سوال ۱۰۰ شیمی کنکور ریاضی ۱۴۰۳ نوبت دوم با پاسخ تشریحی

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