IChO 1973 · Theory problem 1
Nitration product of a hydroxybenzene and its electroreduction
In nitrating a hydroxy derivative of benzene a compound is formed which contains 49.0 % by mass of oxygen. A charge of 4350 C is required for a total electroreduction of 0.458 g of the compound, efficiency being 80 %.
Problem:
1.1 Determine the stoichiometric as well as structural formulas of the compound if the product of the electrochemical reduction is an aromatic hydroxy amino derivative.
F (Faraday's charge) = \(96\,500\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\)
Official English text of the problem.
Answers
- 1.1 The stoichiometric formula is \(\boxed{\ce{C6H3N3O7}}\). The expected nitration product is 2,4,6-trinitrophenol (picric acid),
Oc1c([N+](=O)[O-])cc([N+](=O)[O-])cc1[N+](=O)[O-]. Its structural formula is \(\ce{HO-C6H2(NO2)3}\), with the hydroxyl group at position 1 and nitro groups at positions 2, 4 and 6.
Solution
1.1
Let the nitration product contain \(h\) hydroxyl groups and \(n\) nitro groups on a benzene ring. It therefore contains six carbon atoms, \(6-n\) hydrogen atoms, \(n\) nitrogen atoms and \(h+2n\) oxygen atoms. Using the usual rounded atomic masses, its molar mass is
\[ M=\left[6(12)+(6-n)+14n+16(h+2n)\right]\mathrm{g\,mol^{-1}} =(78+16h+45n)\mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Reduction of a nitro group to an amino group changes the nitrogen oxidation state from \(+3\) to \(-3\), requiring six electrons per nitro group.
Only 80 % of the supplied charge effects the desired reduction:
\[ Q_{\mathrm{effective}}=0.80(4350\ \mathrm C)=3480\ \mathrm C. \]
Thus the amount of electrons used is
\[ n(\ce{e-}) =\frac{3480\ \mathrm C}{96\,500\ \mathrm{C\,mol^{-1}}} =0.0360622\ \mathrm{mol}. \]
Each mole of compound requires \(6n\) moles of electrons, so
\[ \frac{0.458\ \mathrm g}{M}(6n)=0.0360622\ \mathrm{mol}, \]
giving
\[ \boxed{\frac{M}{n}=76.20\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}. \]
The oxygen mass fraction supplies a second relation:
\[ 0.490=\frac{(16.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}})(h+2n)}{M}. \]
Consequently,
\[ \frac{h}{n} =\frac{0.490(76.2017)}{16.0}-2 =0.33368. \]
Combining this result with the molar-mass expression, with masses expressed numerically in \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\),
\[ 76.2017=\frac{78}{n}+16(0.33368)+45, \]
which yields
\[ n\simeq3.016,\qquad h\simeq1.006. \]
The required integer group counts are therefore
\[ \boxed{n=3,\qquad h=1}. \]
The compound is a trinitrophenol, with molecular—and also empirical—formula
\[ \boxed{\ce{C6H3N3O7}},\qquad M=229\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
The corresponding checks are
\[ w_{\mathrm O}=\frac{7(16)}{229}\times100\%=48.91\%, \]
and
\[ Q=\frac{(0.458/229)\,\mathrm{mol}\times18\times 96\,500\ \mathrm{C\,mol^{-1}}}{0.80} =4342.5\ \mathrm C, \]
both close to the supplied values.
The starting hydroxybenzene is phenol, Oc1ccccc1. Its hydroxyl group directs nitration to the two ortho positions and the para position. Introducing three nitro groups therefore gives the expected product 2,4,6-trinitrophenol, identified above. To draw its structure, place hydroxyl at carbon 1 of a benzene ring, nitro groups at carbons 2, 4 and 6, and hydrogen atoms at carbons 3 and 5.
The balanced nitration equation is
\[ \ce{C6H5OH + 3HNO3 -> C6H2(NO2)3OH + 3H2O}. \]
Here the reagent is nitric acid, O=[N+]([O-])O, and the coproduct is water, O.
Complete electroreduction gives 2,4,6-triaminophenol, Oc1c(N)cc(N)cc1N, with formula \(\ce{C6H9N3O}\). The balanced reduction half-equation is
\[ \boxed{\ce{C6H2(NO2)3OH + 18H+ + 18e- -> C6H2(NH2)3OH + 6H2O}}. \]
The hydrogen ions in this acidic-medium half-equation are protons, [H+].
The solution was checked against the official solution.
