IChO 1983 · Theory problem 2
Composition of a CO-CO2 mixture
In a gaseous mixture of \(\ce{CO}\) and \(\ce{CO2}\), a mass ratio of carbon : oxygen = 1 : 2 was determined.
2.1 Calculate the mass percent composition.
2.2 Calculate the volume percent composition.
2.3 Indicate values of the carbon: oxygen ratios for which both gases cannot be present simultaneously.
Official English text of the problem.
Answers
- 2.1 Carbon monoxide, \(\ce{CO}\) (
[C-]#[O+]): 38.89 mass %; carbon dioxide, \(\ce{CO2}\) (O=C=O): 61.11 mass %. - 2.2 50 volume % \(\ce{CO}\) and 50 volume % \(\ce{CO2}\).
- 2.3 Defining \(r=m_{\ce{C}}/m_{\ce{O}}\), both gases cannot be present simultaneously when \[ \boxed{r\leq \frac38\quad\text{or}\quad r\geq\frac34.} \] Equality corresponds to a pure gas; values outside these bounds are impossible for a mixture containing only these two gases.
Solution
2.1 Mass percent composition
Using the conventional atomic molar masses \(M(\ce{C})=12\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\) and \(M(\ce{O})=16\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\), \[ M(\ce{CO})=28\,\mathrm{g\,mol^{-1}},\qquad M(\ce{CO2})=44\,\mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Let \(n_1\) and \(n_2\) be the amounts of \(\ce{CO}\) and \(\ce{CO2}\), respectively. Each molecule contains one carbon atom, while their oxygen atom counts are one and two. Therefore, \[ \frac{m_{\ce{C}}}{m_{\ce{O}}} = \frac{(12\,\mathrm{g\,mol^{-1}})(n_1+n_2)} {(16\,\mathrm{g\,mol^{-1}})(n_1+2n_2)} =\frac12. \] Consequently, \[ 24(n_1+n_2)=16(n_1+2n_2) \quad\Longrightarrow\quad n_1=n_2. \]
On a basis of \(1\,\mathrm{mol}\) of each gas, their masses are \(28\,\mathrm{g}\) and \(44\,\mathrm{g}\), giving a total mass of \(72\,\mathrm{g}\). Thus, \[ w(\ce{CO})=\frac{28\,\mathrm{g}}{72\,\mathrm{g}}\times100\% =\boxed{38.89\%}, \] \[ w(\ce{CO2})=\frac{44\,\mathrm{g}}{72\,\mathrm{g}}\times100\% =\boxed{61.11\%}. \]
2.2 Volume percent composition
For ideal gases compared at the same temperature and pressure, \(V=nRT/P\), so volume fractions equal mole fractions. Since \(n_1=n_2\), \[ \varphi(\ce{CO})=\frac{n_1}{n_1+n_2}=\frac12, \qquad \varphi(\ce{CO2})=\frac{n_2}{n_1+n_2}=\frac12. \]
The composition is therefore \[ \boxed{50\text{ volume \% }\ce{CO} \quad\text{and}\quad 50\text{ volume \% }\ce{CO2}.} \]
2.3 Ratios excluding simultaneous presence
Let \(x\) be the mole fraction of \(\ce{CO2}\). The carbon-to-oxygen mass ratio is \[ r=\frac{12}{16(1-x)+32x} =\frac{3}{4(1+x)}. \]
Both gases are present only if \(0<x<1\), which gives \[ \boxed{\frac38<r<\frac34.} \]
The endpoints correspond to:
- Pure \(\ce{CO2}\): \(r=12/32=3/8\), or carbon : oxygen \(=3:8\).
- Pure \(\ce{CO}\): \(r=12/16=3/4\), or carbon : oxygen \(=3:4\).
Hence simultaneous presence is excluded for \(r\leq3/8\) or \(r\geq3/4\). At either endpoint one component is absent; outside the interval even a pure gas or mixture of these two gases cannot reproduce the specified elemental ratio.
Equivalently, if carbon : oxygen is written \(1:a\), simultaneous presence requires \[ \frac43<a<\frac83, \] and is excluded for \(a\leq4/3\) or \(a\geq8/3\).
