IChO 1975 · Theory problem 8
Molecular properties table and isoelectronic species
a) Mark by the "+" in a corresponding window those molecules for which the assertions written on the left side of the Table, are true.
| Assertion | Molecule | |||
|---|---|---|---|---|
| \(\ce{C2H4}\) | \(\ce{N2H4}\) | \(\ce{H2O2}\) | \(\ce{H2F2}\) | |
| There is a covalent bond between two equal atoms | ||||
| The molecule contains a double bond | ||||
| The molecule is planar | ||||
| The molecule is polar | ||||
| There is also a hydrogen bond in the molecule | ||||
| It has basic properties in relation to water |
b) The following assertion and Table are incomplete. Fill in the dotted places by a missing word and the missing formulas, respectively.
Assertion: The electronic structures of the molecules (ions) being placed in the Table one under the other are . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
| \(\ce{CH4}\) | \(\ce{C2H6}\) | \(\ce{CO3^2-}\) | . . . . . . | \(\ce{C2O4^2-}\) | . . . . . . |
|---|---|---|---|---|---|
| \(\ce{NH4+}\) | \(\ce{N2H6^2+}\) | . . . . . . | \(\ce{NO2+}\) | . . . . . . | \(\ce{N2}\) |
Official English text of the problem.
Answers
- a) Place the “+” signs as follows. Empty cells indicate false assertions.
| Assertion | \(\ce{C2H4}\) | \(\ce{N2H4}\) | \(\ce{H2O2}\) | \(\ce{H2F2}\) |
|---|---|---|---|---|
| There is a covalent bond between two equal atoms | + | + | + | |
| The molecule contains a double bond | + | |||
| The molecule is planar | + | + | ||
| The molecule is polar | + | + | + | |
| There is also a hydrogen bond in the molecule | + | |||
| It has basic properties in relation to water | + |
- b) Missing word: identical, in the intended sense that the corresponding species are isoelectronic, with analogous Lewis-electron structures.
One consistent completion is:
| \(\ce{CH4}\) | \(\ce{C2H6}\) | \(\ce{CO3^2-}\) | \(\ce{CO2}\) | \(\ce{C2O4^2-}\) | \(\ce{C2^2-}\) |
|---|---|---|---|---|---|
| \(\ce{NH4+}\) | \(\ce{N2H6^2+}\) | \(\ce{NO3-}\) | \(\ce{NO2+}\) | \(\ce{N2O4}\) | \(\ce{N2}\) |
Carbon monoxide, \(\ce{CO}\), is also a valid answer for the final blank.
Solution
a)
The structures represented by the four formulas are:
| Species | Name | SMILES | Relevant structure |
|---|---|---|---|
| \(\ce{C2H4}\) | Ethene (ethylene) | C=C |
Two trigonal-planar carbon atoms joined by a double bond; all six atoms are coplanar. |
| \(\ce{N2H4}\) | Hydrazine | NN |
A single nitrogen–nitrogen bond; each nitrogen is pyramidal. The equilibrium conformation is nonplanar and gauche. |
| \(\ce{H2O2}\) | Hydrogen peroxide | OO |
A single oxygen–oxygen bond and a nonplanar, skew equilibrium conformation. |
| \(\ce{H2F2}\) | Hydrogen fluoride dimer | [H]F.[H]F |
Two hydrogen fluoride units joined by a hydrogen bond in a planar equilibrium arrangement. |
Ordinary SMILES does not specify these conformations or encode the hydrogen bond between the two components of the hydrogen fluoride dimer.
-
Covalent bond between two equal atoms.
Ethene contains a carbon–carbon bond, hydrazine a nitrogen–nitrogen bond, and hydrogen peroxide an oxygen–oxygen bond. The hydrogen fluoride dimer contains covalent hydrogen–fluorine bonds and a hydrogen bond; it has no covalent fluorine–fluorine or hydrogen–hydrogen bond. -
Double bond.
Only ethene contains a double bond: its carbon–carbon bond consists of one \(\sigma\) bond and one \(\pi\) bond. -
Planarity.
Ethene is planar because the carbon atoms are trigonal planar and their parallel \(p\) orbitals form the \(\pi\) bond. The hydrogen fluoride dimer is also planar, although it need not be represented as a straight chain. Hydrazine and hydrogen peroxide have nonplanar equilibrium structures. -
Polarity.
Ethene’s symmetry gives a zero permanent molecular dipole moment. The bond dipoles and electron distributions in hydrazine, hydrogen peroxide and the hydrogen fluoride dimer do not cancel, so these three species are polar. -
Hydrogen bonding within the listed species.
Only the hydrogen fluoride dimer contains a hydrogen bond as part of the specified aggregate: a hydrogen covalently attached to one fluorine interacts with the other fluorine. Individual hydrazine and hydrogen peroxide molecules contain no intramolecular hydrogen bond. Their ability to form hydrogen bonds between separate molecules does not warrant a “+” in this row. -
Basic properties toward water.
Hydrazine accepts a proton from water through a nitrogen lone pair:
\[ \ce{N2H4 + H2O <=> N2H5+ + OH-}. \]
Here water is O, the hydrazinium ion is N[NH3+], and the hydroxide ion is [OH-]. Formation of hydroxide accounts for the basic solution. Ethene does not appreciably act as a base toward water; hydrogen peroxide and hydrogen fluoride exhibit acidic behavior in water.
b)
For a species with signed charge \(q\), expressed in units of the elementary charge, the total electron count is
\[ N_{\mathrm e}=\sum_{\text{atoms}} Z-q. \]
Thus a positive charge removes electrons and a negative charge adds electrons.
Replacing a carbon atom by nitrogen increases the nuclear charge by one. Increasing the species’ positive charge by one at the same time preserves its electron count. Applying this consistently gives all six pairs in the completed table.
| Upper species: name and SMILES | Lower species: name and SMILES | Total-electron check |
|---|---|---|
Methane, \(\ce{CH4}\): C |
Ammonium ion, \(\ce{NH4+}\): [NH4+] |
\(6+4=7+4-1=10\) |
Ethane, \(\ce{C2H6}\): CC |
Hydrazine-1,2-diium ion, \(\ce{N2H6^2+}\): [NH3+][NH3+] |
\(2(6)+6=2(7)+6-2=18\) |
Carbonate ion, \(\ce{CO3^2-}\): [O-]C(=O)[O-] |
Nitrate ion, \(\ce{NO3-}\): [O-][N+](=O)[O-] |
\(6+3(8)+2=7+3(8)+1=32\) |
Carbon dioxide, \(\ce{CO2}\): O=C=O |
Nitronium ion, \(\ce{NO2+}\): O=[N+]=O |
\(6+2(8)=7+2(8)-1=22\) |
Oxalate ion, \(\ce{C2O4^2-}\): [O-]C(=O)C(=O)[O-] |
Dinitrogen tetroxide, \(\ce{N2O4}\): [O-][N+](=O)[N+](=O)[O-] |
\(2(6)+4(8)+2=2(7)+4(8)=46\) |
Acetylide dianion (ethynediide), \(\ce{C2^2-}\): [C-]#[C-] |
Dinitrogen, \(\ce{N2}\): N#N |
\(2(6)+2=2(7)=14\) |
The SMILES show representative Lewis structures; they do not encode resonance delocalization in the oxygen-containing groups.
The corresponding pairs have the same valence-electron counts and analogous bonding arrangements. In particular, carbon dioxide and the nitronium ion are linear, while the acetylide dianion and dinitrogen both have a triple bond and one lone pair on each atom.
Carbon monoxide, \(\ce{CO}\), SMILES [C-]#[O+], also has a triple bond, one lone pair on each atom, and
\[ N_{\mathrm e}=6+8=14. \]
It therefore also qualifies for the final blank.
“Identical” here describes the intended electron-count and Lewis-structure correspondence; it does not imply identical orbital energies, bond strengths or other physical properties.
The answers were checked against the official answers published by the organisers.
