول فقط یک پیوند دوگانهٔ کربن–کربن دارد. بنابراین این دو ماده از نظر داشتن بیش از یک پیوند دوگانه مشابه نیستند.

۴. بنزوئیک اسید نگهدارنده‌ای است که با مهار رشد میکروب‌ها به جلوگیری از فساد مواد غذایی کمک می‌کند. نسبت‌دادن سازوکار جذب رادیکال‌ها به آن نادرست است؛ در متن کتاب، به‌دام‌اندازی رادیکال‌ها برای توضیح نقش بازدارنده‌های خوراکی مانند لیکوپن مطرح شده است (شیمی ۲، صفحهٔ ۹۰–۹۱).

پاسخ: گزینهٔ ۱

نکتهٔ مهم: عبارت «تغییر شمار مول‌های فراورده» در این سؤال ابهام دارد. برای سازگاری با کلید داده‌شده، باید آن را «مقدار افزایش مول‌های فراورده در بازه‌های زمانی مساوی» تفسیر کنیم، نه «شمار کل مول‌های فراورده».

۱. سرعت مصرف واکنش‌دهنده، مقدار مصرف آن در واحد زمان است و به‌صورت $\bar{R}_X=-\frac{\Delta n_X}{\Delta t}$ بیان می‌شود. علامت منفی باعث می‌شود سرعت مصرف، با وجود کاهش مقدار واکنش‌دهنده، مثبت گزارش شود (شیمی ۲، صفحات ۸۹–۹۰).

۲. در روند معمول مطرح‌شده در مثال‌های کتاب، با پیشرفت واکنش سرعت مصرف واکنش‌دهنده کمتر می‌شود؛ بنابراین در بازه‌های زمانی مساوی، مقدار کمتری از آن مصرف می‌شود. جدول واکنش کلسیم کربنات با هیدروکلریک اسید نیز کاهش تدریجی آهنگ تولید فراورده را نشان می‌دهد (شیمی ۲، صفحات ۸۷–۸۸).

۳. مطابق معادلهٔ $\mathrm{X\rightarrow 2D}$، رابطهٔ مقدار مصرف و تولید در هر بازه چنین است: $\Delta n_D=2(-\Delta n_X)$. همچنین $\bar{R}_D=2\bar{R}_X$؛ زیرا سرعت تولید یا مصرف مواد با ضرایب استوکیومتری آن‌ها متناسب است (شیمی ۲، صفحات ۹۲–۹۳). پس وقتی مقدار مصرف واکنش‌دهنده در بازه‌های مساوی کمتر شود، مقدار افزایش مول‌های فراورده در همان بازه‌ها نیز کمتر می‌شود.

بنابراین، با تفسیر موردنظر کلید، هر دو روند کاهشی‌اند. توجه کن که شمار کل مول‌های فراورده در جریان واکنش افزایش می‌یابد؛ اگر سؤال همین کمیت را می‌خواست، گزینهٔ ۲ درست بود. همچنین کاهش سرعت، از معادلهٔ شیمیایی به‌تنهایی نتیجه نمی‌شود و در اینجا روند معمول مثال‌های کتاب مبناست.

پاسخ: گزینهٔ ۴

۱. رابطهٔ کاهش مول کل با مول مصرفی کربن مونوکسید

معادلهٔ واکنش چنین است:
$\mathrm{CO(g)+2H_2(g)\rightarrow CH_3OH(g)}$

اگر $x$ مول کربن مونوکسید مصرف شود، مطابق ضرایب واکنش، $2x$ مول هیدروژن مصرف و $x$ مول متانول تولید می‌شود. استفاده از ضرایب معادله برای تعیین نسبت مقدار مصرف و تولید مواد، مبنای ارتباط سرعت‌های آن‌ها نیز هست (شیمی ۲، صفحهٔ ۹۲–۹۳).

بنابراین تغییر مول کل گازهای ظرف برابر است با:
$\Delta n_{\text{کل}}=-x-2x+x=-2x$

ظرف دربسته است؛ پس کاهش مول کل ناشی از خروج گاز نیست، بلکه از تبدیل سه مول گاز واکنش‌دهنده به یک مول گاز فراورده ناشی می‌شود. با کاهش $0.08\,\mathrm{mol}$ داریم:
$2x=0.08\quad\Rightarrow\quad x=0.04\,\mathrm{mol}$

۲. محاسبهٔ جرم کربن مونوکسید مصرفی

جرم مولی کربن مونوکسید برابر است با:
$M(\mathrm{CO})=12+16=28\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

پس:
$m(\mathrm{CO})=nM=0.04\times28=1.12\,\mathrm{g}$

۳. محاسبهٔ حجم ظرف از سرعت واکنش

سرعت واکنش از تقسیم سرعت مصرف یا تولید هر ماده بر ضریب استوکیومتری آن به دست می‌آید. چون ضریب $\mathrm{CO}$ یک است، سرعت واکنش با سرعت مصرف غلظتی آن برابر خواهد بود (شیمی ۲، صفحهٔ ۹۲–۹۳):
$R=\frac{n_{\text{مصرفی}}(\mathrm{CO})}{V\Delta t}$

واحد زمان باید با واحد سرعت هماهنگ باشد؛ بنابراین:
$\Delta t=20\,\mathrm{s}=\frac{20}{60}\,\mathrm{min}=\frac{1}{3}\,\mathrm{min}$

اکنون با جای‌گذاری داده‌ها:
$V=\frac{0.04}{0.024\times\frac{1}{3}}=5\,\mathrm{L}$

پس حجم ظرف $5\,\mathrm{L}$ و جرم کربن مونوکسید مصرفی $1.12\,\mathrm{g}$ است.

