سوالات شیمی کنکور ریاضی ۱۴۰۳ نوبت دوم با پاسخ تشریحی

ابتدا عنصر را شناسایی می‌کنیم و سپس رابطهٔ عددی گزینهٔ دوم را می‌آزماییم.

گام اول: نوشتن آرایش الکترونی و شناسایی عنصر

با توجه به ترتیب پر شدن زیرلایه‌ها، پیش از ورود الکترون به زیرلایهٔ $4p$، زیرلایه‌های $4s$ و $3d$ پر شده‌اند؛ بنابراین آرایش فشردهٔ اتم چنین است (شیمی ۱، صفحهٔ ۳۰–۳۱):

$A:\ [\mathrm{Ar}]\,3d^{10}4s^2 4p^1$

شمار الکترون‌های این اتم برابر است با:

$N_e=18+10+2+1=31$

پس عنصر $A$، گالیم با نماد $\mathrm{Ga}$ است که در دورهٔ چهارم و گروه سیزدهم قرار دارد. لایهٔ بیرونی آن $n=4$ و آرایش این لایه $4s^2 4p^1$ است؛ پس سه الکترون ظرفیت دارد (شیمی ۱، صفحهٔ ۳۲–۳۳).

گام دوم: بررسی گزینهٔ دوم

عنصر قبلی و بعدی گالیم در گروه سیزدهم، به‌ترتیب آلومینیم و ایندیم‌اند:

$\mathrm{Al}: Z=13 \qquad \mathrm{Ga}: Z=31 \qquad \mathrm{In}: Z=49$

در اتم خنثی، شمار الکترون‌ها با عدد اتمی برابر است؛ کتاب نیز چیدمان عنصرها را بر پایهٔ عدد اتمی یا شمار الکترون‌های اتم آن‌ها توضیح می‌دهد (شیمی ۱، صفحهٔ ۲۷–۲۸). بنابراین:

$\dfrac{N_e(\mathrm{Al})+N_e(\mathrm{In})}{2}=\dfrac{13+49}{2}=31=N_e(\mathrm{Ga})$

پس شمار الکترون‌های اتم گالیم دقیقاً نصف مجموع شمار الکترون‌های دو همسایهٔ گروهی آن است و گزینهٔ دوم به یقین درست است.

بررسی سایر گزینه‌ها

• گزینهٔ اول: یون متداول گالیم با از دست دادن سه الکترون بیرونی تشکیل می‌شود:

$\mathrm{Ga^{3+}}:\ [\mathrm{Ar}]\,3d^{10}$

این آرایش با آرایش هر دو یون $\mathrm{Cu^+}$ و $\mathrm{Zn^{2+}}$ یکسان است؛ بنابراین محدود کردن آن به یون پایدار «تنها یکی» از عنصرهای واسطهٔ دورهٔ چهارم نادرست است.

• گزینهٔ سوم: برابر بودن شمار الکترون‌های ظرفیت، برای نتیجه‌گیری دربارهٔ هم‌گروه بودن همهٔ عنصرها کافی نیست. در عنصرهای دستهٔ $d$ دورهٔ چهارم، الکترون‌های زیرلایه‌های $3d$ و $4s$ هر دو در شمار الکترون‌های ظرفیت منظور می‌شوند (شیمی ۱، صفحهٔ ۳۳). برای نمونه:

$\mathrm{Sc}:\ [\mathrm{Ar}]\,3d^1 4s^2$

اسکاندیم سه الکترون ظرفیت دارد، ولی در گروه سوم است؛ درحالی‌که گالیم با همین شمار الکترون ظرفیت در گروه سیزدهم قرار دارد.

• گزینهٔ چهارم: داشتن سه الکترون ظرفیت برای گالیم درست است؛ اما بخش بعدی، نحوهٔ به‌کارگیری هر سه الکترون را در تشکیل ترکیب‌ها به‌صورت یک حکم کلی بیان می‌کند. کتاب، از دست دادن، گرفتن و به‌اشتراک‌گذاری الکترون را راه‌هایی برای رسیدن به وضعیت پایدارتر معرفی می‌کند، نه حکمی الزامی برای مشارکت همهٔ الکترون‌های ظرفیت در تمام ترکیب‌های هر عنصر (شیمی ۱، صفحهٔ ۳۵–۳۶). بنابراین این عبارت، برخلاف رابطهٔ عددی گزینهٔ دوم، نتیجه‌ای قطعی از دادهٔ سؤال نیست.

پاسخ: گزینهٔ ۲

۱. منظور از مجموع خواسته‌شده چیست؟
برای هر الکترون ظرفیت باید مقدار $n+l$ را به‌دست آوریم و سپس این مقدارها را جمع کنیم. عدد کوانتومی اصلی $n$ شمارهٔ لایه را نشان می‌دهد و عدد کوانتومی فرعی $l$ برای زیرلایه‌های $s$، $p$ و $d$ به‌ترتیب برابر $0$، $1$ و $2$ است. مبنای تشخیص لایه‌ها و آرایش الکترونی، مبحث «توزیع الکترون‌ها در لایه‌ها و زیرلایه‌ها» است (شیمی ۱، صفحهٔ ۲۷–۲۸). همچنین باید فقط الکترون‌های ظرفیت را در محاسبه وارد کنیم، نه همهٔ الکترون‌های اتم؛ اهمیت این الکترون‌ها در رفتار شیمیایی در کتاب بیان شده است (شیمی ۱، صفحهٔ ۳۵–۳۶).

۲. هالوژن توصیف‌شده را شناسایی می‌کنیم.
هالوژنی که مولکول آن تنها در دمای بالاتر از $473\,\mathrm{K}$ با هیدروژن واکنش می‌دهد، برم است. آرایش الکترونی اتم برم به‌صورت $\mathrm{Br}:[Ar]3d^{10}4s^24p^5$ است. بنابراین، الکترون‌های ظرفیت آن در زیرلایه‌های $4s$ و $4p$ قرار دارند و آرایش ظرفیت آن $4s^24p^5$ است. الکترون‌های $3d$ جزو لایهٔ ظرفیت برم نیستند.

۳. سهم هر زیرلایه را محاسبه می‌کنیم.
برای هر یک از دو الکترون زیرلایهٔ $4s$ داریم: $n=4$ و $l=0$. پس سهم این زیرلایه برابر است با $2(4+0)=8$.
برای هر یک از پنج الکترون زیرلایهٔ $4p$ داریم: $n=4$ و $l=1$. پس سهم این زیرلایه برابر است با $5(4+1)=25$.

۴. مجموع را به‌دست می‌آوریم:
$\displaystyle \sum_{\text{الکترون‌های ظرفیت}}(n+l)=2(4+0)+5(4+1)=8+25=33$.
پس اتم برم دقیقاً شرط سؤال را دارد.

پاسخ: گزینهٔ ۳

برای تعیین عبارت‌های درست، هر مورد را جداگانه بررسی می‌کنیم.

الف) درست است. در تقطیر هوای مایع، با افزایش دما هر جزء با رسیدن به نقطهٔ جوش خود به‌صورت گاز جدا می‌شود. نقطهٔ جوش نیتروژن، آرگون و اکسیژن به‌ترتیب $-196^\circ\mathrm{C}$، $-186^\circ\mathrm{C}$ و $-183^\circ\mathrm{C}$ است (شیمی ۱، صفحهٔ ۵۱–۵۲). در دمای $-193^\circ\mathrm{C}$:

• نیتروژن از نقطهٔ جوش خود گذشته و به حالت گاز درآمده است، زیرا $-193>-196$.
• آرگون و اکسیژن هنوز به نقطهٔ جوش خود نرسیده‌اند، زیرا $-193<-186$ و $-193<-183$؛ پس مایع باقی می‌مانند.

