IChO 1977 · Theory problem 7
Photosynthesis reversed in a galvanic cell
Photosynthesis by be summarised by the overall equation:

for which values of \(\Delta H\) and \(\Delta S\) at \(25\,^\circ\mathrm{C}\) are as follows:
\[ \Delta H=2.816\times10^6\ \mathrm{J},\qquad \Delta S=-182\ \mathrm{J\,K^{-1}}\quad\text{or} \]
\(\Delta H=2.816\times10^6\ \mathrm{J\,mol^{-1}},\quad \Delta S=-182\ \mathrm{J\,K^{-1}\,mol^{-1}}\) if \(\Delta H\) and \(\Delta S\) values are related to one mole of reaction changes.
Imagine that there have been devised electrodes that would allow selective reduction of oxygen to water and oxidation of glucose to carbon dioxide in a galvanic cell, i. e a reverse process when compared with that of the photosynthetic reaction.
Problems:
7.1 What will be the electromotive force of the cell in which light energy would be transformed to electric energy by means of the photosynthetic reaction?
Note: In the envelope you can find the relation between the electromotive force and the change of free enthalpy of the reaction. (Attention: If you open the envelope you lose some points.)
7.2 In case we would want to quantify the symbol "light" in the equation of photosynthesis, we would ask: how many moles of photons with wavelength for example \(500\ \mathrm{nm}\) take part in the above reaction? Calculate.
7.3 Calculate, what would be the electric power of a square swimming pool with a side of \(10\ \mathrm{m}\) containing green algae capable of the photosynthetic reaction if under average illumination a current of \(1\ \mathrm{mA}\) can be expected from the area of \(1\ \mathrm{cm^2}\).
Official English text of the problem.
Answers
- 7.1: \(\boxed{E=1.24\ \mathrm{V}}\).
- 7.2: \(\boxed{\text{Approximately }12\ \mathrm{mol}\text{ of photons per mole of glucose}}\). The ideal free-energy estimate is \(12.00\ \mathrm{mol}\); an enthalpy-only estimate gives \(11.77\ \mathrm{mol}\).
- 7.3: \(\boxed{P=1.24\times10^3\ \mathrm{W}=1.24\ \mathrm{kW}}\), assuming the cell supplies the calculated voltage at the stated current.
Solution
The prose identifies the product as glucose. Correcting the apparent errors in the printed scheme, the balanced photosynthetic reaction is
\[ \ce{6 CO2(g) + 6 H2O(l) ->[light][chlorophyll] C6H12O6(s) + 6 O2(g)}. \]
The supplied thermodynamic quantities therefore refer to the formation of one mole of glucose.
The species used below are glucose, represented as open-chain D-glucose by O=C[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@H](O)CO; carbon dioxide O=C=O; water O; dioxygen O=O; and the hydrogen ion (proton) [H+]. The open-chain glucose SMILES specifies its carbon stereochemistry, but does not describe its cyclic solid-state form or crystal structure.
7.1 — Electromotive force
The galvanic cell carries out the reverse reaction:
\[ \ce{C6H12O6(s) + 6 O2(g) -> 6 CO2(g) + 6 H2O(l)}. \]
Written in acidic form for balancing, the electrode reactions are:
\[ \begin{aligned} \text{Anode:}\quad& \ce{C6H12O6(s) + 6 H2O(l) -> 6 CO2(g) + 24 H+(aq) + 24 e-},\\ \text{Cathode:}\quad& \ce{6 O2(g) + 24 H+(aq) + 24 e- -> 12 H2O(l)}. \end{aligned} \]
Thus \(n=24\) moles of electrons are transferred per mole of glucose. Equivalently, the six carbon atoms increase their mean oxidation number from \(0\) in glucose to \(+4\) in carbon dioxide, releasing \(6\times4=24\) electrons.
At \(T=298.15\ \mathrm{K}\), the Gibbs energy change for photosynthesis is
\[ \begin{aligned} \Delta G_{\mathrm{photo}} &=\Delta H_{\mathrm{photo}}-T\Delta S_{\mathrm{photo}}\\ &=2.816\times10^6 -(298.15)(-182)\\ &=2.8702633\times10^6\ \mathrm{J\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Reversing the reaction changes its sign:
\[ \Delta G_{\mathrm{cell}} =-2.8702633\times10^6\ \mathrm{J\,mol^{-1}}. \]
The maximum electrical work gives the relation
\[ \Delta G_{\mathrm{cell}}=-nFE. \]
Using \(F=96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\),
\[ E= \frac{2.8702633\times10^6\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} {24(96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}})} =1.2395\ \mathrm{J\,C^{-1}}. \]
Therefore,
\[ \boxed{E=1.24\ \mathrm{V}}. \]
7.2 — Amount of photons
The energy of a photon is
\[ \varepsilon_\gamma=\frac{hc}{\lambda}. \]
Using \(h=6.62607\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s}\), \(c=2.99792\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\), and \(\lambda=500\times10^{-9}\ \mathrm{m}\),
\[ \varepsilon_\gamma =\frac{(6.62607\times10^{-34})(2.99792\times10^8)} {500\times10^{-9}} =3.97289\times10^{-19}\ \mathrm{J}. \]
With \(N_{\mathrm A}=6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\), one mole of these photons carries
\[ E_{\gamma,\mathrm m} =N_{\mathrm A}\varepsilon_\gamma =2.39253\times10^5\ \mathrm{J\,mol^{-1}} =239.253\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \]
If photon energy is ideally converted into the chemical free energy required for photosynthesis, the amount needed to form one mole of glucose is
\[ n_\gamma =\frac{2.8702633\times10^6\ \mathrm{J}} {2.39253\times10^5\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} =11.9968\ \mathrm{mol}. \]
Hence,
\[ \boxed{n_\gamma\approx12.0\ \mathrm{mol} \quad\text{per mole of glucose}}. \]
If the question instead intends a simple comparison with the reaction enthalpy, it gives
\[ n_{\gamma,H} =\frac{2.816\times10^6\ \mathrm{J}} {2.39253\times10^5\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} =11.77\ \mathrm{mol}, \]
which also rounds to approximately \(12\ \mathrm{mol}\). The free-energy calculation includes the entropy contribution relevant to reversible electrical work. These energy estimates do not determine the actual biological photon requirement.
7.3 — Electric power of the pool
The illuminated area is
\[ A=(10\ \mathrm{m})^2 =100\ \mathrm{m^2} =1.00\times10^6\ \mathrm{cm^2}. \]
At the specified current density,
\[ I= \left(1.00\times10^{-3}\ \mathrm{A\,cm^{-2}}\right) \left(1.00\times10^6\ \mathrm{cm^2}\right) =1.00\times10^3\ \mathrm{A}. \]
Assuming uniform illumination and neglecting voltage losses,
\[ P=EI =(1.2395\ \mathrm{V})(1.00\times10^3\ \mathrm{A}) =1.2395\times10^3\ \mathrm{W}. \]
Thus,
\[ \boxed{P\approx1.24\ \mathrm{kW}}. \]
The solution was checked against the official solution.
