IChO 1968 · Theory problem 1
Composition of an irradiated hydrogen-chlorine mixture
A mixture of hydrogen and chlorine kept in a closed flask at a constant temperature was irradiated by scattered light. After a certain time the chlorine content decreased by 20 % compared with that of the starting mixture and the resulting mixture had the composition as follows: 60 volume % of chlorine, 10 volume % of hydrogen, and 30 volume % of hydrogen chloride.
Problems:
1.1 What is the composition of the initial gaseous mixture?
1.2 How chlorine, hydrogen, and hydrogen chloride are produced?
Official English text of the problem.
Answers
- 1.1 The initial mixture contained 75 volume % chlorine, \(\ce{Cl2}\),
ClCl, and 25 volume % hydrogen, \(\ce{H2}\),[H][H]. - 1.2 Representative preparations are:
- Chlorine: oxidation of concentrated hydrochloric acid with manganese(IV) oxide; industrially, electrolysis of brine.
- Hydrogen: reaction of zinc with dilute hydrochloric acid; industrially, steam reforming followed by the water-gas shift reaction, or as a coproduct of brine electrolysis.
- Hydrogen chloride, \(\ce{HCl}\),
[H]Cl: reaction of sodium chloride with concentrated sulfuric acid; industrially, direct combination of hydrogen and chlorine.
Solution
1.1 Initial composition
The light-induced reaction is
\[ \ce{H2 + Cl2 ->[light] 2HCl}. \]
For gases at the same temperature and pressure, volume fractions equal mole fractions. The reaction consumes two moles of gaseous reactants for every two moles of gaseous product formed, so the total amount of gas remains unchanged.
Take a basis of 100 mol of the final mixture:
\[ n(\ce{Cl2})=60\ \mathrm{mol},\qquad n(\ce{H2})=10\ \mathrm{mol},\qquad n(\ce{HCl})=30\ \mathrm{mol}. \]
The starting mixture contained only hydrogen and chlorine. Formation of \(30\ \mathrm{mol}\) of hydrogen chloride therefore consumed
\[ n_{\text{consumed}}(\ce{H2}) =n_{\text{consumed}}(\ce{Cl2}) =\frac{30}{2} =15\ \mathrm{mol}. \]
The material balance is:
| Gas | Initial amount | Change | Final amount |
|---|---|---|---|
| \(\ce{Cl2}\) | \(75\ \mathrm{mol}\) | \(-15\ \mathrm{mol}\) | \(60\ \mathrm{mol}\) |
| \(\ce{H2}\) | \(25\ \mathrm{mol}\) | \(-15\ \mathrm{mol}\) | \(10\ \mathrm{mol}\) |
| \(\ce{HCl}\) | \(0\ \mathrm{mol}\) | \(+30\ \mathrm{mol}\) | \(30\ \mathrm{mol}\) |
| Total | \(100\ \mathrm{mol}\) | \(0\ \mathrm{mol}\) | \(100\ \mathrm{mol}\) |
Thus,
\[ \boxed{\text{Initial mixture: }75\text{ volume \% }\ce{Cl2} \text{ and }25\text{ volume \% }\ce{H2}.} \]
The relative decrease in chlorine is
\[ \frac{75-60}{75}\times100\%=20\%, \]
which agrees with the stated decrease.
1.2 Preparation of the gases
The question does not specify a production scale, so representative laboratory and industrial methods are given.
Chlorine
In the laboratory, warming manganese(IV) oxide with concentrated hydrochloric acid produces chlorine:
\[ \ce{MnO2 + 4HCl ->[\Delta] MnCl2 + Cl2 + 2H2O}. \]
Manganese is reduced from oxidation state \(+4\) to \(+2\), while chlorine is oxidized from \(-1\) to \(0\).
Industrially, concentrated aqueous sodium chloride—brine—is electrolysed:
\[ \ce{2NaCl + 2H2O ->[electrolysis] Cl2 + H2 + 2NaOH}. \]
Chlorine forms at the anode and hydrogen at the cathode. The electrode products are kept separate to permit collection of the gases and prevent their reaction with each other or with the sodium hydroxide solution.
Hydrogen
In the laboratory, zinc reacts with dilute hydrochloric acid:
\[ \ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2}. \]
Zinc is oxidized from \(0\) to \(+2\), and hydrogen is reduced from \(+1\) to \(0\).
Hydrogen is also obtained industrially as the cathodic product of brine electrolysis, as shown above. Another major route is the catalytic reaction of methane with steam at high temperature:
\[ \ce{CH4 + H2O <=> CO + 3H2}. \]
The carbon monoxide is then reacted with further steam in the water-gas shift reaction:
\[ \ce{CO + H2O <=> CO2 + H2}. \]
After removal of carbon dioxide and other impurities, hydrogen is obtained.
Hydrogen chloride
In the laboratory, gentle heating of sodium chloride with concentrated sulfuric acid gives hydrogen chloride gas:
\[ \ce{NaCl + H2SO4 -> NaHSO4 + HCl ^}. \]
With stronger heating and sufficient sodium chloride, the overall reaction is
\[ \ce{2NaCl + H2SO4 ->[\Delta] Na2SO4 + 2HCl ^}. \]
The low volatility of sulfuric acid allows volatile hydrogen chloride to be expelled from the mixture.
Industrially, hydrogen chloride can be produced by controlled direct combination of hydrogen and chlorine:
\[ \ce{H2 + Cl2 -> 2HCl}. \]
Absorbing the resulting hydrogen chloride gas in water produces hydrochloric acid.
Names and SMILES for the additional substances used above
For salts and extended solids, the dot-separated representations below give formal ionic formula-unit compositions; they do not describe a discrete molecule, a crystal lattice, or solvation.
| Formula | Name | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{H2O}\) | Water | O |
| \(\ce{MnO2}\) | Manganese(IV) oxide | [Mn+4].[O-2].[O-2] |
| \(\ce{MnCl2}\) | Manganese(II) chloride | [Mn+2].[Cl-].[Cl-] |
| \(\ce{NaCl}\) | Sodium chloride | [Na+].[Cl-] |
| \(\ce{NaOH}\) | Sodium hydroxide | [Na+].[OH-] |
| \(\ce{ZnCl2}\) | Zinc chloride | [Zn+2].[Cl-].[Cl-] |
| \(\ce{CH4}\) | Methane | C |
| \(\ce{CO}\) | Carbon monoxide | [C-]#[O+] |
| \(\ce{CO2}\) | Carbon dioxide | O=C=O |
| \(\ce{H2SO4}\) | Sulfuric acid | OS(=O)(=O)O |
| \(\ce{NaHSO4}\) | Sodium hydrogen sulfate | [Na+].OS(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{Na2SO4}\) | Sodium sulfate | [Na+].[Na+].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
Zinc, \(\ce{Zn}\), is a metallic solid; [Zn] represents an individual zinc atom, not its metallic lattice.
The solution was checked against the official solution.