IChO 1973 · Theorieaufgabe 1
Nitrierungsprodukt eines Hydroxybenzols und seine elektrochemische Reduktion
Bei der Nitrierung eines Hydroxyderivats des Benzols entsteht eine Verbindung mit einem Sauerstoffmassenanteil von 49.0 %. Für die vollständige elektrochemische Reduktion von 0.458 g der Verbindung ist bei einer Stromausbeute von 80 % eine Ladung von 4350 C erforderlich.
Aufgabe:
1.1 Bestimmen Sie sowohl die Verhältnisformel als auch die Strukturformel der Verbindung, wenn das Produkt der elektrochemischen Reduktion ein aromatisches Hydroxyaminoderivat ist.
F (Faraday-Konstante) = \(96\,500\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\)
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 1.1 Die Verhältnisformel lautet \(\boxed{\ce{C6H3N3O7}}\). Das erwartete Nitrierungsprodukt ist 2,4,6-Trinitrophenol (Pikrinsäure),
Oc1c([N+](=O)[O-])cc([N+](=O)[O-])cc1[N+](=O)[O-]. Seine Strukturformel lautet \(\ce{HO-C6H2(NO2)3}\), wobei sich die Hydroxygruppe an Position 1 und die Nitrogruppen an den Positionen 2, 4 und 6 befinden.
Lösung
1.1
Das Nitrierungsprodukt enthalte \(h\) Hydroxygruppen und \(n\) Nitrogruppen an einem Benzolring. Es enthält somit sechs Kohlenstoffatome, \(6-n\) Wasserstoffatome, \(n\) Stickstoffatome und \(h+2n\) Sauerstoffatome. Unter Verwendung der üblichen gerundeten Atommassen ergibt sich seine molare Masse zu
\[ M=\left[6(12)+(6-n)+14n+16(h+2n)\right]\mathrm{g\,mol^{-1}} =(78+16h+45n)\mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Bei der Reduktion einer Nitrogruppe zu einer Aminogruppe ändert sich die Oxidationszahl des Stickstoffs von \(+3\) zu \(-3\), wofür sechs Elektronen pro Nitrogruppe erforderlich sind.
Nur 80 % der zugeführten Ladung bewirken die gewünschte Reduktion:
\[ Q_{\mathrm{effective}}=0.80(4350\ \mathrm C)=3480\ \mathrm C. \]
Die Stoffmenge der verbrauchten Elektronen beträgt somit
\[ n(\ce{e-}) =\frac{3480\ \mathrm C}{96\,500\ \mathrm{C\,mol^{-1}}} =0.0360622\ \mathrm{mol}. \]
Pro Mol der Verbindung werden \(6n\) Mol Elektronen benötigt, daher gilt
\[ \frac{0.458\ \mathrm g}{M}(6n)=0.0360622\ \mathrm{mol}, \]
woraus folgt:
\[ \boxed{\frac{M}{n}=76.20\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}. \]
Der Sauerstoffmassenanteil liefert eine zweite Beziehung:
\[ 0.490=\frac{(16.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}})(h+2n)}{M}. \]
Folglich gilt
\[ \frac{h}{n} =\frac{0.490(76.2017)}{16.0}-2 =0.33368. \]
Verknüpft man dieses Ergebnis mit dem Ausdruck für die molare Masse, wobei die Massen als Zahlenwerte in \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\) angegeben werden, erhält man
\[ 76.2017=\frac{78}{n}+16(0.33368)+45, \]
woraus sich ergibt:
\[ n\simeq3.016,\qquad h\simeq1.006. \]
Die gesuchten ganzzahligen Anzahlen der Gruppen sind daher
\[ \boxed{n=3,\qquad h=1}. \]
Die Verbindung ist ein Trinitrophenol mit der Molekülformel, die zugleich auch die Verhältnisformel ist:
\[ \boxed{\ce{C6H3N3O7}},\qquad M=229\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Die entsprechenden Kontrollrechnungen ergeben
\[ w_{\mathrm O}=\frac{7(16)}{229}\times100\%=48.91\%, \]
und
\[ Q=\frac{(0.458/229)\,\mathrm{mol}\times18\times 96\,500\ \mathrm{C\,mol^{-1}}}{0.80} =4342.5\ \mathrm C, \]
wobei beide Werte nahe bei den angegebenen Werten liegen.