بنابراین دو عنصرِ باقی‌مانده در حالت مایع، آرگون و اکسیژن‌اند. هلیم نیز با نقطهٔ جوش $-269^\circ\mathrm{C}$ در این دما گاز است.

ب) نادرست است. این عبارت دربارهٔ هلیم و آرگون یک حکم مشترک می‌دهد، درحالی‌که باید منبع تهیهٔ آن‌ها را جداگانه بررسی کرد. منابع زیرزمینی هلیم از هواکره غنی‌ترند؛ بنابراین گاز طبیعی منبع مناسب‌تری برای تهیهٔ صنعتی هلیم است (شیمی ۱، صفحهٔ ۵۳–۵۴). اما کتاب بیان می‌کند که آرگون در پتروشیمی شیراز از تقطیر جزءبه‌جزء هوای مایع تهیه می‌شود؛ پس نمی‌توان مزیت استخراج هلیم از گاز طبیعی را به آرگون نیز تعمیم داد (شیمی ۱، صفحهٔ ۵۲–۵۳).

پ) درست است. هلیم بر اثر واکنش‌های هسته‌ای در ژرفای زمین تولید می‌شود و با نفوذ در لایه‌های زمین به میدان‌های گازی راه می‌یابد. همچنین مقدار آن در هوا ناچیز است و منابع زیرزمینی آن غنی‌ترند؛ بنابراین هر دو بخش این عبارت درست است (شیمی ۱، صفحهٔ ۵۳–۵۴).

ت) نادرست است. نقطهٔ جوش هلیم $-269^\circ\mathrm{C}$ است. چون $-200^\circ\mathrm{C}$ از نقطهٔ جوش آن بالاتر است، هلیم در شرایط مورد بحث به حالت گاز باقی می‌ماند و نمی‌تواند در این دما به حالت مایع جدا شود. پس امکان تهیهٔ هلیم از گاز طبیعی، به معنای مایع‌بودن آن در دمای داده‌شده نیست (شیمی ۱، صفحهٔ ۵۱–۵۲ و ۵۳–۵۴).

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

پاسخ: گزینهٔ ۳

عبارت‌ها را جداگانه بررسی می‌کنیم.

الف) نادرست است. طبق توضیح کتاب، میلهٔ شیشه‌ای پس از مالش به موی خشک، بار منفی پیدا می‌کند. در مولکول آب، اکسیژن سر منفی و هیدروژن‌ها سر مثبت را تشکیل می‌دهند؛ بنابراین آب از سر مثبت به میلهٔ منفی جذب می‌شود، نه از سر منفی. (شیمی ۱، صفحه‌های ۱۰۳–۱۰۵)

ب) نادرست است. جرم مولی فلوئور و هیدروژن کلرید نزدیک به هم است، اما $\mathrm{F_2}$ ناقطبی و $\mathrm{HCl}$ قطبی است. نقطهٔ جوش آن‌ها به‌ترتیب $-188\,^\circ\mathrm{C}$ و $-85\,^\circ\mathrm{C}$ است؛ پس نیروهای بین‌مولکولی هیدروژن کلرید قوی‌تر است. در فشار یکسان، هنگام کاهش دما، گاز دارای نقطهٔ جوش بالاتر زودتر مایع می‌شود؛ بنابراین هیدروژن کلرید آسان‌تر از فلوئور مایع می‌شود. (شیمی ۱، صفحه‌های ۱۰۴–۱۰۵)

پ) درست است. مولکول $\mathrm{CO_2}$ ناقطبی است و گشتاور دوقطبی آن صفر است. (شیمی ۱، صفحه‌های ۱۰۴ و ۱۰۶) بااین‌حال، انحلال‌پذیری را نمی‌توان فقط از قطبیت نتیجه گرفت؛ واکنش حل‌شونده با آب نیز مؤثر است. بخشی از کربن دی‌اکسیدِ حل‌شده با آب واکنش می‌دهد و کربنیک اسید تشکیل می‌دهد:
$\mathrm{CO_2(aq)+H_2O(l)\rightleftharpoons H_2CO_3(aq)}$
ازاین‌رو، صفر بودن گشتاور دوقطبی کربن دی‌اکسید مانع از آن نیست که انحلال‌پذیری آن در آب از $\mathrm{NO}$ بیشتر باشد.

ت) درست است. کتاب، گشتاور دوقطبی آب و هیدروژن سولفید را به‌ترتیب $1.85\,\mathrm{D}$ و $0.97\,\mathrm{D}$ گزارش می‌کند. نسبت آن‌ها برابر است با:
$\displaystyle \frac{\mu_{\mathrm{H_2O}}}{\mu_{\mathrm{H_2S}}}=\frac{1.85}{0.97}\simeq1.91$
پس گشتاور دوقطبی آب نزدیک به دو برابر است. کتاب در همین مقایسه، قدرت نیروهای بین‌مولکولی آب را نیز نزدیک به دو برابر هیدروژن سولفید بیان می‌کند؛ بنابراین عبارت مطابق متن کتاب درست است. توجه کنید که این بیان را نباید به‌صورت یک رابطهٔ تناسب عمومی برای همهٔ مواد به کار برد. (شیمی ۱، صفحه‌های ۱۰۶–۱۰۷)

در نتیجه، عبارت‌های «پ» و «ت» درست‌اند.

پاسخ: گزینهٔ ۳

برای یافتن غلظت یون آهن، باید آهنِ حاصل از هر دو نمک را حساب کنیم.

گام اول: نوشتن فرمول نمک‌ها
طبق قاعدهٔ خنثی‌بودن ترکیب یونی، مجموع بارهای مثبت و منفی در فرمول ترکیب باید صفر باشد (شیمی ۱، صفحات ۹۱–۹۲). بنابراین، فرمول آهن(III) برمید و آهن(III) سولفات به‌ترتیب $\mathrm{FeBr_3}$ و $\mathrm{Fe_2(SO_4)_3}$ است. نسبت مولی یون‌های حاصل از آن‌ها چنین است:

$\mathrm{FeBr_3 \rightarrow Fe^{3+}+3Br^-}$

$\mathrm{Fe_2(SO_4)_3 \rightarrow 2Fe^{3+}+3SO_4^{2-}}$

گام دوم: محاسبهٔ مول یون سولفات و نمک سولفات
جرم مولی یون سولفات برابر است با:

$M(\mathrm{SO_4^{2-}})=32+4(16)=96\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

پس از جرم داده‌شدهٔ سولفات داریم:

$n(\mathrm{SO_4^{2-}})=\dfrac{8.64}{96}=0.09\,\mathrm{mol}$

هر مول آهن(III) سولفات، سه مول یون سولفات دارد؛ بنابراین:

$n\bigl(\mathrm{Fe_2(SO_4)_3}\bigr)=\dfrac{0.09}{3}=0.03\,\mathrm{mol}$

گام سوم: محاسبهٔ مجموع مول یون آهن
طبق صورت سؤال، مول نمک برمید دو برابر مول نمک سولفات است:

$n(\mathrm{FeBr_3})=2(0.03)=0.06\,\mathrm{mol}$

هر مول نمک برمید، یک مول یون آهن و هر مول نمک سولفات، دو مول یون آهن می‌دهد. پس:

$n(\mathrm{Fe^{3+}})=0.06+2(0.03)=0.12\,\mathrm{mol}$

جرم یون آهن با استفاده از جرم مولی داده‌شده به دست می‌آید:

$m(\mathrm{Fe^{3+}})=0.12\times56=6.72\,\mathrm{g}$

گام چهارم: محاسبهٔ غلظت قسمت در میلیون
طبق تعریف کتاب، غلظت قسمت در میلیون از نسبت جرم مادهٔ موردنظر به جرم کل محلول، با یکاهای یکسان، به دست می‌آید (شیمی ۱، صفحات ۹۴–۹۵):

$\mathrm{ppm}=\dfrac{m(\text{یون آهن})}{m(\text{محلول})}\times10^6$

$\mathrm{ppm}=\dfrac{6.72\,\mathrm{g}}{400\,\mathrm{g}}\times10^6=16800$

بنابراین غلظت یون آهن(III) برابر با $16800\,\mathrm{ppm}$ است.