The solution was checked against the official solution.
IChO 1983 · Theorieaufgabe 2
Zusammensetzung eines CO-CO2-Gemisches
In einem gasförmigen Gemisch aus \(\ce{CO}\) und \(\ce{CO2}\) wurde ein Massenverhältnis von Kohlenstoff : Sauerstoff = 1 : 2 bestimmt.
2.1 Berechnen Sie die Zusammensetzung in Massenprozent.
2.2 Berechnen Sie die Zusammensetzung in Volumenprozent.
2.3 Geben Sie Werte des Verhältnisses Kohlenstoff : Sauerstoff an, bei denen beide Gase nicht gleichzeitig vorliegen können.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 2.1 Kohlenstoffmonoxid, \(\ce{CO}\) (
[C-]#[O+]): 38.89 Massen-%; Kohlenstoffdioxid, \(\ce{CO2}\) (O=C=O): 61.11 Massen-%. - 2.2 50 Volumen-% \(\ce{CO}\) und 50 Volumen-% \(\ce{CO2}\).
- 2.3 Mit der Definition \(r=m_{\ce{C}}/m_{\ce{O}}\) können beide Gase nicht gleichzeitig vorliegen, wenn \[ \boxed{r\leq \frac38\quad\text{oder}\quad r\geq\frac34.} \] Gleichheit entspricht einem reinen Gas; Werte außerhalb dieser Grenzen sind für ein Gemisch, das nur diese beiden Gase enthält, unmöglich.
Lösung
2.1 Zusammensetzung in Massenprozent
Mit den üblichen molaren Atommassen \(M(\ce{C})=12\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\) und \(M(\ce{O})=16\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\) ergibt sich \[ M(\ce{CO})=28\,\mathrm{g\,mol^{-1}},\qquad M(\ce{CO2})=44\,\mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Es seien \(n_1\) und \(n_2\) die Stoffmengen von \(\ce{CO}\) bzw. \(\ce{CO2}\). Jedes Molekül enthält ein Kohlenstoffatom, während die Anzahl der Sauerstoffatome eins bzw. zwei beträgt. Daher gilt \[ \frac{m_{\ce{C}}}{m_{\ce{O}}} = \frac{(12\,\mathrm{g\,mol^{-1}})(n_1+n_2)} {(16\,\mathrm{g\,mol^{-1}})(n_1+2n_2)} =\frac12. \] Folglich gilt \[ 24(n_1+n_2)=16(n_1+2n_2) \quad\Longrightarrow\quad n_1=n_2. \]
Geht man von jeweils \(1\,\mathrm{mol}\) der beiden Gase aus, betragen ihre Massen \(28\,\mathrm{g}\) und \(44\,\mathrm{g}\), was eine Gesamtmasse von \(72\,\mathrm{g}\) ergibt. Somit gilt \[ w(\ce{CO})=\frac{28\,\mathrm{g}}{72\,\mathrm{g}}\times100\% =\boxed{38.89\%}, \] \[ w(\ce{CO2})=\frac{44\,\mathrm{g}}{72\,\mathrm{g}}\times100\% =\boxed{61.11\%}. \]
2.2 Zusammensetzung in Volumenprozent
Für ideale Gase, die bei gleicher Temperatur und gleichem Druck verglichen werden, gilt \(V=nRT/P\), sodass die Volumenanteile den Stoffmengenanteilen entsprechen. Da \(n_1=n_2\), gilt \[ \varphi(\ce{CO})=\frac{n_1}{n_1+n_2}=\frac12, \qquad \varphi(\ce{CO2})=\frac{n_2}{n_1+n_2}=\frac12. \]
Die Zusammensetzung beträgt daher \[ \boxed{50\text{ Volumen-\% }\ce{CO} \quad\text{und}\quad 50\text{ Volumen-\% }\ce{CO2}.} \]
2.3 Verhältnisse, die ein gleichzeitiges Vorliegen ausschließen
Es sei \(x\) der Stoffmengenanteil von \(\ce{CO2}\). Das Massenverhältnis von Kohlenstoff zu Sauerstoff ist \[ r=\frac{12}{16(1-x)+32x} =\frac{3}{4(1+x)}. \]
Beide Gase liegen nur dann vor, wenn \(0<x<1\), woraus sich ergibt: \[ \boxed{\frac38<r<\frac34.} \]
Die Randwerte entsprechen:
- Reinem \(\ce{CO2}\): \(r=12/32=3/8\), also Kohlenstoff : Sauerstoff \(=3:8\).