IChO 1968 · Theorieaufgabe 1
Zusammensetzung eines bestrahlten Wasserstoff-Chlor-Gemisches
Ein Gemisch aus Wasserstoff und Chlor wurde in einem geschlossenen Kolben bei konstanter Temperatur mit Streulicht bestrahlt. Nach einer gewissen Zeit war der Chlorgehalt gegenüber dem Ausgangsgemisch um 20 % gesunken, und das entstandene Gemisch hatte folgende Zusammensetzung: 60 Volumen-% Chlor, 10 Volumen-% Wasserstoff und 30 Volumen-% Chlorwasserstoff.
Aufgaben:
1.1 Welche Zusammensetzung hat das ursprüngliche Gasgemisch?
1.2 Wie werden Chlor, Wasserstoff und Chlorwasserstoff hergestellt?
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 1.1 Das Ausgangsgemisch enthielt 75 Volumen-% Chlor, \(\ce{Cl2}\),
ClCl, und 25 Volumen-% Wasserstoff, \(\ce{H2}\),[H][H]. - 1.2 Beispielhafte Herstellungsverfahren sind:
- Chlor: Oxidation konzentrierter Salzsäure mit Mangan(IV)-oxid; industriell durch Elektrolyse von Sole.
- Wasserstoff: Reaktion von Zink mit verdünnter Salzsäure; industriell durch Dampfreformierung mit anschließender Wassergas-Shift-Reaktion oder als Koppelprodukt der Soleelektrolyse.
- Chlorwasserstoff, \(\ce{HCl}\),
[H]Cl: Reaktion von Natriumchlorid mit konzentrierter Schwefelsäure; industriell durch direkte Vereinigung von Wasserstoff und Chlor.
Lösung
1.1 Ausgangszusammensetzung
Die lichtinduzierte Reaktion lautet
\[ \ce{H2 + Cl2 ->[light] 2HCl}. \]
Bei Gasen unter gleicher Temperatur und gleichem Druck sind die Volumenanteile gleich den Stoffmengenanteilen. Bei der Reaktion werden für jeweils zwei Mol gebildetes gasförmiges Produkt zwei Mol gasförmige Edukte verbraucht, sodass die Gesamtstoffmenge des Gases unverändert bleibt.
Als Berechnungsgrundlage dienen 100 mol des Endgemisches:
\[ n(\ce{Cl2})=60\ \mathrm{mol},\qquad n(\ce{H2})=10\ \mathrm{mol},\qquad n(\ce{HCl})=30\ \mathrm{mol}. \]
Das Ausgangsgemisch enthielt nur Wasserstoff und Chlor. Bei der Bildung von \(30\ \mathrm{mol}\) Chlorwasserstoff wurden daher folgende Stoffmengen verbraucht:
\[ n_{\text{verbraucht}}(\ce{H2}) =n_{\text{verbraucht}}(\ce{Cl2}) =\frac{30}{2} =15\ \mathrm{mol}. \]
Die Stoffmengenbilanz lautet:
| Gas | Anfangsstoffmenge | Änderung | Endstoffmenge |
|---|---|---|---|
| \(\ce{Cl2}\) | \(75\ \mathrm{mol}\) | \(-15\ \mathrm{mol}\) | \(60\ \mathrm{mol}\) |
| \(\ce{H2}\) | \(25\ \mathrm{mol}\) | \(-15\ \mathrm{mol}\) | \(10\ \mathrm{mol}\) |
| \(\ce{HCl}\) | \(0\ \mathrm{mol}\) | \(+30\ \mathrm{mol}\) | \(30\ \mathrm{mol}\) |
| Gesamt | \(100\ \mathrm{mol}\) | \(0\ \mathrm{mol}\) | \(100\ \mathrm{mol}\) |
Somit gilt:
\[ \boxed{\text{Ausgangsgemisch: }75\text{ Volumen-\% }\ce{Cl2} \text{ und }25\text{ Volumen-\% }\ce{H2}.} \]
Die relative Abnahme des Chlorgehalts beträgt
\[ \frac{75-60}{75}\times100\%=20\%, \]
was mit der angegebenen Abnahme übereinstimmt.
1.2 Herstellung der Gase
Die Frage legt keinen Herstellungsmaßstab fest; daher werden beispielhafte Verfahren für das Labor und die Industrie angegeben.
Chlor
Im Labor entsteht Chlor beim Erwärmen von Mangan(IV)-oxid mit konzentrierter Salzsäure:
\[ \ce{MnO2 + 4HCl ->[\Delta] MnCl2 + Cl2 + 2H2O}. \]
Mangan wird von der Oxidationsstufe \(+4\) auf \(+2\) reduziert, während Chlor von \(-1\) auf \(0\) oxidiert wird.
Industriell wird eine konzentrierte wässrige Natriumchloridlösung — Sole — elektrolysiert:
\[ \ce{2NaCl + 2H2O ->[electrolysis] Cl2 + H2 + 2NaOH}. \]
Chlor entsteht an der Anode und Wasserstoff an der Kathode. Die Elektrodenprodukte werden getrennt gehalten, damit die Gase aufgefangen werden können und nicht miteinander oder mit der Natronlauge reagieren.
Wasserstoff
Im Labor reagiert Zink mit verdünnter Salzsäure:
\[ \ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2}. \]
Zink wird von \(0\) auf \(+2\) oxidiert, und Wasserstoff wird von \(+1\) auf \(0\) reduziert.
Wasserstoff wird auch industriell als kathodisches Produkt der Soleelektrolyse gewonnen, wie oben gezeigt. Ein weiteres bedeutendes Verfahren ist die katalytische Reaktion von Methan mit Wasserdampf bei hoher Temperatur:
\[ \ce{CH4 + H2O <=> CO + 3H2}. \]
Das Kohlenstoffmonoxid wird anschließend in der Wassergas-Shift-Reaktion mit weiterem Wasserdampf umgesetzt:
\[ \ce{CO + H2O <=> CO2 + H2}. \]
Nach der Entfernung von Kohlenstoffdioxid und anderen Verunreinigungen wird Wasserstoff erhalten.
Chlorwasserstoff
Im Labor entsteht beim vorsichtigen Erhitzen von Natriumchlorid mit konzentrierter Schwefelsäure gasförmiger Chlorwasserstoff:
\[ \ce{NaCl + H2SO4 -> NaHSO4 + HCl ^}. \]
Bei stärkerem Erhitzen und einer ausreichenden Menge Natriumchlorid lautet die Gesamtreaktion
\[ \ce{2NaCl + H2SO4 ->[\Delta] Na2SO4 + 2HCl ^}. \]
Die geringe Flüchtigkeit der Schwefelsäure ermöglicht es, den flüchtigen Chlorwasserstoff aus dem Gemisch auszutreiben.