Das als Ausgangsstoff verwendete Hydroxybenzol ist Phenol, Oc1ccccc1. Seine Hydroxygruppe dirigiert die Nitrierung in die beiden ortho-Positionen und die para-Position. Die Einführung dreier Nitrogruppen ergibt daher das oben identifizierte erwartete Produkt 2,4,6-Trinitrophenol. Zum Zeichnen seiner Struktur wird die Hydroxygruppe am Kohlenstoffatom 1 eines Benzolrings angeordnet, die Nitrogruppen an den Kohlenstoffatomen 2, 4 und 6 und die Wasserstoffatome an den Kohlenstoffatomen 3 und 5.
Die ausgeglichene Nitrierungsgleichung lautet
\[ \ce{C6H5OH + 3HNO3 -> C6H2(NO2)3OH + 3H2O}. \]
Hier ist das Reagenz Salpetersäure, O=[N+]([O-])O, und das Koppelprodukt ist Wasser, O.
Die vollständige elektrochemische Reduktion ergibt 2,4,6-Triaminophenol, Oc1c(N)cc(N)cc1N, mit der Formel \(\ce{C6H9N3O}\). Die ausgeglichene Teilgleichung der Reduktion lautet
\[ \boxed{\ce{C6H2(NO2)3OH + 18H+ + 18e- -> C6H2(NH2)3OH + 6H2O}}. \]
Die Wasserstoffionen in dieser Teilgleichung für saures Medium sind Protonen, [H+].
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1973 · Teori sorusu 1
Bir hidroksibenzenin nitrolama ürünü ve elektroindirgenmesi
Benzenin bir hidroksi türevinin nitrolanması sırasında, kütlece % 49.0 oksijen içeren bir bileşik oluşmaktadır. Bileşiğin 0.458 g'ının tamamen elektroindirgenmesi için, verim % 80 iken 4350 C yük gerekmektedir.
Soru:
1.1 Elektrokimyasal indirgenme ürünü aromatik bir hidroksi amino türevi ise bileşiğin hem stokiyometrik formülünü hem de yapı formülünü belirleyiniz.
F (Faraday yükü) = \(96\,500\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\)
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 1.1 Stokiyometrik formül \(\boxed{\ce{C6H3N3O7}}\) şeklindedir. Beklenen nitrolama ürünü 2,4,6-trinitrofenol (pikrik asit),
Oc1c([N+](=O)[O-])cc([N+](=O)[O-])cc1[N+](=O)[O-]bileşiğidir. Yapı formülü \(\ce{HO-C6H2(NO2)3}\) olup hidroksil grubu 1 konumunda, nitro grupları ise 2, 4 ve 6 konumlarındadır.
Çözüm
1.1
Nitrolama ürününün bir benzen halkası üzerinde \(h\) hidroksil grubu ve \(n\) nitro grubu içerdiğini varsayalım. Buna göre bileşik altı karbon atomu, \(6-n\) hidrojen atomu, \(n\) azot atomu ve \(h+2n\) oksijen atomu içerir. Yaygın olarak kullanılan yuvarlatılmış atom kütleleriyle molar kütlesi şöyledir:
\[ M=\left[6(12)+(6-n)+14n+16(h+2n)\right]\mathrm{g\,mol^{-1}} =(78+16h+45n)\mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Bir nitro grubunun amino grubuna indirgenmesi, azotun yükseltgenme basamağını \(+3\)'ten \(-3\)'e değiştirir ve nitro grubu başına altı elektron gerektirir.
Verilen yükün yalnızca % 80'i istenen indirgenmeyi gerçekleştirir:
\[ Q_{\mathrm{effective}}=0.80(4350\ \mathrm C)=3480\ \mathrm C. \]
Dolayısıyla kullanılan elektronların madde miktarı şöyledir:
\[ n(\ce{e-}) =\frac{3480\ \mathrm C}{96\,500\ \mathrm{C\,mol^{-1}}} =0.0360622\ \mathrm{mol}. \]
Bileşiğin her molü için \(6n\) mol elektron gerektiğinden,
\[ \frac{0.458\ \mathrm g}{M}(6n)=0.0360622\ \mathrm{mol}, \]
şu sonuç elde edilir:
\[ \boxed{\frac{M}{n}=76.20\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}. \]
Oksijenin kütle kesri ikinci bir bağıntı sağlar:
\[ 0.490=\frac{(16.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}})(h+2n)}{M}. \]
Dolayısıyla,
\[ \frac{h}{n} =\frac{0.490(76.2017)}{16.0}-2 =0.33368. \]
Bu sonuç molar kütle ifadesiyle birleştirilip kütleler sayısal olarak \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\) cinsinden ifade edildiğinde,
\[ 76.2017=\frac{78}{n}+16(0.33368)+45, \]
şu değerler elde edilir:
\[ n\simeq3.016,\qquad h\simeq1.006. \]
Dolayısıyla grupların alması gereken tam sayı değerleri şöyledir:
\[ \boxed{n=3,\qquad h=1}. \]
Bileşik bir trinitrofenoldür; molekül formülü ve aynı zamanda basit formülü şöyledir:
\[ \boxed{\ce{C6H3N3O7}},\qquad M=229\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
İlgili kontrol hesaplamaları şöyledir:
\[ w_{\mathrm O}=\frac{7(16)}{229}\times100\%=48.91\%, \]
ve
\[ Q=\frac{(0.458/229)\,\mathrm{mol}\times18\times 96\,500\ \mathrm{C\,mol^{-1}}}{0.80} =4342.5\ \mathrm C, \]
her iki sonuç da verilen değerlere yakındır.
