IChO 1984 · Theory problem 4
Formula of a gaseous hydrocarbon from its combustion
15 cm³ of a gaseous hydrocarbon \(\ce{C_xH_y}\) are mixed with 120 cm³ oxygen and ignited. After the reaction the burned gases are shaken with concentrated aqueous \(\ce{KOH}\) solution. A part of the gases is completely absorbed while 67.5 cm³ gases remain. It has the same temperature and pressure as the original unburned mixture.
4.1 What is the composition of the remaining gas? Explain.
4.2 How large is the change in the amount of substance per mole of a hydrocarbon \(\ce{C_xH_y}\) when this is burned completely?
4.3 What is the chemical formula of the hydrocarbon used for the experiment?
Give the steps of the calculation.
Official English text of the problem.
Answers
- 4.1: The remaining gas is oxygen, \(\ce{O2}\), SMILES
O=O, with volume \(67.5\ \mathrm{cm^3}\), neglecting residual water vapour. - 4.2: Counting all combustion products, the change is \(\left(\frac y4-1\right)\ \mathrm{mol}\) per mole of hydrocarbon. After removal of water and carbon dioxide, the measured gas amount decreases by \(\left(1+x+\frac y4\right)\ \mathrm{mol}\) per mole of hydrocarbon.
- 4.3: The intended hydrocarbon is ethane, \(\ce{C2H6}\), SMILES
CC, under the usual assumption of an ordinary stable gaseous hydrocarbon.
Solution
4.1
Complete combustion produces carbon dioxide, \(\ce{CO2}\), SMILES O=C=O, and water, \(\ce{H2O}\), SMILES O:
\[ \ce{C_xH_y + (x + y/4) O2 -> x CO2 + (y/2) H2O}. \]
Water is treated as removed from the measured gas by cooling and contact with the concentrated aqueous solution. Carbon dioxide is absorbed by potassium hydroxide, \(\ce{KOH}\), SMILES [K+].[OH-]:
\[ \ce{CO2 + 2KOH -> K2CO3 + H2O}. \]
The salt formed is potassium carbonate, \(\ce{K2CO3}\), represented by the ionic SMILES [K+].[K+].[O-]C(=O)[O-].
Under this complete-combustion model, the remaining gas must therefore be excess oxygen or unreacted hydrocarbon. If oxygen had been exhausted, the volume of unreacted hydrocarbon could not exceed its initial volume, \(15\ \mathrm{cm^3}\), at the same temperature and pressure. Since
\[ 67.5\ \mathrm{cm^3}>15\ \mathrm{cm^3}, \]
oxygen was in excess. The hydrocarbon burned completely, leaving oxygen after the products were removed.
4.2
For one mole of hydrocarbon, the balanced combustion equation gives
\[ n_{\mathrm{reactants}} =\left(1+x+\frac y4\right)\mathrm{mol}, \]
and, counting both carbon dioxide and water,
\[ n_{\mathrm{products}} =\left(x+\frac y2\right)\mathrm{mol}. \]
Hence the change, defined as products minus reactants, is
\[ \boxed{\Delta n_{\mathrm{total}} =\left(\frac y4-1\right)\mathrm{mol} \quad\text{per mole of hydrocarbon}.} \]
For interpreting the gas-volume experiment, the stages must be distinguished:
| Stage | Change in gas amount per mole of hydrocarbon |
|---|---|
| Combustion, with all water remaining gaseous | \(\left(\frac y4-1\right)\ \mathrm{mol}\) |
| After removal of water, before carbon dioxide absorption | \(-\left(1+\frac y4\right)\ \mathrm{mol}\) |
| After removal of both water and carbon dioxide | \(-\left(1+x+\frac y4\right)\ \mathrm{mol}\) |
The last expression applies to the measured initial and final gas volumes.
4.3
At equal temperature and pressure, gas volumes are proportional to amounts of substance. The oxygen consumed is
\[ V_{\ce{O2},\,\mathrm{consumed}} =120-67.5 =52.5\ \mathrm{cm^3}. \]
Thus each mole of hydrocarbon consumes
\[ \frac{n_{\ce{O2},\,\mathrm{consumed}}}{n_{\mathrm{hydrocarbon}}} =\frac{52.5\ \mathrm{cm^3}}{15\ \mathrm{cm^3}} =3.5 \]
moles of oxygen. From the combustion equation,
\[ x+\frac y4=3.5, \]
so
\[ \boxed{4x+y=14}. \]
Equivalently, using the gas contraction after product removal,
\[ 1+x+\frac y4 =\frac{(15+120)-67.5}{15} =4.5. \]
For an ordinary neutral hydrocarbon, \(x,y\) are positive integers and the maximum hydrogen count is \(y=2x+2\). Combining this bound with \(y=14-4x\) gives
\[ 14-4x\le 2x+2 \quad\Longrightarrow\quad x\ge2, \]
while \(y>0\) requires \(x\le3\). The formal possibilities are therefore
\[ (x,y)=(2,6)\quad\text{or}\quad(3,2). \]
Of these, \(\ce{C2H6}\) is the ordinary stable gaseous hydrocarbon: ethane, SMILES CC. The formal alternative \(\ce{C3H2}\) requires unusual reactive or highly strained species, outside the intended scope of this elementary analysis.