Industriell kann Chlorwasserstoff durch kontrollierte direkte Vereinigung von Wasserstoff und Chlor hergestellt werden:
\[ \ce{H2 + Cl2 -> 2HCl}. \]
Durch Absorption des entstandenen Chlorwasserstoffgases in Wasser erhält man Salzsäure.
Namen und SMILES der weiteren oben verwendeten Stoffe
Für Salze und Feststoffe mit ausgedehnter Struktur geben die nachstehenden, durch Punkte getrennten Darstellungen die formale ionische Zusammensetzung der Formeleinheiten an; sie beschreiben weder ein einzelnes Molekül noch ein Kristallgitter oder eine Solvatation.
| Formel | Name | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{H2O}\) | Wasser | O |
| \(\ce{MnO2}\) | Mangan(IV)-oxid | [Mn+4].[O-2].[O-2] |
| \(\ce{MnCl2}\) | Mangan(II)-chlorid | [Mn+2].[Cl-].[Cl-] |
| \(\ce{NaCl}\) | Natriumchlorid | [Na+].[Cl-] |
| \(\ce{NaOH}\) | Natriumhydroxid | [Na+].[OH-] |
| \(\ce{ZnCl2}\) | Zinkchlorid | [Zn+2].[Cl-].[Cl-] |
| \(\ce{CH4}\) | Methan | C |
| \(\ce{CO}\) | Kohlenstoffmonoxid | [C-]#[O+] |
| \(\ce{CO2}\) | Kohlenstoffdioxid | O=C=O |
| \(\ce{H2SO4}\) | Schwefelsäure | OS(=O)(=O)O |
| \(\ce{NaHSO4}\) | Natriumhydrogensulfat | [Na+].OS(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{Na2SO4}\) | Natriumsulfat | [Na+].[Na+].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
Zink, \(\ce{Zn}\), ist ein metallischer Feststoff; [Zn] stellt ein einzelnes Zinkatom dar, nicht dessen Metallgitter.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1968 · Teori sorusu 1
Işınlanan bir hidrojen-klor karışımının bileşimi
Kapalı bir balonda sabit sıcaklıkta tutulan bir hidrojen ve klor karışımı, saçılmış ışıkla ışınlandı. Belirli bir süre sonra klor miktarı başlangıç karışımındakine göre %20 azaldı ve oluşan karışımın bileşimi şöyle oldu: hacimce %60 klor, hacimce %10 hidrojen ve hacimce %30 hidrojen klorür.
Sorular:
1.1 Başlangıçtaki gaz karışımının bileşimi nedir?
1.2 Klor, hidrojen ve hidrojen klorür nasıl üretilir?
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 1.1 Başlangıç karışımı hacimce %75 klor, \(\ce{Cl2}\),
ClCl, ve hacimce %25 hidrojen, \(\ce{H2}\),[H][H], içeriyordu. - 1.2 Başlıca elde etme yöntemlerine örnekler şunlardır:
- Klor: derişik hidroklorik asidin mangan(IV) oksitle yükseltgenmesi; endüstride, tuzlu suyun elektrolizi.
- Hidrojen: çinkonun seyreltik hidroklorik asitle tepkimesi; endüstride, buhar reformlamasının ardından su-gaz kaydırma tepkimesi veya tuzlu suyun elektrolizinde eş ürün olarak elde edilmesi.
- Hidrojen klorür, \(\ce{HCl}\),
[H]Cl: sodyum klorürün derişik sülfürik asitle tepkimesi; endüstride, hidrojen ile klorun doğrudan birleşmesi.
Çözüm
1.1 Başlangıç bileşimi
Işık etkisiyle gerçekleşen tepkime şöyledir:
\[ \ce{H2 + Cl2 ->[light] 2HCl}. \]
Aynı sıcaklık ve basınçtaki gazların hacim kesirleri mol kesirlerine eşittir. Tepkimede oluşan her iki mol gaz ürün için iki mol gaz reaktan tüketildiğinden toplam gaz miktarı değişmez.
Hesaplama için son karışımın 100 molünü esas alalım:
\[ n(\ce{Cl2})=60\ \mathrm{mol},\qquad n(\ce{H2})=10\ \mathrm{mol},\qquad n(\ce{HCl})=30\ \mathrm{mol}. \]
Başlangıç karışımı yalnızca hidrojen ve klor içeriyordu. Dolayısıyla \(30\ \mathrm{mol}\) hidrojen klorür oluşurken tüketilen miktarlar şöyledir:
\[ n_{\text{tüketilen}}(\ce{H2}) =n_{\text{tüketilen}}(\ce{Cl2}) =\frac{30}{2} =15\ \mathrm{mol}. \]
Madde denkliği şöyledir:
| Gaz | Başlangıç miktarı | Değişim | Son miktar |
|---|---|---|---|
| \(\ce{Cl2}\) | \(75\ \mathrm{mol}\) | \(-15\ \mathrm{mol}\) | \(60\ \mathrm{mol}\) |
| \(\ce{H2}\) | \(25\ \mathrm{mol}\) | \(-15\ \mathrm{mol}\) | \(10\ \mathrm{mol}\) |
| \(\ce{HCl}\) | \(0\ \mathrm{mol}\) | \(+30\ \mathrm{mol}\) | \(30\ \mathrm{mol}\) |
| Toplam | \(100\ \mathrm{mol}\) | \(0\ \mathrm{mol}\) | \(100\ \mathrm{mol}\) |
Böylece,
\[ \boxed{\text{Başlangıç karışımı: }75\text{ hacim \% }\ce{Cl2} \text{ ve }25\text{ hacim \% }\ce{H2}.} \]
Klor miktarındaki bağıl azalma
\[ \frac{75-60}{75}\times100\%=20\%, \]
olup verilen azalmayla uyumludur.
1.2 Gazların elde edilmesi
Soruda üretim ölçeği belirtilmediğinden laboratuvar ve endüstri yöntemlerinden başlıca örnekler verilmiştir.
Klor
Laboratuvarda mangan(IV) oksidin derişik hidroklorik asitle ısıtılmasıyla klor elde edilir:
\[ \ce{MnO2 + 4HCl ->[\Delta] MnCl2 + Cl2 + 2H2O}. \]
Manganın yükseltgenme basamağı \(+4\)'ten \(+2\)'ye düşerken mangan indirgenir; klorun yükseltgenme basamağı ise \(-1\)'den \(0\)'a çıkarken klor yükseltgenir.
Endüstride, derişik sulu sodyum klorür çözeltisi, yani tuzlu su, elektroliz edilir:
\[ \ce{2NaCl + 2H2O ->[electrolysis] Cl2 + H2 + 2NaOH}. \]
Anotta klor, katotta hidrojen oluşur. Gazların toplanabilmesi ve birbirleriyle ya da sodyum hidroksit çözeltisiyle tepkimeye girmelerinin önlenmesi için elektrot ürünleri birbirinden ayrı tutulur.