Başlangıçtaki hidroksibenzen fenol, Oc1ccccc1 bileşiğidir. Hidroksil grubu, nitrolamayı iki orto konumuna ve para konumuna yönlendirir. Bu nedenle üç nitro grubunun eklenmesi, yukarıda tanımlanan beklenen ürün 2,4,6-trinitrofenol bileşiğini verir. Yapısını çizmek için bir benzen halkasının 1 numaralı karbonuna hidroksil grubunu, 2, 4 ve 6 numaralı karbonlarına nitro gruplarını, 3 ve 5 numaralı karbonlarına ise hidrojen atomlarını yerleştiriniz.
Denkleştirilmiş nitrolama tepkimesi şöyledir:
\[ \ce{C6H5OH + 3HNO3 -> C6H2(NO2)3OH + 3H2O}. \]
Burada reaktif nitrik asit, O=[N+]([O-])O, birlikte oluşan diğer ürün ise su, O bileşiğidir.
Tam elektroindirgenme sonucunda, formülü \(\ce{C6H9N3O}\) olan 2,4,6-triaminofenol, Oc1c(N)cc(N)cc1N elde edilir. Denkleştirilmiş indirgenme yarı tepkimesi şöyledir:
\[ \boxed{\ce{C6H2(NO2)3OH + 18H+ + 18e- -> C6H2(NH2)3OH + 6H2O}}. \]
Asidik ortamda gerçekleşen bu yarı tepkimedeki hidrojen iyonları protonlardır, [H+].
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1973 · Problema teórico 1
Producto de nitración de un hidroxibenceno y su electrorreducción
Al nitrar un hidroxiderivado del benceno se forma un compuesto que contiene un 49.0 % en masa de oxígeno. Para la electrorreducción completa de 0.458 g del compuesto se requiere una carga de 4350 C, con un rendimiento del 80 %.
Problema:
1.1 Determine las fórmulas estequiométrica y estructural del compuesto si el producto de la reducción electroquímica es un derivado aromático con grupos hidroxilo y amino.
F (carga de Faraday) = \(96\,500\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\)
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 1.1 La fórmula estequiométrica es \(\boxed{\ce{C6H3N3O7}}\). El producto de nitración esperado es el 2,4,6-trinitrofenol (ácido pícrico),
Oc1c([N+](=O)[O-])cc([N+](=O)[O-])cc1[N+](=O)[O-]. Su fórmula estructural es \(\ce{HO-C6H2(NO2)3}\), con el grupo hidroxilo en la posición 1 y los grupos nitro en las posiciones 2, 4 y 6.
Solución
1.1
Supongamos que el producto de nitración contiene \(h\) grupos hidroxilo y \(n\) grupos nitro en un anillo de benceno. Por tanto, contiene seis átomos de carbono, \(6-n\) átomos de hidrógeno, \(n\) átomos de nitrógeno y \(h+2n\) átomos de oxígeno. Utilizando las masas atómicas redondeadas habituales, su masa molar es
\[ M=\left[6(12)+(6-n)+14n+16(h+2n)\right]\mathrm{g\,mol^{-1}} =(78+16h+45n)\mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
La reducción de un grupo nitro a un grupo amino cambia el estado de oxidación del nitrógeno de \(+3\) a \(-3\), lo que requiere seis electrones por grupo nitro.
