سوال 98 دفترچه (سوال 23 شیمی)رشته تجربی، تیر 1403

درباره سلول گالوانی استاندارد «آلومینیوم – هیدروژن»، کدام موارد زیر درست است؟

(حجم هر یک از محلول‌های پیرامون آند و کاتد برابر یک لیتر است.)

(H=1,Al=27g.mol^-1, E⁰(Al³⁺/Al)= -1.66 V)

الف: نسبت تغییرات جرم آند به تغییرات جرم کاتد، برابر 9 است.

ب: اگر غلظت H⁺(aq)، به اندازۀ 0.3 مولار کاهش یابد، غلظت Al³⁺(aq)، باید 0.9 مولار افزایش یابد.

پ: اگر 0.54 گرم از جرم آند کاسته شود، 672 میلی لیتر گاز هیدروژن در شرایط STP تشکیل شده است.

ت: در نمودار «مول-زمان» برای این سلول، شیب تغییر یون شرکت کننده در نیم واکنش کاتدی، 3 برابر شیب تغییر یون شرکت کننده در نیم واکنش آندی است.

1. پ و ت
2. ب و پ
3. الف و ب
4. الف و ت

پاسخ: با توجه به کمتر بودن E⁰ آلومینیوم نسبت به هیدروژن (SHE)، پس آلومینیوم را در آند و SHE را در کاتد قرار می‌دهیم، بدین صورت نیم واکنش آند و کاتد به صورت زیر خواهد بود:

Al(s)→Al³⁺(aq)+3e : نیم واکنش آندی (اکسایش)

2H⁺(aq)+2e→H₂(g) : نیم واکنش کاتدی (کاهش)

حال برای اینکه الکترون‌ها در نیم واکنش‌های آندی و کاتدی با هم موازنه و برابر شوند، نیم واکنش آندی را در 2 ضرب می‌کنیم و نیم واکنش کاتدی را در 3 ضرب می‌کنیم تا در هر دو نیم واکنش، 6 تا الکترون داشته باشیم، و در این صورت واکنش کلی به صورت زیر خواهد شد:

2Al(s)+6H⁺(aq)→2Al³⁺(aq)+3H₂(g)

حال به سراغ گزینه‌ها می‌رویم:

الف: نسبت تغییرات جرم آند به تغییرات جرم کاتد، برابر 9 است:

نادرست است: چون الکترود موجود در نیم سلول SHE، جرم آن تغییری نمی‌کند، و چون در این گزینه، از واژۀ «تغییرات» استفاده شده، گزینه غلط است. توجه داشته باشیم که الکترود کاتد، هیدروژن نمی‌تواند باشد.

ب: اگر غلظت H⁺(aq)، به اندازۀ 0.3 مولار کاهش یابد، غلظت Al³⁺(aq)، باید 0.9 مولار افزایش یابد:

نادرست است زیرا: با توجه به اینکه حجم ظرف هر محلول 1 لیتری است، می‌توانیم مولار را با مول برابر بگیریم، پس با توجه به واکنش کلی و استفاده از استوکیومتری خواهیم داشت:

پس با مصرف 0.3 مولار H⁺(aq)، غلظت Al³⁺(aq) به اندازۀ 0.1 مولار، افزایش می‌یابد.

پ: اگر 0.54 گرم از جرم آند کاسته شود، 672 میلی لیتر گاز هیدروژن در شرایط STP تشکیل شده است:

درست است زیرا: طبق توضیحات ابتدای پاسخ، منظور از آند، فلز آلومینیوم است، پس با توجه به واکنش کلی و استفاده از استوکیومتری خواهیم داشت:

ت: در نمودار «مول-زمان» برای این سلول، شیب تغییر یون شرکت کننده در نیم واکنش کاتدی، 3 برابر شیب تغییر یون شرکت کننده در نیم واکنش آندی است:

درست است: شیب نمودار مول-زمان، همان سرعت است و می‌دانیم سرعت با ضریب استوکیومتری رابطۀ مستقیم دارد، از طرفی، یون شرکت کننده در نیم واکنش کاتدی، H⁺(aq) هست و یون شرکت کننده در نیم واکنش آندی، Al³⁺(aq) است، که در واکنش کلی، ضریب استوکیومتری یون هیدرونیوم، 6 بوده و ضریب استوکیومتری یون آلومینیوم، 2 هست، که نسبت آنها 3 می‌شود.

بنابراین جواب گزینۀ 1، (موارد پ و ت) خواهد بود.

پیش نیازهای لازم برای پاسخ به این تست:

• احاطه بر مبحث سلول‌های گالوانی
• آشنایی با سینتیک
• احاطه بر استوکیومتری

تحلیل سوال:

• سلول‌های الکتروشیمی، از مباحث اصلی کنکور محسوب می‌شوند که یادگیری مفهومی آنها از بایدهای داوطلبان کنکور است و در این تست از ترکیب آن با سینتیک و استوکیومتری به یک تست مفهومی رسیدیم.

بخش زیبای تست:

• گزینۀ 1، به زیبایی مفهوم آند و کاتد را به رخ می‌کشد.

بخش دوست نداشتنی تست:

• ندارد؛ تست جامعی بود، تبریک به طراح آن.