پاسخ: گزینهٔ ۲

گام اول: مصرف هیدروژن هر ماده را تعیین می‌کنیم.

اتن با فرمول $\mathrm{C_2H_4}$ دارای یک پیوند دوگانه است (شیمی ۲، صفحهٔ ۴۰). در واکنش افزایشی، پیوند دوگانه به یگانه تبدیل می‌شود و اتم‌ها به دو کربن افزوده می‌شوند (شیمی ۲، صفحهٔ ۴۱). بنابراین برای سیرشدن هر مول اتن، یک مول هیدروژن لازم است:

$\mathrm{C_2H_4+H_2\longrightarrow C_2H_6}$

اتین با فرمول $\mathrm{C_2H_2}$ دارای یک پیوند سه‌گانه است (شیمی ۲، صفحهٔ ۴۲). برای سیرشدن کامل آن و تشکیل اتان، به ازای هر مول اتین دو مول هیدروژن مصرف می‌شود:

$\mathrm{C_2H_2+2H_2\longrightarrow C_2H_6}$

گام دوم: جرم هیدروژن را به مول تبدیل می‌کنیم.

با توجه به جرم مولی گاز هیدروژن داریم:

$M(\mathrm{H_2})=2\times1=2\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

$n(\mathrm{H_2})=\dfrac{0.6\,\mathrm{g}}{2\,\mathrm{g\,mol^{-1}}}=0.3\,\mathrm{mol}$

این تبدیل جرم به مول و استفاده از نسبت ضرایب واکنش، مطابق روش محاسبات استوکیومتری کتاب است (شیمی ۲، صفحه‌های ۲۴–۲۵).

گام سوم: از برابر بودن مول‌های اتن و اتین استفاده می‌کنیم.

اگر مقدار هرکدام در مخلوط آغازین $x$ مول باشد، اتن $x$ مول و اتین $2x$ مول هیدروژن مصرف می‌کند؛ پس:

$x+2x=0.3\quad\Rightarrow\quad x=0.1\,\mathrm{mol}$

گام چهارم: جرم اتن آغازین را حساب می‌کنیم.

$M(\mathrm{C_2H_4})=2\times12+4\times1=28\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

$m(\mathrm{C_2H_4})=0.1\,\mathrm{mol}\times28\,\mathrm{g\,mol^{-1}}=2.8\,\mathrm{g}$

بنابراین در مخلوط آغازین، $2.8\,\mathrm{g}$ اتن وجود داشته است.

پاسخ: گزینهٔ ۱

گام اول ـ محدودکردن عنصرهای ممکن

جدول دوره‌ای بر پایهٔ عدد اتمی تنظیم شده است و جایگاه عنصر در گروه و دوره، در تشخیص ویژگی‌های آن نقش دارد (شیمی ۲، صفحهٔ ۶). شبه‌فلزها نیز در مرز میان فلزها و نافلزها قرار دارند (شیمی ۲، صفحهٔ ۹).

با توجه به جدول دوره‌ای و حالت فیزیکی عنصرها در شرایط معمول:

• گروه‌های $13$ و $14$ عنصر گازی ندارند؛ بنابراین شبه‌فلزهای این دو گروه، یعنی بور، سیلیسیم و ژرمانیم، نمی‌توانند $A$ باشند.
• گروه $15$ فقط یک عنصر گازی، یعنی نیتروژن، دارد؛ پس آرسنیک و آنتیموان می‌توانند $A$ باشند.
• گروه $16$ فقط یک عنصر گازی، یعنی اکسیژن، دارد؛ پس تلوریم نیز می‌تواند $A$ باشد.
• گروه $17$ دارای دو عنصر گازی، یعنی فلوئور و کلر، است و با شرط سؤال سازگار نیست.

بنابراین انتخاب‌های مجاز عبارت‌اند از:
$A\in\{\mathrm{As},\mathrm{Sb},\mathrm{Te}\}$
که عددهای اتمی آن‌ها به‌ترتیب $33$، $51$ و $52$ است.

گام دوم ـ بررسی عبارت‌ها

الف) درست است. آرسنیک و آنتیموان با فسفر در گروه $15$ قرار دارند، پس $A$ می‌تواند با فسفر هم‌گروه باشد. از طرف دیگر، فسفر در دورهٔ سوم است و تنها شبه‌فلز این دوره، سیلیسیم است؛ گروه سیلیسیم هیچ عنصر گازی ندارد و شرط سؤال را برآورده نمی‌کند. بنابراین $A$ نمی‌تواند با فسفر هم‌دوره باشد.

ب) نادرست است. اگر $A$ با گوگرد هم‌گروه باشد، تلوریم است. عنصرهای معرفی‌شده با عددهای اتمی $33$ و $53$ به‌ترتیب آرسنیک و ید هستند. داریم:
$Z_{\mathrm{As}}=33<Z_{\mathrm{Te}}=52<Z_{\mathrm{I}}=53$
پس عدد اتمی تلوریم از آرسنیک بزرگ‌تر، اما از ید کوچک‌تر است. چون عبارت بزرگ‌تر بودن از هر دو را ادعا می‌کند، نادرست است.

پ) نادرست است. نخستین نافلز جامد جدول، کربن است. گروه کربن، یعنی گروه $14$، عنصر گازی ندارد؛ بنابراین $A$ نمی‌تواند با کربن هم‌گروه باشد. همچنین تنها نافلز مایع، برمِ دورهٔ چهارم است و آرسنیک، که یکی از انتخاب‌های مجاز $A$ است، با آن هم‌دوره است. پس هر دو بخش این عبارت با شرایط مسئله ناسازگارند.

ت) درست است؛ اما باید به شرطی‌بودن آن دقت کرد. هالوژن نافلز جامد، ید با عدد اتمی $53$ است و دومین فلز گروه $14$، پس از قلع، سرب با عدد اتمی $82$ است. هیچ‌یک از انتخاب‌های مجاز $A$ عدد اتمی بزرگ‌تر از $53$ ندارد؛ بنابراین شرط آغاز عبارت اصلاً رخ نمی‌دهد و نمی‌توان نمونه‌ای یافت که شرط آن برقرار، ولی نتیجه‌اش نادرست باشد. در نتیجه، این گزارهٔ شرطی نادرست نیست. این به معنای وجود یک $A$ مجاز با عدد اتمی بزرگ‌تر از ید نیست.

پس عبارت‌های «الف» و «ت» درست‌اند.