Solo el 80 % de la carga suministrada produce la reducción deseada:
\[ Q_{\mathrm{effective}}=0.80(4350\ \mathrm C)=3480\ \mathrm C. \]
Así, la cantidad de electrones utilizada es
\[ n(\ce{e-}) =\frac{3480\ \mathrm C}{96\,500\ \mathrm{C\,mol^{-1}}} =0.0360622\ \mathrm{mol}. \]
Cada mol de compuesto requiere \(6n\) moles de electrones, por lo que
\[ \frac{0.458\ \mathrm g}{M}(6n)=0.0360622\ \mathrm{mol}, \]
de donde se obtiene
\[ \boxed{\frac{M}{n}=76.20\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}. \]
La fracción másica de oxígeno proporciona una segunda relación:
\[ 0.490=\frac{(16.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}})(h+2n)}{M}. \]
Por consiguiente,
\[ \frac{h}{n} =\frac{0.490(76.2017)}{16.0}-2 =0.33368. \]
Combinando este resultado con la expresión de la masa molar, con las masas expresadas numéricamente en \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\),
\[ 76.2017=\frac{78}{n}+16(0.33368)+45, \]
se obtiene
\[ n\simeq3.016,\qquad h\simeq1.006. \]
Por tanto, los números enteros de grupos requeridos son
\[ \boxed{n=3,\qquad h=1}. \]
El compuesto es un trinitrofenol, cuya fórmula molecular —y también empírica— es
\[ \boxed{\ce{C6H3N3O7}},\qquad M=229\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Las comprobaciones correspondientes son
\[ w_{\mathrm O}=\frac{7(16)}{229}\times100\%=48.91\%, \]
y
\[ Q=\frac{(0.458/229)\,\mathrm{mol}\times18\times 96\,500\ \mathrm{C\,mol^{-1}}}{0.80} =4342.5\ \mathrm C, \]
ambas próximas a los valores proporcionados.
El hidroxibenceno de partida es el fenol, Oc1ccccc1. Su grupo hidroxilo orienta la nitración hacia las dos posiciones orto y la posición para. Por tanto, la introducción de tres grupos nitro da el producto esperado, 2,4,6-trinitrofenol, identificado anteriormente. Para dibujar su estructura, sitúe el grupo hidroxilo en el carbono 1 de un anillo de benceno, los grupos nitro en los carbonos 2, 4 y 6, y los átomos de hidrógeno en los carbonos 3 y 5.
La ecuación ajustada de la nitración es
\[ \ce{C6H5OH + 3HNO3 -> C6H2(NO2)3OH + 3H2O}. \]
Aquí, el reactivo es el ácido nítrico, O=[N+]([O-])O, y el coproducto es el agua, O.
La electrorreducción completa da 2,4,6-triaminofenol, Oc1c(N)cc(N)cc1N, de fórmula \(\ce{C6H9N3O}\). La semirreacción de reducción ajustada es
\[ \boxed{\ce{C6H2(NO2)3OH + 18H+ + 18e- -> C6H2(NH2)3OH + 6H2O}}. \]
Los iones hidrógeno de esta semirreacción en medio ácido son protones, [H+].
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1973 · 理论题 1
苯的羟基衍生物的硝化产物及其电还原
对苯的一种羟基衍生物进行硝化时,生成了一种氧的质量分数为 49.0 % 的化合物。将 0.458 g 该化合物完全电还原需要 4350 C 的电荷量,电流效率为 80 %。
问题:
1.1 若电化学还原产物为芳香族羟基氨基衍生物,确定该化合物的最简式和结构式。
F(法拉第常量)= \(96\,500\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\)
题目译自官方英文原文。
答案
- 1.1 最简式为 \(\boxed{\ce{C6H3N3O7}}\)。预期的硝化产物为 2,4,6-三硝基苯酚(苦味酸),
Oc1c([N+](=O)[O-])cc([N+](=O)[O-])cc1[N+](=O)[O-]。其结构式为 \(\ce{HO-C6H2(NO2)3}\),其中羟基位于 1 位,硝基位于 2、4 和 6 位。
解答
1.1
设硝化产物的苯环上含有 \(h\) 个羟基和 \(n\) 个硝基。因此,该产物含有六个碳原子、\(6-n\) 个氢原子、\(n\) 个氮原子和 \(h+2n\) 个氧原子。采用通常取整的相对原子质量,其摩尔质量为
\[ M=\left[6(12)+(6-n)+14n+16(h+2n)\right]\mathrm{g\,mol^{-1}} =(78+16h+45n)\mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