Ethane burns according to
\[ \boxed{\ce{2C2H6 + 7O2 -> 4CO2 + 6H2O}}. \]
The volume check is
\[ V_{\ce{O2},\,\mathrm{consumed}} =\frac72(15\ \mathrm{cm^3}) =52.5\ \mathrm{cm^3}, \]
\[ V_{\ce{O2},\,\mathrm{remaining}} =120-52.5 =\boxed{67.5\ \mathrm{cm^3}}, \]
exactly reproducing the measurement.
The solution was checked against the official solution.
IChO 1984 · Theorieaufgabe 4
Bestimmung der Formel eines gasförmigen Kohlenwasserstoffs durch seine Verbrennung
15 cm³ eines gasförmigen Kohlenwasserstoffs \(\ce{C_xH_y}\) werden mit 120 cm³ Sauerstoff gemischt und entzündet. Nach der Reaktion werden die Verbrennungsgase mit konzentrierter wässriger \(\ce{KOH}\)-Lösung geschüttelt. Ein Teil der Gase wird vollständig absorbiert, während 67.5 cm³ Gas zurückbleiben. Das verbleibende Gas hat dieselbe Temperatur und denselben Druck wie das ursprüngliche unverbrannte Gemisch.
4.1 Welche Zusammensetzung hat das verbleibende Gas? Begründen Sie Ihre Antwort.
4.2 Wie groß ist die Stoffmengenänderung pro Mol eines Kohlenwasserstoffs \(\ce{C_xH_y}\), wenn dieser vollständig verbrannt wird?
4.3 Welche chemische Formel hat der für den Versuch verwendete Kohlenwasserstoff?
Geben Sie die einzelnen Rechenschritte an.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 4.1: Das verbleibende Gas ist Sauerstoff, \(\ce{O2}\), SMILES
O=O, mit einem Volumen von \(67.5\ \mathrm{cm^3}\), wenn verbleibender Wasserdampf vernachlässigt wird. - 4.2: Unter Berücksichtigung aller Verbrennungsprodukte beträgt die Änderung \(\left(\frac y4-1\right)\ \mathrm{mol}\) pro Mol Kohlenwasserstoff. Nach der Entfernung von Wasser und Kohlenstoffdioxid nimmt die gemessene Gasstoffmenge um \(\left(1+x+\frac y4\right)\ \mathrm{mol}\) pro Mol Kohlenwasserstoff ab.
- 4.3: Der gesuchte Kohlenwasserstoff ist Ethan, \(\ce{C2H6}\), SMILES
CC, unter der üblichen Annahme, dass es sich um einen gewöhnlichen stabilen gasförmigen Kohlenwasserstoff handelt.
Lösung
4.1
Bei vollständiger Verbrennung entstehen Kohlenstoffdioxid, \(\ce{CO2}\), SMILES O=C=O, und Wasser, \(\ce{H2O}\), SMILES O:
\[ \ce{C_xH_y + (x + y/4) O2 -> x CO2 + (y/2) H2O}. \]
Es wird angenommen, dass das Wasser durch Abkühlen und Kontakt mit der konzentrierten wässrigen Lösung aus dem gemessenen Gas entfernt wird. Kohlenstoffdioxid wird von Kaliumhydroxid, \(\ce{KOH}\), SMILES [K+].[OH-], absorbiert:
\[ \ce{CO2 + 2KOH -> K2CO3 + H2O}. \]
Das gebildete Salz ist Kaliumcarbonat, \(\ce{K2CO3}\), dargestellt durch den ionischen SMILES-Code [K+].[K+].[O-]C(=O)[O-].
Im Rahmen dieses Modells einer vollständigen Verbrennung muss das verbleibende Gas daher überschüssiger Sauerstoff oder nicht umgesetzter Kohlenwasserstoff sein. Wäre der Sauerstoff vollständig verbraucht worden, könnte das Volumen des nicht umgesetzten Kohlenwasserstoffs bei gleicher Temperatur und gleichem Druck sein Anfangsvolumen von \(15\ \mathrm{cm^3}\) nicht überschreiten. Da
\[ 67.5\ \mathrm{cm^3}>15\ \mathrm{cm^3}, \]
lag Sauerstoff im Überschuss vor. Der Kohlenwasserstoff verbrannte vollständig, sodass nach der Entfernung der Produkte Sauerstoff zurückblieb.