Hidrojen
Laboratuvarda çinko, seyreltik hidroklorik asitle tepkimeye girer:
\[ \ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2}. \]
Çinko \(0\)'dan \(+2\)'ye yükseltgenir ve hidrojen \(+1\)'den \(0\)'a indirgenir.
Hidrojen, yukarıda gösterildiği gibi, endüstride tuzlu suyun elektrolizinde katot ürünü olarak da elde edilir. Bir diğer önemli yöntem, metanın yüksek sıcaklıkta su buharıyla katalitik tepkimesidir:
\[ \ce{CH4 + H2O <=> CO + 3H2}. \]
Ardından karbon monoksit, su-gaz kaydırma tepkimesinde ilave su buharıyla tepkimeye sokulur:
\[ \ce{CO + H2O <=> CO2 + H2}. \]
Karbon dioksit ve diğer safsızlıklar uzaklaştırıldıktan sonra hidrojen elde edilir.
Hidrojen klorür
Laboratuvarda sodyum klorürün derişik sülfürik asitle hafifçe ısıtılmasıyla hidrojen klorür gazı elde edilir:
\[ \ce{NaCl + H2SO4 -> NaHSO4 + HCl ^}. \]
Daha kuvvetli ısıtma uygulandığında ve yeterli sodyum klorür bulunduğunda toplam tepkime şöyledir:
\[ \ce{2NaCl + H2SO4 ->[\Delta] Na2SO4 + 2HCl ^}. \]
Sülfürik asidin uçuculuğunun düşük olması, uçucu hidrojen klorürün karışımdan uzaklaştırılmasını sağlar.
Endüstride hidrojen klorür, hidrojen ile klorun kontrollü olarak doğrudan birleştirilmesiyle üretilebilir:
\[ \ce{H2 + Cl2 -> 2HCl}. \]
Oluşan hidrojen klorür gazının suda soğurulmasıyla hidroklorik asit elde edilir.
Yukarıda kullanılan diğer maddelerin adları ve SMILES gösterimleri
Tuzlar ve sürekli örgü yapısına sahip katılar için aşağıdaki noktayla ayrılmış gösterimler, biçimsel iyonik formül birimi bileşimlerini verir; tek bir molekülü, kristal örgüsünü veya solvatasyonu betimlemez.
| Formül | Adı | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{H2O}\) | Su | O |
| \(\ce{MnO2}\) | Mangan(IV) oksit | [Mn+4].[O-2].[O-2] |
| \(\ce{MnCl2}\) | Mangan(II) klorür | [Mn+2].[Cl-].[Cl-] |
| \(\ce{NaCl}\) | Sodyum klorür | [Na+].[Cl-] |
| \(\ce{NaOH}\) | Sodyum hidroksit | [Na+].[OH-] |
| \(\ce{ZnCl2}\) | Çinko klorür | [Zn+2].[Cl-].[Cl-] |
| \(\ce{CH4}\) | Metan | C |
| \(\ce{CO}\) | Karbon monoksit | [C-]#[O+] |
| \(\ce{CO2}\) | Karbon dioksit | O=C=O |
| \(\ce{H2SO4}\) | Sülfürik asit | OS(=O)(=O)O |
| \(\ce{NaHSO4}\) | Sodyum hidrojen sülfat | [Na+].OS(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{Na2SO4}\) | Sodyum sülfat | [Na+].[Na+].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
Çinko, \(\ce{Zn}\), metalik bir katıdır; [Zn], çinkonun metalik örgüsünü değil, tek bir çinko atomunu temsil eder.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1968 · Problema teórico 1
Composición de una mezcla irradiada de hidrógeno y cloro
Una mezcla de hidrógeno y cloro mantenida en un matraz cerrado a temperatura constante se irradió con luz dispersa. Al cabo de cierto tiempo, el contenido de cloro disminuyó un 20 % con respecto al de la mezcla inicial y la mezcla resultante tenía la siguiente composición: 60 % en volumen de cloro, 10 % en volumen de hidrógeno y 30 % en volumen de cloruro de hidrógeno.
Preguntas:
1.1 ¿Cuál es la composición de la mezcla gaseosa inicial?
1.2 ¿Cómo se obtienen el cloro, el hidrógeno y el cloruro de hidrógeno?
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 1.1 La mezcla inicial contenía 75 % en volumen de cloro, \(\ce{Cl2}\),
ClCl, y 25 % en volumen de hidrógeno, \(\ce{H2}\),[H][H]. - 1.2 Algunos métodos representativos de obtención son:
- Cloro: oxidación del ácido clorhídrico concentrado con óxido de manganeso(IV); industrialmente, electrólisis de salmuera.
- Hidrógeno: reacción del zinc con ácido clorhídrico diluido; industrialmente, reformado con vapor seguido de la reacción de desplazamiento del gas de agua, o como coproducto de la electrólisis de salmuera.
- Cloruro de hidrógeno, \(\ce{HCl}\),
[H]Cl: reacción del cloruro de sodio con ácido sulfúrico concentrado; industrialmente, combinación directa de hidrógeno y cloro.
Solución
1.1 Composición inicial
La reacción inducida por la luz es
\[ \ce{H2 + Cl2 ->[light] 2HCl}. \]
Para gases a la misma temperatura y presión, las fracciones en volumen son iguales a las fracciones molares. La reacción consume dos moles de reactivos gaseosos por cada dos moles de producto gaseoso formado, por lo que la cantidad total de gas permanece constante.
Tomemos como base 100 mol de la mezcla final:
\[ n(\ce{Cl2})=60\ \mathrm{mol},\qquad n(\ce{H2})=10\ \mathrm{mol},\qquad n(\ce{HCl})=30\ \mathrm{mol}. \]
La mezcla inicial contenía únicamente hidrógeno y cloro. Por tanto, la formación de \(30\ \mathrm{mol}\) de cloruro de hidrógeno consumió
\[ n_{\text{consumido}}(\ce{H2}) =n_{\text{consumido}}(\ce{Cl2}) =\frac{30}{2} =15\ \mathrm{mol}. \]
El balance de materia es:
| Gas | Cantidad inicial | Variación | Cantidad final |
|---|---|---|---|
| \(\ce{Cl2}\) | \(75\ \mathrm{mol}\) | \(-15\ \mathrm{mol}\) | \(60\ \mathrm{mol}\) |
| \(\ce{H2}\) | \(25\ \mathrm{mol}\) | \(-15\ \mathrm{mol}\) | \(10\ \mathrm{mol}\) |
| \(\ce{HCl}\) | \(0\ \mathrm{mol}\) | \(+30\ \mathrm{mol}\) | \(30\ \mathrm{mol}\) |
| Total | \(100\ \mathrm{mol}\) | \(0\ \mathrm{mol}\) | \(100\ \mathrm{mol}\) |
Por tanto,
\[ \boxed{\text{Mezcla inicial: }75\text{ \% en volumen }\ce{Cl2} \text{ y }25\text{ \% en volumen }\ce{H2}.} \]
La disminución relativa del cloro es
\[ \frac{75-60}{75}\times100\%=20\%, \]
lo que concuerda con la disminución indicada.