IChO 1975 · Theorieaufgabe 8
Tabelle der Moleküleigenschaften und isoelektronische Spezies
a) Kennzeichnen Sie diejenigen Moleküle, für die die auf der linken Seite der Tabelle aufgeführten Aussagen zutreffen, durch ein „+“ im entsprechenden Feld.
| Aussage | Molekül | |||
|---|---|---|---|---|
| \(\ce{C2H4}\) | \(\ce{N2H4}\) | \(\ce{H2O2}\) | \(\ce{H2F2}\) | |
| Es gibt eine kovalente Bindung zwischen zwei gleichen Atomen | ||||
| Das Molekül enthält eine Doppelbindung | ||||
| Das Molekül ist planar | ||||
| Das Molekül ist polar | ||||
| Im Molekül gibt es auch eine Wasserstoffbrückenbindung | ||||
| Es besitzt gegenüber Wasser basische Eigenschaften |
b) Die folgende Aussage und die Tabelle sind unvollständig. Ergänzen Sie an den durch Punkte gekennzeichneten Stellen das fehlende Wort beziehungsweise die fehlenden Formeln.
Aussage: Die Elektronenstrukturen der Moleküle (Ionen), die in der Tabelle untereinander stehen, sind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
| \(\ce{CH4}\) | \(\ce{C2H6}\) | \(\ce{CO3^2-}\) | . . . . . . | \(\ce{C2O4^2-}\) | . . . . . . |
|---|---|---|---|---|---|
| \(\ce{NH4+}\) | \(\ce{N2H6^2+}\) | . . . . . . | \(\ce{NO2+}\) | . . . . . . | \(\ce{N2}\) |
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- a) Setzen Sie die „+“-Zeichen wie folgt. Leere Felder kennzeichnen falsche Aussagen.
| Aussage | \(\ce{C2H4}\) | \(\ce{N2H4}\) | \(\ce{H2O2}\) | \(\ce{H2F2}\) |
|---|---|---|---|---|
| Es gibt eine kovalente Bindung zwischen zwei gleichen Atomen | + | + | + | |
| Das Molekül enthält eine Doppelbindung | + | |||
| Das Molekül ist planar | + | + | ||
| Das Molekül ist polar | + | + | + | |
| Im Molekül gibt es auch eine Wasserstoffbrückenbindung | + | |||
| Es besitzt gegenüber Wasser basische Eigenschaften | + |
- b) Fehlendes Wort: identisch, im beabsichtigten Sinne, dass die entsprechenden Spezies isoelektronisch sind und analoge Lewis-Elektronenstrukturen aufweisen.
Eine in sich stimmige Ergänzung lautet:
| \(\ce{CH4}\) | \(\ce{C2H6}\) | \(\ce{CO3^2-}\) | \(\ce{CO2}\) | \(\ce{C2O4^2-}\) | \(\ce{C2^2-}\) |
|---|---|---|---|---|---|
| \(\ce{NH4+}\) | \(\ce{N2H6^2+}\) | \(\ce{NO3-}\) | \(\ce{NO2+}\) | \(\ce{N2O4}\) | \(\ce{N2}\) |
Kohlenstoffmonoxid, \(\ce{CO}\), ist ebenfalls eine gültige Antwort für die letzte Lücke.
Lösung
a)
Die durch die vier Formeln dargestellten Strukturen sind:
| Spezies | Name | SMILES | Relevante Struktur |
|---|---|---|---|
| \(\ce{C2H4}\) | Ethen (Ethylen) | C=C |
Zwei trigonal-planare Kohlenstoffatome, die durch eine Doppelbindung verbunden sind; alle sechs Atome liegen in einer Ebene. |
| \(\ce{N2H4}\) | Hydrazin | NN |
Eine Stickstoff–Stickstoff-Einfachbindung; jedes Stickstoffatom ist pyramidal koordiniert. Die Gleichgewichtskonformation ist nichtplanar und liegt in gauche-Stellung vor. |
| \(\ce{H2O2}\) | Wasserstoffperoxid | OO |
Eine Sauerstoff–Sauerstoff-Einfachbindung und eine nichtplanare, windschiefe Gleichgewichtskonformation. |
| \(\ce{H2F2}\) | Fluorwasserstoff-Dimer | [H]F.[H]F |
Zwei Fluorwasserstoff-Einheiten, die durch eine Wasserstoffbrückenbindung in einer planaren Gleichgewichtsanordnung verbunden sind. |
Die übliche SMILES-Notation legt diese Konformationen nicht fest und codiert auch nicht die Wasserstoffbrückenbindung zwischen den beiden Komponenten des Fluorwasserstoff-Dimers.
-
Kovalente Bindung zwischen zwei gleichen Atomen.
Ethen enthält eine Kohlenstoff–Kohlenstoff-Bindung, Hydrazin eine Stickstoff–Stickstoff-Bindung und Wasserstoffperoxid eine Sauerstoff–Sauerstoff-Bindung. Das Fluorwasserstoff-Dimer enthält kovalente Wasserstoff–Fluor-Bindungen und eine Wasserstoffbrückenbindung; es besitzt keine kovalente Fluor–Fluor- oder Wasserstoff–Wasserstoff-Bindung. -
Doppelbindung.
Nur Ethen enthält eine Doppelbindung: Seine Kohlenstoff–Kohlenstoff-Bindung besteht aus einer \(\sigma\)-Bindung und einer \(\pi\)-Bindung. -
Planarität.
Ethen ist planar, weil die Kohlenstoffatome trigonal-planar koordiniert sind und ihre parallelen \(p\)-Orbitale die \(\pi\)-Bindung bilden. Das Fluorwasserstoff-Dimer ist ebenfalls planar, muss aber nicht als gerade Kette dargestellt werden. Hydrazin und Wasserstoffperoxid besitzen nichtplanare Gleichgewichtsstrukturen. -
Polarität.
Aufgrund seiner Symmetrie besitzt Ethen kein permanentes molekulares Dipolmoment. Die Bindungsdipole und Elektronenverteilungen in Hydrazin, Wasserstoffperoxid und dem Fluorwasserstoff-Dimer gleichen sich nicht aus, sodass diese drei Spezies polar sind. -
Wasserstoffbrückenbindungen innerhalb der aufgeführten Spezies.
Nur das Fluorwasserstoff-Dimer enthält eine Wasserstoffbrückenbindung als Bestandteil des angegebenen Aggregats: Ein kovalent an ein Fluoratom gebundenes Wasserstoffatom wechselwirkt mit dem anderen Fluoratom. Einzelne Hydrazin- und Wasserstoffperoxidmoleküle enthalten keine intramolekulare Wasserstoffbrückenbindung. Ihre Fähigkeit, Wasserstoffbrückenbindungen zwischen getrennten Molekülen zu bilden, rechtfertigt kein „+“ in dieser Zeile. -
Basische Eigenschaften gegenüber Wasser.
Hydrazin nimmt über ein freies Elektronenpaar an einem Stickstoffatom ein Proton von Wasser auf:
\[ \ce{N2H4 + H2O <=> N2H5+ + OH-}. \]
Hier steht O für Wasser, N[NH3+] für das Hydrazinium-Ion und [OH-] für das Hydroxid-Ion. Die Bildung von Hydroxid erklärt die basische Reaktion der Lösung. Ethen wirkt gegenüber Wasser nicht in nennenswertem Maße als Base; Wasserstoffperoxid und Fluorwasserstoff zeigen in Wasser saures Verhalten.
b)
Für eine Spezies mit der vorzeichenbehafteten Ladung \(q\), ausgedrückt in Einheiten der Elementarladung, beträgt die Gesamtzahl der Elektronen
\[ N_{\mathrm e}=\sum_{\text{Atome}} Z-q. \]
Eine positive Ladung bedeutet somit, dass Elektronen entfernt werden, und eine negative Ladung, dass Elektronen hinzugefügt werden.