4.2
Für ein Mol Kohlenwasserstoff ergibt sich aus der ausgeglichenen Verbrennungsgleichung
\[ n_{\mathrm{reactants}} =\left(1+x+\frac y4\right)\mathrm{mol}, \]
und unter Berücksichtigung sowohl von Kohlenstoffdioxid als auch von Wasser
\[ n_{\mathrm{products}} =\left(x+\frac y2\right)\mathrm{mol}. \]
Damit beträgt die Änderung, definiert als Stoffmenge der Produkte minus Stoffmenge der Edukte,
\[ \boxed{\Delta n_{\mathrm{total}} =\left(\frac y4-1\right)\mathrm{mol} \quad\text{pro Mol Kohlenwasserstoff}.} \]
Zur Auswertung des Gasvolumenversuchs müssen die einzelnen Stadien unterschieden werden:
| Stadium | Änderung der Gasstoffmenge pro Mol Kohlenwasserstoff |
|---|---|
| Verbrennung, wobei das gesamte Wasser gasförmig bleibt | \(\left(\frac y4-1\right)\ \mathrm{mol}\) |
| Nach der Entfernung von Wasser, vor der Absorption von Kohlenstoffdioxid | \(-\left(1+\frac y4\right)\ \mathrm{mol}\) |
| Nach der Entfernung sowohl von Wasser als auch von Kohlenstoffdioxid | \(-\left(1+x+\frac y4\right)\ \mathrm{mol}\) |
Der letzte Ausdruck gilt für die gemessenen Gasvolumina zu Beginn und am Ende.
4.3
Bei gleicher Temperatur und gleichem Druck sind Gasvolumina proportional zu den Stoffmengen. Das Volumen des verbrauchten Sauerstoffs beträgt
\[ V_{\ce{O2},\,\mathrm{consumed}} =120-67.5 =52.5\ \mathrm{cm^3}. \]
Somit verbraucht jedes Mol Kohlenwasserstoff
\[ \frac{n_{\ce{O2},\,\mathrm{consumed}}}{n_{\mathrm{hydrocarbon}}} =\frac{52.5\ \mathrm{cm^3}}{15\ \mathrm{cm^3}} =3.5 \]
Mol Sauerstoff. Aus der Verbrennungsgleichung folgt
\[ x+\frac y4=3.5, \]
also
\[ \boxed{4x+y=14}. \]
Gleichwertig ergibt sich unter Verwendung der Gasvolumenabnahme nach der Entfernung der Produkte
\[ 1+x+\frac y4 =\frac{(15+120)-67.5}{15} =4.5. \]
Für einen gewöhnlichen neutralen Kohlenwasserstoff sind \(x,y\) positive ganze Zahlen, und die maximale Anzahl an Wasserstoffatomen beträgt \(y=2x+2\). Kombiniert man diese Schranke mit \(y=14-4x\), erhält man
\[ 14-4x\le 2x+2 \quad\Longrightarrow\quad x\ge2, \]
während \(y>0\) die Bedingung \(x\le3\) erfordert. Die formalen Möglichkeiten sind daher
\[ (x,y)=(2,6)\quad\text{oder}\quad(3,2). \]
Von diesen ist \(\ce{C2H6}\) der gewöhnliche stabile gasförmige Kohlenwasserstoff: Ethan, SMILES CC. Die formale Alternative \(\ce{C3H2}\) erfordert ungewöhnliche reaktive Spezies oder Spezies mit hoher Ringspannung, die außerhalb des vorgesehenen Rahmens dieser elementaren Analyse liegen.
Ethan verbrennt gemäß
\[ \boxed{\ce{2C2H6 + 7O2 -> 4CO2 + 6H2O}}. \]
Die Überprüfung anhand der Volumina ergibt
\[ V_{\ce{O2},\,\mathrm{consumed}} =\frac72(15\ \mathrm{cm^3}) =52.5\ \mathrm{cm^3}, \]
\[ V_{\ce{O2},\,\mathrm{remaining}} =120-52.5 =\boxed{67.5\ \mathrm{cm^3}}, \]
womit der Messwert exakt wiedergegeben wird.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1984 · Teori sorusu 4
Gaz hâlindeki bir hidrokarbonun yanmasından formülünün belirlenmesi
Gaz hâlindeki bir hidrokarbonun \(\ce{C_xH_y}\) 15 cm³'ü, 120 cm³ oksijenle karıştırılır ve tutuşturulur. Tepkimeden sonra yanma sonucu oluşan gaz karışımı, derişik sulu \(\ce{KOH}\) çözeltisiyle çalkalanır. Gazların bir kısmı tamamen soğurulurken geriye 67.5 cm³ gaz kalır. Kalan gazın sıcaklığı ve basıncı, başlangıçtaki yanmamış karışımın sıcaklığı ve basıncıyla aynıdır.
4.1 Kalan gazın bileşimi nedir? Açıklayınız.
4.2 Bir hidrokarbon \(\ce{C_xH_y}\) tamamen yakıldığında, hidrokarbonun molü başına madde miktarındaki değişim ne kadardır?
