|
تمرین دوره ای فصل چهارم شیمی دوازدهم - تمرین ۱
۱- برای هر یک از جملههای زیر دلیلی بنویسید.
آ) استفاده از کاتالیزگر در صنایع گوناگون سبب کاهش آلودگی محیط زیست میشود.
ب) در تعادلهای گازی گرماگیر با افزایش دما در فشار ثابت، $K$ افزایش مییابد.
پ) واکنشی که در آن از یک هیدروکربن، ترکیب آلی اکسیژندار تولید میشود، یک واکنش اکسایش - کاهش است.
پاسخ تشریحی و گام به گام تمرین دوره ای فصل سوم شیمی دوازدهم - تمرین ۱
سلام به شیمیدانهای باهوش! بیایید با هم مفاهیم پنهان در این سه عبارت علمی را بررسی کنیم.
**دلیل مورد آ (کاتالیزگر و محیط زیست):**
کاتالیزگرها با کاهش **انرژی فعالسازی** ($E_a$)، باعث میشوند واکنشهای شیمیایی در دما و فشار پایینتری انجام شوند.
این یعنی مصرف انرژی و سوخت کمتر که مستقیماً باعث کاهش تولید گازهای گلخانهای میشود.
همچنین کاتالیزگرهایی مثل «مبدل کاتالیستی خودرو» آلایندههای سمی را به مواد بیخطر تبدیل میکنند.
**دلیل مورد ب (تغییر ثابت تعادل با دما):**
در واکنشهای **گرماگیر**، گرما مانند یک واکنشدهنده عمل میکند.
طبق **اصل لوشاتلیه**، با افزایش دما، سامانه برای مصرف گرمای اضافی به سمت **رفت** (فرآوردهها) جابهجا میشود.
از آنجا که در عبارت ثابت تعادل ($K = \frac{[\text{Products}]}{[\text{Reactants}]}$)، غلظت فرآوردهها در صورت کسر است، افزایش آنها باعث بزرگتر شدن مقدار عددی $K$ میگردد.
**دلیل مورد پ (اکسایش هیدروکربنها):**
هیدروکربنها فقط شامل $C$ و $H$ هستند.
وقتی به ترکیب آلی اکسیژندار تبدیل میشوند، اتم اکسیژن جایگزین هیدروژن شده یا به ساختار اضافه میشود.
چون اکسیژن الکترونگاتیوی بیشتری نسبت به کربن دارد، باعث افزایش **عدد اکسایش** کربن میشود.
هر تغییری در عدد اکسایش اتمها نشاندهنده تبادل الکترون و وقوع یک واکنش اکسایش - کاهش است.
تمرین دوره ای فصل چهارم شیمی دوازدهم - تمرین ۲
۲- با توجه به نمودارهای زیر به پرسشها پاسخ دهید.
(نمودار سمت راست: واکنش سبز رنگ با انرژی فعالسازی و آنتالپی مشخص)
(نمودار سمت چپ: واکنش قرمز رنگ با انرژی فعالسازی و آنتالپی مشخص)
آ) انرژی فعالسازی و آنتالپی هر واکنش را روی نمودار مشخص کنید.
ب) سرعت کدام واکنش در شرایط یکسان کمتر است؟ چرا؟
پاسخ تشریحی و گام به گام تمرین دوره ای فصل سوم شیمی دوازدهم - تمرین ۲
تحلیل نمودار انرژی واکنشها برای درک سرعت و پایداری مواد بسیار مهم است.
**پاسخ بخش آ (تعیین کمیتها):**
* **انرژی فعالسازی ($E_a$):** فاصله عمودی از سطح انرژی واکنشدهندهها تا قله نمودار است.
* **آنتالپی ($\Delta H$):** تفاوت سطح انرژی فرآوردهها و واکنشدهندههاست.
در نمودار سبز، فرآوردهها پایینتر هستند (گرماده) و در نمودار قرمز، فرآوردهها بالاتر هستند (گرماگیر).
**پاسخ بخش ب (بررسی سرعت):**
سرعت واکنش **سمت چپ (قرمز)** کمتر است.
**دلیل علمی**: با مقایسه چشمی تپهها، میبینیم که تپه انرژی در واکنش قرمز بسیار بلندتر از واکنش سبز است.
هر چه **انرژی فعالسازی** ($E_a$) بزرگتر باشد، سد راه واکنش محکمتر است و ذرات کمتری توان عبور از آن را دارند، در نتیجه واکنش کندتر پیش میرود.
تمرین دوره ای فصل چهارم شیمی دوازدهم - تمرین ۳
۳- در کدام سامانه تعادلی زیر، کاهش حجم سامانه در دمای ثابت سبب افزایش مقدار فرآوردهها میشود؟ توضیح دهید.