IChO 1977 · Theorieaufgabe 7
Umkehrung der Photosynthese in einer galvanischen Zelle
Die Photosynthese lässt sich durch die folgende Gesamtgleichung zusammenfassen:

Für diese Reaktion haben \(\Delta H\) und \(\Delta S\) bei \(25\,^\circ\mathrm{C}\) die folgenden Werte:
\[ \Delta H=2.816\times10^6\ \mathrm{J},\qquad \Delta S=-182\ \mathrm{J\,K^{-1}}\quad\text{oder} \]
\(\Delta H=2.816\times10^6\ \mathrm{J\,mol^{-1}},\quad \Delta S=-182\ \mathrm{J\,K^{-1}\,mol^{-1}}\), wenn die Werte von \(\Delta H\) und \(\Delta S\) auf einen Reaktionsumsatz von einem Mol bezogen werden.
Stellen Sie sich vor, es seien Elektroden entwickelt worden, die in einer galvanischen Zelle die selektive Reduktion von Sauerstoff zu Wasser und die Oxidation von Glucose zu Kohlenstoffdioxid ermöglichen, also einen Prozess, der die Umkehrung der Photosynthesereaktion darstellt.
Aufgaben:
7.1 Wie groß ist die elektromotorische Kraft der Zelle, in der Lichtenergie mithilfe der Photosynthesereaktion in elektrische Energie umgewandelt würde?
Hinweis: Im Umschlag finden Sie den Zusammenhang zwischen der elektromotorischen Kraft und der Änderung der freien Enthalpie der Reaktion. (Achtung: Wenn Sie den Umschlag öffnen, verlieren Sie einige Punkte.)
7.2 Wenn wir das Symbol „Licht“ in der Photosynthesegleichung quantifizieren möchten, stellt sich die Frage: Wie viele Mol Photonen mit einer Wellenlänge von beispielsweise \(500\ \mathrm{nm}\) sind an der obigen Reaktion beteiligt? Berechnen Sie diese Stoffmenge.
7.3 Berechnen Sie die elektrische Leistung eines quadratischen Schwimmbeckens mit einer Seitenlänge von \(10\ \mathrm{m}\), das Grünalgen enthält, die zur Photosynthesereaktion fähig sind, wenn bei durchschnittlicher Beleuchtung von einer Fläche von \(1\ \mathrm{cm^2}\) ein Strom von \(1\ \mathrm{mA}\) zu erwarten ist.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 7.1: \(\boxed{E=1.24\ \mathrm{V}}\).
- 7.2: \(\boxed{\text{Ungefähr }12\ \mathrm{mol}\text{ Photonen pro Mol Glucose}}\). Die ideale Abschätzung anhand der freien Enthalpie ergibt \(12.00\ \mathrm{mol}\); eine Abschätzung allein anhand der Enthalpie ergibt \(11.77\ \mathrm{mol}\).
- 7.3: \(\boxed{P=1.24\times10^3\ \mathrm{W}=1.24\ \mathrm{kW}}\), unter der Annahme, dass die Zelle bei der angegebenen Stromstärke die berechnete Spannung liefert.
Lösung
Der Aufgabentext benennt Glucose als Produkt. Nach Korrektur der offensichtlichen Fehler im gedruckten Reaktionsschema lautet die ausgeglichene Photosynthesereaktion
\[ \ce{6 CO2(g) + 6 H2O(l) ->[light][chlorophyll] C6H12O6(s) + 6 O2(g)}. \]
Die angegebenen thermodynamischen Größen beziehen sich daher auf die Bildung von einem Mol Glucose.
Die im Folgenden verwendeten chemischen Spezies sind Glucose, dargestellt als offenkettige D-Glucose durch O=C[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@H](O)CO; Kohlenstoffdioxid O=C=O; Wasser O; Disauerstoff O=O; und das Wasserstoffion (Proton) [H+]. Die SMILES-Darstellung der offenkettigen Glucose legt die Stereochemie ihrer Kohlenstoffatome fest, beschreibt jedoch weder ihre cyclische Form im Festkörper noch ihre Kristallstruktur.
7.1 — Elektromotorische Kraft
In der galvanischen Zelle läuft die umgekehrte Reaktion ab:
\[ \ce{C6H12O6(s) + 6 O2(g) -> 6 CO2(g) + 6 H2O(l)}. \]
Zum Ausgleichen in saurem Milieu formuliert, lauten die Elektrodenreaktionen:
\[ \begin{aligned} \text{Anode:}\quad& \ce{C6H12O6(s) + 6 H2O(l) -> 6 CO2(g) + 24 H+(aq) + 24 e-},\\ \text{Kathode:}\quad& \ce{6 O2(g) + 24 H+(aq) + 24 e- -> 12 H2O(l)}. \end{aligned} \]
Somit werden pro Mol Glucose \(n=24\) Mol Elektronen übertragen. Gleichwertig lässt sich dies so ausdrücken: Die sechs Kohlenstoffatome erhöhen ihre mittlere Oxidationszahl von \(0\) in Glucose auf \(+4\) in Kohlenstoffdioxid und geben dabei \(6\times4=24\) Elektronen ab.
Bei \(T=298.15\ \mathrm{K}\) beträgt die Änderung der Gibbs-Energie für die Photosynthese
\[ \begin{aligned} \Delta G_{\mathrm{photo}} &=\Delta H_{\mathrm{photo}}-T\Delta S_{\mathrm{photo}}\\ &=2.816\times10^6 -(298.15)(-182)\\ &=2.8702633\times10^6\ \mathrm{J\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Bei der Umkehrung der Reaktion ändert sich ihr Vorzeichen:
\[ \Delta G_{\mathrm{cell}} =-2.8702633\times10^6\ \mathrm{J\,mol^{-1}}. \]
Aus der maximalen elektrischen Arbeit ergibt sich der Zusammenhang
\[ \Delta G_{\mathrm{cell}}=-nFE. \]
Mit \(F=96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\) erhält man
\[ E= \frac{2.8702633\times10^6\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} {24(96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}})} =1.2395\ \mathrm{J\,C^{-1}}. \]
Daher gilt
\[ \boxed{E=1.24\ \mathrm{V}}. \]
7.2 — Stoffmenge der Photonen
Die Energie eines Photons beträgt
\[ \varepsilon_\gamma=\frac{hc}{\lambda}. \]
Mit \(h=6.62607\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s}\), \(c=2.99792\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) und \(\lambda=500\times10^{-9}\ \mathrm{m}\) erhält man
\[ \varepsilon_\gamma =\frac{(6.62607\times10^{-34})(2.99792\times10^8)} {500\times10^{-9}} =3.97289\times10^{-19}\ \mathrm{J}. \]
Mit \(N_{\mathrm A}=6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\) besitzt ein Mol dieser Photonen die Energie
\[ E_{\gamma,\mathrm m} =N_{\mathrm A}\varepsilon_\gamma =2.39253\times10^5\ \mathrm{J\,mol^{-1}} =239.253\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \]
Wenn die Photonenenergie ideal in die für die Photosynthese erforderliche chemische freie Enthalpie umgewandelt wird, beträgt die zur Bildung von einem Mol Glucose benötigte Stoffmenge
\[ n_\gamma =\frac{2.8702633\times10^6\ \mathrm{J}} {2.39253\times10^5\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} =11.9968\ \mathrm{mol}. \]
Somit gilt
\[ \boxed{n_\gamma\approx12.0\ \mathrm{mol} \quad\text{pro Mol Glucose}}. \]
Falls die Frage stattdessen auf einen einfachen Vergleich mit der Reaktionsenthalpie abzielt, ergibt sich
\[ n_{\gamma,H} =\frac{2.816\times10^6\ \mathrm{J}} {2.39253\times10^5\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} =11.77\ \mathrm{mol}, \]
was ebenfalls auf ungefähr \(12\ \mathrm{mol}\) gerundet wird. Die Berechnung anhand der freien Enthalpie berücksichtigt den für reversible elektrische Arbeit maßgeblichen Entropiebeitrag. Diese energetischen Abschätzungen bestimmen nicht den tatsächlichen biologischen Photonenbedarf.