硝基还原为氨基时,氮的氧化态从 \(+3\) 变为 \(-3\),因此每个硝基需要六个电子。
所提供的电荷量中,只有 80 % 用于所需的还原反应:
\[ Q_{\mathrm{effective}}=0.80(4350\ \mathrm C)=3480\ \mathrm C. \]
因此,所消耗电子的物质的量为
\[ n(\ce{e-}) =\frac{3480\ \mathrm C}{96\,500\ \mathrm{C\,mol^{-1}}} =0.0360622\ \mathrm{mol}. \]
每摩尔化合物需要 \(6n\) 摩尔电子,因此
\[ \frac{0.458\ \mathrm g}{M}(6n)=0.0360622\ \mathrm{mol}, \]
得到
\[ \boxed{\frac{M}{n}=76.20\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}. \]
氧的质量分数给出第二个关系式:
\[ 0.490=\frac{(16.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}})(h+2n)}{M}. \]
因此,
\[ \frac{h}{n} =\frac{0.490(76.2017)}{16.0}-2 =0.33368. \]
将这一结果与摩尔质量表达式结合,并以 \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\) 为单位代入摩尔质量的数值,得
\[ 76.2017=\frac{78}{n}+16(0.33368)+45, \]
由此得到
\[ n\simeq3.016,\qquad h\simeq1.006. \]
因此,所求基团数目的整数值为
\[ \boxed{n=3,\qquad h=1}. \]
该化合物为三硝基苯酚,其分子式(也是最简式)为
\[ \boxed{\ce{C6H3N3O7}},\qquad M=229\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
相应的验算如下:
\[ w_{\mathrm O}=\frac{7(16)}{229}\times100\%=48.91\%, \]
以及
\[ Q=\frac{(0.458/229)\,\mathrm{mol}\times18\times 96\,500\ \mathrm{C\,mol^{-1}}}{0.80} =4342.5\ \mathrm C, \]
两者均接近题目给出的数值。
起始的苯的羟基衍生物为苯酚,Oc1ccccc1。其羟基使硝化反应发生在两个邻位和一个对位。因此,引入三个硝基得到的预期产物为上述 2,4,6-三硝基苯酚。绘制其结构时,在苯环的 1 号碳原子上连接羟基,在 2、4 和 6 号碳原子上连接硝基,在 3 和 5 号碳原子上连接氢原子。
配平后的硝化反应方程式为
\[ \ce{C6H5OH + 3HNO3 -> C6H2(NO2)3OH + 3H2O}. \]
这里的试剂为硝酸,O=[N+]([O-])O,同时生成的产物为水,O。
完全电还原得到 2,4,6-三氨基苯酚,Oc1c(N)cc(N)cc1N,其分子式为 \(\ce{C6H9N3O}\)。配平后的还原半反应方程式为
\[ \boxed{\ce{C6H2(NO2)3OH + 18H+ + 18e- -> C6H2(NH2)3OH + 6H2O}}. \]
这一酸性介质中的半反应方程式中的氢离子即为质子,[H+]。
解答已与官方解答核对。
IChO 1973 · Теоретическая задача 1
Продукт нитрования гидроксипроизводного бензола и его электровосстановление
При нитровании гидроксипроизводного бензола образуется соединение, содержащее 49.0 % кислорода по массе. Для полного электровосстановления 0.458 г этого соединения требуется заряд 4350 Кл при выходе по току 80 %.
Задание:
1.1 Определите простейшую и структурную формулы соединения, если продуктом электрохимического восстановления является ароматическое гидроксиаминопроизводное.
F (постоянная Фарадея) = \(96\,500\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\)
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 1.1 Простейшая формула — \(\boxed{\ce{C6H3N3O7}}\). Ожидаемый продукт нитрования — 2,4,6-тринитрофенол (пикриновая кислота),
Oc1c([N+](=O)[O-])cc([N+](=O)[O-])cc1[N+](=O)[O-]. Его структурная формула — \(\ce{HO-C6H2(NO2)3}\), причём гидроксильная группа находится в положении 1, а нитрогруппы — в положениях 2, 4 и 6.
Решение
1.1
Пусть продукт нитрования содержит \(h\) гидроксильных групп и \(n\) нитрогрупп в бензольном кольце. Тогда он содержит шесть атомов углерода, \(6-n\) атомов водорода, \(n\) атомов азота и \(h+2n\) атомов кислорода. При использовании обычных округлённых атомных масс его молярная масса равна
\[ M=\left[6(12)+(6-n)+14n+16(h+2n)\right]\mathrm{g\,mol^{-1}} =(78+16h+45n)\mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
При восстановлении нитрогруппы до аминогруппы степень окисления азота изменяется от \(+3\) до \(-3\), что требует шести электронов на каждую нитрогруппу.