پاسخ: گزینهٔ ۳

برای پاسخ، هر عبارت را جداگانه بررسی می‌کنیم.

الف ـ نادرست است. مو و ناخن از پروتئین کراتین ساخته شده‌اند؛ پروتئین‌ها به‌دلیل داشتن پیوندهای آمیدی، پلی‌آمیدهای طبیعی به شمار می‌روند. اما از ماندگاری زیاد آن‌ها نمی‌توان زیست‌تخریب‌ناپذیری را نتیجه گرفت. این مواد قابلیت تجزیۀ زیستی دارند، هرچند این فرایند می‌تواند کند باشد. کتاب نیز تأکید می‌کند که آبکافت پلی‌آمیدها معمولاً کند است؛ پس باید میان «کند تجزیه شدن» و «تجزیه‌ناپذیر بودن» تفاوت گذاشت (شیمی ۲، صفحهٔ ۱۲۰).

ب ـ نادرست است. ساختگی بودن یک پلیمر به معنای کربنی بودن تمام اتم‌های زنجیر آن نیست. برای مثال، پلی‌لاکتیک اسید یک پلیمر ساختگی است که واحد تکرارشوندۀ آن به‌صورت $\mathrm{[-O-CH(CH_3)-C(=O)-]}$ نمایش داده می‌شود؛ بنابراین در مسیر زنجیر اصلی آن، اکسیژن نیز وجود دارد (شیمی ۲، صفحه‌های ۱۲۰–۱۲۱). حتی پلیمرهای دارای زنجیر اصلی کربنی نیز لزوماً فقط از عنصر کربن ساخته نشده‌اند؛ برای نمونه، پلی‌اتن دارای کربن و هیدروژن است (شیمی ۲، صفحه‌های ۱۰۴–۱۰۵).

ج ـ درست است. نشاسته یک پلیمر طبیعی و زیست‌تخریب‌پذیر است. مونومر سازندۀ آن گلوکز است که در ساختار مورد بحث کتاب، به‌شکل حلقوی نشان داده می‌شود. در محیط گرم و مرطوب و با فعالیت عوامل زیستی، پیوندهای میان واحدهای سازندۀ نشاسته آبکافت می‌شوند و در نهایت گلوکز به دست می‌آید. این ویژگی با تعریف زیست‌تخریب‌پذیری، یعنی تبدیل مواد به مواد ساده‌تر به کمک باکتری‌ها، سازگار است (شیمی ۲، واژه‌نامه، صفحه‌های ۱۲۴–۱۲۶، مدخل «زیست‌تخریب‌پذیر»).

د ـ درست است. مونومر پلی‌وینیل کلرید، وینیل کلرید با ساختار $\mathrm{CH_2=CHCl}$ است. در بسپارش افزایشی، پیوند دوگانه به پیوند یگانه تبدیل می‌شود و مونومرها به یکدیگر متصل می‌شوند؛ بدون آنکه مولکول کوچکی از آن‌ها جدا شود. این همان الگوی اتصال مونومرهای دارای پیوند دوگانه است که کتاب برای پلی‌اتن توضیح می‌دهد (شیمی ۲، صفحه‌های ۱۰۴–۱۰۵):

$\displaystyle n\,\mathrm{CH_2=CHCl}\longrightarrow\left[-\mathrm{CH_2-CHCl}-\right]_n$

فرمول مولکولی مونومر $\mathrm{C_2H_3Cl}$ است و ترکیب اتمی واحد تکرارشونده نیز $\mathrm{C_2H_3Cl}$ است. بنابراین نوع و تعداد اتم‌های آن‌ها یکسان، ولی نحوۀ پیوند وینیل کلرید آزاد با واحد قرارگرفته در زنجیر متفاوت است. توجه کنیم که این مقایسه مربوط به یک واحد تکرارشونده است، نه کل مولکول پلیمر.

پس عبارت‌های «ج» و «د» درست‌اند.

پاسخ: گزینهٔ ۴

ابتدا مقدار عملی فراورده‌ها و سپس اختلاف جرم آن‌ها را حساب می‌کنیم.

گام اول: اعمال بازده واکنش
طبق تعریف کتاب، بازده درصدی از نسبت مقدار عملی به مقدار نظری به دست می‌آید (شیمی ۲، صفحه‌های ۲۳ و ۲۴):
$\text{بازده درصدی}=\dfrac{\text{مقدار عملی}}{\text{مقدار نظری}}\times100$

اتانوئیک اسید به مقدار کافی وجود دارد و در معادلهٔ داده‌شده، هر مول آمین، یک مول فراوردهٔ آلی و یک مول آب تولید می‌کند. بنابراین مقدار نظری هر فراورده برابر $0.2\,\mathrm{mol}$ و مقدار عملی آن برابر است با:
$\nu_{\text{آلی}}=\nu_{\text{آب}}=0.2\times\dfrac{60}{100}=0.12\,\mathrm{mol}$

گام دوم: محاسبهٔ جرم مولی فراوردهٔ آلی
فرمول فراوردهٔ آلی، $\mathrm{CH_3(CH_2)_nNHCOCH_3}$، شامل $n+3$ اتم کربن، $2n+7$ اتم هیدروژن، یک اتم نیتروژن و یک اتم اکسیژن است؛ پس:
$M_{\text{آلی}}=12(n+3)+(2n+7)+14+16=(14n+73)\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

جرم مولی آب نیز برابر است با:
$M_{\text{آب}}=2(1)+16=18\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

گام سوم: استفاده از اختلاف جرم دو فراورده
چون مقدار مولی دو فراورده برابر است، اختلاف جرم آن‌ها از حاصل‌ضرب مقدار مولی مشترک در اختلاف جرم مولی به دست می‌آید:
$m_{\text{آلی}}-m_{\text{آب}}=0.12\bigl[(14n+73)-18\bigr]=6.6$

بنابراین:
$0.12(14n+55)=6.6$
$14n+55=55\quad\Rightarrow\quad n=0$

در این حالت جرم مولی فراوردهٔ آلی برابر $73\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$ است و اختلاف جرم نیز برابر $0.12(73-18)=6.6\,\mathrm{g}$ می‌شود؛ پس دادهٔ سؤال تأیید می‌شود.