- Reinem \(\ce{CO}\): \(r=12/16=3/4\), also Kohlenstoff : Sauerstoff \(=3:4\).
Daher ist ein gleichzeitiges Vorliegen für \(r\leq3/8\) oder \(r\geq3/4\) ausgeschlossen. An jedem der beiden Randwerte fehlt eine Komponente; außerhalb des Intervalls kann weder ein reines Gas noch ein Gemisch dieser beiden Gase das angegebene Elementverhältnis aufweisen.
Schreibt man Kohlenstoff : Sauerstoff als \(1:a\), so erfordert ein gleichzeitiges Vorliegen gleichwertig \[ \frac43<a<\frac83, \] und ist für \(a\leq4/3\) oder \(a\geq8/3\) ausgeschlossen.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1983 · Teori sorusu 2
Bir CO-CO2 karışımının bileşimi
\(\ce{CO}\) ve \(\ce{CO2}\) gazlarından oluşan bir karışımda karbon : oksijen kütle oranının 1 : 2 olduğu belirlenmiştir.
2.1 Kütlece yüzde bileşimini hesaplayınız.
2.2 Hacimce yüzde bileşimini hesaplayınız.
2.3 Her iki gazın aynı anda bulunamayacağı karbon : oksijen oranı değerlerini belirtiniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 2.1 Karbon monoksit, \(\ce{CO}\) (
[C-]#[O+]): kütlece %38.89; karbon dioksit, \(\ce{CO2}\) (O=C=O): kütlece %61.11. - 2.2 Hacimce %50 \(\ce{CO}\) ve hacimce %50 \(\ce{CO2}\).
- 2.3 \(r=m_{\ce{C}}/m_{\ce{O}}\) olarak tanımlandığında, her iki gaz aşağıdaki koşullarda aynı anda bulunamaz: \[ \boxed{r\leq \frac38\quad\text{veya}\quad r\geq\frac34.} \] Eşitlik durumu saf bir gaza karşılık gelir; yalnızca bu iki gazı içeren bir karışım için bu sınırların dışındaki değerler mümkün değildir.
Çözüm
2.1 Kütlece yüzde bileşimi
Alışılagelen atomik molar kütle değerleri \(M(\ce{C})=12\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\) ve \(M(\ce{O})=16\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\) kullanıldığında, \[ M(\ce{CO})=28\,\mathrm{g\,mol^{-1}},\qquad M(\ce{CO2})=44\,\mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
\(n_1\) ve \(n_2\), sırasıyla \(\ce{CO}\) ve \(\ce{CO2}\)'nin madde miktarları olsun. Her bir molekül bir karbon atomu içerirken oksijen atomu sayıları sırasıyla bir ve ikidir. Dolayısıyla, \[ \frac{m_{\ce{C}}}{m_{\ce{O}}} = \frac{(12\,\mathrm{g\,mol^{-1}})(n_1+n_2)} {(16\,\mathrm{g\,mol^{-1}})(n_1+2n_2)} =\frac12. \] Bunun sonucunda, \[ 24(n_1+n_2)=16(n_1+2n_2) \quad\Longrightarrow\quad n_1=n_2. \]
Her bir gazdan \(1\,\mathrm{mol}\) esas alındığında, kütleleri \(28\,\mathrm{g}\) ve \(44\,\mathrm{g}\) olur ve toplam kütle \(72\,\mathrm{g}\) olarak bulunur. Böylece, \[ w(\ce{CO})=\frac{28\,\mathrm{g}}{72\,\mathrm{g}}\times100\% =\boxed{38.89\%}, \] \[ w(\ce{CO2})=\frac{44\,\mathrm{g}}{72\,\mathrm{g}}\times100\% =\boxed{61.11\%}. \]