1.2 Obtención de los gases
La pregunta no especifica una escala de producción, por lo que se presentan métodos representativos de laboratorio e industriales.
Cloro
En el laboratorio, al calentar óxido de manganeso(IV) con ácido clorhídrico concentrado se produce cloro:
\[ \ce{MnO2 + 4HCl ->[\Delta] MnCl2 + Cl2 + 2H2O}. \]
El manganeso se reduce del estado de oxidación \(+4\) al \(+2\), mientras que el cloro se oxida de \(-1\) a \(0\).
Industrialmente, se somete a electrólisis una disolución acuosa concentrada de cloruro de sodio —salmuera—:
\[ \ce{2NaCl + 2H2O ->[electrolysis] Cl2 + H2 + 2NaOH}. \]
El cloro se forma en el ánodo y el hidrógeno en el cátodo. Los productos de los electrodos se mantienen separados para permitir la recogida de los gases y evitar que reaccionen entre sí o con la disolución de hidróxido de sodio.
Hidrógeno
En el laboratorio, el zinc reacciona con ácido clorhídrico diluido:
\[ \ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2}. \]
El zinc se oxida de \(0\) a \(+2\), y el hidrógeno se reduce de \(+1\) a \(0\).
El hidrógeno también se obtiene industrialmente como producto catódico de la electrólisis de salmuera, como se ha mostrado anteriormente. Otra vía importante es la reacción catalítica del metano con vapor de agua a alta temperatura:
\[ \ce{CH4 + H2O <=> CO + 3H2}. \]
A continuación, se hace reaccionar el monóxido de carbono con más vapor de agua mediante la reacción de desplazamiento del gas de agua:
\[ \ce{CO + H2O <=> CO2 + H2}. \]
Tras eliminar el dióxido de carbono y otras impurezas, se obtiene hidrógeno.
Cloruro de hidrógeno
En el laboratorio, el calentamiento suave de cloruro de sodio con ácido sulfúrico concentrado produce cloruro de hidrógeno gaseoso:
\[ \ce{NaCl + H2SO4 -> NaHSO4 + HCl ^}. \]
Con un calentamiento más intenso y suficiente cloruro de sodio, la reacción global es
\[ \ce{2NaCl + H2SO4 ->[\Delta] Na2SO4 + 2HCl ^}. \]
La baja volatilidad del ácido sulfúrico permite expulsar de la mezcla el cloruro de hidrógeno volátil.
Industrialmente, el cloruro de hidrógeno puede producirse mediante la combinación directa controlada de hidrógeno y cloro:
\[ \ce{H2 + Cl2 -> 2HCl}. \]
La absorción en agua del cloruro de hidrógeno gaseoso resultante produce ácido clorhídrico.
Nombres y SMILES de las sustancias adicionales utilizadas anteriormente
Para las sales y los sólidos de estructura extendida, las representaciones separadas por puntos que se muestran a continuación indican las composiciones iónicas formales de las unidades fórmula; no describen una molécula discreta, una red cristalina ni la solvatación.
| Fórmula | Nombre | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{H2O}\) | Agua | O |
| \(\ce{MnO2}\) | Óxido de manganeso(IV) | [Mn+4].[O-2].[O-2] |
| \(\ce{MnCl2}\) | Cloruro de manganeso(II) | [Mn+2].[Cl-].[Cl-] |
| \(\ce{NaCl}\) | Cloruro de sodio | [Na+].[Cl-] |
| \(\ce{NaOH}\) | Hidróxido de sodio | [Na+].[OH-] |
| \(\ce{ZnCl2}\) | Cloruro de zinc | [Zn+2].[Cl-].[Cl-] |
| \(\ce{CH4}\) | Metano | C |
| \(\ce{CO}\) | Monóxido de carbono | [C-]#[O+] |
| \(\ce{CO2}\) | Dióxido de carbono | O=C=O |
| \(\ce{H2SO4}\) | Ácido sulfúrico | OS(=O)(=O)O |
| \(\ce{NaHSO4}\) | Hidrogenosulfato de sodio | [Na+].OS(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{Na2SO4}\) | Sulfato de sodio | [Na+].[Na+].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
El zinc, \(\ce{Zn}\), es un sólido metálico; [Zn] representa un átomo individual de zinc, no su red metálica.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1968 · 理论题 1
经光照的氢气与氯气混合物的组成
将氢气与氯气的混合物置于恒温的密闭烧瓶中，用散射光照射。经过一段时间后，氯气含量比初始混合物中的氯气含量减少了 20 %，所得混合物的组成为：氯气的体积分数为 60 %，氢气的体积分数为 10 %，氯化氢的体积分数为 30 %。
问题：
1.1 初始气体混合物的组成是什么？
1.2 如何制备氯气、氢气和氯化氢？
题目译自官方英文原文。
答案
- 1.1 初始混合物含有体积分数为 75 % 的氯气，\(\ce{Cl2}\)，
ClCl，以及体积分数为 25 % 的氢气，\(\ce{H2}\)，[H][H]。 - 1.2 典型的制备方法如下：
- 氯气：用二氧化锰氧化浓盐酸；工业上采用电解食盐水的方法。
- 氢气：使锌与稀盐酸反应；工业上采用蒸汽重整并随后进行水煤气变换反应，或作为电解食盐水的联产品获得。
- 氯化氢，\(\ce{HCl}\)，
[H]Cl：使氯化钠与浓硫酸反应；工业上使氢气与氯气直接化合。
解答
1.1 初始组成
光引发的反应为
\[ \ce{H2 + Cl2 ->[light] 2HCl}. \]
对于温度和压力相同的气体，体积分数等于摩尔分数。该反应每生成两摩尔气态产物，就消耗两摩尔气态反应物，因此气体的总物质的量保持不变。
以 100 mol 最终混合物为计算基准：
\[ n(\ce{Cl2})=60\ \mathrm{mol},\qquad n(\ce{H2})=10\ \mathrm{mol},\qquad n(\ce{HCl})=30\ \mathrm{mol}. \]
初始混合物中仅含氢气和氯气。因此，生成 \(30\ \mathrm{mol}\) 氯化氢所消耗的氢气和氯气的物质的量为
\[ n_{\text{消耗}}(\ce{H2}) =n_{\text{消耗}}(\ce{Cl2}) =\frac{30}{2} =15\ \mathrm{mol}. \]
物料衡算如下：
| 气体 | 初始物质的量 | 变化量 | 最终物质的量 |
|---|---|---|---|
| \(\ce{Cl2}\) | \(75\ \mathrm{mol}\) | \(-15\ \mathrm{mol}\) | \(60\ \mathrm{mol}\) |
| \(\ce{H2}\) | \(25\ \mathrm{mol}\) | \(-15\ \mathrm{mol}\) | \(10\ \mathrm{mol}\) |