7.3 — Elektrische Leistung des Beckens
Die beleuchtete Fläche beträgt
\[ A=(10\ \mathrm{m})^2 =100\ \mathrm{m^2} =1.00\times10^6\ \mathrm{cm^2}. \]
Bei der angegebenen Stromdichte gilt
\[ I= \left(1.00\times10^{-3}\ \mathrm{A\,cm^{-2}}\right) \left(1.00\times10^6\ \mathrm{cm^2}\right) =1.00\times10^3\ \mathrm{A}. \]
Unter der Annahme einer gleichmäßigen Beleuchtung und bei Vernachlässigung von Spannungsverlusten gilt
\[ P=EI =(1.2395\ \mathrm{V})(1.00\times10^3\ \mathrm{A}) =1.2395\times10^3\ \mathrm{W}. \]
Somit gilt
\[ \boxed{P\approx1.24\ \mathrm{kW}}. \]
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1977 · Teori sorusu 7
Galvanik hücrede tersine çevrilen fotosentez
Fotosentez, aşağıdaki toplam tepkime denklemiyle özetlenebilir:

Bu tepkime için \(25\,^\circ\mathrm{C}\) sıcaklığındaki \(\Delta H\) ve \(\Delta S\) değerleri şöyledir:
\[ \Delta H=2.816\times10^6\ \mathrm{J},\qquad \Delta S=-182\ \mathrm{J\,K^{-1}}\quad\text{veya} \]
\(\Delta H\) ve \(\Delta S\) değerleri tepkimenin bir mol ilerlemesine karşılık gelen değişimlerle ilişkilendirilirse \(\Delta H=2.816\times10^6\ \mathrm{J\,mol^{-1}},\quad \Delta S=-182\ \mathrm{J\,K^{-1}\,mol^{-1}}\) olur.
Bir galvanik hücrede oksijenin seçici olarak suya indirgenmesini ve glikozun karbondioksite yükseltgenmesini, yani fotosentez tepkimesinin tersinin gerçekleşmesini sağlayacak elektrotların geliştirildiğini düşününüz.
Sorular:
7.1 Fotosentez tepkimesi aracılığıyla ışık enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürüleceği hücrenin elektromotor kuvveti ne olacaktır?
Not: Zarfta, elektromotor kuvvet ile tepkimenin serbest entalpi değişimi arasındaki bağıntıyı bulabilirsiniz. (Dikkat: Zarfı açarsanız bir miktar puan kaybedersiniz.)
7.2 Fotosentez denklemindeki "ışık" simgesini nicel olarak ifade etmek isteseydik şu soruyu sorardık: Örneğin dalga boyu \(500\ \mathrm{nm}\) olan fotonlardan kaç molü yukarıdaki tepkimeye katılır? Hesaplayınız.
7.3 Bir kenarı \(10\ \mathrm{m}\) olan, fotosentez tepkimesini gerçekleştirebilen yeşil algler içeren kare biçimindeki bir yüzme havuzunun elektrik gücünü, ortalama aydınlatma koşullarında \(1\ \mathrm{cm^2}\) alandan \(1\ \mathrm{mA}\) akım elde edilmesi bekleniyorsa hesaplayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 7.1: \(\boxed{E=1.24\ \mathrm{V}}\).
- 7.2: \(\boxed{\text{Yaklaşık }12\ \mathrm{mol}\text{ foton, bir mol glikoz başına}}\). İdeal serbest enerji tahmini \(12.00\ \mathrm{mol}\) değerini verir; yalnızca entalpiye dayalı bir tahmin ise \(11.77\ \mathrm{mol}\) değerini verir.
- 7.3: Hücrenin belirtilen akımda hesaplanan gerilimi sağladığı varsayılırsa \(\boxed{P=1.24\times10^3\ \mathrm{W}=1.24\ \mathrm{kW}}\).
Çözüm
Metinde ürünün glikoz olduğu belirtilmektedir. Basılı şemadaki bariz hatalar düzeltildiğinde, denkleştirilmiş fotosentez tepkimesi şöyledir:
\[ \ce{6 CO2(g) + 6 H2O(l) ->[light][chlorophyll] C6H12O6(s) + 6 O2(g)}. \]
Dolayısıyla verilen termodinamik büyüklükler, bir mol glikoz oluşumuna karşılık gelir.
Aşağıda kullanılan türler; açık zincirli D-glikoz olarak O=C[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@H](O)CO ile gösterilen glikoz; karbondioksit O=C=O; su O; dioksijen O=O ve hidrojen iyonu (proton) [H+] şeklindedir. Açık zincirli glikozun SMILES gösterimi, karbon atomlarının stereokimyasını belirtir; ancak katı hâldeki halkalı biçimini veya kristal yapısını tanımlamaz.
7.1 — Elektromotor kuvvet
Galvanik hücre ters tepkimeyi gerçekleştirir:
\[ \ce{C6H12O6(s) + 6 O2(g) -> 6 CO2(g) + 6 H2O(l)}. \]
Denkleştirme amacıyla asidik ortam için yazılan elektrot tepkimeleri şöyledir:
\[ \begin{aligned} \text{Anot:}\quad& \ce{C6H12O6(s) + 6 H2O(l) -> 6 CO2(g) + 24 H+(aq) + 24 e-},\\ \text{Katot:}\quad& \ce{6 O2(g) + 24 H+(aq) + 24 e- -> 12 H2O(l)}. \end{aligned} \]
Böylece bir mol glikoz başına \(n=24\) mol elektron aktarılır. Eşdeğer olarak, altı karbon atomunun ortalama yükseltgenme basamağı glikozda \(0\) iken karbondioksitte \(+4\) değerine yükselir ve \(6\times4=24\) elektron açığa çıkar.