پاسخ: گزینهٔ ۳

گام اول ـ تعیین رابطۀ درصد خلوص

درصد خلوص، سهم جرمی مادۀ خالص از کل نمونۀ ناخالص است؛ بنابراین باید ابتدا جرم کلسیم سولفاتِ تجزیه‌شده را پیدا کنیم (شیمی ۲، صفحهٔ ۲۳):

$\text{درصد خلوص}=\dfrac{\text{جرم مادۀ خالص}}{\text{جرم کل نمونۀ اولیه}}\times100$

گام دوم ـ موازنه و تعیین نسبت مولی

معادلۀ موازنه‌شده چنین است:

$2\mathrm{CaSO_4(s)}\xrightarrow{\Delta}2\mathrm{CaO(s)}+2\mathrm{SO_2(g)}+\mathrm{O_2(g)}$

پس از تجزیۀ هر $2\,\mathrm{mol}$ کلسیم سولفات، در مجموع $3\,\mathrm{mol}$ گاز تولید می‌شود. توجه کنید که حجم گزارش‌شده، مربوط به مجموع هر دو گاز است، نه فقط گوگرد دی‌اکسید.

گام سوم ـ محاسبۀ مقدار کلسیم سولفات خالص

در شرایط استاندارد، حجم هر مول گاز برابر $22.4\,\mathrm{L}$ است؛ بنابراین:

$n_{\text{کل گاز}}=\dfrac{13.44\,\mathrm{L}}{22.4\,\mathrm{L\,mol^{-1}}}=0.60\,\mathrm{mol}$

با استفاده از نسبت مولی واکنش داریم:

$n_{\mathrm{CaSO_4}}=\dfrac{2}{3}\times0.60=0.40\,\mathrm{mol}$

جرم مولی کلسیم سولفات از داده‌های سؤال به دست می‌آید:

$M_{\mathrm{CaSO_4}}=40+32+4(16)=136\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

پس جرم مادۀ خالص اولیه برابر است با:

$m_{\mathrm{CaSO_4}}=0.40\times136=54.4\,\mathrm{g}$

گام چهارم ـ محاسبۀ جرم کل نمونه و درصد خلوص

چون ناخالصی در واکنش شرکت نمی‌کند، جرم اولیه و نهایی آن یکسان و برابر $13.6\,\mathrm{g}$ است. این مقدار، جرم ناخالصی است و نباید آن را جرم کل باقی‌ماندۀ جامد دانست؛ کلسیم اکسید نیز در پایان به صورت جامد باقی می‌ماند.

$m_{\text{نمونۀ اولیه}}=54.4+13.6=68.0\,\mathrm{g}$

بنابراین:

$\text{درصد خلوص}=\dfrac{54.4}{68.0}\times100=80\%$

پاسخ: گزینهٔ ۲

۱. ابتدا معیار سؤال را مشخص می‌کنیم. میعان بخار آب یعنی تبدیل آب از حالت گازی به مایع. این فرایند با آزاد شدن گرما و کاهش سطح انرژی همراه است؛ بنابراین عبارت «برخلاف میعان بخار آب» نشان می‌دهد که باید دو فرایند گرماگیر را انتخاب کنیم. در فرایند گرماده، انرژی از سامانه به محیط منتقل می‌شود (شیمی ۲، صفحهٔ ۶۰–۶۱).

۲. در فرایند گرماگیر، سامانه انرژی جذب می‌کند و محتوای انرژی آن افزایش می‌یابد. کتاب نیز افزایش محتوای انرژی را با گرماگیر بودن فرایند مرتبط می‌داند و در مثال کوزه، جذب گرما هنگام تبخیر آب را توضیح می‌دهد (شیمی ۲، صفحهٔ ۶۵–۶۶).

۳. تغییر حالت‌های مطرح‌شده را بررسی می‌کنیم:

• چگالش: تبدیل مستقیم گاز به جامد؛ گرماده و همراه با کاهش سطح انرژی است.
• انجماد: تبدیل مایع به جامد؛ گرماده و همراه با کاهش سطح انرژی است.
• تبخیر: تبدیل مایع به گاز؛ گرماگیر و همراه با افزایش سطح انرژی است.
• فرازش: تبدیل مستقیم جامد به گاز؛ گرماگیر و همراه با افزایش سطح انرژی است.
• ذوب: تبدیل جامد به مایع؛ گرماگیر و همراه با افزایش سطح انرژی است.

۴. در سه گزینهٔ نخست، دست‌کم یکی از فرایندها چگالش یا انجماد است و سطح انرژی را کاهش می‌دهد. تنها زوج «فرازش و ذوب» شامل دو فرایند گرماگیر است؛ پس هر دو، برخلاف میعان بخار آب، با افزایش سطح انرژی همراه‌اند.

پاسخ: گزینهٔ ۴

طبق کتاب، آنتالپی واکنش از مجموع انرژی لازم برای شکستن پیوندها، منهای انرژی آزادشده هنگام تشکیل پیوندها به دست می‌آید (شیمی ۲، صفحهٔ ۶۸–۶۹):
$\Delta H=\sum E_{\text{پیوندهای شکسته‌شده}}-\sum E_{\text{پیوندهای تشکیل‌شده}}$

گام اول: تعیین آنتالپی پیوند هیدروژن
در واکنش نخستِ سؤال، یک مول مولکول هیدروژن به اتم‌های گازی تبدیل می‌شود؛ بنابراین:
$D(\mathrm{H-H})=435\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}$
توجه کنید که در این مسئله باید از دادهٔ خود سؤال استفاده کنیم، نه مقدار جدول کتاب.

گام دوم: نوشتن رابطهٔ انرژی برای دو واکنش
برای ساده‌شدن محاسبه، در ادامه نماد $D$ را به‌معنای مقدار عددی آنتالپی پیوند برحسب $\mathrm{kJ\,mol^{-1}}$ به کار می‌بریم.

در واکنش هیدروژن با کلر، یک پیوند $\mathrm{H-H}$ و یک پیوند $\mathrm{Cl-Cl}$ شکسته و دو پیوند $\mathrm{H-Cl}$ تشکیل می‌شود؛ پس:
$-186=435+D(\mathrm{Cl-Cl})-2D(\mathrm{H-Cl})$

به همین ترتیب، برای واکنش هیدروژن با فلوئور:
$-544=435+D(\mathrm{F-F})-2D(\mathrm{H-F})$

گام سوم: جمع دو رابطه
با جمع‌کردن رابطه‌ها داریم:
$-730=870+D(\mathrm{Cl-Cl})+D(\mathrm{F-F})-2\left[D(\mathrm{H-Cl})+D(\mathrm{H-F})\right]$

طبق دادهٔ سؤال:
$D(\mathrm{H-Cl})+D(\mathrm{H-F})=1000$

بنابراین:
$-730=870+D(\mathrm{Cl-Cl})+D(\mathrm{F-F})-2000$
$D(\mathrm{Cl-Cl})+D(\mathrm{F-F})=400$

گام چهارم: استفاده از نسبت دو آنتالپی پیوند
نسبت داده‌شده برابر $1.5$ است؛ در نتیجه اگر $D(\mathrm{F-F})=x$ باشد، خواهیم داشت:
$D(\mathrm{Cl-Cl})=1.5x$

پس:
$1.5x+x=400$
$2.5x=400\quad\Rightarrow\quad x=160$

بنابراین آنتالپی پیوند فلوئور برابر است با:
$\boxed{D(\mathrm{F-F})=160\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}}$

پاسخ: گزینهٔ ۲

گام اول ــ ارتباط سرعت تغییر مول‌ها با ضرایب استوکیومتری را می‌نویسیم.
طبق کتاب، سرعت متوسط تولید یا مصرف شرکت‌کننده‌های یک واکنش با ضرایب استوکیومتری آن‌ها متناسب است. همچنین با تقسیم سرعت تولید یا مصرف هر ماده بر ضریب آن، سرعت واکنش به دست می‌آید (شیمی ۲، صفحه‌های ۹۲–۹۳).