آ) $2NO(g) + O_{2}(g) \rightleftharpoons 2NO_{2}(g)$
ب) $N_{2}O_{4}(g) \rightleftharpoons 2NO_{2}(g)$
پ) $CO(g) + H_{2}O(g) \rightleftharpoons CO_{2}(g) + H_{2}(g)$
پاسخ تشریحی و گام به گام تمرین دوره ای فصل سوم شیمی دوازدهم - تمرین ۳
کاهش حجم به معنای افزایش فشار است. بیایید ببینیم کدام تعادل با فشار دوست است!
**پاسخ نهایی: مورد (آ)**
**توضیح مفهومی طبق اصل لوشاتلیه:**
با کاهش حجم، فشار سامانه افزایش مییابد.
سامانه برای مقابله با این فشار زیاد، در جهتی جابهجا میشود که **تعداد مول گاز کمتری** تولید کند تا فشار دوباره کاهش یابد.
* در واکنش **آ**: سمت چپ ۳ مول گاز و سمت راست **۲ مول گاز** داریم. پس تعادل به سمت راست (فرآورده) میرود.
* در واکنش **ب**: سمت چپ ۱ مول و سمت راست ۲ مول گاز داریم. فشار باعث برگشت واکنش به سمت واکنشدهنده میشود.
* در واکنش **پ**: هر دو طرف ۲ مول گاز دارند. تغییر حجم و فشار هیچ اثری بر مقدار مواد ندارد.
تمرین دوره ای فصل چهارم شیمی دوازدهم - تمرین ۴
۴- با توجه به نمودار روبهرو، درستی یا نادرستی هر یک از جملههای زیر را مشخص کنید:
(نمودار تبدیل $3O_{2}$ به $2O_{3}$ با آنتالپی $+286\,kJ$)
آ) انرژی فعالسازی از آنتالپی واکنش بزرگتر است.
ب) آنتالپی (محتوای انرژی) فرآوردهها از واکنشدهندهها کمتر است.
پ) مجموع آنتالپی پیوندها در واکنشدهندهها بزرگتر از فرآوردهها است.
ت) اگر این واکنش درون سیلندر با پیستون روان به تعادل برسد، با افزایش فشار در دمای ثابت، شمار مولهای اوزون کاهش مییابد.
پاسخ تشریحی و گام به گام تمرین دوره ای فصل سوم شیمی دوازدهم - تمرین ۴
بیایید این نمودار و عبارتها را کالبدشکافی کنیم:
**آ) درست**: همانطور که در نمودار میبینید، ارتفاع تپه از سطح آغازین (واکنشدهنده) تا قله ($E_a$) خیلی بیشتر از فاصله سطح آغازین تا سطح پایانی ($\Delta H$) است.
**ب) نادرست**: سطح انرژی $O_{3}$ (فرآورده) بالاتر از $O_{2}$ (واکنشدهنده) قرار گرفته است، پس محتوای انرژی آن بیشتر است.
**پ) درست**: این واکنش **گرماگیر** است ($\Delta H > 0$).
در واکنشهای گرماگیر، انرژی لازم برای شکستن پیوندهای قدیمی (واکنشدهنده) بیشتر از انرژی آزاد شده هنگام تشکیل پیوندهای جدید (فرآورده) است.
**ت) نادرست**: طبق اصل لوشاتلیه، افزایش فشار تعادل را به سمت **مول گاز کمتر** میبرد.
در اینجا سمت فرآورده ۲ مول و سمت واکنشدهنده ۳ مول گاز است. پس فشار باعث جابهجایی به سمت راست و **افزایش** مولهای اوزون میشود.
تمرین دوره ای فصل چهارم شیمی دوازدهم - تمرین ۵
۵- شکل زیر پیشرفت واکنش تبدیل گاز بیرنگ $N_{2}O_{4}$ به گاز قهوهای رنگ $NO_{2}$ را با گذشت زمان در دمای ثابت نشان میدهد. با توجه به آن به پرسشها پاسخ دهید.
آ) آیا واکنش به تعادل رسیده است؟ توضیح دهید.
ب) اگر حجم سامانه ۲ لیتر و هر ذره همارز با $0/01$ مول از آن گونه باشد، ثابت تعادل واکنش زیر را در این دما حساب کنید.
$$N_{2}O_{4}(g) \rightleftharpoons 2NO_{2}(g)$$
پاسخ تشریحی و گام به گام تمرین دوره ای فصل سوم شیمی دوازدهم - تمرین ۵
این آزمایش بصری، مفهوم تعادل را به خوبی نشان میدهد.
**آ) بررسی رسیدن به تعادل:**
**بله**، واکنش به تعادل رسیده است.
**دلیل**: با نگاه به دو تصویر آخر (سمت راست)، میبینیم که رنگ محلول و تعداد ذرات $NO_{2}$ (قرمز) و $N_{2}O_{4}$ (سفید) ثابت مانده است.
ثابت ماندن خواص ظاهری (رنگ) و غلظت گونهها در طول زمان، نشانه قطعی رسیدن به وضعیت **تعادل** است.