| \(\ce{HCl}\) | \(0\ \mathrm{mol}\) | \(+30\ \mathrm{mol}\) | \(30\ \mathrm{mol}\) |
| 总计 | \(100\ \mathrm{mol}\) | \(0\ \mathrm{mol}\) | \(100\ \mathrm{mol}\) |
因此，
\[ \boxed{\text{初始混合物：}75\text{ 体积\% }\ce{Cl2} \text{ 和 }25\text{ 体积\% }\ce{H2}.} \]
氯气的相对减少量为
\[ \frac{75-60}{75}\times100\%=20\%, \]
与题目所述的减少量一致。
1.2 气体的制备
题目未指定生产规模，因此下面给出典型的实验室和工业制备方法。
氯气
在实验室中，将二氧化锰与浓盐酸一起温热，可制得氯气：
\[ \ce{MnO2 + 4HCl ->[\Delta] MnCl2 + Cl2 + 2H2O}. \]
锰的氧化态由 \(+4\) 降至 \(+2\)，被还原；氯的氧化态由 \(-1\) 升至 \(0\)，被氧化。
工业上电解浓氯化钠水溶液，即浓食盐水：
\[ \ce{2NaCl + 2H2O ->[electrolysis] Cl2 + H2 + 2NaOH}. \]
氯气在阳极生成，氢气在阴极生成。将电极产物彼此隔离，以便收集气体，并防止它们相互反应或与氢氧化钠溶液反应。
氢气
在实验室中，使锌与稀盐酸反应：
\[ \ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2}. \]
锌的氧化态由 \(0\) 升至 \(+2\)，被氧化；氢的氧化态由 \(+1\) 降至 \(0\)，被还原。
如上所示，工业上也可通过电解食盐水，获得作为阴极产物的氢气。另一种主要途径是使甲烷与水蒸气在高温下发生催化反应：
\[ \ce{CH4 + H2O <=> CO + 3H2}. \]
随后，使一氧化碳与另外加入的水蒸气发生水煤气变换反应：
\[ \ce{CO + H2O <=> CO2 + H2}. \]
除去二氧化碳及其他杂质后，即得到氢气。
氯化氢
在实验室中，将氯化钠与浓硫酸一起缓和加热，可得到氯化氢气体：
\[ \ce{NaCl + H2SO4 -> NaHSO4 + HCl ^}. \]
在较强加热且氯化钠充足的条件下，总反应为
\[ \ce{2NaCl + H2SO4 ->[\Delta] Na2SO4 + 2HCl ^}. \]
硫酸的挥发性低，因此可使易挥发的氯化氢从混合物中逸出。
工业上，可通过受控的氢气与氯气直接化合反应制备氯化氢：
\[ \ce{H2 + Cl2 -> 2HCl}. \]
将所得氯化氢气体吸收于水中，即制得盐酸。
上述其他物质的名称及 SMILES
对于盐类和具有延展结构的固体，下列用点分隔的表示法给出的是化学式单位的形式离子组成；它们并不描述独立分子、晶格或溶剂化情况。
| 化学式 | 名称 | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{H2O}\) | 水 | O |
| \(\ce{MnO2}\) | 二氧化锰 | [Mn+4].[O-2].[O-2] |
| \(\ce{MnCl2}\) | 氯化锰(II) | [Mn+2].[Cl-].[Cl-] |
| \(\ce{NaCl}\) | 氯化钠 | [Na+].[Cl-] |
| \(\ce{NaOH}\) | 氢氧化钠 | [Na+].[OH-] |
| \(\ce{ZnCl2}\) | 氯化锌 | [Zn+2].[Cl-].[Cl-] |
| \(\ce{CH4}\) | 甲烷 | C |
| \(\ce{CO}\) | 一氧化碳 | [C-]#[O+] |
| \(\ce{CO2}\) | 二氧化碳 | O=C=O |
| \(\ce{H2SO4}\) | 硫酸 | OS(=O)(=O)O |
| \(\ce{NaHSO4}\) | 硫酸氢钠 | [Na+].OS(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{Na2SO4}\) | 硫酸钠 | [Na+].[Na+].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
锌，\(\ce{Zn}\)，是一种金属固体；[Zn] 表示单个锌原子，而非其金属晶格。
解答已与官方解答核对。
IChO 1968 · Теоретическая задача 1
Состав облучённой смеси водорода и хлора
Смесь водорода и хлора, находившуюся в закрытой колбе при постоянной температуре, облучали рассеянным светом. Через некоторое время содержание хлора уменьшилось на 20 % по сравнению с его содержанием в исходной смеси, и полученная смесь имела следующий состав: 60 объёмных % хлора, 10 объёмных % водорода и 30 объёмных % хлороводорода.
Вопросы:
1.1 Каков состав исходной газовой смеси?
1.2 Как получают хлор, водород и хлороводород?
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 1.1 Исходная смесь содержала 75 объёмных % хлора, \(\ce{Cl2}\),
ClCl, и 25 объёмных % водорода, \(\ce{H2}\),[H][H]. - 1.2 Примеры способов получения:
- Хлор: окисление концентрированной соляной кислоты оксидом марганца(IV); в промышленности — электролиз рассола.
- Водород: реакция цинка с разбавленной соляной кислотой; в промышленности — паровая конверсия с последующей конверсией монооксида углерода водяным паром или получение в качестве побочного продукта электролиза рассола.
- Хлороводород, \(\ce{HCl}\),
[H]Cl: реакция хлорида натрия с концентрированной серной кислотой; в промышленности — прямое соединение водорода с хлором.
Решение
1.1 Исходный состав
Под действием света протекает реакция
\[ \ce{H2 + Cl2 ->[light] 2HCl}. \]
Для газов при одинаковых температуре и давлении объёмные доли равны мольным долям. В ходе реакции на каждые два моля образующегося газообразного продукта расходуются два моля газообразных реагентов, поэтому общее количество вещества газов остаётся неизменным.
Возьмём за основу расчёта 100 моль конечной смеси:
\[ n(\ce{Cl2})=60\ \mathrm{mol},\qquad n(\ce{H2})=10\ \mathrm{mol},\qquad n(\ce{HCl})=30\ \mathrm{mol}. \]
Исходная смесь содержала только водород и хлор. Следовательно, на образование \(30\ \mathrm{mol}\) хлороводорода было израсходовано
\[ n_{\text{израсходовано}}(\ce{H2}) =n_{\text{израсходовано}}(\ce{Cl2}) =\frac{30}{2} =15\ \mathrm{mol}. \]
Материальный баланс:
| Газ | Исходное количество вещества | Изменение | Конечное количество вещества |
|---|---|---|---|
| \(\ce{Cl2}\) | \(75\ \mathrm{mol}\) | \(-15\ \mathrm{mol}\) | \(60\ \mathrm{mol}\) |
| \(\ce{H2}\) | \(25\ \mathrm{mol}\) | \(-15\ \mathrm{mol}\) | \(10\ \mathrm{mol}\) |
| \(\ce{HCl}\) | \(0\ \mathrm{mol}\) | \(+30\ \mathrm{mol}\) | \(30\ \mathrm{mol}\) |
| Всего | \(100\ \mathrm{mol}\) | \(0\ \mathrm{mol}\) | \(100\ \mathrm{mol}\) |
Таким образом,
\[ \boxed{\text{Исходная смесь: }75\text{ объёмных \% }\ce{Cl2} \text{ и }25\text{ объёмных \% }\ce{H2}.} \]
Относительное уменьшение содержания хлора составляет
\[ \frac{75-60}{75}\times100\%=20\%, \]
что согласуется с указанным в условии уменьшением.