4.3 Deneyde kullanılan hidrokarbonun kimyasal formülü nedir?
Hesaplamanın adımlarını gösteriniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 4.1: Kalan su buharı ihmal edildiğinde, geriye kalan gaz, hacmi \(67.5\ \mathrm{cm^3}\) olan oksijendir, \(\ce{O2}\), SMILES
O=O. - 4.2: Tüm yanma ürünleri hesaba katıldığında değişim, hidrokarbonun molü başına \(\left(\frac y4-1\right)\ \mathrm{mol}\) olur. Su ve karbon dioksit uzaklaştırıldıktan sonra, ölçülen gaz miktarı hidrokarbonun molü başına \(\left(1+x+\frac y4\right)\ \mathrm{mol}\) azalır.
- 4.3: Olağan, kararlı ve gaz hâlindeki bir hidrokarbon olduğu yönündeki alışılmış varsayım altında, kastedilen hidrokarbon etan, \(\ce{C2H6}\), SMILES
CC, olur.
Çözüm
4.1
Tam yanma sonucunda karbon dioksit, \(\ce{CO2}\), SMILES O=C=O, ve su, \(\ce{H2O}\), SMILES O, oluşur:
\[ \ce{C_xH_y + (x + y/4) O2 -> x CO2 + (y/2) H2O}. \]
Suyun, soğutma ve derişik sulu çözeltiyle temas yoluyla ölçülen gazdan uzaklaştırıldığı kabul edilir. Karbon dioksit, potasyum hidroksit, \(\ce{KOH}\), SMILES [K+].[OH-], tarafından soğurulur:
\[ \ce{CO2 + 2KOH -> K2CO3 + H2O}. \]
Oluşan tuz, iyonik SMILES gösterimi [K+].[K+].[O-]C(=O)[O-] olan potasyum karbonattır, \(\ce{K2CO3}\).
Bu tam yanma modeline göre, kalan gazın ya artan oksijen ya da tepkimeye girmemiş hidrokarbon olması gerekir. Oksijen tükenmiş olsaydı, tepkimeye girmemiş hidrokarbonun hacmi, aynı sıcaklık ve basınçta başlangıç hacmi olan \(15\ \mathrm{cm^3}\) değerini aşamazdı.
\[ 67.5\ \mathrm{cm^3}>15\ \mathrm{cm^3}, \]
olduğundan oksijen fazlalıktadır. Hidrokarbon tamamen yanmış ve ürünler uzaklaştırıldıktan sonra geriye oksijen kalmıştır.
4.2
Bir mol hidrokarbon için, denkleştirilmiş yanma denkleminden
\[ n_{\mathrm{reactants}} =\left(1+x+\frac y4\right)\mathrm{mol}, \]
ve hem karbon dioksit hem de su hesaba katıldığında,
\[ n_{\mathrm{products}} =\left(x+\frac y2\right)\mathrm{mol}. \]
elde edilir. Dolayısıyla, ürünlerin madde miktarından girenlerin madde miktarının çıkarılmasıyla tanımlanan değişim şöyledir:
\[ \boxed{\Delta n_{\mathrm{total}} =\left(\frac y4-1\right)\mathrm{mol} \quad\text{hidrokarbonun molü başına}.} \]
Gaz hacmi deneyini yorumlamak için aşamalar birbirinden ayrılmalıdır:
| Aşama | Hidrokarbonun molü başına gaz miktarındaki değişim |
|---|---|
| Suyun tamamının gaz hâlinde kaldığı yanma | \(\left(\frac y4-1\right)\ \mathrm{mol}\) |
| Su uzaklaştırıldıktan sonra, karbon dioksit soğurulmadan önce | \(-\left(1+\frac y4\right)\ \mathrm{mol}\) |
| Hem su hem de karbon dioksit uzaklaştırıldıktan sonra | \(-\left(1+x+\frac y4\right)\ \mathrm{mol}\) |
Son ifade, ölçülen başlangıç ve son gaz hacimleri için geçerlidir.