\(T=298.15\ \mathrm{K}\) sıcaklığında fotosentezin Gibbs enerjisi değişimi şöyledir:
\[ \begin{aligned} \Delta G_{\mathrm{photo}} &=\Delta H_{\mathrm{photo}}-T\Delta S_{\mathrm{photo}}\\ &=2.816\times10^6 -(298.15)(-182)\\ &=2.8702633\times10^6\ \mathrm{J\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Tepkime tersine çevrildiğinde bu değişimin işareti değişir:
\[ \Delta G_{\mathrm{cell}} =-2.8702633\times10^6\ \mathrm{J\,mol^{-1}}. \]
Maksimum elektriksel iş, şu bağıntıyı verir:
\[ \Delta G_{\mathrm{cell}}=-nFE. \]
\(F=96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\) kullanılırsa,
\[ E= \frac{2.8702633\times10^6\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} {24(96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}})} =1.2395\ \mathrm{J\,C^{-1}}. \]
Dolayısıyla,
\[ \boxed{E=1.24\ \mathrm{V}}. \]
7.2 — Foton miktarı
Bir fotonun enerjisi şöyledir:
\[ \varepsilon_\gamma=\frac{hc}{\lambda}. \]
\(h=6.62607\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s}\), \(c=2.99792\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) ve \(\lambda=500\times10^{-9}\ \mathrm{m}\) kullanılırsa,
\[ \varepsilon_\gamma =\frac{(6.62607\times10^{-34})(2.99792\times10^8)} {500\times10^{-9}} =3.97289\times10^{-19}\ \mathrm{J}. \]
\(N_{\mathrm A}=6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\) ile bu fotonların bir molünün taşıdığı enerji şöyledir:
\[ E_{\gamma,\mathrm m} =N_{\mathrm A}\varepsilon_\gamma =2.39253\times10^5\ \mathrm{J\,mol^{-1}} =239.253\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \]
Foton enerjisi ideal olarak fotosentez için gerekli kimyasal serbest enerjiye dönüştürülürse, bir mol glikoz oluşturmak için gereken miktar şöyledir:
\[ n_\gamma =\frac{2.8702633\times10^6\ \mathrm{J}} {2.39253\times10^5\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} =11.9968\ \mathrm{mol}. \]
Buna göre,
\[ \boxed{n_\gamma\approx12.0\ \mathrm{mol} \quad\text{bir mol glikoz başına}}. \]
Soruda bunun yerine tepkime entalpisiyle basit bir karşılaştırma amaçlanıyorsa, şu sonuç elde edilir:
\[ n_{\gamma,H} =\frac{2.816\times10^6\ \mathrm{J}} {2.39253\times10^5\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} =11.77\ \mathrm{mol}, \]
bu değer de yuvarlandığında yaklaşık \(12\ \mathrm{mol}\) olur. Serbest enerji hesabı, tersinir elektriksel işle ilgili entropi katkısını içerir. Bu enerji tahminleri, gerçek biyolojik foton gereksinimini belirlemez.
7.3 — Havuzun elektrik gücü
Aydınlatılan alan şöyledir:
\[ A=(10\ \mathrm{m})^2 =100\ \mathrm{m^2} =1.00\times10^6\ \mathrm{cm^2}. \]
Belirtilen akım yoğunluğunda,
\[ I= \left(1.00\times10^{-3}\ \mathrm{A\,cm^{-2}}\right) \left(1.00\times10^6\ \mathrm{cm^2}\right) =1.00\times10^3\ \mathrm{A}. \]
Aydınlatmanın her yerde aynı olduğu varsayılır ve gerilim kayıpları ihmal edilirse,
\[ P=EI =(1.2395\ \mathrm{V})(1.00\times10^3\ \mathrm{A}) =1.2395\times10^3\ \mathrm{W}. \]
Böylece,
\[ \boxed{P\approx1.24\ \mathrm{kW}}. \]
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1977 · Problema teórico 7
Fotosíntesis invertida en una pila galvánica
La fotosíntesis puede resumirse mediante la ecuación global:

para la cual los valores de \(\Delta H\) y \(\Delta S\) a \(25\,^\circ\mathrm{C}\) son los siguientes:
\[ \Delta H=2.816\times10^6\ \mathrm{J},\qquad \Delta S=-182\ \mathrm{J\,K^{-1}}\quad\text{o} \]
\(\Delta H=2.816\times10^6\ \mathrm{J\,mol^{-1}},\quad \Delta S=-182\ \mathrm{J\,K^{-1}\,mol^{-1}}\) si los valores de \(\Delta H\) y \(\Delta S\) se refieren a un mol de avance de la reacción.
Imagine que se han diseñado electrodos que permitirían la reducción selectiva del oxígeno a agua y la oxidación de la glucosa a dióxido de carbono en una pila galvánica, es decir, un proceso inverso al de la reacción fotosintética.
Cuestiones:
7.1 ¿Cuál será la fuerza electromotriz de la pila en la que la energía luminosa se transformaría en energía eléctrica mediante la reacción fotosintética?
Nota: En el sobre encontrará la relación entre la fuerza electromotriz y la variación de entalpía libre de la reacción. (Atención: Si abre el sobre, perderá algunos puntos.)
7.2 Si quisiéramos cuantificar el símbolo «luz» en la ecuación de la fotosíntesis, nos preguntaríamos: ¿cuántos moles de fotones con una longitud de onda de, por ejemplo, \(500\ \mathrm{nm}\) intervienen en la reacción anterior? Calcúlelo.
7.3 Calcule cuál sería la potencia eléctrica de una piscina cuadrada de \(10\ \mathrm{m}\) de lado que contiene algas verdes capaces de realizar la reacción fotosintética si, con una iluminación media, cabe esperar una corriente de \(1\ \mathrm{mA}\) por cada superficie de \(1\ \mathrm{cm^2}\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 7.1: \(\boxed{E=1.24\ \mathrm{V}}\).
- 7.2: \(\boxed{\text{Aproximadamente }12\ \mathrm{mol}\text{ de fotones por mol de glucosa}}\). La estimación ideal basada en la energía libre es de \(12.00\ \mathrm{mol}\); una estimación basada únicamente en la entalpía da \(11.77\ \mathrm{mol}\).
- 7.3: \(\boxed{P=1.24\times10^3\ \mathrm{W}=1.24\ \mathrm{kW}}\), suponiendo que la pila suministra la tensión calculada a la intensidad de corriente indicada.
Solución
El texto identifica el producto como glucosa. Corrigiendo los errores aparentes del esquema impreso, la reacción fotosintética ajustada es
\[ \ce{6 CO2(g) + 6 H2O(l) ->[light][chlorophyll] C6H12O6(s) + 6 O2(g)}. \]
Por tanto, las magnitudes termodinámicas proporcionadas se refieren a la formación de un mol de glucosa.
Las especies utilizadas a continuación son la glucosa, representada como D-glucosa de cadena abierta mediante O=C[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@H](O)CO; el dióxido de carbono O=C=O; el agua O; el dioxígeno O=O; y el ion hidrógeno (protón) [H+]. El SMILES de la glucosa de cadena abierta especifica la estereoquímica de sus átomos de carbono, pero no describe su forma cíclica en estado sólido ni su estructura cristalina.