Лишь 80 % пропущенного заряда расходуется на требуемое восстановление:
\[ Q_{\mathrm{effective}}=0.80(4350\ \mathrm C)=3480\ \mathrm C. \]
Таким образом, количество вещества израсходованных электронов составляет
\[ n(\ce{e-}) =\frac{3480\ \mathrm C}{96\,500\ \mathrm{C\,mol^{-1}}} =0.0360622\ \mathrm{mol}. \]
На каждый моль соединения требуется \(6n\) молей электронов, поэтому
\[ \frac{0.458\ \mathrm g}{M}(6n)=0.0360622\ \mathrm{mol}, \]
откуда
\[ \boxed{\frac{M}{n}=76.20\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}. \]
Массовая доля кислорода даёт второе соотношение:
\[ 0.490=\frac{(16.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}})(h+2n)}{M}. \]
Следовательно,
\[ \frac{h}{n} =\frac{0.490(76.2017)}{16.0}-2 =0.33368. \]
Объединяя этот результат с выражением для молярной массы и подставляя численные значения масс в \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\), получаем
\[ 76.2017=\frac{78}{n}+16(0.33368)+45, \]
откуда
\[ n\simeq3.016,\qquad h\simeq1.006. \]
Таким образом, искомые целые числа групп равны
\[ \boxed{n=3,\qquad h=1}. \]
Соединение представляет собой тринитрофенол с молекулярной, а также простейшей формулой
\[ \boxed{\ce{C6H3N3O7}},\qquad M=229\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Соответствующие проверочные расчёты дают
\[ w_{\mathrm O}=\frac{7(16)}{229}\times100\%=48.91\%, \]
и
\[ Q=\frac{(0.458/229)\,\mathrm{mol}\times18\times 96\,500\ \mathrm{C\,mol^{-1}}}{0.80} =4342.5\ \mathrm C, \]
причём оба результата близки к значениям, приведённым в условии.
Исходное гидроксипроизводное бензола — фенол, Oc1ccccc1. Его гидроксильная группа направляет нитрование в два орто-положения и пара-положение. Поэтому введение трёх нитрогрупп приводит к ожидаемому продукту — 2,4,6-тринитрофенолу, указанному выше. Чтобы изобразить его структуру, расположите гидроксильную группу у атома углерода 1 бензольного кольца, нитрогруппы — у атомов углерода 2, 4 и 6, а атомы водорода — у атомов углерода 3 и 5.
Уравнение нитрования с расставленными коэффициентами имеет вид
\[ \ce{C6H5OH + 3HNO3 -> C6H2(NO2)3OH + 3H2O}. \]
Здесь реагентом служит азотная кислота, O=[N+]([O-])O, а сопутствующим продуктом является вода, O.
При полном электровосстановлении образуется 2,4,6-триаминофенол, Oc1c(N)cc(N)cc1N, с формулой \(\ce{C6H9N3O}\). Уравнение полуреакции восстановления с расставленными коэффициентами имеет вид
\[ \boxed{\ce{C6H2(NO2)3OH + 18H+ + 18e- -> C6H2(NH2)3OH + 6H2O}}. \]
Ионы водорода в этом уравнении полуреакции в кислой среде представляют собой протоны, [H+].
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1973 · مسألة نظرية 1
ناتج نترتة أحد مشتقات هيدروكسي البنزين واختزاله الكهربائي
عند نترتة أحد مشتقات البنزين الهيدروكسيلية، يتكوّن مركّب يحتوي على الأكسجين بنسبة 49.0 % كتليًا. ويتطلب الاختزال الكهربائي الكامل لكتلة مقدارها 0.458 g من المركّب شحنة مقدارها 4350 C، بكفاءة تبلغ 80 %.
المطلوب:
1.1 حدّد الصيغة الستوكيومترية والصيغة البنائية للمركّب إذا كان ناتج الاختزال الكهروكيميائي مشتقًا عطريًا هيدروكسيليًا أمينيًا.
F (شحنة فاراداي) = \(96\,500\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\)
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 1.1 الصيغة الستوكيومترية هي \(\boxed{\ce{C6H3N3O7}}\). وناتج النترتة المتوقع هو 2,4,6-ثلاثي نيتروفينول (حمض البكريك)،
Oc1c([N+](=O)[O-])cc([N+](=O)[O-])cc1[N+](=O)[O-]. وصيغته البنائية هي \(\ce{HO-C6H2(NO2)3}\)، حيث تقع مجموعة الهيدروكسيل في الموضع 1 ومجموعات النيترو في المواضع 2 و4 و6.