4.3
Aynı sıcaklık ve basınçta gaz hacimleri madde miktarlarıyla orantılıdır. Tüketilen oksijenin hacmi şöyledir:
\[ V_{\ce{O2},\,\mathrm{consumed}} =120-67.5 =52.5\ \mathrm{cm^3}. \]
Buna göre, hidrokarbonun her bir molü
\[ \frac{n_{\ce{O2},\,\mathrm{consumed}}}{n_{\mathrm{hydrocarbon}}} =\frac{52.5\ \mathrm{cm^3}}{15\ \mathrm{cm^3}} =3.5 \]
mol oksijen tüketir. Yanma denkleminden,
\[ x+\frac y4=3.5, \]
dolayısıyla
\[ \boxed{4x+y=14}. \]
elde edilir. Eşdeğer olarak, ürünlerin uzaklaştırılmasından sonraki gaz hacmi azalması kullanılırsa,
\[ 1+x+\frac y4 =\frac{(15+120)-67.5}{15} =4.5. \]
Olağan, nötr bir hidrokarbon için \(x,y\) pozitif tam sayılardır ve hidrojen atomlarının sayısı en fazla \(y=2x+2\) olabilir. Bu sınır \(y=14-4x\) ile birleştirildiğinde
\[ 14-4x\le 2x+2 \quad\Longrightarrow\quad x\ge2, \]
elde edilirken, \(y>0\) koşulu \(x\le3\) olmasını gerektirir. Dolayısıyla biçimsel olasılıklar şunlardır:
\[ (x,y)=(2,6)\quad\text{veya}\quad(3,2). \]
Bunlar arasında \(\ce{C2H6}\), olağan, kararlı ve gaz hâlindeki hidrokarbondur: etan, SMILES CC. Biçimsel alternatif olan \(\ce{C3H2}\), bu temel analizin amaçlanan kapsamı dışında kalan, alışılmadık derecede reaktif veya yüksek gerilimli türler gerektirir.
Etan aşağıdaki denkleme göre yanar:
\[ \boxed{\ce{2C2H6 + 7O2 -> 4CO2 + 6H2O}}. \]
Hacim kontrolü şöyledir:
\[ V_{\ce{O2},\,\mathrm{consumed}} =\frac72(15\ \mathrm{cm^3}) =52.5\ \mathrm{cm^3}, \]
\[ V_{\ce{O2},\,\mathrm{remaining}} =120-52.5 =\boxed{67.5\ \mathrm{cm^3}}, \]
bu da ölçüm sonucunu tam olarak verir.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1984 · Problema teórico 4
Fórmula de un hidrocarburo gaseoso a partir de su combustión
Se mezclan 15 cm³ de un hidrocarburo gaseoso \(\ce{C_xH_y}\) con 120 cm³ de oxígeno y se inflama la mezcla. Después de la reacción, los gases resultantes de la combustión se agitan con una disolución acuosa concentrada de \(\ce{KOH}\). Una parte de los gases se absorbe por completo, mientras que quedan 67.5 cm³ de gas. Este se encuentra a la misma temperatura y presión que la mezcla original antes de la combustión.
4.1 ¿Cuál es la composición del gas restante? Explique.
4.2 ¿Cuál es la variación de la cantidad de sustancia por mol de un hidrocarburo \(\ce{C_xH_y}\) cuando este se quema por completo?
4.3 ¿Cuál es la fórmula química del hidrocarburo utilizado en el experimento?
Indique los pasos del cálculo.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 4.1: El gas restante es oxígeno, \(\ce{O2}\), SMILES
O=O, con un volumen de \(67.5\ \mathrm{cm^3}\), despreciando el vapor de agua residual. - 4.2: Contabilizando todos los productos de la combustión, la variación es de \(\left(\frac y4-1\right)\ \mathrm{mol}\) por mol de hidrocarburo. Tras eliminar el agua y el dióxido de carbono, la cantidad de gas medida disminuye en \(\left(1+x+\frac y4\right)\ \mathrm{mol}\) por mol de hidrocarburo.
- 4.3: El hidrocarburo que se pretende identificar es el etano, \(\ce{C2H6}\), SMILES
CC, bajo el supuesto habitual de que se trata de un hidrocarburo gaseoso estable común.
Solución
4.1
La combustión completa produce dióxido de carbono, \(\ce{CO2}\), SMILES O=C=O, y agua, \(\ce{H2O}\), SMILES O:
\[ \ce{C_xH_y + (x + y/4) O2 -> x CO2 + (y/2) H2O}. \]
Se considera que el agua se elimina del gas medido mediante el enfriamiento y el contacto con la disolución acuosa concentrada. El dióxido de carbono es absorbido por el hidróxido de potasio, \(\ce{KOH}\), SMILES [K+].[OH-]:
\[ \ce{CO2 + 2KOH -> K2CO3 + H2O}. \]
La sal formada es carbonato de potasio, \(\ce{K2CO3}\), representado por el SMILES iónico [K+].[K+].[O-]C(=O)[O-].
Según este modelo de combustión completa, el gas restante debe ser, por tanto, oxígeno en exceso o hidrocarburo sin reaccionar. Si el oxígeno se hubiera agotado, el volumen de hidrocarburo sin reaccionar no podría superar su volumen inicial, \(15\ \mathrm{cm^3}\), a la misma temperatura y presión. Puesto que
\[ 67.5\ \mathrm{cm^3}>15\ \mathrm{cm^3}, \]
el oxígeno estaba en exceso. El hidrocarburo se quemó por completo, dejando oxígeno tras la eliminación de los productos.