7.1 — Fuerza electromotriz
En la pila galvánica tiene lugar la reacción inversa:
\[ \ce{C6H12O6(s) + 6 O2(g) -> 6 CO2(g) + 6 H2O(l)}. \]
Escritas en medio ácido para su ajuste, las reacciones de los electrodos son:
\[ \begin{aligned} \text{Ánodo:}\quad& \ce{C6H12O6(s) + 6 H2O(l) -> 6 CO2(g) + 24 H+(aq) + 24 e-},\\ \text{Cátodo:}\quad& \ce{6 O2(g) + 24 H+(aq) + 24 e- -> 12 H2O(l)}. \end{aligned} \]
Por tanto, se transfieren \(n=24\) moles de electrones por mol de glucosa. De manera equivalente, los seis átomos de carbono aumentan su número de oxidación medio de \(0\) en la glucosa a \(+4\) en el dióxido de carbono, liberando \(6\times4=24\) electrones.
A \(T=298.15\ \mathrm{K}\), la variación de energía de Gibbs de la fotosíntesis es
\[ \begin{aligned} \Delta G_{\mathrm{photo}} &=\Delta H_{\mathrm{photo}}-T\Delta S_{\mathrm{photo}}\\ &=2.816\times10^6 -(298.15)(-182)\\ &=2.8702633\times10^6\ \mathrm{J\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Al invertir la reacción, cambia su signo:
\[ \Delta G_{\mathrm{cell}} =-2.8702633\times10^6\ \mathrm{J\,mol^{-1}}. \]
El trabajo eléctrico máximo proporciona la relación
\[ \Delta G_{\mathrm{cell}}=-nFE. \]
Utilizando \(F=96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\),
\[ E= \frac{2.8702633\times10^6\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} {24(96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}})} =1.2395\ \mathrm{J\,C^{-1}}. \]
Por tanto,
\[ \boxed{E=1.24\ \mathrm{V}}. \]
7.2 — Cantidad de fotones
La energía de un fotón es
\[ \varepsilon_\gamma=\frac{hc}{\lambda}. \]
Utilizando \(h=6.62607\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s}\), \(c=2.99792\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) y \(\lambda=500\times10^{-9}\ \mathrm{m}\),
\[ \varepsilon_\gamma =\frac{(6.62607\times10^{-34})(2.99792\times10^8)} {500\times10^{-9}} =3.97289\times10^{-19}\ \mathrm{J}. \]
Con \(N_{\mathrm A}=6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\), un mol de estos fotones transporta
\[ E_{\gamma,\mathrm m} =N_{\mathrm A}\varepsilon_\gamma =2.39253\times10^5\ \mathrm{J\,mol^{-1}} =239.253\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \]
Si la energía de los fotones se convierte idealmente en la energía libre química necesaria para la fotosíntesis, la cantidad necesaria para formar un mol de glucosa es
\[ n_\gamma =\frac{2.8702633\times10^6\ \mathrm{J}} {2.39253\times10^5\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} =11.9968\ \mathrm{mol}. \]
Por consiguiente,
\[ \boxed{n_\gamma\approx12.0\ \mathrm{mol} \quad\text{por mol de glucosa}}. \]
Si, en cambio, la pregunta pretende una simple comparación con la entalpía de reacción, se obtiene
\[ n_{\gamma,H} =\frac{2.816\times10^6\ \mathrm{J}} {2.39253\times10^5\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} =11.77\ \mathrm{mol}, \]
que también se redondea a aproximadamente \(12\ \mathrm{mol}\). El cálculo basado en la energía libre incluye la contribución de la entropía pertinente para el trabajo eléctrico reversible. Estas estimaciones energéticas no determinan la cantidad de fotones que requiere realmente el proceso biológico.
7.3 — Potencia eléctrica de la piscina
La superficie iluminada es
\[ A=(10\ \mathrm{m})^2 =100\ \mathrm{m^2} =1.00\times10^6\ \mathrm{cm^2}. \]
Con la densidad de corriente especificada,
\[ I= \left(1.00\times10^{-3}\ \mathrm{A\,cm^{-2}}\right) \left(1.00\times10^6\ \mathrm{cm^2}\right) =1.00\times10^3\ \mathrm{A}. \]
Suponiendo una iluminación uniforme y despreciando las pérdidas de tensión,
\[ P=EI =(1.2395\ \mathrm{V})(1.00\times10^3\ \mathrm{A}) =1.2395\times10^3\ \mathrm{W}. \]
Así,
\[ \boxed{P\approx1.24\ \mathrm{kW}}. \]
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1977 · 理论题 7
原电池中的光合作用逆反应
光合作用可用下列总反应式概括:

该反应在 \(25\,^\circ\mathrm{C}\) 时的 \(\Delta H\) 和 \(\Delta S\) 值如下:
\[ \Delta H=2.816\times10^6\ \mathrm{J},\qquad \Delta S=-182\ \mathrm{J\,K^{-1}}\quad\text{或} \]
\(\Delta H=2.816\times10^6\ \mathrm{J\,mol^{-1}},\quad \Delta S=-182\ \mathrm{J\,K^{-1}\,mol^{-1}}\),如果 \(\Delta H\) 和 \(\Delta S\) 的数值是按一摩尔反应进度计的。
设想已经研制出这样的电极,能够在原电池中使氧气选择性地还原为水,并使葡萄糖氧化为二氧化碳,即实现与光合作用反应相反的过程。
问题:
7.1 借助光合作用反应将光能转化为电能的电池,其电动势是多少?