پاسخ: گزینهٔ ۱

۱. شناسایی پاک‌کننده: روش بیان‌شده در سؤال، یعنی جوشاندن پیه گوسفند و سود سوزآور در دیگ‌های بزرگ، مربوط به تهیهٔ «صابون سنتی مراغه» است. این صابون طبق کتاب افزودنی شیمیایی ندارد (شیمی ۳، صفحه‌های ۱۱–۱۲).

۲. بررسی سازوکار پاک‌کنندگی: صابون دارای بخش آب‌دوست و بخش آب‌گریز است؛ بخش آب‌گریز با چربی برهم‌کنش می‌کند و بخش آب‌دوست با آب برهم‌کنش دارد. به این ترتیب، جداشدن و پراکنده‌شدن آلودگی چرب در آب آسان می‌شود. این شیوهٔ پاک‌کنندگی بر پایهٔ برهم‌کنش میان ذره‌هاست، نه واکنش شیمیایی با آلاینده (شیمی ۳، صفحه‌های ۱۰–۱۲).

۳. مقایسه با پاک‌کننده‌های خورنده: پاک‌کننده‌های خورنده، افزون بر برهم‌کنش‌های ذره‌ای، با آلاینده واکنش شیمیایی می‌دهند و آن را به موادی تبدیل می‌کنند که قابل شست‌وشو باشند. بنابراین صابون مورد سؤال، برخلاف این پاک‌کننده‌ها، برای زدودن آلودگی بر برهم‌کنش با آن تکیه دارد (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۲). دقت کنید که سود سوزآور از مواد اولیهٔ تهیهٔ این صابون است؛ نباید ویژگی‌های مادهٔ اولیه را مستقیماً به محصول نسبت داد.

۴. رد ویژگی‌های دیگر: گوگرد و مواد شیمیایی کلردار، به برخی صابون‌های دارای خواص ویژه افزوده می‌شوند، درحالی‌که صابون سنتیِ توصیف‌شده افزودنی ندارد. همچنین کتاب، تهیه از مواد پتروشیمی را در معرفی پاک‌کننده‌های غیرصابونی مطرح کرده است، نه این صابون سنتی (شیمی ۳، صفحه‌های ۱۰–۱۲).

پاسخ: گزینهٔ ۲

۱. محاسبهٔ غلظت یون هیدروژن در اسید ضعیف

اسید ضعیف فقط تا حدی یونیده می‌شود؛ بنابراین غلظت یون هیدروژن آن با غلظت اولیهٔ اسید برابر نیست (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۸–۱۹). برای تعادل یونش داریم:

$\mathrm{HA\rightleftharpoons H^++A^-}$

اگر غلظت یون هیدروژن را $x$ بگیریم، بر اساس رابطهٔ ثابت یونش اسید خواهیم داشت (شیمی ۳، صفحهٔ ۲۳–۲۴):

$K_a=\dfrac{x^2}{C-x}$

با فرض $x\ll C$:

$x\approx\sqrt{K_aC}=\sqrt{10^{-5}\times0.1}=10^{-3}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$

این تقریب مناسب است؛ زیرا نسبت مقدار یونیده‌شده به غلظت اولیه فقط $\dfrac{10^{-3}}{0.1}=0.01$ است.

۲. تعیین اسیدیتهٔ دو محلول

طبق تعریف کتاب، $\mathrm{pH}=-\log[\mathrm{H^+}]$ است (شیمی ۳، صفحهٔ ۲۴–۲۵). پس:

$\mathrm{pH}_{\mathrm{HA}}\approx-\log10^{-3}=3$

شرط سؤال می‌گوید:

$\mathrm{pH}_{\mathrm{HA}}\approx2\mathrm{pH}_{\mathrm{HNO_3}}$

بنابراین:

$\mathrm{pH}_{\mathrm{HNO_3}}\approx\dfrac{3}{2}=1.5$

دقت کنید که نصف شدن اسیدیتهٔ لگاریتمی به معنای دو برابر شدن غلظت یون هیدروژن نیست.

۳. محاسبهٔ غلظت نیتریک اسید

نیتریک اسید، اسیدی قوی و تک‌پروتونی است؛ بنابراین غلظت یون هیدروژن آن تقریباً با غلظت خود اسید برابر است (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۸–۱۹ و ۲۳–۲۴):

$C_{\mathrm{HNO_3}}\approx[\mathrm{H^+}]=10^{-1.5}\approx3\times10^{-2}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$

در اینجا از تقریب $10^{0.5}\approx3$ استفاده کرده‌ایم که با مقدار کتابی $\log3\approx0.48$ سازگار است (شیمی ۳، صفحهٔ ۲۴–۲۵).