2.2 Hacimce yüzde bileşimi
Aynı sıcaklık ve basınçta karşılaştırılan ideal gazlar için \(V=nRT/P\) olduğundan, hacim kesirleri mol kesirlerine eşittir. \(n_1=n_2\) olduğuna göre, \[ \varphi(\ce{CO})=\frac{n_1}{n_1+n_2}=\frac12, \qquad \varphi(\ce{CO2})=\frac{n_2}{n_1+n_2}=\frac12. \]
Dolayısıyla bileşim şöyledir: \[ \boxed{50\text{ hacimce \% }\ce{CO} \quad\text{ve}\quad 50\text{ hacimce \% }\ce{CO2}.} \]
2.3 Aynı anda bulunmayı dışlayan oranlar
\(x\), \(\ce{CO2}\)'nin mol kesri olsun. Karbonun oksijene kütle oranı şöyledir: \[ r=\frac{12}{16(1-x)+32x} =\frac{3}{4(1+x)}. \]
Her iki gaz yalnızca \(0<x<1\) olduğunda birlikte bulunur; bu koşul aşağıdaki aralığı verir: \[ \boxed{\frac38<r<\frac34.} \]
Uç noktalar şu durumlara karşılık gelir:
- Saf \(\ce{CO2}\): \(r=12/32=3/8\), yani karbon : oksijen \(=3:8\).
- Saf \(\ce{CO}\): \(r=12/16=3/4\), yani karbon : oksijen \(=3:4\).
Bu nedenle \(r\leq3/8\) veya \(r\geq3/4\) olduğunda gazların aynı anda bulunması mümkün değildir. Uç noktaların her birinde bileşenlerden biri bulunmaz; aralığın dışında ise bu iki gazdan herhangi biri saf hâlde veya bunların bir karışımı bile belirtilen element oranını sağlayamaz.
Eşdeğer olarak, karbon : oksijen oranı \(1:a\) biçiminde yazılırsa, aynı anda bulunma koşulu \[ \frac43<a<\frac83, \] olup \(a\leq4/3\) veya \(a\geq8/3\) olduğunda aynı anda bulunmaları mümkün değildir.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1983 · Problema teórico 2
Composición de una mezcla de CO-CO2
En una mezcla gaseosa de \(\ce{CO}\) y \(\ce{CO2}\), se determinó una relación de masas de carbono : oxígeno = 1 : 2.
2.1 Calcule la composición porcentual en masa.
2.2 Calcule la composición porcentual en volumen.
2.3 Indique los valores de la relación carbono : oxígeno para los cuales ambos gases no pueden estar presentes simultáneamente.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 2.1 Monóxido de carbono, \(\ce{CO}\) (
[C-]#[O+]): 38.89 % en masa; dióxido de carbono, \(\ce{CO2}\) (O=C=O): 61.11 % en masa. - 2.2 50 % en volumen de \(\ce{CO}\) y 50 % en volumen de \(\ce{CO2}\).
- 2.3 Definiendo \(r=m_{\ce{C}}/m_{\ce{O}}\), ambos gases no pueden estar presentes simultáneamente cuando \[ \boxed{r\leq \frac38\quad\text{o}\quad r\geq\frac34.} \] La igualdad corresponde a un gas puro; los valores fuera de estos límites son imposibles para una mezcla que contenga únicamente estos dos gases.