注:信封中给出了电动势与反应自由焓变之间的关系。(注意:打开信封将被扣去一些分数。)
7.2 如果要将光合作用反应式中的“光”这一符号定量化,就需要问:上述反应有多少摩尔的光子参与,例如波长为 \(500\ \mathrm{nm}\) 的光子?请计算。
7.3 一个边长为 \(10\ \mathrm{m}\) 的正方形游泳池内含有能进行光合作用的绿藻,如果在平均光照条件下,每 \(1\ \mathrm{cm^2}\) 面积预计可产生 \(1\ \mathrm{mA}\) 的电流,计算该游泳池能提供的电功率。
题目译自官方英文原文。
答案
- 7.1: \(\boxed{E=1.24\ \mathrm{V}}\)。
- 7.2: \(\boxed{\text{每摩尔葡萄糖约需 }12\ \mathrm{mol}\text{ 光子}}\)。理想情况下按自由能估算为 \(12.00\ \mathrm{mol}\);仅按焓估算为 \(11.77\ \mathrm{mol}\)。
- 7.3: \(\boxed{P=1.24\times10^3\ \mathrm{W}=1.24\ \mathrm{kW}}\),假设电池在给定电流下能够提供所计算的电压。
解答
题干文字明确指出产物是葡萄糖。修正印刷图式中的明显错误后,配平的光合作用反应为
\[ \ce{6 CO2(g) + 6 H2O(l) ->[light][chlorophyll] C6H12O6(s) + 6 O2(g)}. \]
因此,所给热力学量对应于生成一摩尔葡萄糖的反应。
下文涉及的物种为:葡萄糖,以开链 D-葡萄糖的形式用 O=C[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@H](O)CO 表示;二氧化碳 O=C=O;水 O;氧气 O=O;以及氢离子(质子)[H+]。开链葡萄糖的 SMILES 指定了其碳原子的立体化学,但并未描述其固态下的环状形式或晶体结构。
7.1 — 电动势
原电池中发生的是逆反应:
\[ \ce{C6H12O6(s) + 6 O2(g) -> 6 CO2(g) + 6 H2O(l)}. \]
为便于配平,将电极反应写成酸性条件下的形式:
\[ \begin{aligned} \text{阳极:}\quad& \ce{C6H12O6(s) + 6 H2O(l) -> 6 CO2(g) + 24 H+(aq) + 24 e-},\\ \text{阴极:}\quad& \ce{6 O2(g) + 24 H+(aq) + 24 e- -> 12 H2O(l)}. \end{aligned} \]
因此,每摩尔葡萄糖转移 \(n=24\) 摩尔电子。等价地,六个碳原子的平均氧化数从葡萄糖中的 \(0\) 升高到二氧化碳中的 \(+4\),释放出 \(6\times4=24\) 个电子。
在 \(T=298.15\ \mathrm{K}\) 时,光合作用的吉布斯能变为
\[ \begin{aligned} \Delta G_{\mathrm{photo}} &=\Delta H_{\mathrm{photo}}-T\Delta S_{\mathrm{photo}}\\ &=2.816\times10^6 -(298.15)(-182)\\ &=2.8702633\times10^6\ \mathrm{J\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
将反应逆向进行,其符号随之改变:
\[ \Delta G_{\mathrm{cell}} =-2.8702633\times10^6\ \mathrm{J\,mol^{-1}}. \]
由最大电功可得关系式
\[ \Delta G_{\mathrm{cell}}=-nFE. \]
取 \(F=96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\),
\[ E= \frac{2.8702633\times10^6\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} {24(96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}})} =1.2395\ \mathrm{J\,C^{-1}}. \]
因此,
\[ \boxed{E=1.24\ \mathrm{V}}. \]
7.2 — 光子的物质的量
一个光子的能量为
\[ \varepsilon_\gamma=\frac{hc}{\lambda}. \]
取 \(h=6.62607\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s}\)、\(c=2.99792\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) 和 \(\lambda=500\times10^{-9}\ \mathrm{m}\),
\[ \varepsilon_\gamma =\frac{(6.62607\times10^{-34})(2.99792\times10^8)} {500\times10^{-9}} =3.97289\times10^{-19}\ \mathrm{J}. \]
取 \(N_{\mathrm A}=6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\),一摩尔这种光子携带的能量为
\[ E_{\gamma,\mathrm m} =N_{\mathrm A}\varepsilon_\gamma =2.39253\times10^5\ \mathrm{J\,mol^{-1}} =239.253\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \]
如果光子能量理想地转化为光合作用所需的化学自由能,则生成一摩尔葡萄糖所需的光子物质的量为
\[ n_\gamma =\frac{2.8702633\times10^6\ \mathrm{J}} {2.39253\times10^5\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} =11.9968\ \mathrm{mol}. \]
因此,
\[ \boxed{n_\gamma\approx12.0\ \mathrm{mol} \quad\text{每摩尔葡萄糖}}. \]
如果题目意在仅与反应焓进行简单比较,则得到
\[ n_{\gamma,H} =\frac{2.816\times10^6\ \mathrm{J}} {2.39253\times10^5\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} =11.77\ \mathrm{mol}, \]
四舍五入后也约为 \(12\ \mathrm{mol}\)。自由能计算包含了与可逆电功有关的熵贡献。这些能量估算并不能确定实际生物过程所需的光子量。
7.3 — 游泳池的电功率
受光面积为
\[ A=(10\ \mathrm{m})^2 =100\ \mathrm{m^2} =1.00\times10^6\ \mathrm{cm^2}. \]
在给定的电流密度下,
\[ I= \left(1.00\times10^{-3}\ \mathrm{A\,cm^{-2}}\right) \left(1.00\times10^6\ \mathrm{cm^2}\right) =1.00\times10^3\ \mathrm{A}. \]
假设光照均匀,并忽略电压损失,
\[ P=EI =(1.2395\ \mathrm{V})(1.00\times10^3\ \mathrm{A}) =1.2395\times10^3\ \mathrm{W}. \]
因此,
\[ \boxed{P\approx1.24\ \mathrm{kW}}. \]
解答已与官方解答核对。
IChO 1977 · Теоретическая задача 7
Фотосинтез, обращённый в гальваническом элементе
Фотосинтез можно описать суммарным уравнением:

для которого значения \(\Delta H\) и \(\Delta S\) при \(25\,^\circ\mathrm{C}\) равны:
\[ \Delta H=2.816\times10^6\ \mathrm{J},\qquad \Delta S=-182\ \mathrm{J\,K^{-1}}\quad\text{или} \]
\(\Delta H=2.816\times10^6\ \mathrm{J\,mol^{-1}},\quad \Delta S=-182\ \mathrm{J\,K^{-1}\,mol^{-1}}\), если значения \(\Delta H\) и \(\Delta S\) отнесены к одному молю протекшей реакции.
Представьте, что разработаны электроды, позволяющие избирательно восстанавливать кислород до воды и окислять глюкозу до диоксида углерода в гальваническом элементе, то есть осуществлять процесс, обратный реакции фотосинтеза.
Вопросы:
7.1 Какова будет электродвижущая сила элемента, в котором энергия света преобразуется в электрическую энергию посредством реакции фотосинтеза?
Примечание: В конверте вы найдёте соотношение между электродвижущей силой и изменением свободной энтальпии реакции. (Внимание: Если вы откроете конверт, то потеряете часть баллов.)
7.2 Если бы мы захотели количественно выразить обозначение «свет» в уравнении фотосинтеза, то задали бы вопрос: сколько молей фотонов с длиной волны, например, \(500\ \mathrm{nm}\) участвует в приведённой выше реакции? Выполните расчёт.
7.3 Рассчитайте электрическую мощность квадратного плавательного бассейна со стороной \(10\ \mathrm{m}\), содержащего зелёные водоросли, способные осуществлять реакцию фотосинтеза, если при средней освещённости с площади \(1\ \mathrm{cm^2}\) можно ожидать ток \(1\ \mathrm{mA}\).
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 7.1: \(\boxed{E=1.24\ \mathrm{V}}\).
- 7.2: \(\boxed{\text{Приблизительно }12\ \mathrm{mol}\text{ фотонов на моль глюкозы}}\). Идеальная оценка по свободной энергии составляет \(12.00\ \mathrm{mol}\); оценка только по энтальпии даёт \(11.77\ \mathrm{mol}\).
- 7.3: \(\boxed{P=1.24\times10^3\ \mathrm{W}=1.24\ \mathrm{kW}}\), при условии, что элемент обеспечивает рассчитанное напряжение при указанной силе тока.
Решение
В тексте продукт назван глюкозой. После исправления очевидных ошибок в напечатанной схеме уравнение реакции фотосинтеза с расставленными коэффициентами имеет вид
\[ \ce{6 CO2(g) + 6 H2O(l) ->[light][chlorophyll] C6H12O6(s) + 6 O2(g)}. \]
Следовательно, приведённые термодинамические величины относятся к образованию одного моля глюкозы.