4.2
Para un mol de hidrocarburo, la ecuación ajustada de combustión da
\[ n_{\mathrm{reactants}} =\left(1+x+\frac y4\right)\mathrm{mol}, \]
y, contabilizando tanto el dióxido de carbono como el agua,
\[ n_{\mathrm{products}} =\left(x+\frac y2\right)\mathrm{mol}. \]
Por tanto, la variación, definida como productos menos reactivos, es
\[ \boxed{\Delta n_{\mathrm{total}} =\left(\frac y4-1\right)\mathrm{mol} \quad\text{por mol de hidrocarburo}.} \]
Para interpretar el experimento de los volúmenes gaseosos, deben distinguirse las etapas:
| Etapa | Variación de la cantidad de gas por mol de hidrocarburo |
|---|---|
| Combustión, con toda el agua en estado gaseoso | \(\left(\frac y4-1\right)\ \mathrm{mol}\) |
| Tras eliminar el agua, antes de la absorción del dióxido de carbono | \(-\left(1+\frac y4\right)\ \mathrm{mol}\) |
| Tras eliminar tanto el agua como el dióxido de carbono | \(-\left(1+x+\frac y4\right)\ \mathrm{mol}\) |
La última expresión se aplica a los volúmenes de gas inicial y final medidos.
4.3
A igual temperatura y presión, los volúmenes gaseosos son proporcionales a las cantidades de sustancia. El oxígeno consumido es
\[ V_{\ce{O2},\,\mathrm{consumed}} =120-67.5 =52.5\ \mathrm{cm^3}. \]
Así, cada mol de hidrocarburo consume
\[ \frac{n_{\ce{O2},\,\mathrm{consumed}}}{n_{\mathrm{hydrocarbon}}} =\frac{52.5\ \mathrm{cm^3}}{15\ \mathrm{cm^3}} =3.5 \]
moles de oxígeno. A partir de la ecuación de combustión,
\[ x+\frac y4=3.5, \]
por lo que
\[ \boxed{4x+y=14}. \]
De forma equivalente, utilizando la contracción del gas tras eliminar los productos,
\[ 1+x+\frac y4 =\frac{(15+120)-67.5}{15} =4.5. \]
Para un hidrocarburo neutro común, \(x,y\) son enteros positivos y el número máximo de átomos de hidrógeno es \(y=2x+2\). Combinando este límite con \(y=14-4x\) se obtiene
\[ 14-4x\le 2x+2 \quad\Longrightarrow\quad x\ge2, \]
mientras que \(y>0\) exige \(x\le3\). Por tanto, las posibilidades formales son
\[ (x,y)=(2,6)\quad\text{o}\quad(3,2). \]
De estas, \(\ce{C2H6}\) es el hidrocarburo gaseoso estable común: etano, SMILES CC. La alternativa formal \(\ce{C3H2}\) requiere especies inusuales reactivas o con una elevada tensión estructural, fuera del alcance previsto de este análisis elemental.
El etano se quema según
\[ \boxed{\ce{2C2H6 + 7O2 -> 4CO2 + 6H2O}}. \]
La comprobación de los volúmenes es
\[ V_{\ce{O2},\,\mathrm{consumed}} =\frac72(15\ \mathrm{cm^3}) =52.5\ \mathrm{cm^3}, \]
\[ V_{\ce{O2},\,\mathrm{remaining}} =120-52.5 =\boxed{67.5\ \mathrm{cm^3}}, \]
lo que reproduce exactamente la medición.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1984 · 理论题 4
根据燃烧反应确定气态烃的化学式
将 15 cm³ 气态烃 \(\ce{C_xH_y}\) 与 120 cm³ 氧气混合并点燃。反应结束后,将燃烧后的气体与浓 \(\ce{KOH}\) 水溶液一起振荡。一部分气体被完全吸收,剩余气体的体积为 67.5 cm³。剩余气体的温度和压力与原来未燃烧的混合气体相同。
4.1 剩余气体的组成是什么?请说明理由。
4.2 每摩尔烃 \(\ce{C_xH_y}\) 完全燃烧时,物质的量的变化是多少?
4.3 实验中所用烃的化学式是什么?