Ersetzt man ein Kohlenstoffatom durch ein Stickstoffatom, erhöht sich die Kernladung um eins. Erhöht man gleichzeitig die positive Ladung der Spezies um eins, bleibt ihre Elektronenzahl erhalten. Die konsequente Anwendung dieses Prinzips ergibt alle sechs Paare in der vervollständigten Tabelle.
| Obere Spezies: Name und SMILES | Untere Spezies: Name und SMILES | Überprüfung der Gesamtelektronenzahl |
|---|---|---|
Methan, \(\ce{CH4}\): C |
Ammonium-Ion, \(\ce{NH4+}\): [NH4+] |
\(6+4=7+4-1=10\) |
Ethan, \(\ce{C2H6}\): CC |
Hydrazin-1,2-diium-Ion, \(\ce{N2H6^2+}\): [NH3+][NH3+] |
\(2(6)+6=2(7)+6-2=18\) |
Carbonat-Ion, \(\ce{CO3^2-}\): [O-]C(=O)[O-] |
Nitrat-Ion, \(\ce{NO3-}\): [O-][N+](=O)[O-] |
\(6+3(8)+2=7+3(8)+1=32\) |
Kohlenstoffdioxid, \(\ce{CO2}\): O=C=O |
Nitronium-Ion, \(\ce{NO2+}\): O=[N+]=O |
\(6+2(8)=7+2(8)-1=22\) |
Oxalat-Ion, \(\ce{C2O4^2-}\): [O-]C(=O)C(=O)[O-] |
Distickstofftetraoxid, \(\ce{N2O4}\): [O-][N+](=O)[N+](=O)[O-] |
\(2(6)+4(8)+2=2(7)+4(8)=46\) |
Acetylid-Dianion (Ethindiid), \(\ce{C2^2-}\): [C-]#[C-] |
Distickstoff, \(\ce{N2}\): N#N |
\(2(6)+2=2(7)=14\) |
Die SMILES zeigen repräsentative Lewis-Strukturen; sie codieren nicht die mesomere Delokalisierung in den sauerstoffhaltigen Gruppen.
Die einander entsprechenden Paare besitzen dieselbe Anzahl an Valenzelektronen und analoge Bindungsanordnungen. Insbesondere sind Kohlenstoffdioxid und das Nitronium-Ion linear, während sowohl das Acetylid-Dianion als auch Distickstoff eine Dreifachbindung und ein freies Elektronenpaar an jedem Atom besitzen.
Kohlenstoffmonoxid, \(\ce{CO}\), SMILES [C-]#[O+], besitzt ebenfalls eine Dreifachbindung und ein freies Elektronenpaar an jedem Atom, und es gilt
\[ N_{\mathrm e}=6+8=14. \]
Es eignet sich daher ebenfalls als Ergänzung für die letzte Lücke.
„Identisch“ beschreibt hier die beabsichtigte Übereinstimmung hinsichtlich der Elektronenzahl und der Lewis-Struktur; es bedeutet nicht, dass die Orbitalenergien, Bindungsstärken oder andere physikalische Eigenschaften identisch sind.
Die Ergebnisse wurden mit den von den Veranstaltern veröffentlichten offiziellen Ergebnissen abgeglichen.
IChO 1975 · Teori sorusu 8
Moleküler özellikler tablosu ve izoelektronik türler
a) Tablonun sol tarafında yazılı ifadelerin doğru olduğu moleküller için ilgili kutucuğa "+" işareti koyunuz.
| İfade | Molekül | |||
|---|---|---|---|---|
| \(\ce{C2H4}\) | \(\ce{N2H4}\) | \(\ce{H2O2}\) | \(\ce{H2F2}\) | |
| Aynı türden iki atom arasında kovalent bağ vardır | ||||
| Molekül çift bağ içerir | ||||
| Molekül düzlemseldir | ||||
| Molekül polardır | ||||
| Molekülde ayrıca hidrojen bağı vardır | ||||
| Suya karşı bazik özellik gösterir |
b) Aşağıdaki ifade ve tablo eksiktir. Noktalı yerleri sırasıyla eksik sözcük ve eksik formüllerle doldurunuz.
İfade: Tabloda alt alta yer alan moleküllerin (iyonların) elektronik yapıları . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
| \(\ce{CH4}\) | \(\ce{C2H6}\) | \(\ce{CO3^2-}\) | . . . . . . | \(\ce{C2O4^2-}\) | . . . . . . |
|---|---|---|---|---|---|
| \(\ce{NH4+}\) | \(\ce{N2H6^2+}\) | . . . . . . | \(\ce{NO2+}\) | . . . . . . | \(\ce{N2}\) |
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- a) “+” işaretlerini aşağıdaki gibi yerleştiriniz. Boş hücreler yanlış ifadeleri gösterir.
| İfade | \(\ce{C2H4}\) | \(\ce{N2H4}\) | \(\ce{H2O2}\) | \(\ce{H2F2}\) |
|---|---|---|---|---|
| Aynı türden iki atom arasında kovalent bağ vardır | + | + | + | |
| Molekül çift bağ içerir | + | |||
| Molekül düzlemseldir | + | + | ||
| Molekül polardır | + | + | + | |
| Molekülde ayrıca hidrojen bağı vardır | + | |||
| Suya karşı bazik özellik gösterir | + |
- b) Eksik sözcük: aynıdır; burada kastedilen, karşılıklı türlerin benzer Lewis elektron yapılarına sahip ve izoelektronik olmasıdır.
Tutarlı bir tamamlama şöyledir:
| \(\ce{CH4}\) | \(\ce{C2H6}\) | \(\ce{CO3^2-}\) | \(\ce{CO2}\) | \(\ce{C2O4^2-}\) | \(\ce{C2^2-}\) |
|---|---|---|---|---|---|
| \(\ce{NH4+}\) | \(\ce{N2H6^2+}\) | \(\ce{NO3-}\) | \(\ce{NO2+}\) | \(\ce{N2O4}\) | \(\ce{N2}\) |
Karbonmonoksit, \(\ce{CO}\), de son boşluk için geçerli bir cevaptır.
Çözüm
a)
Dört formülün temsil ettiği yapılar şunlardır:
| Tür | Adı | SMILES | İlgili yapı |
|---|---|---|---|
| \(\ce{C2H4}\) | Eten (etilen) | C=C |
Çift bağla birbirine bağlanmış, üçgen düzlemsel geometriye sahip iki karbon atomu; altı atomun tümü aynı düzlemdedir. |
| \(\ce{N2H4}\) | Hidrazin | NN |
Tek bir azot–azot bağı; her azot piramidal geometriye sahiptir. Denge konformasyonu düzlemsel değildir ve gauche konformasyonudur. |
| \(\ce{H2O2}\) | Hidrojen peroksit | OO |
Tek bir oksijen–oksijen bağı ve düzlemsel olmayan, çarpık bir denge konformasyonu. |
| \(\ce{H2F2}\) | Hidrojen florür dimeri | [H]F.[H]F |
Düzlemsel bir denge düzeninde hidrojen bağıyla birbirine bağlanmış iki hidrojen florür birimi. |
Standart SMILES gösterimi bu konformasyonları belirtmez ve hidrojen florür dimerinin iki bileşeni arasındaki hidrojen bağını kodlamaz.
-
Aynı türden iki atom arasında kovalent bağ.
Eten karbon–karbon bağı, hidrazin azot–azot bağı ve hidrojen peroksit oksijen–oksijen bağı içerir. Hidrojen florür dimeri kovalent hidrojen–flor bağları ve bir hidrojen bağı içerir; kovalent flor–flor veya hidrojen–hidrojen bağı içermez. -
Çift bağ.
Yalnızca eten çift bağ içerir: karbon–karbon bağı bir \(\sigma\) bağı ve bir \(\pi\) bağından oluşur. -
Düzlemsellik.
Eten düzlemseldir; çünkü karbon atomları üçgen düzlemsel geometriye sahiptir ve birbirine paralel \(p\) orbitalleri \(\pi\) bağını oluşturur. Hidrojen florür dimeri de düzlemseldir, ancak düz bir zincir olarak gösterilmesi gerekmez. Hidrazin ve hidrojen peroksitin denge yapıları düzlemsel değildir. -
Polarlık.
Etenin simetrisi nedeniyle kalıcı moleküler dipol momenti sıfırdır. Hidrazin, hidrojen peroksit ve hidrojen florür dimerindeki bağ dipolleri ve elektron dağılımları birbirini dengelemediğinden bu üç tür polardır. -
Listelenen türlerin kendi içindeki hidrojen bağları.
Yalnızca hidrojen florür dimeri, belirtilen birliğin bir parçası olarak hidrojen bağı içerir: bir flor atomuna kovalent olarak bağlı olan hidrojen, diğer flor atomuyla etkileşir. Tek tek hidrazin ve hidrojen peroksit molekülleri molekül içi hidrojen bağı içermez. Ayrı moleküller arasında hidrojen bağı oluşturabilmeleri, bu satıra “+” konulmasını gerektirmez. -
Suya karşı bazik özellikler.