الحل
1.1
لنفترض أن ناتج النترتة يحتوي على \(h\) من مجموعات الهيدروكسيل و\(n\) من مجموعات النيترو على حلقة بنزين. ومن ثمّ، فهو يحتوي على ست ذرات كربون، و\(6-n\) من ذرات الهيدروجين، و\(n\) من ذرات النيتروجين، و\(h+2n\) من ذرات الأكسجين. وباستخدام الكتل الذرية المقرّبة المعتادة، تكون كتلته المولية
\[ M=\left[6(12)+(6-n)+14n+16(h+2n)\right]\mathrm{g\,mol^{-1}} =(78+16h+45n)\mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
يغيّر اختزال مجموعة نيترو إلى مجموعة أمينو حالة أكسدة النيتروجين من \(+3\) إلى \(-3\)، ويتطلب ذلك ستة إلكترونات لكل مجموعة نيترو.
لا تسهم سوى 80 % من الشحنة المزوّدة في إحداث الاختزال المطلوب:
\[ Q_{\mathrm{effective}}=0.80(4350\ \mathrm C)=3480\ \mathrm C. \]
إذن، كمية مادة الإلكترونات المستخدمة هي
\[ n(\ce{e-}) =\frac{3480\ \mathrm C}{96\,500\ \mathrm{C\,mol^{-1}}} =0.0360622\ \mathrm{mol}. \]
يتطلب كل مول من المركّب \(6n\) مولًا من الإلكترونات، ولذلك
\[ \frac{0.458\ \mathrm g}{M}(6n)=0.0360622\ \mathrm{mol}, \]
فنحصل على
\[ \boxed{\frac{M}{n}=76.20\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}. \]
يوفّر الكسر الكتلي للأكسجين علاقة ثانية:
\[ 0.490=\frac{(16.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}})(h+2n)}{M}. \]
وبالتالي،
\[ \frac{h}{n} =\frac{0.490(76.2017)}{16.0}-2 =0.33368. \]
بدمج هذه النتيجة مع تعبير الكتلة المولية، مع التعبير عن الكتل عدديًا بوحدة \(\mathrm{g\,mol^{-1}}\)،
\[ 76.2017=\frac{78}{n}+16(0.33368)+45, \]
نحصل على
\[ n\simeq3.016,\qquad h\simeq1.006. \]
ومن ثمّ، فإن العددين الصحيحين المطلوبين للمجموعات هما
\[ \boxed{n=3,\qquad h=1}. \]
المركّب هو أحد مركّبات ثلاثي نيتروفينول، وصيغته الجزيئية — وهي أيضًا صيغته الأولية — هي
\[ \boxed{\ce{C6H3N3O7}},\qquad M=229\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
وتكون حسابات التحقق المقابلة كما يلي:
\[ w_{\mathrm O}=\frac{7(16)}{229}\times100\%=48.91\%, \]
و
\[ Q=\frac{(0.458/229)\,\mathrm{mol}\times18\times 96\,500\ \mathrm{C\,mol^{-1}}}{0.80} =4342.5\ \mathrm C, \]
وكلتا القيمتين قريبة من القيم المعطاة.
هيدروكسي البنزين المستخدم مادةً ابتدائية هو الفينول، Oc1ccccc1. وتوجّه مجموعة الهيدروكسيل فيه النترتة إلى موضعي أورثو وموضع بارا. ولذلك، فإن إدخال ثلاث مجموعات نيترو يعطي الناتج المتوقع 2,4,6-ثلاثي نيتروفينول، الذي جرى تحديده أعلاه. ولرسم بنيته، ضع مجموعة الهيدروكسيل عند ذرة الكربون 1 في حلقة بنزين، ومجموعات النيترو عند ذرات الكربون 2 و4 و6، وذرتي هيدروجين عند ذرتي الكربون 3 و5.
معادلة النترتة الموزونة هي
\[ \ce{C6H5OH + 3HNO3 -> C6H2(NO2)3OH + 3H2O}. \]
الكاشف هنا هو حمض النتريك، O=[N+]([O-])O، والناتج المصاحب هو الماء، O.
يعطي الاختزال الكهربائي الكامل 2,4,6-ثلاثي أمينوفينول، Oc1c(N)cc(N)cc1N، وصيغته \(\ce{C6H9N3O}\). ونصف معادلة الاختزال الموزونة هو
\[ \boxed{\ce{C6H2(NO2)3OH + 18H+ + 18e- -> C6H2(NH2)3OH + 6H2O}}. \]
أيونات الهيدروجين في نصف المعادلة هذا في الوسط الحمضي هي بروتونات، [H+].
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.