给出计算步骤。
题目译自官方英文原文。
答案
- 4.1: 忽略残余水蒸气,剩余气体为氧气,\(\ce{O2}\),SMILES 为
O=O,体积为 \(67.5\ \mathrm{cm^3}\)。 - 4.2: 计入所有燃烧产物时,每摩尔烃对应的物质的量变化为 \(\left(\frac y4-1\right)\ \mathrm{mol}\)。除去水和二氧化碳后,每摩尔烃对应的实测气体物质的量减少 \(\left(1+x+\frac y4\right)\ \mathrm{mol}\)。
- 4.3: 在通常假定所用物质为普通稳定气态烃的条件下,题目所指的烃是乙烷,\(\ce{C2H6}\),SMILES 为
CC。
解答
4.1
完全燃烧生成二氧化碳(\(\ce{CO2}\),SMILES 为 O=C=O)和水(\(\ce{H2O}\),SMILES 为 O):
\[ \ce{C_xH_y + (x + y/4) O2 -> x CO2 + (y/2) H2O}. \]
认为水在冷却并与浓水溶液接触后已从待测气体中除去。二氧化碳被氢氧化钾(\(\ce{KOH}\),SMILES 为 [K+].[OH-])吸收:
\[ \ce{CO2 + 2KOH -> K2CO3 + H2O}. \]
生成的盐为碳酸钾,\(\ce{K2CO3}\),其离子形式的 SMILES 表示为 [K+].[K+].[O-]C(=O)[O-]。
因此,在这一完全燃烧模型下,剩余气体必定是过量的氧气或未反应的烃。如果氧气已耗尽,则在相同温度和压力下,未反应的烃的体积不可能超过其初始体积 \(15\ \mathrm{cm^3}\)。由于
\[ 67.5\ \mathrm{cm^3}>15\ \mathrm{cm^3}, \]
所以氧气是过量的。烃完全燃烧,除去产物后剩下的是氧气。
4.2
对于一摩尔烃,由配平的燃烧方程式可得
\[ n_{\mathrm{reactants}} =\left(1+x+\frac y4\right)\mathrm{mol}, \]
同时计入二氧化碳和水时,
\[ n_{\mathrm{products}} =\left(x+\frac y2\right)\mathrm{mol}. \]
因此,将变化量定义为产物的物质的量减去反应物的物质的量,则有
\[ \boxed{\Delta n_{\mathrm{total}} =\left(\frac y4-1\right)\mathrm{mol} \quad\text{每摩尔烃对应的变化量}.} \]
在解释气体体积实验时,必须区分以下各阶段:
| 阶段 | 每摩尔烃对应的气体物质的量变化 |
|---|---|
| 燃烧,所有水均保持气态 | \(\left(\frac y4-1\right)\ \mathrm{mol}\) |
| 除去水后、吸收二氧化碳前 | \(-\left(1+\frac y4\right)\ \mathrm{mol}\) |
| 水和二氧化碳均除去后 | \(-\left(1+x+\frac y4\right)\ \mathrm{mol}\) |
最后一个表达式适用于实测的初始和最终气体体积。
4.3
在相同温度和压力下,气体体积与物质的量成正比。消耗的氧气体积为
\[ V_{\ce{O2},\,\mathrm{consumed}} =120-67.5 =52.5\ \mathrm{cm^3}. \]
因此,每摩尔烃消耗氧气
\[ \frac{n_{\ce{O2},\,\mathrm{consumed}}}{n_{\mathrm{hydrocarbon}}} =\frac{52.5\ \mathrm{cm^3}}{15\ \mathrm{cm^3}} =3.5 \]
摩尔。由燃烧方程式可得,
\[ x+\frac y4=3.5, \]
所以
\[ \boxed{4x+y=14}. \]
等价地,利用除去产物后的气体体积收缩量,可得
\[ 1+x+\frac y4 =\frac{(15+120)-67.5}{15} =4.5. \]
对于普通的中性烃,\(x,y\) 均为正整数,且氢原子数的最大值为 \(y=2x+2\)。将此上限与 \(y=14-4x\) 结合,得到
\[ 14-4x\le 2x+2 \quad\Longrightarrow\quad x\ge2, \]
而 \(y>0\) 要求 \(x\le3\)。因此,形式上可能的解为
\[ (x,y)=(2,6)\quad\text{或}\quad(3,2). \]
其中,\(\ce{C2H6}\) 是普通的稳定气态烃,即乙烷,SMILES 为 CC。形式上的另一种可能 \(\ce{C3H2}\) 则要求存在不常见的活泼物种或具有高度张力的物种,超出了本题初等分析所设定的范围。
乙烷按下式燃烧:
\[ \boxed{\ce{2C2H6 + 7O2 -> 4CO2 + 6H2O}}. \]
体积检验如下:
\[ V_{\ce{O2},\,\mathrm{consumed}} =\frac72(15\ \mathrm{cm^3}) =52.5\ \mathrm{cm^3}, \]
\[ V_{\ce{O2},\,\mathrm{remaining}} =120-52.5 =\boxed{67.5\ \mathrm{cm^3}}, \]
与测量结果完全一致。
解答已与官方解答核对。
IChO 1984 · Теоретическая задача 4
Определение формулы газообразного углеводорода по его сгоранию
15 cm³ газообразного углеводорода \(\ce{C_xH_y}\) смешивают со 120 cm³ кислорода и поджигают. После реакции газовую смесь встряхивают с концентрированным водным раствором \(\ce{KOH}\). Часть газов полностью поглощается, при этом остаётся 67.5 cm³ газа. Его температура и давление такие же, как у исходной смеси до сгорания.
4.1 Каков состав оставшегося газа? Объясните.