Hidrazin, azot üzerindeki bir ortaklanmamış elektron çifti aracılığıyla sudan proton alır:
\[ \ce{N2H4 + H2O <=> N2H5+ + OH-}. \]
Burada su O, hidrazinyum iyonu N[NH3+] ve hidroksit iyonu [OH-] şeklindedir. Hidroksit oluşumu, çözeltinin bazik olmasını açıklar. Eten suya karşı kayda değer ölçüde baz olarak davranmaz; hidrojen peroksit ve hidrojen florür suda asidik davranış gösterir.
b)
İşaretli yükü temel yük birimi cinsinden \(q\) olarak ifade edilen bir türün toplam elektron sayısı şöyledir:
\[ N_{\mathrm e}=\sum_{\text{atomlar}} Z-q. \]
Dolayısıyla pozitif yük elektron sayısını azaltır, negatif yük ise artırır.
Bir karbon atomunun azotla değiştirilmesi, çekirdek yükünü bir artırır. Aynı zamanda türün pozitif yükünün de bir artırılması, elektron sayısını korur. Bu işlemin tutarlı biçimde uygulanması, tamamlanmış tablodaki altı çiftin tümünü verir.
| Üstteki tür: adı ve SMILES gösterimi | Alttaki tür: adı ve SMILES gösterimi | Toplam elektron sayısının kontrolü |
|---|---|---|
Metan, \(\ce{CH4}\): C |
Amonyum iyonu, \(\ce{NH4+}\): [NH4+] |
\(6+4=7+4-1=10\) |
Etan, \(\ce{C2H6}\): CC |
Hidrazin-1,2-diiyum iyonu, \(\ce{N2H6^2+}\): [NH3+][NH3+] |
\(2(6)+6=2(7)+6-2=18\) |
Karbonat iyonu, \(\ce{CO3^2-}\): [O-]C(=O)[O-] |
Nitrat iyonu, \(\ce{NO3-}\): [O-][N+](=O)[O-] |
\(6+3(8)+2=7+3(8)+1=32\) |
Karbondioksit, \(\ce{CO2}\): O=C=O |
Nitronyum iyonu, \(\ce{NO2+}\): O=[N+]=O |
\(6+2(8)=7+2(8)-1=22\) |
Oksalat iyonu, \(\ce{C2O4^2-}\): [O-]C(=O)C(=O)[O-] |
Diazot tetraoksit, \(\ce{N2O4}\): [O-][N+](=O)[N+](=O)[O-] |
\(2(6)+4(8)+2=2(7)+4(8)=46\) |
Asetilür dianyonu (etindiit), \(\ce{C2^2-}\): [C-]#[C-] |
Diazot, \(\ce{N2}\): N#N |
\(2(6)+2=2(7)=14\) |
SMILES gösterimleri temsili Lewis yapılarını gösterir; oksijen içeren gruplardaki rezonans delokalizasyonunu kodlamaz.
Karşılıklı çiftler aynı sayıda değerlik elektronuna ve benzer bağlanma düzenlerine sahiptir. Özellikle karbondioksit ve nitronyum iyonu doğrusaldır; asetilür dianyonu ve diazotun her ikisi de üçlü bağ içerir ve her atom üzerinde bir ortaklanmamış elektron çifti bulunur.
SMILES gösterimi [C-]#[O+] olan karbonmonoksit, \(\ce{CO}\), de üçlü bağ içerir, her atom üzerinde bir ortaklanmamış elektron çifti bulunur ve elektron sayısı şöyledir:
\[ N_{\mathrm e}=6+8=14. \]
Bu nedenle son boşluk için o da uygundur.
Burada “aynı” sözcüğü, elektron sayısı ve Lewis yapısı bakımından kastedilen karşılıklılığı tanımlar; orbital enerjilerinin, bağ kuvvetlerinin veya diğer fiziksel özelliklerin aynı olduğu anlamına gelmez.
Sonuçlar, düzenleyicilerin yayımladığı resmi sonuçlarla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1975 · Problema teórico 8
Tabla de propiedades moleculares y especies isoelectrónicas
a) Marque con un "+" en la casilla correspondiente aquellas moléculas para las que sean verdaderas las afirmaciones escritas en el lado izquierdo de la tabla.
| Afirmación | Molécula | |||
|---|---|---|---|---|
| \(\ce{C2H4}\) | \(\ce{N2H4}\) | \(\ce{H2O2}\) | \(\ce{H2F2}\) | |
| Hay un enlace covalente entre dos átomos iguales | ||||
| La molécula contiene un doble enlace | ||||
| La molécula es plana | ||||
| La molécula es polar | ||||
| También hay un enlace de hidrógeno en la molécula | ||||
| Tiene propiedades básicas frente al agua |
b) La siguiente afirmación y la tabla están incompletas. Complete los espacios de puntos con la palabra y las fórmulas que faltan, respectivamente.
Afirmación: Las estructuras electrónicas de las moléculas (iones) situadas una debajo de la otra en la tabla son . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
| \(\ce{CH4}\) | \(\ce{C2H6}\) | \(\ce{CO3^2-}\) | . . . . . . | \(\ce{C2O4^2-}\) | . . . . . . |
|---|---|---|---|---|---|
| \(\ce{NH4+}\) | \(\ce{N2H6^2+}\) | . . . . . . | \(\ce{NO2+}\) | . . . . . . | \(\ce{N2}\) |
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- a) Coloque los signos “+” como se indica a continuación. Las casillas vacías indican afirmaciones falsas.
| Afirmación | \(\ce{C2H4}\) | \(\ce{N2H4}\) | \(\ce{H2O2}\) | \(\ce{H2F2}\) |
|---|---|---|---|---|
| Hay un enlace covalente entre dos átomos iguales | + | + | + | |
| La molécula contiene un doble enlace | + | |||
| La molécula es plana | + | + | ||
| La molécula es polar | + | + | + | |
| También hay un enlace de hidrógeno en la molécula | + | |||
| Tiene propiedades básicas frente al agua | + |
- b) Palabra que falta: idénticas, en el sentido previsto de que las especies correspondientes son isoelectrónicas, con estructuras electrónicas de Lewis análogas.
Una forma coherente de completar la tabla es:
| \(\ce{CH4}\) | \(\ce{C2H6}\) | \(\ce{CO3^2-}\) | \(\ce{CO2}\) | \(\ce{C2O4^2-}\) | \(\ce{C2^2-}\) |
|---|---|---|---|---|---|
| \(\ce{NH4+}\) | \(\ce{N2H6^2+}\) | \(\ce{NO3-}\) | \(\ce{NO2+}\) | \(\ce{N2O4}\) | \(\ce{N2}\) |
El monóxido de carbono, \(\ce{CO}\), también es una respuesta válida para el último espacio en blanco.
Solución
a)
Las estructuras representadas por las cuatro fórmulas son:
| Especie | Nombre | SMILES | Estructura pertinente |
|---|---|---|---|
| \(\ce{C2H4}\) | Eteno (etileno) | C=C |
Dos átomos de carbono con geometría trigonal plana unidos por un doble enlace; los seis átomos son coplanares. |
| \(\ce{N2H4}\) | Hidrazina | NN |
Un enlace sencillo nitrógeno–nitrógeno; cada nitrógeno presenta geometría piramidal. La conformación de equilibrio es no plana y de tipo gauche. |
| \(\ce{H2O2}\) | Peróxido de hidrógeno | OO |
Un enlace sencillo oxígeno–oxígeno y una conformación de equilibrio no plana y alabeada. |
| \(\ce{H2F2}\) | Dímero de fluoruro de hidrógeno | [H]F.[H]F |
Dos unidades de fluoruro de hidrógeno unidas por un enlace de hidrógeno en una disposición de equilibrio plana. |
La notación SMILES habitual no especifica estas conformaciones ni codifica el enlace de hidrógeno entre los dos componentes del dímero de fluoruro de hidrógeno.
-
Enlace covalente entre dos átomos iguales.