۴. تبدیل غلظت به جرم

جرم مولی نیتریک اسید برابر است با:

$M_{\mathrm{HNO_3}}=1+14+3\times16=63\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$

برای حجم $2\ \mathrm{L}$:

$n=CV\approx0.03\times2=0.06\ \mathrm{mol}$

$m=nM\approx0.06\times63=3.78\ \mathrm{g}$

نکتهٔ تقریبی: اگر $10^{-1.5}$ را دقیق‌تر حساب کنیم، جرم حدود $3.98\ \mathrm{g}$ می‌شود؛ بنابراین مقدار گزینهٔ اول حاصل تقریب متداول بالا و نزدیک‌ترین گزینه به مقدار دقیق‌تر است.

پاسخ: گزینهٔ ۱

۱. معنای ثابت داده‌شده را مشخص می‌کنیم.
ثابت موردنظر برای این دو باز، ثابت یونش بازی، $K_\mathrm{b}$، است. در دمای معین، هرچه این ثابت بزرگ‌تر باشد، باز قوی‌تر است؛ یعنی تعادل یونش آن از نظر کیفی بیشتر به سمت تشکیل یون‌ها تمایل دارد (شیمی ۳، صفحهٔ ۲۸–۲۹).

۲. تعادل یونش را می‌نویسیم.
مطابق الگوی کتاب برای بازهای ضعیف، برای یکی از بازها داریم:
$\mathrm{DOH(aq)\rightleftharpoons D^+(aq)+OH^-(aq)}$
$K_\mathrm{b}=\dfrac{[\mathrm{D^+}][\mathrm{OH^-}]}{[\mathrm{DOH}]}$
برای باز دیگر نیز رابطه‌ای مشابه برقرار است. کتاب نیز محلول باز ضعیف را سامانه‌ای تعادلی شامل مولکول‌های یونیده‌نشده و یون‌های حاصل از یونش معرفی می‌کند (شیمی ۳، صفحهٔ ۲۹–۳۰).

۳. اطلاعاتی را که نداریم بررسی می‌کنیم.
اگر غلظت اولیهٔ باز را $C$ و غلظت مقدار یونیده‌شده را $x$ بگیریم، با صرف‌نظر از سهم یونش آب داریم:
$K_\mathrm{b}=\dfrac{x^2}{C-x}$
پس برای تعیین غلظت یون هیدروکسید و غلظت تعادلی باز، دانستن $K_\mathrm{b}$ به‌تنهایی کافی نیست و به $C$ نیز نیاز داریم. در نتیجه، چون غلظت اولیهٔ دو محلول مشخص نشده است، نمی‌توان غلظت تعادلی باز، غلظت یون هیدرونیوم یا $\mathrm{pH}$ آن‌ها را به‌طور قطعی مقایسه کرد.

۴. مقایسهٔ ممکن را نتیجه می‌گیریم.
ثابت تعادل نشان‌دهندهٔ میزان تمایل واکنش به تشکیل فراورده‌هاست. بنابراین با مقایسهٔ ثابت‌های یونش می‌توان «پیشرفت واکنش» را در معنای کیفیِ موردنظر سؤال مقایسه کرد: ثابت بزرگ‌تر، بیانگر تمایل بیشتر تعادل یونش به سمت فراورده‌هاست. این مفهوم با توضیح کتاب دربارهٔ پیش‌رفتن واکنش برگشت‌پذیر تا رسیدن به تعادل سازگار است (شیمی ۳، صفحهٔ ۲۰–۲۲).
دقت کنید که منظور، مقایسهٔ کیفی بر پایهٔ ثابت تعادل است، نه مقایسهٔ تعداد مول‌های یونیده‌شده در دو محلول با غلظت و حجم نامشخص.

پاسخ: گزینهٔ ۴

۱. تعیین آند و کاتد
پتانسیل کاهشی استاندارد نقره از آلومینیم بیشتر است:
$E^\circ(\mathrm{Ag^+/Ag})=+0.80\,\mathrm{V}>E^\circ(\mathrm{Al^{3+}/Al})=-1.66\,\mathrm{V}$
بنابراین یون نقره در کاتد کاهش می‌یابد و آلومینیم در آند اکسایش پیدا می‌کند (شیمی ۳، صفحهٔ ۴۶–۴۷):
آند: $\mathrm{Al(s)\rightarrow Al^{3+}(aq)+3e^-}$
کاتد: $\mathrm{Ag^+(aq)+e^-\rightarrow Ag(s)}$

۲. بررسی شمار یون‌های کاهش‌یافته
طبق نیم‌واکنش کاتدی، هر یون نقره برای تبدیل‌شدن به اتم نقره، یک الکترون دریافت می‌کند. بنابراین شمار یون‌های نقرهٔ کاهش‌یافته دقیقاً با شمار الکترون‌های مبادله‌شده برابر است؛ پس گزارهٔ چهارم درست است. نیم‌واکنش کاهش نقره نیز در جدول کتاب به همین صورت آمده است (شیمی ۳، صفحهٔ ۴۶–۴۷).

۳. بررسی جهت حرکت آنیون‌ها
الکترون‌ها از آند آلومینیمی، از راه مدار بیرونی، به کاتد نقره‌ای می‌روند. در مقابل، آنیون‌ها برای حفظ خنثی‌بودن الکتریکی محلول‌ها از نیم‌سلول کاتدی به سوی نیم‌سلول آندی مهاجرت می‌کنند؛ پس جهت این دو حرکت همسو نیست و گزارهٔ اول نادرست است (شیمی ۳، صفحهٔ ۴۵–۴۶).