1.2 Получение газов
В вопросе не указан масштаб производства, поэтому приведены примеры лабораторных и промышленных способов получения.
Хлор
В лаборатории хлор получают нагреванием оксида марганца(IV) с концентрированной соляной кислотой:
\[ \ce{MnO2 + 4HCl ->[\Delta] MnCl2 + Cl2 + 2H2O}. \]
Марганец восстанавливается из степени окисления \(+4\) до \(+2\), а хлор окисляется из \(-1\) до \(0\).
В промышленности электролизу подвергают концентрированный водный раствор хлорида натрия — рассол:
\[ \ce{2NaCl + 2H2O ->[electrolysis] Cl2 + H2 + 2NaOH}. \]
Хлор образуется на аноде, а водород — на катоде. Продукты электродных реакций поддерживают раздельными, чтобы обеспечить сбор газов и предотвратить их реакцию друг с другом или с раствором гидроксида натрия.
Водород
В лаборатории цинк реагирует с разбавленной соляной кислотой:
\[ \ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2}. \]
Цинк окисляется из \(0\) до \(+2\), а водород восстанавливается из \(+1\) до \(0\).
В промышленности водород также получают в качестве катодного продукта электролиза рассола, как показано выше. Другой важный способ — каталитическая реакция метана с водяным паром при высокой температуре:
\[ \ce{CH4 + H2O <=> CO + 3H2}. \]
Затем монооксид углерода подвергают реакции с дополнительным количеством водяного пара — конверсии монооксида углерода водяным паром:
\[ \ce{CO + H2O <=> CO2 + H2}. \]
После удаления диоксида углерода и других примесей получают водород.
Хлороводород
В лаборатории при слабом нагревании хлорида натрия с концентрированной серной кислотой получают газообразный хлороводород:
\[ \ce{NaCl + H2SO4 -> NaHSO4 + HCl ^}. \]
При более сильном нагревании и достаточном количестве хлорида натрия суммарная реакция имеет вид
\[ \ce{2NaCl + H2SO4 ->[\Delta] Na2SO4 + 2HCl ^}. \]
Низкая летучесть серной кислоты позволяет вытеснять из смеси летучий хлороводород.
В промышленности хлороводород можно получать путём контролируемого прямого соединения водорода с хлором:
\[ \ce{H2 + Cl2 -> 2HCl}. \]
При поглощении полученного газообразного хлороводорода водой образуется соляная кислота.
Названия и SMILES дополнительных веществ, использованных выше
Для солей и твёрдых веществ с протяжённой структурой приведённые ниже записи с разделением точками указывают формальный ионный состав формульных единиц; они не описывают отдельную молекулу, кристаллическую решётку или сольватацию.
| Формула | Название | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{H2O}\) | Вода | O |
| \(\ce{MnO2}\) | Оксид марганца(IV) | [Mn+4].[O-2].[O-2] |
| \(\ce{MnCl2}\) | Хлорид марганца(II) | [Mn+2].[Cl-].[Cl-] |
| \(\ce{NaCl}\) | Хлорид натрия | [Na+].[Cl-] |
| \(\ce{NaOH}\) | Гидроксид натрия | [Na+].[OH-] |
| \(\ce{ZnCl2}\) | Хлорид цинка | [Zn+2].[Cl-].[Cl-] |
| \(\ce{CH4}\) | Метан | C |
| \(\ce{CO}\) | Монооксид углерода | [C-]#[O+] |
| \(\ce{CO2}\) | Диоксид углерода | O=C=O |
| \(\ce{H2SO4}\) | Серная кислота | OS(=O)(=O)O |
| \(\ce{NaHSO4}\) | Гидросульфат натрия | [Na+].OS(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{Na2SO4}\) | Сульфат натрия | [Na+].[Na+].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
Цинк, \(\ce{Zn}\), — твёрдое металлическое вещество; [Zn] обозначает отдельный атом цинка, а не его металлическую решётку.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1968 · مسألة نظرية 1
تركيب مزيج من الهيدروجين والكلور مُعرَّض للإشعاع
عُرِّض مزيج من الهيدروجين والكلور، محفوظ في دورق مغلق عند درجة حرارة ثابتة، لضوء مشتت. وبعد مدة معينة، انخفض محتوى الكلور بنسبة 20 % مقارنة بمحتواه في المزيج الابتدائي، وأصبح تركيب المزيج الناتج كما يلي: 60 % حجمًا من الكلور، و10 % حجمًا من الهيدروجين، و30 % حجمًا من كلوريد الهيدروجين.
المطلوب:
1.1 ما تركيب المزيج الغازي الابتدائي؟
1.2 كيف يُنتَج الكلور والهيدروجين وكلوريد الهيدروجين؟
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 1.1 احتوى المزيج الابتدائي على 75 % حجمًا من الكلور، \(\ce{Cl2}\)،
ClCl، و25 % حجمًا من الهيدروجين، \(\ce{H2}\)،[H][H]. - 1.2 من طرائق التحضير الشائعة:
- الكلور: أكسدة حمض الهيدروكلوريك المركز بأكسيد المنغنيز(IV)؛ وصناعيًا، التحليل الكهربائي للمحلول الملحي.
- الهيدروجين: تفاعل الزنك مع حمض الهيدروكلوريك المخفف؛ وصناعيًا، الإصلاح بالبخار متبوعًا بتفاعل إزاحة غاز الماء، أو بوصفه ناتجًا مرافقًا للتحليل الكهربائي للمحلول الملحي.
- كلوريد الهيدروجين، \(\ce{HCl}\)،
[H]Cl: تفاعل كلوريد الصوديوم مع حمض الكبريتيك المركز؛ وصناعيًا، الاتحاد المباشر للهيدروجين والكلور.
الحل
1.1 التركيب الابتدائي
التفاعل المستحث بالضوء هو
\[ \ce{H2 + Cl2 ->[light] 2HCl}. \]
بالنسبة إلى الغازات عند درجة الحرارة والضغط نفسيهما، تساوي الكسور الحجمية الكسور المولية. يستهلك التفاعل مولين من المتفاعلات الغازية مقابل كل مولين يتكونان من الناتج الغازي، ولذلك تبقى كمية الغاز الكلية ثابتة.