El eteno contiene un enlace carbono–carbono, la hidrazina un enlace nitrógeno–nitrógeno y el peróxido de hidrógeno un enlace oxígeno–oxígeno. El dímero de fluoruro de hidrógeno contiene enlaces covalentes hidrógeno–flúor y un enlace de hidrógeno; no tiene ningún enlace covalente flúor–flúor ni hidrógeno–hidrógeno. -
Doble enlace.
Solo el eteno contiene un doble enlace: su enlace carbono–carbono consta de un enlace \(\sigma\) y un enlace \(\pi\). -
Planaridad.
El eteno es plano porque los átomos de carbono presentan geometría trigonal plana y sus orbitales \(p\) paralelos forman el enlace \(\pi\). El dímero de fluoruro de hidrógeno también es plano, aunque no tiene por qué representarse como una cadena recta. La hidrazina y el peróxido de hidrógeno tienen estructuras de equilibrio no planas. -
Polaridad.
La simetría del eteno da lugar a un momento dipolar molecular permanente nulo. Los dipolos de enlace y las distribuciones electrónicas de la hidrazina, el peróxido de hidrógeno y el dímero de fluoruro de hidrógeno no se compensan, por lo que estas tres especies son polares. -
Enlaces de hidrógeno dentro de las especies enumeradas.
Solo el dímero de fluoruro de hidrógeno contiene un enlace de hidrógeno como parte del agregado especificado: un hidrógeno unido covalentemente a un flúor interacciona con el otro flúor. Las moléculas individuales de hidrazina y peróxido de hidrógeno no contienen ningún enlace de hidrógeno intramolecular. Su capacidad para formar enlaces de hidrógeno entre moléculas distintas no justifica un “+” en esta fila. -
Propiedades básicas frente al agua.
La hidrazina acepta un protón del agua mediante un par de electrones no enlazantes de un nitrógeno:
\[ \ce{N2H4 + H2O <=> N2H5+ + OH-}. \]
Aquí, el agua es O, el ion hidrazinio es N[NH3+] y el ion hidróxido es [OH-]. La formación de hidróxido explica el carácter básico de la disolución. El eteno no actúa de manera apreciable como base frente al agua; el peróxido de hidrógeno y el fluoruro de hidrógeno presentan un comportamiento ácido en agua.
b)
Para una especie con carga con signo \(q\), expresada en unidades de la carga elemental, el número total de electrones es
\[ N_{\mathrm e}=\sum_{\text{átomos}} Z-q. \]
Por tanto, una carga positiva resta electrones y una carga negativa añade electrones.
Sustituir un átomo de carbono por uno de nitrógeno aumenta la carga nuclear en una unidad. Aumentar al mismo tiempo la carga positiva de la especie en una unidad conserva su número de electrones. Al aplicar esto de forma sistemática se obtienen los seis pares de la tabla completada.
| Especie superior: nombre y SMILES | Especie inferior: nombre y SMILES | Comprobación del número total de electrones |
|---|---|---|
Metano, \(\ce{CH4}\): C |
Ion amonio, \(\ce{NH4+}\): [NH4+] |
\(6+4=7+4-1=10\) |
Etano, \(\ce{C2H6}\): CC |
Ion hidrazina-1,2-diio, \(\ce{N2H6^2+}\): [NH3+][NH3+] |
\(2(6)+6=2(7)+6-2=18\) |
Ion carbonato, \(\ce{CO3^2-}\): [O-]C(=O)[O-] |
Ion nitrato, \(\ce{NO3-}\): [O-][N+](=O)[O-] |
\(6+3(8)+2=7+3(8)+1=32\) |
Dióxido de carbono, \(\ce{CO2}\): O=C=O |
Ion nitronio, \(\ce{NO2+}\): O=[N+]=O |
\(6+2(8)=7+2(8)-1=22\) |
Ion oxalato, \(\ce{C2O4^2-}\): [O-]C(=O)C(=O)[O-] |
Tetróxido de dinitrógeno, \(\ce{N2O4}\): [O-][N+](=O)[N+](=O)[O-] |
\(2(6)+4(8)+2=2(7)+4(8)=46\) |
Dianión acetiluro (etinodiuro), \(\ce{C2^2-}\): [C-]#[C-] |
Dinitrógeno, \(\ce{N2}\): N#N |
\(2(6)+2=2(7)=14\) |
Los SMILES muestran estructuras de Lewis representativas; no codifican la deslocalización por resonancia en los grupos que contienen oxígeno.
Los pares correspondientes tienen el mismo número de electrones de valencia y disposiciones de enlace análogas. En particular, el dióxido de carbono y el ion nitronio son lineales, mientras que tanto el dianión acetiluro como el dinitrógeno tienen un triple enlace y un par de electrones no enlazantes en cada átomo.
El monóxido de carbono, \(\ce{CO}\), SMILES [C-]#[O+], también tiene un triple enlace, un par de electrones no enlazantes en cada átomo y
\[ N_{\mathrm e}=6+8=14. \]
Por tanto, también es válido para el último espacio en blanco.
“Idénticas” describe aquí la correspondencia prevista entre el número de electrones y las estructuras de Lewis; no implica energías orbitales, fuerzas de enlace ni otras propiedades físicas idénticas.
Los resultados se comprobaron con los resultados oficiales publicados por los organizadores.
IChO 1975 · 理论题 8
分子性质表与等电子物种
a) 对于表格左侧所列陈述成立的分子,在相应的空格内标上“+”。
| 陈述 | 分子 | |||
|---|---|---|---|---|
| \(\ce{C2H4}\) | \(\ce{N2H4}\) | \(\ce{H2O2}\) | \(\ce{H2F2}\) | |
| 两个相同元素的原子之间存在共价键 | ||||
| 分子中含有双键 | ||||
| 分子为平面结构 | ||||
| 分子具有极性 | ||||
| 分子中还存在氢键 | ||||
| 相对于水表现出碱性 |
b) 以下陈述和表格尚不完整。请分别在点线处填入缺失的词语和化学式。
陈述: 表格中上下对应的分子(离子)的电子结构是 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
| \(\ce{CH4}\) | \(\ce{C2H6}\) | \(\ce{CO3^2-}\) | . . . . . . | \(\ce{C2O4^2-}\) | . . . . . . |
|---|---|---|---|---|---|
| \(\ce{NH4+}\) | \(\ce{N2H6^2+}\) | . . . . . . | \(\ce{NO2+}\) | . . . . . . | \(\ce{N2}\) |
题目译自官方英文原文。
答案
- a) 按下表标上“+”。空白单元格表示相应陈述不成立。
| 陈述 | \(\ce{C2H4}\) | \(\ce{N2H4}\) | \(\ce{H2O2}\) | \(\ce{H2F2}\) |
|---|---|---|---|---|
| 两个相同元素的原子之间存在共价键 | + | + | + | |
| 分子中含有双键 | + | |||
| 分子为平面结构 | + | + | ||
| 分子具有极性 | + | + | + | |
| 分子中还存在氢键 | + | |||
| 相对于水表现出碱性 | + |
- b) 缺失的词语:相同的,这里意指对应物种是等电子的,具有类似的路易斯电子结构。
一种符合上述规律的填法如下:
| \(\ce{CH4}\) | \(\ce{C2H6}\) | \(\ce{CO3^2-}\) | \(\ce{CO2}\) | \(\ce{C2O4^2-}\) | \(\ce{C2^2-}\) |
|---|---|---|---|---|---|
| \(\ce{NH4+}\) | \(\ce{N2H6^2+}\) | \(\ce{NO3-}\) | \(\ce{NO2+}\) | \(\ce{N2O4}\) | \(\ce{N2}\) |
最后一空填一氧化碳 \(\ce{CO}\) 也正确。
解答
a)
这四个化学式所表示的结构如下:
| 物种 | 名称 | SMILES | 相关结构 |
|---|---|---|---|
| \(\ce{C2H4}\) | 乙烯 | C=C |
两个呈平面三角形构型的碳原子以双键相连;全部六个原子共面。 |
| \(\ce{N2H4}\) | 肼 | NN |
含有一个氮—氮单键;每个氮原子均呈三角锥形构型。平衡构象为非平面的邻交叉式构象。 |
| \(\ce{H2O2}\) | 过氧化氢 | OO |
含有一个氧—氧单键,平衡构象为非平面的扭曲构象。 |
| \(\ce{H2F2}\) | 氟化氢二聚体 | [H]F.[H]F |
两个氟化氢单元通过氢键相连,平衡结构呈平面排列。 |
普通 SMILES 不指定这些构象,也不表示氟化氢二聚体两个组分之间的氢键。
-
两个相同元素的原子之间的共价键。
乙烯含有碳—碳键,肼含有氮—氮键,过氧化氢含有氧—氧键。氟化氢二聚体含有氢—氟共价键和氢键;其中没有氟—氟共价键或氢—氢共价键。 -
双键。
只有乙烯含有双键:其碳—碳键由一个 \(\sigma\) 键和一个 \(\pi\) 键组成。 -
平面性。
乙烯为平面结构,因为碳原子呈平面三角形构型,且它们相互平行的 \(p\) 轨道形成 \(\pi\) 键。氟化氢二聚体也是平面结构,但不必将其表示为一条直链。肼和过氧化氢的平衡结构均为非平面结构。 -
极性。
乙烯的对称性使其分子的永久偶极矩为零。肼、过氧化氢和氟化氢二聚体中的键偶极与电子分布所产生的偶极矩不能相互抵消,因此这三种物种均具有极性。 -
所列物种内部的氢键。
只有氟化氢二聚体在所指定的聚集体内部含有氢键:与一个氟原子以共价键相连的氢原子与另一个氟原子相互作用。单个肼分子和过氧化氢分子内部均不含氢键。它们能够在不同分子之间形成氢键,并不能作为在这一行标“+”的依据。 -
相对于水的碱性。
肼通过氮原子上的一对孤电子对接受水提供的质子:
\[ \ce{N2H4 + H2O <=> N2H5+ + OH-}. \]
这里,水为 O,肼鎓离子为 N[NH3+],氢氧根离子为 [OH-]。氢氧根离子的生成使溶液呈碱性。乙烯相对于水并不表现出明显的碱性;过氧化氢和氟化氢在水中表现出酸性。
b)
对于带符号电荷数为 \(q\) 的物种,以元电荷为电荷单位,其总电子数为
\[ N_{\mathrm e}=\sum_{\text{原子}} Z-q. \]
因此,带正电荷意味着失去电子,带负电荷意味着得到电子。
将一个碳原子替换为氮原子会使核电荷数增加一。同时将该物种的正电荷数增加一,即可保持其电子数不变。将这一规律一致地应用于各组,即可得到填完整的表格中的全部六对物种。
| 上方物种:名称与 SMILES | 下方物种:名称与 SMILES | 总电子数核对 |
|---|---|---|
甲烷,\(\ce{CH4}\):C |
铵离子,\(\ce{NH4+}\):[NH4+] |
\(6+4=7+4-1=10\) |
乙烷,\(\ce{C2H6}\):CC |
肼-1,2-二鎓离子,\(\ce{N2H6^2+}\):[NH3+][NH3+] |
\(2(6)+6=2(7)+6-2=18\) |
碳酸根离子,\(\ce{CO3^2-}\):[O-]C(=O)[O-] |
硝酸根离子,\(\ce{NO3-}\):[O-][N+](=O)[O-] |
\(6+3(8)+2=7+3(8)+1=32\) |
二氧化碳,\(\ce{CO2}\):O=C=O |
硝酰阳离子,\(\ce{NO2+}\):O=[N+]=O |
\(6+2(8)=7+2(8)-1=22\) |
草酸根离子,\(\ce{C2O4^2-}\):[O-]C(=O)C(=O)[O-] |
四氧化二氮,\(\ce{N2O4}\):[O-][N+](=O)[N+](=O)[O-] |
\(2(6)+4(8)+2=2(7)+4(8)=46\) |
乙炔二阴离子(乙炔二负离子),\(\ce{C2^2-}\):[C-]#[C-] |
氮气,\(\ce{N2}\):N#N |
\(2(6)+2=2(7)=14\) |
这些 SMILES 表示具有代表性的路易斯结构;它们不表示含氧基团中的共振离域。
各对对应物种具有相同的价电子数和类似的成键方式。特别是,二氧化碳和硝酰阳离子均为直线形,而乙炔二阴离子和氮气均含有一个三键,且每个原子上均有一对孤电子对。
一氧化碳 \(\ce{CO}\),其 SMILES 为 [C-]#[O+],也含有一个三键,每个原子上均有一对孤电子对,且
\[ N_{\mathrm e}=6+8=14. \]
因此,它也符合最后一空的要求。
这里的“相同的”描述的是题目所指的电子数与路易斯结构的对应关系;并不意味着轨道能量、键强度或其他物理性质相同。
结果已与主办方公布的官方答案核对。
IChO 1975 · Теоретическая задача 8
Таблица свойств молекул и изоэлектронные частицы
a) Отметьте знаком «+» в соответствующих клетках те молекулы, для которых верны утверждения, приведённые в левой части таблицы.
| Утверждение | Молекула | |||
|---|---|---|---|---|
| \(\ce{C2H4}\) | \(\ce{N2H4}\) | \(\ce{H2O2}\) | \(\ce{H2F2}\) | |
| Между двумя одинаковыми атомами имеется ковалентная связь | ||||
| Молекула содержит двойную связь | ||||
| Молекула плоская | ||||
| Молекула полярная | ||||
| В молекуле имеется также водородная связь | ||||
| Проявляет основные свойства по отношению к воде |
b) Следующее утверждение и таблица не завершены. Вставьте на места, обозначенные точками, соответственно недостающее слово и недостающие формулы.
Утверждение: Электронные структуры молекул (ионов), расположенных в таблице друг под другом, . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
| \(\ce{CH4}\) | \(\ce{C2H6}\) | \(\ce{CO3^2-}\) | . . . . . . | \(\ce{C2O4^2-}\) | . . . . . . |
|---|---|---|---|---|---|
| \(\ce{NH4+}\) | \(\ce{N2H6^2+}\) | . . . . . . | \(\ce{NO2+}\) | . . . . . . | \(\ce{N2}\) |
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- a) Знаки «+» следует расставить следующим образом. Пустые клетки соответствуют неверным утверждениям.
| Утверждение | \(\ce{C2H4}\) | \(\ce{N2H4}\) | \(\ce{H2O2}\) | \(\ce{H2F2}\) |
|---|---|---|---|---|
| Между двумя одинаковыми атомами имеется ковалентная связь | + | + | + | |
| Молекула содержит двойную связь | + | |||
| Молекула плоская | + | + | ||
| Молекула полярная | + | + | + | |
| В молекуле имеется также водородная связь | + | |||
| Проявляет основные свойства по отношению к воде | + |
- b) Недостающее слово: одинаковы; здесь подразумевается, что соответствующие частицы изоэлектронны и имеют аналогичные электронные структуры Льюиса.
Один из согласованных вариантов заполнения:
| \(\ce{CH4}\) | \(\ce{C2H6}\) | \(\ce{CO3^2-}\) | \(\ce{CO2}\) | \(\ce{C2O4^2-}\) | \(\ce{C2^2-}\) |
|---|---|---|---|---|---|
| \(\ce{NH4+}\) | \(\ce{N2H6^2+}\) | \(\ce{NO3-}\) | \(\ce{NO2+}\) | \(\ce{N2O4}\) | \(\ce{N2}\) |
Монооксид углерода, \(\ce{CO}\), также является правильным ответом для последнего пропуска.
Решение
a)
Четырём формулам соответствуют следующие структуры:
| Частица | Название | SMILES | Существенные особенности структуры |
|---|---|---|---|
| \(\ce{C2H4}\) | Этен (этилен) | C=C |
Два атома углерода с тригонально-плоским окружением соединены двойной связью; все шесть атомов лежат в одной плоскости. |
| \(\ce{N2H4}\) | Гидразин | NN |
Одинарная связь азот–азот; каждый атом азота имеет пирамидальное окружение. Равновесная конформация неплоская, гош-конформация. |
| \(\ce{H2O2}\) | Пероксид водорода | OO |
Одинарная связь кислород–кислород и неплоская, скошенная равновесная конформация. |
| \(\ce{H2F2}\) | Димер фтороводорода | [H]F.[H]F |
Две молекулы фтороводорода соединены водородной связью и в равновесной конфигурации расположены в одной плоскости. |
Обычная запись SMILES не задаёт эти конформации и не кодирует водородную связь между двумя компонентами димера фтороводорода.