اگر ضرایب استوکیومتری $\mathrm{A}$ و $\mathrm{D}$ را به‌ترتیب $a$ و $d$ بنامیم، برای یک بازهٔ زمانی مشترک داریم:
$\bar R=\frac{v_{\mathrm{A}}}{a}=\frac{v_{\mathrm{D}}}{d}$
در این رابطه، سرعت تولید یا مصرف را به‌صورت مقداری مثبت در نظر می‌گیریم؛ یعنی:
$v_{\mathrm{A}}=\frac{|\Delta n_{\mathrm{A}}|}{\Delta t}\qquad ,\qquad v_{\mathrm{D}}=\frac{|\Delta n_{\mathrm{D}}|}{\Delta t}$

گام دوم ــ دادهٔ سؤال را به کار می‌بریم.
صورت سؤال می‌گوید:
$v_{\mathrm{A}}=3v_{\mathrm{D}}$
پس:
$\frac{a}{d}=\frac{v_{\mathrm{A}}}{v_{\mathrm{D}}}=3\quad\Longrightarrow\quad a=3d$
بنابراین ضریب استوکیومتری $\mathrm{A}$ حتماً سه برابر ضریب استوکیومتری $\mathrm{D}$ است؛ این همان گزارهٔ گزینهٔ اول است.

گام سوم ــ دلیل «همواره» درست نبودن سایر گزاره‌ها را بررسی می‌کنیم.
کاتالیزگر نسبت استوکیومتری تولید یا مصرف مواد را تغییر نمی‌دهد؛ بنابراین افزایش عددی سرعت‌های دو ماده برابر نیست. همچنین از رابطهٔ $\bar R=v_{\mathrm{D}}/d$ روشن است که سرعت واکنش فقط در صورت $d=1$ با سرعت تولید یا مصرف $\mathrm{D}$ برابر می‌شود، اما دادهٔ سؤال مقدار $d$ را تعیین نمی‌کند. در نهایت، نسبت اندازهٔ سرعت‌ها مشخص نمی‌کند که دو ماده در یک سمت معادله‌اند یا در دو سمت آن؛ پس هم‌سمت بودن آن‌ها نیز الزامی نیست.

پاسخ: گزینهٔ ۱

برای شمارش همپارهای ساختاری، باید ساختارهایی با فرمول مولکولی یکسان ولی اتصال اتمی متفاوت پیدا کنیم؛ چرخاندن یا برعکس رسم‌کردن یک ساختار، همپار تازه‌ای ایجاد نمی‌کند. در بررسی اسکلت کربنی نیز باید راست‌زنجیر یا شاخه‌دار بودن را از روی اتصال اتم‌ها تشخیص داد، نه ظاهر رسم؛ این نکته در نمونه‌های آلکان‌های کتاب مورد تأکید قرار گرفته است (شیمی ۲، صفحهٔ ۳۴–۳۵).

گام اول: تعیین خانواده‌های ممکن
فرمول $\mathrm{C_4H_{10}O}$ متعلق به یک ترکیب سیرشده و بدون حلقه است؛ وجود حلقه یا پیوند دوگانه، شمار هیدروژن‌ها را نسبت به این فرمول کاهش می‌دهد. با توجه به دوپیوندی بودن اکسیژن، دو حالت داریم:

• الکل با گروه $\mathrm{-OH}$؛
• اتر با الگوی $\mathrm{R-O-R'}$.

گام دوم: شمارش الکل‌ها
روی اسکلت راست‌زنجیر، دو جایگاه غیرهم‌ارز برای گروه هیدروکسیل وجود دارد:

• بوتان ـ یک ـ اُل: $\mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-OH}$
• بوتان ـ دو ـ اُل: $\mathrm{CH_3-CH(OH)-CH_2-CH_3}$

قرار دادن گروه هیدروکسیل در دو جایگاه دیگر این زنجیر، با شماره‌گذاری از سر مقابل، همین ساختارها را می‌دهد.

روی اسکلت شاخه‌دار نیز دو حالت داریم:

• دو ـ متیل‌پروپان ـ یک ـ اُل: $\mathrm{(CH_3)_2CH-CH_2-OH}$
• دو ـ متیل‌پروپان ـ دو ـ اُل: $\mathrm{(CH_3)_3C-OH}$

پس تعداد الکل‌ها برابر با $4$ است.

گام سوم: شمارش اترها
چهار کربن را میان دو سوی اکسیژن تقسیم می‌کنیم:

در تقسیم $1+3$، گروه سه‌کربنی می‌تواند راست‌زنجیر یا شاخه‌دار باشد؛ بنابراین دو ساختار داریم:

• $\mathrm{CH_3-O-CH_2-CH_2-CH_3}$
• $\mathrm{CH_3-O-CH(CH_3)_2}$

در تقسیم $2+2$، فقط یک ساختار به دست می‌آید:

• $\mathrm{CH_3-CH_2-O-CH_2-CH_3}$

جابه‌جایی دو سوی اکسیژن ساختار تازه‌ای ایجاد نمی‌کند. بنابراین تعداد اترها برابر با $3$ است.

گام چهارم: جمع‌بندی
تعداد کل همپارهای ساختاری برابر است با:
$N=4+3=7$

پاسخ: گزینهٔ ۴

برای پاسخ، باید مجموع اتم‌های هر مولکول را بشماریم؛ نوع اتم‌ها و تعداد پیوندها معیار مقایسه نیست. در کتاب نیز شمار اتم‌های سازندهٔ مولکول، یکی از ویژگی‌های مورد بررسی مولکول‌هاست (شیمی ۲، صفحهٔ ۱۰۳–۱۰۴). در فرمول مولکولی، مجموع زیروندهای عنصرها شمار کل اتم‌ها را می‌دهد؛ زیروند نوشته‌نشده نیز برابر $1$ است.

گام اول: استیرن و بوتانول

استیرن ساختار فشردهٔ $\mathrm{C_6H_5{-}CH{=}CH_2}$ و فرمول مولکولی $\mathrm{C_8H_8}$ دارد؛ بنابراین:
$N_{\text{استیرن}}=8+8=16$

بوتانول با ساختار فشردهٔ $\mathrm{C_4H_9OH}$، دارای فرمول مولکولی $\mathrm{C_4H_{10}O}$ است. توجه کنید که گروه هیدروکسیل نیز یک اتم هیدروژن دارد؛ کتاب این گروه را بخش قطبی مولکول الکل معرفی می‌کند (شیمی ۲، صفحهٔ ۱۱۲–۱۱۳).
$N_{\text{بوتانول}}=4+10+1=15$

پس اختلاف برابر است با:
$\Delta N=|16-15|=1$

گام دوم: سیانواتن و وینیل کلرید

سیانواتن ساختار $\mathrm{CH_2{=}CH{-}CN}$ و فرمول مولکولی $\mathrm{C_3H_3N}$ دارد. کربن گروه سیانو نیز باید شمرده شود:
$N_{\text{سیانواتن}}=3+3+1=7$

وینیل کلرید با ساختار $\mathrm{CH_2{=}CHCl}$، دارای فرمول مولکولی $\mathrm{C_2H_3Cl}$ است:
$N_{\text{وینیل کلرید}}=2+3+1=6$

بنابراین:
$\Delta N=|7-6|=1$

گام سوم: جوهر مورچه و تترافلوئوروآتن

جوهر مورچه همان متانوئیک اسید یا فرمیک اسید است. ساختار فشردهٔ آن $\mathrm{HCOOH}$ و فرمول مولکولی آن $\mathrm{CH_2O_2}$ است:
$N_{\text{جوهر مورچه}}=1+2+2=5$

تترافلوئوروآتن ساختار $\mathrm{CF_2{=}CF_2}$ و فرمول مولکولی $\mathrm{C_2F_4}$ دارد:
$N_{\text{تترافلوئوروآتن}}=2+4=6$

پس:
$\Delta N=|5-6|=1$

گام چهارم: استون و پروپن

استون با ساختار $\mathrm{CH_3COCH_3}$، دارای فرمول مولکولی $\mathrm{C_3H_6O}$ است:
$N_{\text{استون}}=3+6+1=10$

پروپن با ساختار $\mathrm{CH_2{=}CHCH_3}$، دارای فرمول مولکولی $\mathrm{C_3H_6}$ است:
$N_{\text{پروپن}}=3+6=9$

بنابراین:
$\Delta N=|10-9|=1$

در نتیجه، در هر چهار مورد اختلاف شمار اتم‌های دو مولکول برابر با $1$ است.