**ب) محاسبات ثابت تعادل ($K$):**
ابتدا تعداد مولها را در حالت تعادل (تصویر آخر) میشماریم:
* ذرات $N_{2}O_{4}$ (سفید): ۳ عدد $\rightarrow 3 \times 0/01 = 0/03\,mol$
* ذرات $NO_{2}$ (قرمز): ۶ عدد $\rightarrow 6 \times 0/01 = 0/06\,mol$
حالا غلظت مولی ($M = \frac{n}{V}$) را برای ظرف ۲ لیتری حساب میکنیم:
* $[N_{2}O_{4}] = 0/03 / 2 = 0/015\,M$
* $[NO_{2}] = 0/06 / 2 = 0/03\,M$
در نهایت در فرمول ثابت تعادل قرار میدهیم:
$$K = \frac{[NO_{2}]^{2}}{[N_{2}O_{4}]} = \frac{(0/03)^{2}}{0/015} = \frac{0/0009}{0/015} = 0/06$$
تمرین دوره ای فصل چهارم شیمی دوازدهم - تمرین ۶
۶- با توجه به ساختار ترکیبهای آلی زیر به پرسشها پاسخ دهید.
(۱) $CH_{3}OH$
(۲) پارازایلن (حلقه بنزن با دو گروه متیل)
آ) عدد اکسایش هر یک از اتمهای کربن ستارهدار را تعیین کنید.
ب) در تبدیل ترکیب (۲) به ترفتالیک اسید، عدد اکسایش کدام اتم ستارهدار تغییر میکند؟ توضیح دهید.
پ) روش تهیه یک دیاستر از مواد (۱) و فرآورده حاصل از اکسایش (۲) را با نوشتن معادلههای شیمیایی موازنه شده نشان دهید.
پاسخ تشریحی و گام به گام تمرین دوره ای فصل سوم شیمی دوازدهم - تمرین ۶
این تمرین پلی بین شیمی آلی و واکنشهای اکسایش-کاهش است.
**آ) تعیین عدد اکسایش:**
* در **متانول** ($CH_{3}OH$): کربن به ۳ هیدروژن ($+1$) و ۱ اکسیژن ($-1$ در اتصال به $C$) متصل است. عدد اکسایش کربن برابر **$2-$** است.
* در **پارازایلن**: کربنهای گروه متیل به ۳ هیدروژن متصلند، پس عدد اکسایش آنها **$3-$** است. کربنهای داخل حلقه به دلیل اتصال به کربنهای دیگر، عدد اکسایش **صفر** دارند.
**ب) تغییر عدد اکسایش در اکسایش:**
عدد اکسایش کربن **گروه متیل** (خارج از حلقه) تغییر میکند.
این کربن از حالت $3-$ در پارازایلن به حالت **$+3$** در ترفتالیک اسید ($COOH$) تبدیل میشود.
**پ) سنتز دیاستر:**
۱- ابتدا پارازایلن را با اکسنده (مثل $KMnO_{4}$) به **ترفتالیک اسید** تبدیل میکنیم.
۲- ترفتالیک اسید (دیاسید) را با ۲ مول متانول (الکل) واکنش میدهیم تا **دیمتیل ترفتالات** (دیاستر) و آب تولید شود:
$$C_{6}H_{4}(COOH)_{2} + 2CH_{3}OH \rightarrow C_{6}H_{4}(COOCH_{3})_{2} + 2H_{2}O$$
تمرین دوره ای فصل چهارم شیمی دوازدهم - تمرین ۷
۷- هر یک از موارد زیر سنتز یک فرآورده هدف را نشان میدهد. هر نقطه چین را با فرمول شیمیایی مناسب پر کنید.
آ) گاز اتن + ..... $\xrightarrow{.....}$ اتانول
اتانول + ..... $\xrightarrow{.....}$ حلال چسب
ب) گاز اتن + محلول آبی و رقیق پتاسیم پرمنگنات $\rightarrow$ .....
اتیلن گلیکول + ..... $\rightarrow$ PET
پاسخ تشریحی و گام به گام تمرین دوره ای فصل سوم شیمی دوازدهم - تمرین ۷
این نقشه راه، زنجیره تولید مواد از نفت خام تا پلیمرهای پیشرفته را نشان میدهد.
**تکمیل بخش (آ):**
۱- اتن + **$H_{2}O$** $\xrightarrow{H_{2}SO_{4}}$ **اتانول** (واکنش آبپوشی در حضور اسید).
۲- اتانول + **اسید استیک ($CH_{3}COOH$)** $\xrightarrow{H^{+}}$ **اتیل استات** (حلال چسب که یک استر است).
**تکمیل بخش (ب):**
۱- گاز اتن + محلول رقیق پرمنگنات $\rightarrow$ **اتیلن گلیکول ($HOCH_{2}CH_{2}OH$)**.
۲- اتیلن گلیکول + **ترفتالیک اسید** $\rightarrow$ **PET** (پلیاتیلن ترفتالات).
این فرآیندها نشان میدهند که چگونه با تغییرات کوچک در مولکولهای ساده نفتی، میتوان مواد بسیار پیچیده و کاربردی ساخت.