Solución
2.1 Composición porcentual en masa
Utilizando las masas molares atómicas convencionales \(M(\ce{C})=12\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\) y \(M(\ce{O})=16\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\), \[ M(\ce{CO})=28\,\mathrm{g\,mol^{-1}},\qquad M(\ce{CO2})=44\,\mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Sean \(n_1\) y \(n_2\) las cantidades de sustancia de \(\ce{CO}\) y \(\ce{CO2}\), respectivamente. Cada molécula contiene un átomo de carbono, mientras que el número de átomos de oxígeno es uno y dos, respectivamente. Por lo tanto, \[ \frac{m_{\ce{C}}}{m_{\ce{O}}} = \frac{(12\,\mathrm{g\,mol^{-1}})(n_1+n_2)} {(16\,\mathrm{g\,mol^{-1}})(n_1+2n_2)} =\frac12. \] En consecuencia, \[ 24(n_1+n_2)=16(n_1+2n_2) \quad\Longrightarrow\quad n_1=n_2. \]
Tomando como base \(1\,\mathrm{mol}\) de cada gas, sus masas son \(28\,\mathrm{g}\) y \(44\,\mathrm{g}\), lo que da una masa total de \(72\,\mathrm{g}\). Así, \[ w(\ce{CO})=\frac{28\,\mathrm{g}}{72\,\mathrm{g}}\times100\% =\boxed{38.89\%}, \] \[ w(\ce{CO2})=\frac{44\,\mathrm{g}}{72\,\mathrm{g}}\times100\% =\boxed{61.11\%}. \]
2.2 Composición porcentual en volumen
Para gases ideales comparados a la misma temperatura y presión, \(V=nRT/P\), por lo que las fracciones en volumen son iguales a las fracciones molares. Dado que \(n_1=n_2\), \[ \varphi(\ce{CO})=\frac{n_1}{n_1+n_2}=\frac12, \qquad \varphi(\ce{CO2})=\frac{n_2}{n_1+n_2}=\frac12. \]
La composición es, por tanto, \[ \boxed{50\text{ \% en volumen de }\ce{CO} \quad\text{y}\quad 50\text{ \% en volumen de }\ce{CO2}.} \]
2.3 Relaciones que excluyen la presencia simultánea
Sea \(x\) la fracción molar de \(\ce{CO2}\). La relación de masas de carbono a oxígeno es \[ r=\frac{12}{16(1-x)+32x} =\frac{3}{4(1+x)}. \]
Ambos gases están presentes únicamente si \(0<x<1\), lo que da \[ \boxed{\frac38<r<\frac34.} \]
Los extremos corresponden a:
- \(\ce{CO2}\) puro: \(r=12/32=3/8\), o carbono : oxígeno \(=3:8\).
- \(\ce{CO}\) puro: \(r=12/16=3/4\), o carbono : oxígeno \(=3:4\).
Por consiguiente, la presencia simultánea queda excluida para \(r\leq3/8\) o \(r\geq3/4\). En cualquiera de los extremos, uno de los componentes está ausente; fuera del intervalo, ni siquiera un gas puro o una mezcla de estos dos gases puede reproducir la relación elemental especificada.
De forma equivalente, si la relación carbono : oxígeno se escribe como \(1:a\), la presencia simultánea requiere \[ \frac43<a<\frac83, \] y queda excluida para \(a\leq4/3\) o \(a\geq8/3\).
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1983 · 理论题 2
CO-CO2 混合物的组成
在由 \(\ce{CO}\) 和 \(\ce{CO2}\) 组成的气体混合物中,测得碳与氧的质量比为 1 : 2。
2.1 计算其质量百分组成。
2.2 计算其体积百分组成。
2.3 指出两种气体不能同时存在时碳与氧之比的取值。
题目译自官方英文原文。
答案
- 2.1 一氧化碳,\(\ce{CO}\)(