پاسخ: گزینهٔ ۱

برای تشخیص عبارت درست، ابتدا ساختار صابون را با اسید چرب متناظر مقایسه می‌کنیم و سپس سایر عبارت‌ها را بررسی می‌کنیم.

گام اول: مقایسهٔ جرم مولی صابون و اسید چرب
طبق کتاب، اسیدهای چرب کربوکسیلیک‌اسیدهایی با زنجیر کربنی بلند هستند و صابون جامد، نمک سدیمی آن‌ها با فرمول عمومی $\mathrm{RCOONa}$ است (شیمی ۳، صفحهٔ ۵–۶). پس برای یک زنجیر هیدروکربنی یکسان داریم:

اسید چرب: $\mathrm{RCOOH}$

صابون متناظر: $\mathrm{RCOONa}$

در تبدیل اسید چرب به نمک سدیمی، هیدروژن گروه کربوکسیل با سدیم جایگزین می‌شود. بنابراین:

$M(\mathrm{RCOONa})-M(\mathrm{RCOOH})=M(\mathrm{Na})-M(\mathrm{H})$

با جرم‌های مولی تقریبی سدیم و هیدروژن:

$\Delta M=23-1=22\ \mathrm{g\,mol^{-1}}>0$

پس جرم مولی صابون از جرم مولی اسید چرب متناظر با همان زنجیر کربنی بیشتر است؛ در نتیجه عبارت گزینهٔ چهارم درست است.

گام دوم: بررسی عبارت‌های دیگر

• گزینهٔ اول: واکنش آلومینیم با آب در محیط بازی، گرماده است. گرمای آزادشده به فرایند پاک‌کردن مجرا کمک می‌کند؛ بنابراین توصیف آن به‌عنوان واکنش «گرماگیر» نادرست است.
• گزینهٔ دوم: چربی ناقطبی است و با بخش‌های آب‌گریز پارچه برهم‌کنش مناسب‌تری دارد. هرچه پارچه آب‌گریزتر باشد، جداکردن چربی از آن دشوارتر می‌شود، نه آسان‌تر. داده‌های فعالیت کتاب نیز در شرایط یکسان شست‌وشو، باقی‌ماندن چربی بیشتر روی پلی‌استر نسبت به پارچهٔ نخی را نشان می‌دهد (شیمی ۳، صفحهٔ ۹).
• گزینهٔ سوم: بخش آب‌دوست صابون، گروه کربوکسیلات $\mathrm{COO^-}$ با بار منفی است؛ اما بخش آب‌گریز، زنجیر هیدروکربنی $\mathrm{R}$ و بدون بار است. یون $\mathrm{Na^+}$ یون همراه صابون است و نباید آن را دُم آب‌گریز در نظر گرفت (شیمی ۳، صفحهٔ ۵–۶).

پاسخ: گزینهٔ ۴

برای یافتن عبارت نادرست، باید به تفاوت «رنگ‌دانه» و «رنگ پوششی» دقت کنیم.

۱. بررسی گزینهٔ اول: کتاب، $\mathrm{TiO_2}$ و $\mathrm{Fe_2O_3}$ را از رنگ‌دانه‌های معدنی معرفی می‌کند که به‌ترتیب رنگ سفید و قرمز ایجاد می‌کنند (شیمی ۳، صفحهٔ ۸۵). همچنین توضیح می‌دهد که رنگ‌های مورد استفاده برای پوشش سطح، مخلوط‌هایی کلوییدی‌اند و با ایجاد لایه‌ای روی سطح، به زیبایی و محافظت از آن کمک می‌کنند (شیمی ۳، صفحهٔ ۸۶).
پس «رنگ‌دانه» یکی از اجزای رنگ پوششی است؛ خودِ رنگ‌دانه را نباید یک کلویید دانست. اشکال گزینهٔ اول در نسبت دادن کلویید بودن به خودِ این اکسیدهاست، نه در معدنی بودن یا کاربرد آن‌ها در رنگ‌سازی.

۲. بررسی گزینهٔ دوم: واکنش‌پذیری ناچیز تیتانیم با ذره‌های موجود در آب دریا و مقاومت آن در برابر خوردگی، استفاده از این فلز را در ساخت پروانهٔ کشتی توجیه می‌کند. بنابراین این عبارت درست است. کاربردهای ویژهٔ تیتانیم و آلیاژهای آن نیز در بخش «تیتانیم، فلزی فراتر از انتظار» مطرح شده‌اند (شیمی ۳، صفحه‌های ۸۷–۸۸).

۳. بررسی گزینهٔ سوم: در جامد یونی، یون‌های مثبت و منفی در یک شبکهٔ بلوری با الگوی تکرارشونده قرار دارند. قوی‌تر شدن جاذبهٔ میان یون‌ها، جدا کردن آن‌ها از یکدیگر را دشوارتر می‌کند؛ درنتیجه استحکام شبکه بیشتر می‌شود. پس این عبارت درست است.

۴. بررسی گزینهٔ چهارم: رسانایی گرمایی و الکتریکی از ویژگی‌های مشترک فلزهاست؛ اما این اشتراک به معنای یکسان بودن همهٔ خواص آن‌ها نیست. فلزهای دستهٔ $\mathrm{d}$ در ویژگی‌هایی مانند سختی، نقطهٔ ذوب و تنوع عدد اکسایش با فلزهای دسته‌های $\mathrm{s}$ و $\mathrm{p}$ تفاوت دارند. بنابراین این عبارت نیز درست است.

پاسخ: گزینهٔ ۱

چون سؤال عبارت «نادرست» را می‌خواهد، باید گزینه‌ای را پیدا کنیم که با ساختار یا عملکرد فرایند موردنظر سازگار نیست.

گام اول: بررسی باتری دکمه‌ای روی ـ نقره
در تمرین کتاب، واکنش این باتری به صورت زیر آمده است (شیمی ۳، صفحهٔ ۶۳):
$\mathrm{Zn(s)+Ag_2O(s)\rightarrow ZnO(s)+2Ag(s)}$

عدد اکسایش روی از $0$ به $+2$ افزایش می‌یابد؛ بنابراین روی اکسایش پیدا می‌کند و آند از جنس $\mathrm{Zn(s)}$ است. در مقابل، عدد اکسایش نقره در $\mathrm{Ag_2O}$ برابر با $+1$ است و با تبدیل‌شدن به نقرهٔ فلزی به $0$ می‌رسد؛ پس اکسید نقره در بخش کاتدی کاهش می‌یابد.