Ниже используются следующие химические частицы: глюкоза, представленная в виде D-глюкозы с открытой цепью записью O=C[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@H](O)CO; диоксид углерода O=C=O; вода O; молекулярный кислород O=O; и ион водорода (протон) [H+]. Запись SMILES глюкозы с открытой цепью задаёт стереохимию её атомов углерода, но не описывает её циклическую форму в твёрдом состоянии или кристаллическую структуру.
7.1 — Электродвижущая сила
В гальваническом элементе протекает обратная реакция:
\[ \ce{C6H12O6(s) + 6 O2(g) -> 6 CO2(g) + 6 H2O(l)}. \]
Для расстановки коэффициентов электродные реакции запишем для кислой среды:
\[ \begin{aligned} \text{Анод:}\quad& \ce{C6H12O6(s) + 6 H2O(l) -> 6 CO2(g) + 24 H+(aq) + 24 e-},\\ \text{Катод:}\quad& \ce{6 O2(g) + 24 H+(aq) + 24 e- -> 12 H2O(l)}. \end{aligned} \]
Таким образом, на один моль глюкозы переносится \(n=24\) моль электронов. Тот же результат можно получить, учитывая, что средняя степень окисления шести атомов углерода повышается от \(0\) в глюкозе до \(+4\) в диоксиде углерода, при этом отдаётся \(6\times4=24\) электрона.
При \(T=298.15\ \mathrm{K}\) изменение энергии Гиббса при фотосинтезе равно
\[ \begin{aligned} \Delta G_{\mathrm{photo}} &=\Delta H_{\mathrm{photo}}-T\Delta S_{\mathrm{photo}}\\ &=2.816\times10^6 -(298.15)(-182)\\ &=2.8702633\times10^6\ \mathrm{J\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
При обращении реакции знак этой величины меняется:
\[ \Delta G_{\mathrm{cell}} =-2.8702633\times10^6\ \mathrm{J\,mol^{-1}}. \]
Из выражения для максимальной электрической работы следует соотношение
\[ \Delta G_{\mathrm{cell}}=-nFE. \]
Используя \(F=96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\), получаем
\[ E= \frac{2.8702633\times10^6\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} {24(96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}})} =1.2395\ \mathrm{J\,C^{-1}}. \]
Следовательно,
\[ \boxed{E=1.24\ \mathrm{V}}. \]
7.2 — Количество фотонов
Энергия фотона равна
\[ \varepsilon_\gamma=\frac{hc}{\lambda}. \]
Используя \(h=6.62607\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s}\), \(c=2.99792\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) и \(\lambda=500\times10^{-9}\ \mathrm{m}\), получаем
\[ \varepsilon_\gamma =\frac{(6.62607\times10^{-34})(2.99792\times10^8)} {500\times10^{-9}} =3.97289\times10^{-19}\ \mathrm{J}. \]
При \(N_{\mathrm A}=6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\) один моль таких фотонов несёт энергию
\[ E_{\gamma,\mathrm m} =N_{\mathrm A}\varepsilon_\gamma =2.39253\times10^5\ \mathrm{J\,mol^{-1}} =239.253\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \]
Если энергия фотонов идеально преобразуется в химическую свободную энергию, необходимую для фотосинтеза, то количество фотонов, требуемое для образования одного моля глюкозы, равно
\[ n_\gamma =\frac{2.8702633\times10^6\ \mathrm{J}} {2.39253\times10^5\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} =11.9968\ \mathrm{mol}. \]
Следовательно,
\[ \boxed{n_\gamma\approx12.0\ \mathrm{mol} \quad\text{на моль глюкозы}}. \]
Если же в вопросе подразумевается простое сравнение с энтальпией реакции, то получаем
\[ n_{\gamma,H} =\frac{2.816\times10^6\ \mathrm{J}} {2.39253\times10^5\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} =11.77\ \mathrm{mol}, \]
что также округляется приблизительно до \(12\ \mathrm{mol}\). Расчёт по свободной энергии учитывает энтропийный вклад, существенный для обратимой электрической работы. Эти энергетические оценки не определяют фактическую потребность биологического процесса в фотонах.
7.3 — Электрическая мощность бассейна
Освещённая площадь равна
\[ A=(10\ \mathrm{m})^2 =100\ \mathrm{m^2} =1.00\times10^6\ \mathrm{cm^2}. \]
При указанной плотности тока
\[ I= \left(1.00\times10^{-3}\ \mathrm{A\,cm^{-2}}\right) \left(1.00\times10^6\ \mathrm{cm^2}\right) =1.00\times10^3\ \mathrm{A}. \]
Предполагая равномерное освещение и пренебрегая потерями напряжения, получаем
\[ P=EI =(1.2395\ \mathrm{V})(1.00\times10^3\ \mathrm{A}) =1.2395\times10^3\ \mathrm{W}. \]
Таким образом,
\[ \boxed{P\approx1.24\ \mathrm{kW}}. \]
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1977 · مسألة نظرية 7
عكس البناء الضوئي في خلية جلفانية
يمكن تلخيص البناء الضوئي بالمعادلة الإجمالية الآتية:

وتكون قيمتا \(\Delta H\) و\(\Delta S\) لها عند \(25\,^\circ\mathrm{C}\) كما يأتي:
\[ \Delta H=2.816\times10^6\ \mathrm{J},\qquad \Delta S=-182\ \mathrm{J\,K^{-1}}\quad\text{أو} \]
\(\Delta H=2.816\times10^6\ \mathrm{J\,mol^{-1}},\quad \Delta S=-182\ \mathrm{J\,K^{-1}\,mol^{-1}}\) إذا كانت قيمتا \(\Delta H\) و\(\Delta S\) منسوبتين إلى مول واحد من التفاعل.
تخيّل أنه جرى ابتكار أقطاب تسمح بالاختزال الانتقائي للأكسجين إلى ماء وبأكسدة الغلوكوز إلى ثاني أكسيد الكربون في خلية جلفانية، أي بعملية عكسية مقارنةً بتفاعل البناء الضوئي.
المطلوب:
7.1 ما القوة الدافعة الكهربائية للخلية التي تتحول فيها الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية بوساطة تفاعل البناء الضوئي؟
ملاحظة: تجد في الظرف العلاقة بين القوة الدافعة الكهربائية والتغير في الإنثالبي الحر للتفاعل. (تنبيه: إذا فتحت الظرف، فستفقد بعض النقاط.)
7.2 إذا أردنا التعبير كمّيًا عن الرمز «ضوء» في معادلة البناء الضوئي، لطرحنا السؤال الآتي: كم مولًا من الفوتونات ذات الطول الموجي \(500\ \mathrm{nm}\)، مثلًا، يشارك في التفاعل أعلاه؟ احسب ذلك.