۴. بررسی مقدار کل یون نیترات
یون نیترات در نیم‌واکنش‌های الکترودی تولید یا مصرف نمی‌شود و نقش یون تماشاگر دارد. مهاجرت آن می‌تواند مقدار نیترات هر نیم‌سلول را تغییر دهد، اما مجموع شمار مول‌های آن در دو نیم‌سلول ثابت می‌ماند؛ بنابراین گزارهٔ دوم نادرست است.

۵. بررسی تغییر جرم تیغه‌ها
با هم‌تعدادکردن الکترون‌های دو نیم‌واکنش، واکنش کلی به دست می‌آید:
$\mathrm{Al(s)+3Ag^+(aq)\rightarrow Al^{3+}(aq)+3Ag(s)}$
پس به‌ازای مصرف $1\,\mathrm{mol}$ آلومینیم، $3\,\mathrm{mol}$ نقره رسوب می‌کند. مطابق توضیح کتاب، جرم تیغهٔ آند کم و جرم تیغهٔ کاتد زیاد می‌شود (شیمی ۳، صفحهٔ ۴۴–۴۶). نسبت مقدار افزایش جرم نقره به مقدار کاهش جرم آلومینیم برابر است با:
$\dfrac{\Delta m_{\mathrm{Ag}}}{|\Delta m_{\mathrm{Al}}|}=\dfrac{3\times108}{1\times27}=12$
بنابراین افزایش جرم نقره دوازده برابر کاهش جرم آلومینیم است، نه چهار برابر؛ پس گزارهٔ سوم نیز نادرست است.

پاسخ: گزینهٔ ۴

۱. فلز اکسایش‌یافته را مشخص می‌کنیم.
در آهن گالوانیزه، پس از ایجاد خراش، روی اکسایش می‌یابد و از آهن محافظت می‌کند؛ اما در حلبی، آهن اکسایش می‌یابد و قلع محافظت می‌شود (شیمی ۳، صفحهٔ ۵۹). همچنین کاهنده، گونه‌ای است که با از دست دادن الکترون اکسایش می‌یابد؛ بنابراین فلز کاهنده در این دو فرایند، به‌ترتیب روی و آهن است (شیمی ۳، صفحه‌های ۴۰–۴۱).

۲. نسبت‌های مولی خوردگی را به دست می‌آوریم.
طبق فرض سؤال، هر دو فلز یون با بار $2+$ تشکیل می‌دهند:
$\mathrm{Zn\rightarrow Zn^{2+}+2e^-}$
$\mathrm{Fe\rightarrow Fe^{2+}+2e^-}$
نیم‌واکنش کاهش اکسیژن در محیط مرطوب نیز چنین است (شیمی ۳، صفحهٔ ۵۷):
$\mathrm{O_2+2H_2O+4e^-\rightarrow4OH^-}$
پس به‌ازای اکسایش هر مول فلز، دو مول الکترون مبادله می‌شود، دو مول یون هیدروکسید تشکیل می‌شود و نیم مول اکسیژن مصرف می‌شود. بنابراین:
$n(e^-)=n(\mathrm{OH^-})=2n(\text{فلز})$
$n(\mathrm{O_2})=\frac{1}{2}n(\text{فلز})$

۳. برای جرم برابر فلز خورده‌شده، کمیت‌ها را مقایسه می‌کنیم.
قدر مطلق کاهش جرم هر فلز را $m$ گرم در نظر می‌گیریم. با جرم‌های مولی داده‌شده داریم:
$n(\mathrm{Fe})=\frac{m}{56}\,\mathrm{mol}$
$n(\mathrm{Zn})=\frac{m}{65}\,\mathrm{mol}$
چون $56<65$، مول آهن اکسایش‌یافته در حلبی بیشتر است. در نتیجه، شمار مول‌های الکترون مبادله‌شده، شمار مول‌های یون هیدروکسید تشکیل‌شده و جرم اکسیژن مصرفی، همگی در خوردگی حلبی بیشترند؛ پس گزینه‌های ۲، ۳ و ۴ پاسخ نیستند.

۴. نسبت مطرح‌شده در گزینهٔ ۱ را محاسبه می‌کنیم.
جرم مولی اکسیژن مولکولی برابر $32\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$ است. بنابراین، به‌ازای خوردگی یک مول فلز، جرم اکسیژن مصرفی برابر است با:
$m(\mathrm{O_2})=\frac{1}{2}\times32=16\,\mathrm{g}$
پس نسبت قدر مطلق تغییر جرم فلز کاهنده به جرم اکسیژن مصرفی در هر فرایند برابر است با:
$R_{\text{گالوانیزه}}=\frac{65}{16}$
$R_{\text{حلبی}}=\frac{56}{16}$
در نتیجه $R_{\text{حلبی}}<R_{\text{گالوانیزه}}$ و تنها نسبتِ بیان‌شده در گزینهٔ ۱ در خوردگی حلبی کمتر است.

پاسخ: گزینهٔ ۱

برای یافتن ویژگی مشترک، باید «نوع پیوند» را از «آرایش فضایی ذره‌ها» جدا کنیم.

۱. ساختار سیلیس: سیلیس با فرمول $\mathrm{SiO_2}$ یک جامد کووالانسی است؛ اتم‌های سیلیسیم و اکسیژن در شبکه‌ای منظم و سه‌بعدی با پیوندهای اشتراکی به هم متصل‌اند. در این ساختار، مولکول‌های مجزای $\mathrm{SiO_2}$ وجود ندارند (شیمی ۳، صفحهٔ ۷۰ و صفحه‌های ۷۳–۷۴).