بنابراین مادهٔ فعال کاتد، اکسید نقرهٔ جامد با فرمول $\mathrm{Ag_2O(s)}$ است، نه یون نقرهٔ محلول، یعنی $\mathrm{Ag^+(aq)}$. دقت کنید که عدد اکسایش $+1$ برای نقره در یک ترکیب جامد، به معنای وجود یون آزاد آن در محلول نیست. پس بخش مربوط به آند در گزینهٔ ۱ درست، اما بخش مربوط به کاتد نادرست است.

گام دوم: بررسی عبارت مربوط به بوکسیت
بوکسیت سنگ معدن مهم آلومینیم است. از فراوری آن، آلومینا با فرمول $\mathrm{Al_2O_3}$ به دست می‌آید و آلومینا در فرایند هال برای تولید آلومینیم به کار می‌رود. بنابراین استفاده از بوکسیت به‌عنوان سنگ معدن درست است؛ البته منظور، ورود مستقیم بوکسیت خام به سلول هال نیست.

گام سوم: بررسی تعریف آبکاری
در آبکاری، سطح جسم فلزی با لایه‌ای نازک از فلزی ارزشمند و مقاوم به خوردگی پوشانده می‌شود. این کار در سلول الکترولیتی انجام می‌گیرد؛ بنابراین گزینهٔ ۳ با تعریف کتاب سازگار است (شیمی ۳، صفحهٔ ۶۰–۶۱).

گام چهارم: بررسی انرژی تولید و بازیافت آلومینیم
برای تولید قوطی از آلومینیم بازیافتی، حدود $7\%$ انرژی تولید آن از مسیر اولیه لازم است. اگر انرژی مسیر اولیه را مبنا بگیریم، درصد صرفه‌جویی برابر است با:
$100\%-7\%=93\%$
پس گزینهٔ ۴ نیز درست است.

پاسخ: گزینهٔ ۱

ابتدا معیار جهت طبیعی واکنش را مشخص می‌کنیم. در جدول پتانسیل‌های استاندارد، همهٔ نیم‌واکنش‌ها به صورت کاهش نوشته می‌شوند و هرچه پتانسیل کاهشی بزرگ‌تر باشد، گونهٔ اکسنده تمایل بیشتری به گرفتن الکترون دارد (شیمی ۳، صفحهٔ ۴۶–۴۷).

برای بررسی جهت نوشته‌شدهٔ هر واکنش، از رابطهٔ زیر استفاده می‌کنیم (شیمی ۳، صفحهٔ ۴۷–۴۸):
$E^\circ_{\text{سلول}}=E^\circ_{\text{کاتد}}-E^\circ_{\text{آند}}$
در این رابطه، هر دو پتانسیل از نوع کاهشی‌اند. اگر $E^\circ_{\text{سلول}}>0$ باشد، واکنش در شرایط استاندارد در جهت نوشته‌شده طبیعی است؛ اگر $E^\circ_{\text{سلول}}<0$ باشد، جهت عکس طبیعی خواهد بود.

بررسی گزینهٔ اول:
وانادیم فلزی به $\mathrm{V^{2+}}$ اکسایش می‌یابد و $\mathrm{Fe^{3+}}$ به آهن فلزی کاهش می‌یابد. بنابراین:
$E^\circ_{\text{سلول}}=(-0.04)-(-1.20)=+1.16\,\mathrm{V}$
پس این واکنش در جهت نوشته‌شده طبیعی است.

بررسی گزینهٔ دوم:
منگنز فلزی اکسایش می‌یابد و یون آهن کاهش پیدا می‌کند:
$E^\circ_{\text{سلول}}=(-0.04)-(-1.18)=+1.14\,\mathrm{V}$
پس این واکنش نیز طبیعی است.

بررسی گزینهٔ سوم:
در اینجا $\mathrm{V^{3+}}$ به $\mathrm{V^{2+}}$ کاهش می‌یابد؛ بنابراین باید پتانسیل زوج $\mathrm{V^{3+}/V^{2+}}$ را به کار ببریم، نه زوج $\mathrm{V^{2+}/V}$. منگنز نیز اکسایش می‌یابد:
$E^\circ_{\text{سلول}}=(-0.26)-(-1.18)=+0.92\,\mathrm{V}$
این واکنش هم طبیعی است.

بررسی گزینهٔ چهارم:
نیم‌واکنش کاهش و نیم‌واکنش اکسایش در جهت داده‌شده عبارت‌اند از:
$\mathrm{V^{3+}(aq)+e^-\rightarrow V^{2+}(aq)}$
$\mathrm{Fe(s)\rightarrow Fe^{3+}(aq)+3e^-}$
در نتیجه:
$E^\circ_{\text{سلول}}=(-0.26)-(-0.04)=-0.22\,\mathrm{V}$
منفی بودن پتانسیل سلول نشان می‌دهد که این واکنش در جهت نوشته‌شده طبیعی نیست. در واقع، زوج آهن پتانسیل کاهشی بزرگ‌تری دارد و جهت طبیعی، کاهش یون آهن و اکسایش یون وانادیم دوبار مثبت است.

نکته: برای موازنهٔ الکترون‌ها، نیم‌واکنش کاهش وانادیم را در $3$ ضرب می‌کنیم، اما پتانسیل نیم‌سلول در ضریب موازنه ضرب نمی‌شود. معادلهٔ موازنه‌شدهٔ واکنش غیرطبیعی چنین است:
$\mathrm{3V^{3+}(aq)+Fe(s)\rightarrow 3V^{2+}(aq)+Fe^{3+}(aq)}$

پاسخ: گزینهٔ ۴

گام اول: محاسبهٔ مول اسید و بازها

هیدروکلریک اسید، اسیدی قوی و تک‌پروتون‌دار است؛ بنابراین هر مول آن در آب تقریباً یک مول یون هیدرونیوم تولید می‌کند. همچنین هر مول سدیم هیدروکسید یا پتاسیم هیدروکسیدِ حل‌شده، یک مول یون هیدروکسید وارد محلول می‌کند (شیمی ۳، صفحه‌های ۱۷ تا ۱۹).

با استفاده از رابطهٔ $n=CV$ و قرار دادن حجم بر حسب لیتر:

$n(\mathrm{H_3O^+})=0.2\times0.250=0.050\,\mathrm{mol}$

$n(\mathrm{OH^-})_{\mathrm{KOH}}=0.1\times0.100=0.010\,\mathrm{mol}$

برای محلول سدیم هیدروکسید، ابتدا جرم مولی و سپس غلظت مولی را حساب می‌کنیم:

$M(\mathrm{NaOH})=23+16+1=40\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$

$C(\mathrm{NaOH})=\dfrac{4\,\mathrm{g\,L^{-1}}}{40\,\mathrm{g\,mol^{-1}}}=0.10\,\mathrm{mol\,L^{-1}}$

پس:

$n(\mathrm{OH^-})_{\mathrm{NaOH}}=0.10\times0.150=0.015\,\mathrm{mol}$

گام دوم: تعیین مقدار اسید اضافی پس از خنثی‌سازی

واکنش خنثی‌سازی با نسبت مولی یک‌به‌یک انجام می‌شود:

$\mathrm{H_3O^+(aq)+OH^-(aq)\rightarrow 2H_2O(l)}$

مجموع مول هیدروکسید برابر است با:

$n(\mathrm{OH^-})=0.010+0.015=0.025\,\mathrm{mol}$

بنابراین اسید اضافی است و مول هیدرونیوم باقی‌مانده برابر می‌شود با:

$n_{\text{اضافی}}(\mathrm{H_3O^+})=0.050-0.025=0.025\,\mathrm{mol}$

گام سوم: محاسبهٔ حجم نهایی لازم

با استفاده از رابطهٔ پی‌اچ و غلظت هیدرونیوم، که مبنای تمرین‌های این مبحث است (شیمی ۳، صفحه‌های ۳۴ و ۳۵):

$\mathrm{pH}=-\log[\mathrm{H_3O^+}]$

$[\mathrm{H_3O^+}]=10^{-1.7}\approx2.0\times10^{-2}\,\mathrm{mol\,L^{-1}}$

افزودن آب، مقدار اسید اضافی را تغییر نمی‌دهد؛ پس حجم نهایی لازم، با تقریب متناسب با گزینه‌ها، برابر است با:

$V_{\text{نهایی}}=\dfrac{n}{C}=\dfrac{0.025}{0.020}=1.25\,\mathrm{L}$

گام چهارم: محاسبهٔ حجم آب افزوده‌شده

با توجه به جمع‌پذیری حجم‌ها:

$V_{\text{اولیه}}=250+100+150=500\,\mathrm{mL}=0.500\,\mathrm{L}$

در نتیجه:

$V_{\text{آب}}=V_{\text{نهایی}}-V_{\text{اولیه}}=1.25-0.500=0.750\,\mathrm{L}=750\,\mathrm{mL}$

پاسخ: گزینهٔ ۳

برای یافتن عبارت نادرست، گزینه‌ها را جداگانه بررسی می‌کنیم.

۱) عبارت درست است. انتخاب مسیر واکنش و فناوری تولید، بر میزان تبدیل مواد اولیه به فراورده و نیز بر هزینهٔ مواد و انرژی اثر می‌گذارد. کتاب نیز وابستگی بازده و هزینهٔ تولید به این دو عامل را بیان می‌کند (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۱۴–۱۱۵).

۲) عبارت درست است. منظور از پرکاربردترین اسید آلی، اتانوئیک اسید یا استیک اسید و منظور از الکل ضدعفونی‌کننده، اتانول است. این دو ماده در محیط اسیدی واکنش استری‌شدن می‌دهند و اتیل‌اتانوات یا اتیل‌استات تولید می‌کنند که به‌عنوان حلّال چسب کاربرد دارد:
$\mathrm{CH_3COOH+C_2H_5OH\xrightleftharpoons{H^+}CH_3COOC_2H_5+H_2O}$
این واکنش نمونه‌ای از تبدیل ترکیب‌های آلی با استفاده از گروه‌های عاملی آن‌هاست؛ موضوعی که در بخش «گروه عاملی، کلید سنتز مولکول‌های آلی» بررسی می‌شود (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۱۴–۱۱۵).

۳) عبارت نادرست است. کتاب «اتن» را یکی از مهم‌ترین خوراک‌های صنایع پتروشیمی معرفی می‌کند، نه «پلی‌اتن» (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۱۴–۱۱۵). اتن مولکولی کوچک با پیوند دوگانه است که از بسپارش آن پلی‌اتن ساخته می‌شود:
$n\,\mathrm{CH_2{=}CH_2}\longrightarrow\left[-\mathrm{CH_2-CH_2}-\right]_n$
در مثال پتروشیمی شازند نیز اتن مادهٔ اولیه و پلی‌اتن فراوردهٔ تولیدشده است (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۱۲–۱۱۳). بنابراین، اشتباه این گزینه جابه‌جا کردن نام اتن با پلی‌اتن است.

۴) عبارت درست است. اتان هیدروکربنی سوختنی است و یکی از کاربردهای آن استفاده به‌عنوان سوخت است. در سوختن کامل آن، کربن‌دی‌اکسید و آب تشکیل و انرژی آزاد می‌شود:
$\mathrm{2C_2H_6+7O_2\longrightarrow4CO_2+6H_2O}$

پس تنها عبارت نادرست، عبارت مربوط به معرفی پلی‌اتن به‌عنوان خوراک مهم پتروشیمی است.

پاسخ: گزینهٔ ۳

نکتهٔ اصلی سؤال، تفاوت میان «افزایش غلظت فراورده‌ها» و «جابه‌جایی تعادل در جهت رفت» است؛ افزایش غلظت لزوماً به معنای تولید مول‌های بیشتر نیست.

گام اول: بررسی کاهش حجم در واکنش $\mathrm{I}$

در واکنش
$\mathrm{CO(g)+H_2O(g)\rightleftharpoons CO_2(g)+H_2(g)}$
مجموع ضرایب گازی در سمت واکنش‌دهنده‌ها $1+1=2$ و در سمت فراورده‌ها نیز $1+1=2$ است. طبق کتاب، هنگامی که شمار مول‌های گازی دو سوی معادله برابر باشد، تغییر فشار بر اثر تغییر حجم در دمای ثابت، تعادل را جابه‌جا نمی‌کند (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۰۷).

پس با کاهش حجم، شمار مول‌های هر ماده ثابت می‌ماند؛ اما طبق رابطهٔ
$c=\frac{n}{V}$
با کاهش $V$ و ثابت ماندن $n$، غلظت همهٔ مواد، از جمله هر دو فراورده، افزایش می‌یابد. بنابراین بخش اول گزینهٔ دوم درست است. توجه کنید که در اینجا غلظت فراورده‌ها افزایش می‌یابد، نه شمار مول‌های آنها.

گام دوم: بررسی کاهش دما در واکنش $\mathrm{II}$

چون برای واکنش دوم $\Delta H<0$ است، جهت رفت گرماده است و می‌توان اثر گرما را چنین نمایش داد:
$\mathrm{CO(g)+3H_2(g)\rightleftharpoons CH_4(g)+H_2O(g)}+\text{گرما}$

با کاهش دما، سامانه در جهت تولید گرما، یعنی جهت رفت، پیش می‌رود. در نتیجه فراورده‌های بیشتری تشکیل می‌شوند و غلظت آنها افزایش می‌یابد. این نتیجه با اصل لوشاتلیه و وابستگی اثر دما به گرماده یا گرماگیر بودن واکنش سازگار است (شیمی ۳، صفحه‌های ۱۰۷ تا ۱۰۸). پس بخش دوم گزینهٔ دوم نیز درست است.

بررسی سایر عبارت‌ها

• در گزینهٔ اول، واکنش $\mathrm{I}$ دارای $\Delta H>0$ و گرماگیر است؛ افزایش دما جهت رفت را تقویت می‌کند، نه اینکه غلظت فراورده‌ها را کاهش دهد. در واکنش $\mathrm{II}$ نیز افزایش حجم، تعادل را به سمت واکنش‌دهنده‌ها با مجموع ضرایب گازی $4$، در برابر $2$ در سمت فراورده‌ها، می‌برد (شیمی ۳، صفحه‌های ۱۰۶ تا ۱۰۸).
• در گزینهٔ سوم، افزودن $\mathrm{CO}$ باعث جابه‌جایی تعادل می‌شود، اما ثابت تعادل را تغییر نمی‌دهد؛ برای یک واکنش معین، تنها تغییر دما می‌تواند مقدار $K$ را تغییر دهد (شیمی ۳، صفحه‌های ۱۰۷ تا ۱۰۸).
• در گزینهٔ چهارم، کاهش فشار ناشی از افزایش حجم در واکنش $\mathrm{I}$، به دلیل برابری مجموع ضرایب گازی دو طرف، تعادل را جابه‌جا نمی‌کند؛ بنابراین ادعای جابه‌جایی در جهت برگشت نادرست است (شیمی ۳، صفحهٔ ۱۰۷).

پاسخ: گزینهٔ ۲