[C-]#[O+]):38.89 质量 %;二氧化碳,\(\ce{CO2}\)(O=C=O):61.11 质量 %。 - 2.2 50 体积 % \(\ce{CO}\) 和 50 体积 % \(\ce{CO2}\)。
- 2.3 定义 \(r=m_{\ce{C}}/m_{\ce{O}}\),当下列条件成立时,两种气体不能同时存在: \[ \boxed{r\leq \frac38\quad\text{或}\quad r\geq\frac34.} \] 等号成立时对应纯气体;对于仅含这两种气体的混合物,比值不可能超出这些界限。
解答
2.1 质量百分组成
采用常用的原子摩尔质量 \(M(\ce{C})=12\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\) 和 \(M(\ce{O})=16\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\), \[ M(\ce{CO})=28\,\mathrm{g\,mol^{-1}},\qquad M(\ce{CO2})=44\,\mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
设 \(n_1\) 和 \(n_2\) 分别为 \(\ce{CO}\) 和 \(\ce{CO2}\) 的物质的量。每个分子均含一个碳原子,而所含氧原子的数目分别为一个和两个。因此, \[ \frac{m_{\ce{C}}}{m_{\ce{O}}} = \frac{(12\,\mathrm{g\,mol^{-1}})(n_1+n_2)} {(16\,\mathrm{g\,mol^{-1}})(n_1+2n_2)} =\frac12. \] 由此可得, \[ 24(n_1+n_2)=16(n_1+2n_2) \quad\Longrightarrow\quad n_1=n_2. \]
以每种气体各 \(1\,\mathrm{mol}\) 为计算基准,它们的质量分别为 \(28\,\mathrm{g}\) 和 \(44\,\mathrm{g}\),总质量为 \(72\,\mathrm{g}\)。因此, \[ w(\ce{CO})=\frac{28\,\mathrm{g}}{72\,\mathrm{g}}\times100\% =\boxed{38.89\%}, \] \[ w(\ce{CO2})=\frac{44\,\mathrm{g}}{72\,\mathrm{g}}\times100\% =\boxed{61.11\%}. \]
2.2 体积百分组成
对于在相同温度和压力下进行比较的理想气体,\(V=nRT/P\),因此体积分数等于摩尔分数。由于 \(n_1=n_2\), \[ \varphi(\ce{CO})=\frac{n_1}{n_1+n_2}=\frac12, \qquad \varphi(\ce{CO2})=\frac{n_2}{n_1+n_2}=\frac12. \]
因此,其组成为 \[ \boxed{50\text{ 体积 \% }\ce{CO} \quad\text{和}\quad 50\text{ 体积 \% }\ce{CO2}.} \]
2.3 排除两种气体同时存在的比值
设 \(x\) 为 \(\ce{CO2}\) 的摩尔分数。碳与氧的质量比为 \[ r=\frac{12}{16(1-x)+32x} =\frac{3}{4(1+x)}. \]
只有当 \(0<x<1\) 时,两种气体才同时存在,由此得到 \[ \boxed{\frac38<r<\frac34.} \]
两个端点分别对应:
- 纯 \(\ce{CO2}\):\(r=12/32=3/8\),即碳 : 氧 \(=3:8\)。
- 纯 \(\ce{CO}\):\(r=12/16=3/4\),即碳 : 氧 \(=3:4\)。
因此,当 \(r\leq3/8\) 或 \(r\geq3/4\) 时,两种气体不能同时存在。在任一端点处,其中一种组分不存在;在该区间之外,即使是纯气体或这两种气体的混合物,也无法达到所指定的元素质量比。
等价地,若将碳与氧之比写为 \(1:a\),则两种气体同时存在要求 \[ \frac43<a<\frac83, \] 而当 \(a\leq4/3\) 或 \(a\geq8/3\) 时,两种气体不能同时存在。
解答已与官方解答核对。
IChO 1983 · Теоретическая задача 2
Состав смеси CO-CO2
В газовой смеси \(\ce{CO}\) и \(\ce{CO2}\) определено массовое отношение углерод : кислород = 1 : 2.
2.1 Рассчитайте состав смеси в массовых процентах.
2.2 Рассчитайте состав смеси в объёмных процентах.
2.3 Укажите значения отношения углерод : кислород, при которых оба газа не могут присутствовать одновременно.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 2.1 Монооксид углерода, \(\ce{CO}\) (
[C-]#[O+]): 38.89 масс. %; диоксид углерода, \(\ce{CO2}\) (O=C=O): 61.11 масс. %. - 2.2 50 об. % \(\ce{CO}\) и 50 об. % \(\ce{CO2}\).
- 2.3 Если обозначить \(r=m_{\ce{C}}/m_{\ce{O}}\), оба газа не могут присутствовать одновременно при \[ \boxed{r\leq \frac38\quad\text{или}\quad r\geq\frac34.} \] Равенство соответствует чистому газу; значения за этими пределами невозможны для смеси, содержащей только эти два газа.