۲. ساختار یخ: یخ جامدی مولکولی است. درون هر مولکول $\mathrm{H_2O}$، پیوندهای اکسیژن–هیدروژن اشتراکی‌اند؛ اما مولکول‌ها با پیوندهای هیدروژنی کنار هم نگه داشته می‌شوند. همین مولکول‌ها در یخ آرایشی منظم و سه‌بعدی دارند (شیمی ۳، صفحه‌های ۷۳–۷۴).

۳. مقایسهٔ گزینه‌ها: شمار مولکول‌ها در یک مول، ویژگی مشترک این دو نیست، زیرا سیلیس مولکول مجزا ندارد. همچنین حلقه‌های شش‌گوشهٔ یخ مسطح نیستند و اتصال سراسر شبکه با پیوند اشتراکی نیز فقط دربارهٔ سیلیس صدق می‌کند، نه یخ.

پس با وجود تفاوت در ذره‌های سازنده و نوع اتصال آن‌ها، هر دو دارای شبکهٔ سه‌بعدی منظم‌اند.

پاسخ: گزینهٔ ۳

۱. آنتالپی فروپاشی شبکه، گرمای لازم در فشار ثابت برای تبدیل یک مول جامد یونی به یون‌های گازیِ جدا از هم است؛ بنابراین این فرایند گرماگیر است (شیمی ۳، صفحهٔ ۸۱–۸۳).

۲. معادلهٔ فروپاشی شبکهٔ منیزیم اکسید را می‌نویسیم:
$\mathrm{MgO(s)\rightarrow Mg^{2+}(g)+O^{2-}(g)}$
$\Delta H=+3700\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}$
طبق معادله، از فروپاشی $1\ \mathrm{mol}$ جامد، در مجموع $2\ \mathrm{mol}$ یون گازی تشکیل می‌شود. پس نباید مقدار کل فراورده‌های گازی را مستقیماً در آنتالپی مولی ضرب کنیم.

۳. مقدار جامد لازم برای تولید $0.12\ \mathrm{mol}$ فراوردهٔ گازی برابر است با:
$n(\mathrm{MgO})=\frac{0.12}{2}=0.06\ \mathrm{mol}$

۴. گرمای موردنیاز را محاسبه می‌کنیم:
$q=n\Delta H=(0.06\ \mathrm{mol})(3700\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}})=222\ \mathrm{kJ}$
این گرما باید به شبکه داده شود تا یون‌ها از یکدیگر جدا شوند.

پاسخ: گزینهٔ ۳

برای بررسی گزینه‌ها، باید اثر «فشار»، «دما» و «کاتالیزگر» را از یکدیگر جدا کنیم.

۱. اثر افزایش فشار
تعادل تولید آمونیاک به صورت زیر است:
$\mathrm{N_2(g)+3H_2(g)\rightleftharpoons 2NH_3(g)}$
در سمت واکنش‌دهنده‌ها مجموع ضرایب گازی برابر $1+3=4$ و در سمت فراورده برابر $2$ است. افزایش فشار از راه کاهش حجم، در دمای ثابت، تعادل را به سمت تعداد مول گازی کمتر، یعنی به سمت تولید آمونیاک، جابه‌جا می‌کند. در نتیجه، آمونیاک تولید و نیتروژن و هیدروژن مصرف می‌شوند (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۰۶ و ۱۰۷).
در مخلوط فرایند هابر، این تغییر باعث افزایش درصد مولی آمونیاک و کاهش درصد مولی دو واکنش‌دهنده می‌شود. نمودار کتاب نیز افزایش درصد مولی آمونیاک با افزایش فشار در دمای ثابت را تأیید می‌کند؛ بنابراین گزینهٔ ۲ درست است (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۰۹–۱۱۰).

۲. اثر افزایش دما
واکنش تولید آمونیاک گرماده است؛ بنابراین افزایش دما تعادل را در جهت برگشت جابه‌جا می‌کند و درصد مولی آمونیاک را کاهش می‌دهد. پس افزایش سرعت واکنش در دمای بالاتر، به معنای افزایش مقدار تعادلی آمونیاک نیست و گزینهٔ ۱ نادرست است (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۰۸–۱۰۹).

۳. اثر کاتالیزگر
کاتالیزگر با کاهش انرژی فعال‌سازی، سرعت واکنش‌های رفت و برگشت را افزایش می‌دهد و رسیدن به تعادل را سریع‌تر می‌کند؛ اما جایگاه تعادل و ترکیب مخلوط تعادلی را تغییر نمی‌دهد. در فرایند هابر، کاتالیزگر امکان انجام واکنش با سرعت مناسب در دمای پایین‌تر را فراهم می‌کند، نه اینکه خودش تعادل را جابه‌جا کند. پس گزینهٔ ۳ نیز نادرست است (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۰۸–۱۰۹).

۴. جداسازی آمونیاک
نقطهٔ جوش آمونیاک، نیتروژن و هیدروژن به‌ترتیب $-33\,^\circ\mathrm{C}$، $-196\,^\circ\mathrm{C}$ و $-253\,^\circ\mathrm{C}$ است. پس نقطهٔ جوش آمونیاک بالاتر از دو گاز دیگر است، نه پایین‌تر؛ به همین دلیل با سردکردن مخلوط می‌توان آمونیاک را مایع و جدا کرد، درحالی‌که نیتروژن و هیدروژن همچنان گازی باشند. بنابراین گزینهٔ ۴ نادرست است (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۰۹–۱۱۰).