-
Ковалентная связь между двумя одинаковыми атомами.
Этен содержит связь углерод–углерод, гидразин — связь азот–азот, а пероксид водорода — связь кислород–кислород. Димер фтороводорода содержит ковалентные связи водород–фтор и водородную связь; в нём нет ковалентной связи фтор–фтор или водород–водород. -
Двойная связь.
Только этен содержит двойную связь: его связь углерод–углерод состоит из одной \(\sigma\) связи и одной \(\pi\) связи. -
Плоское строение.
Этен имеет плоское строение, поскольку атомы углерода имеют тригонально-плоское окружение, а их параллельные \(p\) орбитали образуют \(\pi\) связь. Димер фтороводорода также имеет плоское строение, хотя его не обязательно изображать в виде прямой цепи. Гидразин и пероксид водорода имеют неплоские равновесные структуры. -
Полярность.
Благодаря симметрии этена постоянный дипольный момент его молекулы равен нулю. Дипольные моменты связей и распределения электронной плотности в гидразине, пероксиде водорода и димере фтороводорода не обеспечивают взаимной компенсации, поэтому эти три частицы полярны. -
Водородная связь внутри перечисленных частиц.
Только димер фтороводорода содержит водородную связь в составе указанного агрегата: атом водорода, ковалентно связанный с одним атомом фтора, взаимодействует с другим атомом фтора. Отдельные молекулы гидразина и пероксида водорода не содержат внутримолекулярной водородной связи. Их способность образовывать водородные связи между отдельными молекулами не даёт оснований ставить «+» в этой строке. -
Основные свойства по отношению к воде.
Гидразин принимает протон от воды за счёт неподелённой электронной пары атома азота:
\[ \ce{N2H4 + H2O <=> N2H5+ + OH-}. \]
Здесь вода обозначается как O, ион гидразиния — как N[NH3+], а гидроксид-ион — как [OH-]. Образование гидроксид-ионов обусловливает щелочную реакцию раствора. Этен практически не проявляет основных свойств по отношению к воде; пероксид водорода и фтороводород проявляют в воде кислотные свойства.
b)
Для частицы с зарядом \(q\), учитывающим знак и выраженным в единицах элементарного заряда, общее число электронов равно
\[ N_{\mathrm e}=\sum_{\text{атомы}} Z-q. \]
Таким образом, положительный заряд уменьшает число электронов, а отрицательный — увеличивает.
Замена атома углерода атомом азота увеличивает заряд ядра на единицу. Одновременное увеличение положительного заряда частицы на единицу сохраняет число её электронов. Последовательное применение этого правила даёт все шесть пар в заполненной таблице.
| Частица в верхней строке: название и SMILES | Частица в нижней строке: название и SMILES | Проверка общего числа электронов |
|---|---|---|
Метан, \(\ce{CH4}\): C |
Ион аммония, \(\ce{NH4+}\): [NH4+] |
\(6+4=7+4-1=10\) |
Этан, \(\ce{C2H6}\): CC |
Ион гидразин-1,2-дииния, \(\ce{N2H6^2+}\): [NH3+][NH3+] |
\(2(6)+6=2(7)+6-2=18\) |
Карбонат-ион, \(\ce{CO3^2-}\): [O-]C(=O)[O-] |
Нитрат-ион, \(\ce{NO3-}\): [O-][N+](=O)[O-] |
\(6+3(8)+2=7+3(8)+1=32\) |
Диоксид углерода, \(\ce{CO2}\): O=C=O |
Ион нитрония, \(\ce{NO2+}\): O=[N+]=O |
\(6+2(8)=7+2(8)-1=22\) |
Оксалат-ион, \(\ce{C2O4^2-}\): [O-]C(=O)C(=O)[O-] |
Тетраоксид диазота, \(\ce{N2O4}\): [O-][N+](=O)[N+](=O)[O-] |
\(2(6)+4(8)+2=2(7)+4(8)=46\) |
Ацетилид-дианион (этиндиид), \(\ce{C2^2-}\): [C-]#[C-] |
Молекулярный азот, \(\ce{N2}\): N#N |
\(2(6)+2=2(7)=14\) |
Записи SMILES показывают отдельные структуры Льюиса; они не кодируют резонансную делокализацию в кислородсодержащих группах.
Соответствующие пары имеют одинаковое число валентных электронов и аналогичное расположение связей. В частности, диоксид углерода и ион нитрония линейны, а ацетилид-дианион и молекулярный азот имеют тройную связь и по одной неподелённой электронной паре на каждом атоме.
Монооксид углерода, \(\ce{CO}\), SMILES [C-]#[O+], также имеет тройную связь, по одной неподелённой электронной паре на каждом атоме, и для него
\[ N_{\mathrm e}=6+8=14. \]
Поэтому он также подходит для последнего пропуска.
Слово «одинаковы» здесь описывает подразумеваемое соответствие по числу электронов и структурам Льюиса; оно не означает равенства энергий орбиталей, прочности связей или других физических свойств.
Ответы проверены по официальным ответам, опубликованным организаторами.
IChO 1975 · مسألة نظرية 8
جدول الخواص الجزيئية والأنواع الكيميائية المتساوية إلكترونيًا
a) ضع علامة "+" في الخانة المناسبة للجزيئات التي تصح عليها العبارات المكتوبة في الجانب الأيسر من الجدول.
| العبارة | الجزيء | |||
|---|---|---|---|---|
| \(\ce{C2H4}\) | \(\ce{N2H4}\) | \(\ce{H2O2}\) | \(\ce{H2F2}\) | |
| توجد رابطة تساهمية بين ذرتين متماثلتين | ||||
| يحتوي الجزيء على رابطة مزدوجة | ||||
| الجزيء مستوٍ | ||||
| الجزيء قطبي | ||||
| توجد أيضًا رابطة هيدروجينية في الجزيء | ||||
| له خواص قاعدية تجاه الماء |
b) العبارة والجدول الآتيان غير مكتملين. املأ المواضع المنقّطة بالكلمة الناقصة والصيغ الناقصة، على الترتيب.
العبارة: التراكيب الإلكترونية للجزيئات (الأيونات) الموضوعة في الجدول بعضها تحت بعض هي . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
| \(\ce{CH4}\) | \(\ce{C2H6}\) | \(\ce{CO3^2-}\) | . . . . . . | \(\ce{C2O4^2-}\) | . . . . . . |
|---|---|---|---|---|---|
| \(\ce{NH4+}\) | \(\ce{N2H6^2+}\) | . . . . . . | \(\ce{NO2+}\) | . . . . . . | \(\ce{N2}\) |
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- a) توضع علامات “+” على النحو الآتي. تشير الخانات الفارغة إلى العبارات غير الصحيحة.
| العبارة | \(\ce{C2H4}\) | \(\ce{N2H4}\) | \(\ce{H2O2}\) | \(\ce{H2F2}\) |
|---|---|---|---|---|
| توجد رابطة تساهمية بين ذرتين متماثلتين | + | + | + | |
| يحتوي الجزيء على رابطة مزدوجة | + | |||
| الجزيء مستوٍ | + | + | ||
| الجزيء قطبي | + | + | + | |
| توجد أيضًا رابطة هيدروجينية في الجزيء | + | |||
| له خواص قاعدية تجاه الماء | + |
- b) الكلمة الناقصة: متطابقة، بالمعنى المقصود وهو أن الأنواع الكيميائية المتقابلة متساوية إلكترونيًا، ولها تراكيب لويس إلكترونية متناظرة.
أحد الإكمالات المتسقة هو:
| \(\ce{CH4}\) | \(\ce{C2H6}\) | \(\ce{CO3^2-}\) | \(\ce{CO2}\) | \(\ce{C2O4^2-}\) | \(\ce{C2^2-}\) |
|---|---|---|---|---|---|
| \(\ce{NH4+}\) | \(\ce{N2H6^2+}\) | \(\ce{NO3-}\) | \(\ce{NO2+}\) | \(\ce{N2O4}\) | \(\ce{N2}\) |
أحادي أكسيد الكربون، \(\ce{CO}\)، إجابة صحيحة أيضًا للفراغ الأخير.