نتخذ 100 mol من المزيج النهائي أساسًا للحساب:
\[ n(\ce{Cl2})=60\ \mathrm{mol},\qquad n(\ce{H2})=10\ \mathrm{mol},\qquad n(\ce{HCl})=30\ \mathrm{mol}. \]
لم يحتوِ المزيج الابتدائي إلا على الهيدروجين والكلور. ولذلك فإن تكوُّن \(30\ \mathrm{mol}\) من كلوريد الهيدروجين استهلك
\[ n_{\text{المستهلك}}(\ce{H2}) =n_{\text{المستهلك}}(\ce{Cl2}) =\frac{30}{2} =15\ \mathrm{mol}. \]
الموازنة المادية هي:
| الغاز | الكمية الابتدائية | التغير | الكمية النهائية |
|---|---|---|---|
| \(\ce{Cl2}\) | \(75\ \mathrm{mol}\) | \(-15\ \mathrm{mol}\) | \(60\ \mathrm{mol}\) |
| \(\ce{H2}\) | \(25\ \mathrm{mol}\) | \(-15\ \mathrm{mol}\) | \(10\ \mathrm{mol}\) |
| \(\ce{HCl}\) | \(0\ \mathrm{mol}\) | \(+30\ \mathrm{mol}\) | \(30\ \mathrm{mol}\) |
| المجموع | \(100\ \mathrm{mol}\) | \(0\ \mathrm{mol}\) | \(100\ \mathrm{mol}\) |
إذن،
\[ \boxed{\text{المزيج الابتدائي: }75\text{ \% حجمًا }\ce{Cl2} \text{ و }25\text{ \% حجمًا }\ce{H2}.} \]
الانخفاض النسبي في الكلور هو
\[ \frac{75-60}{75}\times100\%=20\%, \]
وهو ما يتفق مع الانخفاض المذكور.
1.2 تحضير الغازات
لا يحدد السؤال مقياس الإنتاج، لذا تُعرض طرائق مخبرية وصناعية شائعة.
الكلور
في المختبر، يؤدي تسخين أكسيد المنغنيز(IV) برفق مع حمض الهيدروكلوريك المركز إلى إنتاج الكلور:
\[ \ce{MnO2 + 4HCl ->[\Delta] MnCl2 + Cl2 + 2H2O}. \]
يُختزَل المنغنيز من حالة الأكسدة \(+4\) إلى \(+2\)، بينما يتأكسد الكلور من \(-1\) إلى \(0\).
صناعيًا، يُحلَّل المحلول المائي المركز لكلوريد الصوديوم — أي المحلول الملحي — كهربائيًا:
\[ \ce{2NaCl + 2H2O ->[electrolysis] Cl2 + H2 + 2NaOH}. \]
يتكون الكلور عند المصعد والهيدروجين عند المهبط. وتُحفظ نواتج القطبين منفصلة للسماح بجمع الغازين ومنع تفاعلهما أحدهما مع الآخر أو مع محلول هيدروكسيد الصوديوم.
الهيدروجين
في المختبر، يتفاعل الزنك مع حمض الهيدروكلوريك المخفف:
\[ \ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2}. \]
يتأكسد الزنك من \(0\) إلى \(+2\)، ويُختزَل الهيدروجين من \(+1\) إلى \(0\).
يُحصَل على الهيدروجين صناعيًا أيضًا بوصفه الناتج المهبطي للتحليل الكهربائي للمحلول الملحي، كما هو مبين أعلاه. ومن الطرائق الرئيسية الأخرى تفاعل الميثان مع البخار بوجود حفاز عند درجة حرارة مرتفعة:
\[ \ce{CH4 + H2O <=> CO + 3H2}. \]
ثم يُفاعَل أول أكسيد الكربون مع كمية إضافية من البخار في تفاعل إزاحة غاز الماء:
\[ \ce{CO + H2O <=> CO2 + H2}. \]
بعد إزالة ثاني أكسيد الكربون والشوائب الأخرى، يُحصَل على الهيدروجين.
كلوريد الهيدروجين
في المختبر، يؤدي التسخين اللطيف لكلوريد الصوديوم مع حمض الكبريتيك المركز إلى إعطاء غاز كلوريد الهيدروجين:
\[ \ce{NaCl + H2SO4 -> NaHSO4 + HCl ^}. \]
عند التسخين بدرجة أشد وتوافر كمية كافية من كلوريد الصوديوم، يكون التفاعل الكلي
\[ \ce{2NaCl + H2SO4 ->[\Delta] Na2SO4 + 2HCl ^}. \]
يتيح انخفاض تطاير حمض الكبريتيك طرد كلوريد الهيدروجين المتطاير من المزيج.
صناعيًا، يمكن إنتاج كلوريد الهيدروجين بالاتحاد المباشر للهيدروجين والكلور في ظروف مضبوطة:
\[ \ce{H2 + Cl2 -> 2HCl}. \]
يؤدي امتصاص غاز كلوريد الهيدروجين الناتج في الماء إلى إنتاج حمض الهيدروكلوريك.
أسماء المواد الإضافية المستخدمة أعلاه وتمثيلاتها بصيغة SMILES
بالنسبة إلى الأملاح والمواد الصلبة ذات البنى الممتدة، تعطي التمثيلات المفصولة بنقاط أدناه التراكيب الأيونية الشكلية لوحدات الصيغة؛ وهي لا تصف جزيئًا منفردًا أو شبكة بلورية أو استذوابًا.
| الصيغة | الاسم | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{H2O}\) | الماء | O |
| \(\ce{MnO2}\) | أكسيد المنغنيز(IV) | [Mn+4].[O-2].[O-2] |
| \(\ce{MnCl2}\) | كلوريد المنغنيز(II) | [Mn+2].[Cl-].[Cl-] |
| \(\ce{NaCl}\) | كلوريد الصوديوم | [Na+].[Cl-] |
| \(\ce{NaOH}\) | هيدروكسيد الصوديوم | [Na+].[OH-] |
| \(\ce{ZnCl2}\) | كلوريد الزنك | [Zn+2].[Cl-].[Cl-] |
| \(\ce{CH4}\) | الميثان | C |
| \(\ce{CO}\) | أول أكسيد الكربون | [C-]#[O+] |
| \(\ce{CO2}\) | ثاني أكسيد الكربون | O=C=O |
| \(\ce{H2SO4}\) | حمض الكبريتيك | OS(=O)(=O)O |
| \(\ce{NaHSO4}\) | هيدروجين كبريتات الصوديوم | [Na+].OS(=O)(=O)[O-] |
| \(\ce{Na2SO4}\) | كبريتات الصوديوم | [Na+].[Na+].[O-]S(=O)(=O)[O-] |
الزنك، \(\ce{Zn}\)، مادة صلبة فلزية؛ ويمثل [Zn] ذرة زنك منفردة، ولا يمثل شبكته الفلزية.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.