پاسخ: گزینهٔ ۲

نکتهٔ خواندن داده‌ها: مقدار ثابت تعادل در صورت سؤال با ممیز فارسی نوشته شده است؛ یعنی $K=12.5$، نه کسر دوازده‌پنجم.

گام اول: نوشتن مقدارهای تعادلی
مول اولیهٔ هر یک از دو واکنش‌دهنده را $a$ و مول اکسیژن مصرف‌شده تا رسیدن به تعادل را $x$ می‌گیریم. با توجه به واکنش
$2\mathrm{SO_2}+\mathrm{O_2}\rightleftharpoons2\mathrm{SO_3}$
داریم:

$n_{\mathrm{SO_2}}=a-2x$

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

$n_{\mathrm{SO_3}}=2x$

بنابراین مجموع مول‌های گازی در تعادل برابر است با:

$n_{\mathrm{total}}=(a-2x)+(a-x)+2x=2a-x$

گام دوم: استفاده از درصد حجمی
در یک مخلوط گازی، درصد حجمی هر گاز با درصد مولی آن برابر است. پس:

$\dfrac{a-2x}{2a-x}=0.20$

$a-2x=0.4a-0.2x\quad\Rightarrow\quad0.6a=1.8x\quad\Rightarrow\quad a=3x$

در نتیجه، مول‌های تعادلی گوگرد دی‌اکسید، اکسیژن و گوگرد تری‌اکسید به‌ترتیب برابر $x$، $2x$ و $2x$ هستند.

گام سوم: استفاده از ثابت تعادل
در عبارت ثابت تعادل، غلظت مولی هر ماده با توان ضریب استوکیومتری آن وارد می‌شود؛ نوشتن این عبارت برای تعادل گوگرد دی‌اکسید و گوگرد تری‌اکسید نیز در کتاب مطرح شده است (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۰۷–۱۰۸). بنابراین:

$K=\dfrac{[\mathrm{SO_3}]^2}{[\mathrm{SO_2}]^2[\mathrm{O_2}]}$

با حجم ظرف برابر $5\,\mathrm{L}$:

$12.5=\dfrac{(2x/5)^2}{(x/5)^2(2x/5)}=\dfrac{10}{x}$

پس:

$x=0.8\,\mathrm{mol}$

یعنی تا رسیدن به تعادل، $0.8\,\mathrm{mol}$ اکسیژن مصرف شده است. توجه کنید که حجم در این عبارت کاملاً ساده نمی‌شود؛ زیرا مجموع ضرایب گازی دو طرف واکنش برابر نیست.

گام چهارم: محاسبهٔ گرمای آزادشده
منفی‌بودن آنتالپی نشان می‌دهد واکنشِ رفت گرماده است؛ ارتباط علامت آنتالپی با گرماده یا گرماگیر بودن واکنش در بحث اثر دما بر تعادل بررسی می‌شود (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۰۷–۱۰۸).

مقدار $\Delta H=-340\,\mathrm{kJ}$ مربوط به واکنش طبق ضرایب نوشته‌شده، یعنی مصرف $1\,\mathrm{mol}$ اکسیژن است. بنابراین:

$Q_{\text{آزادشده}}=0.8\,\mathrm{mol}\times340\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}=272\,\mathrm{kJ}$

پاسخ: گزینهٔ 4

برای بررسی گزینه‌ها باید میان جذب و نشر انرژی تمایز بگذاریم و محدودیت چشم در مشاهدهٔ پرتوهای الکترومغناطیسی را در نظر بگیریم.

۱) انتقال به لایهٔ بالاتر، جذب است نه نشر.
وقتی الکترون با جذب انرژی به لایهٔ ششم می‌رود، اتم برانگیخته می‌شود. این انتقال به‌خودی‌خود باعث گسیل نور نمی‌شود؛ گسیل نور هنگام بازگشت الکترون از تراز بالاتر به تراز پایین‌تر رخ می‌دهد. بنابراین نباید مرحلهٔ جذب انرژی را با تشکیل طیف نشری یکی دانست. کتاب نیز طیف نشری را حاصل بررسی نور گسیل‌شده از ماده معرفی می‌کند (شیمی ۱، صفحهٔ ۲۳).

۲) نسبت طول موج‌های داده‌شده بزرگ‌تر از یک است.
برای انتقال‌های مورد مقایسه، انرژی لایهٔ پنجم از لایهٔ چهارم بیشتر است؛ پس با یکسان‌بودن لایهٔ پایانی داریم:
$\Delta E_{5\to2}>\Delta E_{4\to2}$
از رابطهٔ $E=\frac{hc}{\lambda}$ نتیجه می‌شود هرچه انرژی فوتون بیشتر باشد، طول موج آن کوتاه‌تر است؛ این رابطهٔ معکوس در کتاب نیز بیان شده است (شیمی ۱، صفحه‌های ۱۹–۲۰). در نتیجه:
$\lambda_{5\to2}<\lambda_{4\to2}$
پس:
$\frac{\lambda_{4\to2}}{\lambda_{5\to2}}>1$
بنابراین گزینهٔ دوم نادرست است.

۳) تک‌الکترونی‌بودن به معنای یکسان‌بودن طول موج‌ها نیست.
گونه‌های تک‌الکترونی، مانند $\mathrm{H}$ و $\mathrm{He^+}$، بار هستهٔ یکسانی ندارند. تفاوت جاذبهٔ هسته باعث تفاوت انرژی ترازها و اختلاف انرژی انتقال‌های متناظر می‌شود؛ بنابراین طول موج‌های آن‌ها یکسان نیست. این موضوع با اختصاصی‌بودن طیف نشری عناصر نیز سازگار است (شیمی ۱، صفحهٔ ۲۳).