الحل
a)
التراكيب التي تمثلها الصيغ الأربع هي:
| النوع الكيميائي | الاسم | SMILES | التركيب ذو الصلة |
|---|---|---|---|
| \(\ce{C2H4}\) | الإيثين (الإيثيلين) | C=C |
ذرتا كربون ذاتا هندسة مثلثية مستوية، تصل بينهما رابطة مزدوجة؛ وتقع الذرات الست جميعها في مستوى واحد. |
| \(\ce{N2H4}\) | الهيدرازين | NN |
رابطة أحادية بين ذرتي نيتروجين؛ ولكل ذرة نيتروجين هندسة هرمية. والتشكل الفراغي عند الاتزان غير مستوٍ ومن النوع المتخالف (غوش). |
| \(\ce{H2O2}\) | فوق أكسيد الهيدروجين | OO |
رابطة أحادية بين ذرتي أكسجين، وتشكل فراغي مائل غير مستوٍ عند الاتزان. |
| \(\ce{H2F2}\) | ثنائي فلوريد الهيدروجين | [H]F.[H]F |
وحدتان من فلوريد الهيدروجين تصل بينهما رابطة هيدروجينية في ترتيب مستوٍ عند الاتزان. |
لا يحدد ترميز SMILES المعتاد هذه التشكلات الفراغية، ولا يمثّل الرابطة الهيدروجينية بين مكوّني ثنائي فلوريد الهيدروجين.
-
رابطة تساهمية بين ذرتين متماثلتين.
يحتوي الإيثين على رابطة كربون–كربون، والهيدرازين على رابطة نيتروجين–نيتروجين، وفوق أكسيد الهيدروجين على رابطة أكسجين–أكسجين. ويحتوي ثنائي فلوريد الهيدروجين على روابط تساهمية هيدروجين–فلور ورابطة هيدروجينية؛ ولا توجد فيه رابطة تساهمية فلور–فلور أو هيدروجين–هيدروجين. -
رابطة مزدوجة.
الإيثين وحده يحتوي على رابطة مزدوجة: إذ تتكون رابطة كربون–كربون فيه من رابطة \(\sigma\) واحدة ورابطة \(\pi\) واحدة. -
الاستواء.
الإيثين مستوٍ لأن ذرتي الكربون فيه ذواتا هندسة مثلثية مستوية، ولأن مداراتهما \(p\) المتوازية تكوّن الرابطة \(\pi\). وثنائي فلوريد الهيدروجين مستوٍ أيضًا، وإن لم يكن من الضروري تمثيله على هيئة سلسلة مستقيمة. أما الهيدرازين وفوق أكسيد الهيدروجين فلهما تركيبان غير مستويين عند الاتزان. -
القطبية.
يؤدي تناظر الإيثين إلى انعدام عزم ثنائي القطب الجزيئي الدائم. ولا تتلاشى محصلة ثنائيات أقطاب الروابط والتوزيعات الإلكترونية في الهيدرازين وفوق أكسيد الهيدروجين وثنائي فلوريد الهيدروجين، لذا فإن هذه الأنواع الكيميائية الثلاثة قطبية. -
الترابط الهيدروجيني داخل الأنواع الكيميائية المدرجة.
ثنائي فلوريد الهيدروجين وحده يحتوي على رابطة هيدروجينية بوصفها جزءًا من التجمّع المحدد: إذ تتآثر ذرة هيدروجين مرتبطة تساهميًا بإحدى ذرتي الفلور مع ذرة الفلور الأخرى. ولا تحتوي جزيئات الهيدرازين وفوق أكسيد الهيدروجين المنفردة على أي رابطة هيدروجينية داخل الجزيء. وقدرتها على تكوين روابط هيدروجينية بين جزيئات منفصلة لا تبرر وضع علامة “+” في هذا الصف. -
الخواص القاعدية تجاه الماء.
يستقبل الهيدرازين بروتونًا من الماء بواسطة زوج إلكتروني حر على ذرة نيتروجين:
\[ \ce{N2H4 + H2O <=> N2H5+ + OH-}. \]
هنا يُمثَّل الماء بالترميز O، وأيون الهيدرازينيوم بالترميز N[NH3+]، وأيون الهيدروكسيد بالترميز [OH-]. ويفسر تكوّن الهيدروكسيد قاعدية المحلول. ولا يسلك الإيثين سلوك القاعدة تجاه الماء بدرجة ملحوظة؛ بينما يُظهر فوق أكسيد الهيدروجين وفلوريد الهيدروجين سلوكًا حمضيًا في الماء.
b)
لنوع كيميائي ذي شحنة جبرية \(q\)، معبَّر عنها بوحدات الشحنة الأولية، يكون العدد الكلي للإلكترونات
\[ N_{\mathrm e}=\sum_{\text{الذرات}} Z-q. \]
وعليه، فإن الشحنة الموجبة تنقص عدد الإلكترونات، والشحنة السالبة تزيده.
يؤدي إحلال ذرة نيتروجين محل ذرة كربون إلى زيادة الشحنة النووية بمقدار واحد. وتحافظ زيادة الشحنة الموجبة للنوع الكيميائي بمقدار واحد في الوقت نفسه على عدد إلكتروناته. وبتطبيق ذلك بصورة متسقة نحصل على الأزواج الستة جميعها في الجدول المكتمل.
| النوع الكيميائي العلوي: الاسم وترميز SMILES | النوع الكيميائي السفلي: الاسم وترميز SMILES | التحقق من العدد الكلي للإلكترونات |
|---|---|---|
الميثان، \(\ce{CH4}\): C |
أيون الأمونيوم، \(\ce{NH4+}\): [NH4+] |
\(6+4=7+4-1=10\) |
الإيثان، \(\ce{C2H6}\): CC |
أيون الهيدرازين-1,2-دييوم، \(\ce{N2H6^2+}\): [NH3+][NH3+] |
\(2(6)+6=2(7)+6-2=18\) |
أيون الكربونات، \(\ce{CO3^2-}\): [O-]C(=O)[O-] |
أيون النترات، \(\ce{NO3-}\): [O-][N+](=O)[O-] |
\(6+3(8)+2=7+3(8)+1=32\) |
ثنائي أكسيد الكربون، \(\ce{CO2}\): O=C=O |
أيون النيترونيوم، \(\ce{NO2+}\): O=[N+]=O |
\(6+2(8)=7+2(8)-1=22\) |
أيون الأكسالات، \(\ce{C2O4^2-}\): [O-]C(=O)C(=O)[O-] |
رباعي أكسيد ثنائي النيتروجين، \(\ce{N2O4}\): [O-][N+](=O)[N+](=O)[O-] |
\(2(6)+4(8)+2=2(7)+4(8)=46\) |
أنيون الأسيتيليد ثنائي الشحنة (الإيثاين دييد)، \(\ce{C2^2-}\): [C-]#[C-] |
ثنائي النيتروجين، \(\ce{N2}\): N#N |
\(2(6)+2=2(7)=14\) |
تُظهر ترميزات SMILES تراكيب لويس تمثيلية؛ ولا تمثّل عدم تمركز الإلكترونات الناشئ عن الرنين في المجموعات المحتوية على الأكسجين.
لكل زوج من الأنواع الكيميائية المتقابلة العدد نفسه من إلكترونات التكافؤ وترتيبات ترابط متناظرة. وعلى وجه الخصوص، فإن ثنائي أكسيد الكربون وأيون النيترونيوم خطّيان، بينما يحتوي كل من أنيون الأسيتيليد ثنائي الشحنة وثنائي النيتروجين على رابطة ثلاثية وزوج إلكتروني حر واحد على كل ذرة.
ويحتوي أحادي أكسيد الكربون، \(\ce{CO}\)، ذو ترميز SMILES [C-]#[O+]، أيضًا على رابطة ثلاثية وزوج إلكتروني حر واحد على كل ذرة، ويكون
\[ N_{\mathrm e}=6+8=14. \]
لذا فهو يصلح أيضًا لملء الفراغ الأخير.
تصف كلمة «متطابقة» هنا التناظر المقصود في عدد الإلكترونات وتراكيب لويس؛ ولا تعني تطابق طاقات المدارات أو قوى الروابط أو الخواص الفيزيائية الأخرى.
تمت مراجعة النتائج بمقارنتها بالنتائج الرسمية التي نشرها المنظمون.