7.3 احسب القدرة الكهربائية التي يمكن الحصول عليها من حوض سباحة مربع طول ضلعه \(10\ \mathrm{m}\)، يحتوي على طحالب خضراء قادرة على إجراء تفاعل البناء الضوئي، إذا كان من المتوقع، تحت إضاءة متوسطة، الحصول على تيار مقداره \(1\ \mathrm{mA}\) من مساحة قدرها \(1\ \mathrm{cm^2}\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 7.1: \(\boxed{E=1.24\ \mathrm{V}}\).
- 7.2: \(\boxed{\text{نحو }12\ \mathrm{mol}\text{ من الفوتونات لكل مول من الغلوكوز}}\). يعطي التقدير المثالي القائم على الطاقة الحرة \(12.00\ \mathrm{mol}\)؛ أما التقدير القائم على الإنثالبي وحده فيعطي \(11.77\ \mathrm{mol}\).
- 7.3: \(\boxed{P=1.24\times10^3\ \mathrm{W}=1.24\ \mathrm{kW}}\)، بافتراض أن الخلية توفر فرق الجهد المحسوب عند شدة التيار المذكورة.
الحل
يحدد النص الغلوكوز بوصفه الناتج. وبعد تصحيح الأخطاء الظاهرة في المخطط المطبوع، يكون تفاعل البناء الضوئي الموزون هو
\[ \ce{6 CO2(g) + 6 H2O(l) ->[light][chlorophyll] C6H12O6(s) + 6 O2(g)}. \]
وعليه، فإن الكميات الديناميكية الحرارية المعطاة تخص تكوّن مول واحد من الغلوكوز.
الأنواع الكيميائية المستخدمة أدناه هي الغلوكوز، الممثَّل على هيئة D-غلوكوز ذي سلسلة مفتوحة بالترميز O=C[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@H](O)CO؛ وثاني أكسيد الكربون O=C=O؛ والماء O؛ وثنائي الأكسجين O=O؛ وأيون الهيدروجين (البروتون) [H+]. يحدد ترميز SMILES للغلوكوز ذي السلسلة المفتوحة الكيمياء الفراغية لذرات الكربون فيه، لكنه لا يصف شكله الحلقي في الحالة الصلبة ولا بنيته البلورية.
7.1 — القوة الدافعة الكهربائية
يجري في الخلية الجلفانية التفاعل العكسي:
\[ \ce{C6H12O6(s) + 6 O2(g) -> 6 CO2(g) + 6 H2O(l)}. \]
عند كتابة تفاعلات القطبين بصيغة الوسط الحمضي لغرض الموازنة، تكون كما يأتي:
\[ \begin{aligned} \text{المصعد:}\quad& \ce{C6H12O6(s) + 6 H2O(l) -> 6 CO2(g) + 24 H+(aq) + 24 e-},\\ \text{المهبط:}\quad& \ce{6 O2(g) + 24 H+(aq) + 24 e- -> 12 H2O(l)}. \end{aligned} \]
إذن، تنتقل \(n=24\) مولًا من الإلكترونات لكل مول من الغلوكوز. وبصورة مكافئة، يرتفع متوسط عدد تأكسد ذرات الكربون الست من \(0\) في الغلوكوز إلى \(+4\) في ثاني أكسيد الكربون، مما يحرر \(6\times4=24\) إلكترونًا.
عند \(T=298.15\ \mathrm{K}\)، يكون تغير طاقة غيبس للبناء الضوئي هو
\[ \begin{aligned} \Delta G_{\mathrm{photo}} &=\Delta H_{\mathrm{photo}}-T\Delta S_{\mathrm{photo}}\\ &=2.816\times10^6 -(298.15)(-182)\\ &=2.8702633\times10^6\ \mathrm{J\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
يؤدي عكس التفاعل إلى تغيير إشارة هذا التغير:
\[ \Delta G_{\mathrm{cell}} =-2.8702633\times10^6\ \mathrm{J\,mol^{-1}}. \]
يعطي الشغل الكهربائي الأقصى العلاقة
\[ \Delta G_{\mathrm{cell}}=-nFE. \]
باستخدام \(F=96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\)،
\[ E= \frac{2.8702633\times10^6\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} {24(96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}})} =1.2395\ \mathrm{J\,C^{-1}}. \]
ومن ثم،
\[ \boxed{E=1.24\ \mathrm{V}}. \]
7.2 — كمية الفوتونات
طاقة الفوتون هي
\[ \varepsilon_\gamma=\frac{hc}{\lambda}. \]
باستخدام \(h=6.62607\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s}\)، و\(c=2.99792\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\)، و\(\lambda=500\times10^{-9}\ \mathrm{m}\)،
\[ \varepsilon_\gamma =\frac{(6.62607\times10^{-34})(2.99792\times10^8)} {500\times10^{-9}} =3.97289\times10^{-19}\ \mathrm{J}. \]
عند استخدام \(N_{\mathrm A}=6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\)، يحمل مول واحد من هذه الفوتونات طاقة مقدارها
\[ E_{\gamma,\mathrm m} =N_{\mathrm A}\varepsilon_\gamma =2.39253\times10^5\ \mathrm{J\,mol^{-1}} =239.253\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \]
إذا تحولت طاقة الفوتونات على نحو مثالي إلى الطاقة الحرة الكيميائية اللازمة للبناء الضوئي، فإن الكمية المطلوبة لتكوين مول واحد من الغلوكوز هي
\[ n_\gamma =\frac{2.8702633\times10^6\ \mathrm{J}} {2.39253\times10^5\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} =11.9968\ \mathrm{mol}. \]
وعليه،
\[ \boxed{n_\gamma\approx12.0\ \mathrm{mol} \quad\text{لكل مول من الغلوكوز}}. \]
أما إذا كان المقصود بالسؤال مجرد المقارنة بإنثالبي التفاعل، فإن ذلك يعطي
\[ n_{\gamma,H} =\frac{2.816\times10^6\ \mathrm{J}} {2.39253\times10^5\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} =11.77\ \mathrm{mol}, \]
وهي قيمة تُقرَّب أيضًا إلى نحو \(12\ \mathrm{mol}\). يتضمن حساب الطاقة الحرة مساهمة الإنتروبيا ذات الصلة بالشغل الكهربائي العكوس. ولا تحدد هذه التقديرات الطاقية العدد الفعلي للفوتونات التي تتطلبها العملية البيولوجية.
7.3 — القدرة الكهربائية للحوض
المساحة المضاءة هي
\[ A=(10\ \mathrm{m})^2 =100\ \mathrm{m^2} =1.00\times10^6\ \mathrm{cm^2}. \]
عند كثافة التيار المحددة،
\[ I= \left(1.00\times10^{-3}\ \mathrm{A\,cm^{-2}}\right) \left(1.00\times10^6\ \mathrm{cm^2}\right) =1.00\times10^3\ \mathrm{A}. \]
بافتراض انتظام الإضاءة وإهمال فواقد الجهد،
\[ P=EI =(1.2395\ \mathrm{V})(1.00\times10^3\ \mathrm{A}) =1.2395\times10^3\ \mathrm{W}. \]
إذن،
\[ \boxed{P\approx1.24\ \mathrm{kW}}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.