Решение
2.1 Состав в массовых процентах
Используя общепринятые значения молярных масс атомов \(M(\ce{C})=12\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\) и \(M(\ce{O})=16\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\), получаем \[ M(\ce{CO})=28\,\mathrm{g\,mol^{-1}},\qquad M(\ce{CO2})=44\,\mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Пусть \(n_1\) и \(n_2\) — количества вещества \(\ce{CO}\) и \(\ce{CO2}\) соответственно. Каждая молекула содержит один атом углерода, а число атомов кислорода в них равно одному и двум соответственно. Поэтому \[ \frac{m_{\ce{C}}}{m_{\ce{O}}} = \frac{(12\,\mathrm{g\,mol^{-1}})(n_1+n_2)} {(16\,\mathrm{g\,mol^{-1}})(n_1+2n_2)} =\frac12. \] Следовательно, \[ 24(n_1+n_2)=16(n_1+2n_2) \quad\Longrightarrow\quad n_1=n_2. \]
Если взять по \(1\,\mathrm{mol}\) каждого газа, их массы составят \(28\,\mathrm{g}\) и \(44\,\mathrm{g}\), а общая масса будет равна \(72\,\mathrm{g}\). Таким образом, \[ w(\ce{CO})=\frac{28\,\mathrm{g}}{72\,\mathrm{g}}\times100\% =\boxed{38.89\%}, \] \[ w(\ce{CO2})=\frac{44\,\mathrm{g}}{72\,\mathrm{g}}\times100\% =\boxed{61.11\%}. \]
2.2 Состав в объёмных процентах
Для идеальных газов при одинаковых температуре и давлении \(V=nRT/P\), поэтому объёмные доли равны мольным долям. Поскольку \(n_1=n_2\), \[ \varphi(\ce{CO})=\frac{n_1}{n_1+n_2}=\frac12, \qquad \varphi(\ce{CO2})=\frac{n_2}{n_1+n_2}=\frac12. \]
Следовательно, состав смеси: \[ \boxed{50\text{ об. \% }\ce{CO} \quad\text{и}\quad 50\text{ об. \% }\ce{CO2}.} \]
2.3 Отношения, исключающие одновременное присутствие
Пусть \(x\) — мольная доля \(\ce{CO2}\). Массовое отношение углерода к кислороду равно \[ r=\frac{12}{16(1-x)+32x} =\frac{3}{4(1+x)}. \]
Оба газа присутствуют только при \(0<x<1\), откуда \[ \boxed{\frac38<r<\frac34.} \]
Граничные значения соответствуют:
- Чистому \(\ce{CO2}\): \(r=12/32=3/8\), или углерод : кислород \(=3:8\).
- Чистому \(\ce{CO}\): \(r=12/16=3/4\), или углерод : кислород \(=3:4\).
Следовательно, одновременное присутствие исключено при \(r\leq3/8\) или \(r\geq3/4\). На каждой из границ один из компонентов отсутствует; вне этого интервала ни чистый газ, ни смесь этих двух газов не могут обеспечить заданное соотношение элементов.
Эквивалентно, если отношение углерод : кислород записать как \(1:a\), для одновременного присутствия необходимо \[ \frac43<a<\frac83, \] а при \(a\leq4/3\) или \(a\geq8/3\) оно исключено.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1983 · مسألة نظرية 2
تركيب مزيج من CO-CO2
حُدِّدت في مزيج غازي من \(\ce{CO}\) و\(\ce{CO2}\) نسبة كتلية مقدارها الكربون : الأكسجين = 1 : 2.
2.1 احسب التركيب بالنسبة المئوية الكتلية.
2.2 احسب التركيب بالنسبة المئوية الحجمية.
2.3 حدِّد قيم نسب الكربون : الأكسجين التي لا يمكن عندها أن يوجد الغازان معًا.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 2.1 أحادي أكسيد الكربون، \(\ce{CO}\) (
[C-]#[O+]): 38.89 % كتليًا؛ ثنائي أكسيد الكربون، \(\ce{CO2}\) (O=C=O): 61.11 % كتليًا. - 2.2 50 % حجميًا من \(\ce{CO}\) و50 % حجميًا من \(\ce{CO2}\).