۴) پرتو کنترل تلویزیون را می‌توان با دوربین موبایل آشکار کرد.
کنترل تلویزیون پرتو فروسرخ گسیل می‌کند که خارج از گسترهٔ مرئی است و چشم آن را مستقیماً نمی‌بیند. در آزمایش کتاب، با نگاه‌کردن به چشمی کنترل از طریق دوربین موبایل می‌توان تابش آن را روی نمایشگر مشاهده کرد؛ یعنی دوربین پرتو نامرئی را آشکار می‌کند و نمایشگر نشانه‌ای دیدنی از آن نشان می‌دهد (شیمی ۱، صفحه‌های ۲۰–۲۱). پس عبارت چهارم درست است.

پاسخ: گزینهٔ ۴

۱. شمار پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌های یون را به‌ترتیب با $p$، $n$ و $e$ نشان می‌دهیم. عدد جرمی، مجموع شمار پروتون‌ها و نوترون‌هاست؛ بنابراین برای این ایزوتوپ داریم (شیمی ۱، صفحهٔ ۵):

$p+n=31\quad\Rightarrow\quad n=31-p$

۲. بار $3-$ یعنی یون سه الکترون بیشتر از پروتون‌هایش دارد؛ پس:

$e=p+3$

در تبدیل اتم به یون، شمار پروتون‌ها و نوترون‌ها تغییر نمی‌کند.

۳. چون صورت سؤال فقط «تفاوت» شمار نوترون‌ها و الکترون‌ها را داده، بدون تعیین اینکه کدام بیشتر است، می‌نویسیم:

$|n-e|=2$

با جای‌گذاری روابط بالا:

$|(31-p)-(p+3)|=2\quad\Rightarrow\quad |28-2p|=2$

دو حالت به دست می‌آید:

حالت اول:

$28-2p=2\quad\Rightarrow\quad p=13$

در این حالت، عنصر آلومینیم است؛ اما یون پایدار شناخته‌شدهٔ آن $\mathrm{Al^{3+}}$ است، نه آنیون $\mathrm{Al^{3-}}$. پس این حالت با قید «یون پایدار» سازگار نیست (شیمی ۱، صفحهٔ ۳۷).

حالت دوم:

$28-2p=-2\quad\Rightarrow\quad p=15$

این عنصر فسفر است و یون $\mathrm{P^{3-}}$ در جدول یون‌های شناخته‌شده آمده است؛ بنابراین این حالت پذیرفتنی است (شیمی ۱، صفحهٔ ۳۷).

۴. اکنون شمار نوترون‌ها و اختلاف خواسته‌شده را حساب می‌کنیم:

$n=31-15=16$

$|p-n|=|15-16|=1$

پس تفاوت شمار پروتون‌ها و نوترون‌ها در اتم این عنصر، یک است.

پاسخ: گزینهٔ ۱

ابتدا عنصرهای ممکن را مشخص می‌کنیم و سپس هر عبارت را جداگانه می‌سنجیم.

گام اول: شناسایی عنصرها
یون‌های موردنظر هرکدام $10$ الکترون دارند؛ پس آرایش الکترونی آن‌ها مانند نئون است:
$1s^2\,2s^2\,2p^6$

اتم‌های دورهٔ سوم که با ازدست‌دادن الکترون به این آرایش پایدار می‌رسند، سدیم، منیزیم و آلومینیم هستند:
$\mathrm{X\in\{Na,Mg,Al\}}$
$\mathrm{Na^+,\ Mg^{2+},\ Al^{3+}}$
عدد اتمی آن‌ها به‌ترتیب $11$، $12$ و $13$ است.

اتم‌های دورهٔ دوم که با گرفتن الکترون به همین آرایش می‌رسند، نیتروژن، اکسیژن و فلوئور هستند:
$\mathrm{Y\in\{N,O,F\}}$
$\mathrm{N^{3-},\ O^{2-},\ F^-}$
عدد اتمی آن‌ها به‌ترتیب $7$، $8$ و $9$ است. این شناسایی بر پایهٔ جایگاه عنصرها در جدول و تشکیل یون با آرایش گاز نجیب انجام می‌شود (شیمی ۱، صفحه‌های ۱۲، ۳۴ و ۳۸).

گام دوم: بررسی عبارت «الف» — درست
همهٔ حالت‌های ممکن برای $\mathrm{X}$ فلز و همهٔ حالت‌های ممکن برای $\mathrm{Y}$ نافلز هستند. انتقال الکترون از فلز به نافلز، کاتیون و آنیون ایجاد می‌کند و جاذبهٔ میان آن‌ها پیوند یونی است؛ بنابراین ترکیب حاصل یونی خواهد بود (شیمی ۱، صفحه‌های ۳۸–۳۹).

گام سوم: بررسی عبارت «ب» — درست
عدد کوانتومی فرعی $l=0$ به زیرلایهٔ $s$ مربوط است. چون آرایش الکترونی همهٔ این یون‌ها یکسان است، شمار الکترون‌های زیرلایه‌های $s$ نیز یکسان خواهد بود:
$N_{l=0}=N_{1s}+N_{2s}=2+2=4$
پس هر دو یون، شمار برابری الکترون با $l=0$ دارند. برای این شمارش از آرایش الکترونی و توزیع الکترون‌ها در زیرلایه‌ها استفاده می‌کنیم (شیمی ۱، صفحهٔ ۳۴).