- 2.3 بتعريف \(r=m_{\ce{C}}/m_{\ce{O}}\)، لا يمكن أن يوجد الغازان معًا عندما \[ \boxed{r\leq \frac38\quad\text{أو}\quad r\geq\frac34.} \] تقابل المساواة غازًا نقيًا؛ أما القيم الواقعة خارج هذين الحدّين فغير ممكنة لمزيج لا يحتوي إلا على هذين الغازين.
الحل
2.1 التركيب بالنسبة المئوية الكتلية
باستخدام الكتلتين الموليتين الذريتين المعتادتين \(M(\ce{C})=12\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\) و\(M(\ce{O})=16\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\)، \[ M(\ce{CO})=28\,\mathrm{g\,mol^{-1}},\qquad M(\ce{CO2})=44\,\mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
لتكن \(n_1\) و\(n_2\) كميتي مادة \(\ce{CO}\) و\(\ce{CO2}\)، على الترتيب. يحتوي كل جزيء على ذرة كربون واحدة، بينما يبلغ عدد ذرات الأكسجين فيهما ذرة واحدة وذرتين، على الترتيب. لذلك، \[ \frac{m_{\ce{C}}}{m_{\ce{O}}} = \frac{(12\,\mathrm{g\,mol^{-1}})(n_1+n_2)} {(16\,\mathrm{g\,mol^{-1}})(n_1+2n_2)} =\frac12. \] وبالتالي، \[ 24(n_1+n_2)=16(n_1+2n_2) \quad\Longrightarrow\quad n_1=n_2. \]
باتخاذ \(1\,\mathrm{mol}\) من كل غاز أساسًا للحساب، تكون كتلتاهما \(28\,\mathrm{g}\) و\(44\,\mathrm{g}\)، فتكون الكتلة الكلية \(72\,\mathrm{g}\). ومن ثم، \[ w(\ce{CO})=\frac{28\,\mathrm{g}}{72\,\mathrm{g}}\times100\% =\boxed{38.89\%}, \] \[ w(\ce{CO2})=\frac{44\,\mathrm{g}}{72\,\mathrm{g}}\times100\% =\boxed{61.11\%}. \]
2.2 التركيب بالنسبة المئوية الحجمية
بالنسبة إلى الغازات المثالية التي تُقارَن عند درجة الحرارة والضغط نفسيهما، فإن \(V=nRT/P\)، ولذلك تساوي الكسور الحجمية الكسور المولية. وبما أن \(n_1=n_2\)، \[ \varphi(\ce{CO})=\frac{n_1}{n_1+n_2}=\frac12, \qquad \varphi(\ce{CO2})=\frac{n_2}{n_1+n_2}=\frac12. \]
وعليه، يكون التركيب \[ \boxed{50\text{ حجميًا \% }\ce{CO} \quad\text{و}\quad 50\text{ حجميًا \% }\ce{CO2}.} \]
2.3 النسب التي تستبعد الوجود المتزامن
ليكن \(x\) الكسر المولي لغاز \(\ce{CO2}\). تكون النسبة الكتلية للكربون إلى الأكسجين \[ r=\frac{12}{16(1-x)+32x} =\frac{3}{4(1+x)}. \]
لا يوجد الغازان معًا إلا إذا كان \(0<x<1\)، مما يعطي \[ \boxed{\frac38<r<\frac34.} \]
تقابل نقطتا النهاية ما يلي:
- \(\ce{CO2}\) النقي: \(r=12/32=3/8\)، أي الكربون : الأكسجين \(=3:8\).
- \(\ce{CO}\) النقي: \(r=12/16=3/4\)، أي الكربون : الأكسجين \(=3:4\).
وعليه، يُستبعَد وجود الغازين معًا عندما يكون \(r\leq3/8\) أو \(r\geq3/4\). عند كلٍّ من نقطتي النهاية يغيب أحد المكوِّنين؛ وخارج هذا المجال لا يمكن حتى لغاز نقي أو لمزيج من هذين الغازين أن يحقق النسبة المحددة بين العنصرين.
وبصورة مكافئة، إذا كُتبت نسبة الكربون : الأكسجين على الصورة \(1:a\)، فإن وجود الغازين معًا يتطلب \[ \frac43<a<\frac83, \] ويُستبعَد عندما يكون \(a\leq4/3\) أو \(a\geq8/3\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.