4.2 Чему равно изменение количества вещества в расчёте на один моль углеводорода \(\ce{C_xH_y}\) при его полном сгорании?
4.3 Какова химическая формула углеводорода, использованного в опыте?
Приведите этапы расчёта.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 4.1: Оставшийся газ — кислород, \(\ce{O2}\), SMILES
O=O, объёмом \(67.5\ \mathrm{cm^3}\), если пренебречь остаточным водяным паром. - 4.2: При учёте всех продуктов сгорания изменение составляет \(\left(\frac y4-1\right)\ \mathrm{mol}\) на один моль углеводорода. После удаления воды и диоксида углерода измеряемое количество газа уменьшается на \(\left(1+x+\frac y4\right)\ \mathrm{mol}\) на один моль углеводорода.
- 4.3: Искомый углеводород — этан, \(\ce{C2H6}\), SMILES
CC, при обычном предположении, что речь идёт об обычном устойчивом газообразном углеводороде.
Решение
4.1
При полном сгорании образуются диоксид углерода, \(\ce{CO2}\), SMILES O=C=O, и вода, \(\ce{H2O}\), SMILES O:
\[ \ce{C_xH_y + (x + y/4) O2 -> x CO2 + (y/2) H2O}. \]
Считается, что вода удаляется из измеряемой газовой смеси при охлаждении и контакте с концентрированным водным раствором. Диоксид углерода поглощается гидроксидом калия, \(\ce{KOH}\), SMILES [K+].[OH-]:
\[ \ce{CO2 + 2KOH -> K2CO3 + H2O}. \]
Образующаяся соль — карбонат калия, \(\ce{K2CO3}\), представленный ионной записью SMILES [K+].[K+].[O-]C(=O)[O-].
Таким образом, в рамках этой модели полного сгорания оставшийся газ должен представлять собой либо избыток кислорода, либо непрореагировавший углеводород. Если бы кислород был полностью израсходован, объём непрореагировавшего углеводорода не мог бы превышать его исходный объём, \(15\ \mathrm{cm^3}\), при тех же температуре и давлении. Поскольку
\[ 67.5\ \mathrm{cm^3}>15\ \mathrm{cm^3}, \]
кислород был взят в избытке. Углеводород сгорел полностью, и после удаления продуктов остался кислород.
4.2
Для одного моля углеводорода из уравнения реакции горения с расставленными коэффициентами следует
\[ n_{\mathrm{reactants}} =\left(1+x+\frac y4\right)\mathrm{mol}, \]
а при учёте как диоксида углерода, так и воды,
\[ n_{\mathrm{products}} =\left(x+\frac y2\right)\mathrm{mol}. \]
Следовательно, изменение, определяемое как разность количеств вещества продуктов и реагентов, равно
\[ \boxed{\Delta n_{\mathrm{total}} =\left(\frac y4-1\right)\mathrm{mol} \quad\text{на один моль углеводорода}.} \]
При интерпретации опыта с измерением объёмов газов необходимо различать следующие стадии:
| Стадия | Изменение количества газа на один моль углеводорода |
|---|---|
| Сгорание, при котором вся вода остаётся в газообразном состоянии | \(\left(\frac y4-1\right)\ \mathrm{mol}\) |
| После удаления воды, до поглощения диоксида углерода | \(-\left(1+\frac y4\right)\ \mathrm{mol}\) |
| После удаления и воды, и диоксида углерода | \(-\left(1+x+\frac y4\right)\ \mathrm{mol}\) |
Последнее выражение относится к измеренным начальному и конечному объёмам газа.
4.3
При одинаковых температуре и давлении объёмы газов пропорциональны количествам вещества. Объём израсходованного кислорода равен
\[ V_{\ce{O2},\,\mathrm{consumed}} =120-67.5 =52.5\ \mathrm{cm^3}. \]
Таким образом, на каждый моль углеводорода расходуется
\[ \frac{n_{\ce{O2},\,\mathrm{consumed}}}{n_{\mathrm{hydrocarbon}}} =\frac{52.5\ \mathrm{cm^3}}{15\ \mathrm{cm^3}} =3.5 \]
моля кислорода. Из уравнения реакции горения следует
\[ x+\frac y4=3.5, \]
откуда
\[ \boxed{4x+y=14}. \]
Тот же результат можно получить, используя уменьшение объёма газа после удаления продуктов:
\[ 1+x+\frac y4 =\frac{(15+120)-67.5}{15} =4.5. \]
Для обычного нейтрального углеводорода \(x,y\) — положительные целые числа, а максимальное число атомов водорода равно \(y=2x+2\). Совмещая это ограничение с \(y=14-4x\), получаем
\[ 14-4x\le 2x+2 \quad\Longrightarrow\quad x\ge2, \]
тогда как условие \(y>0\) требует \(x\le3\). Следовательно, формально возможны следующие варианты:
\[ (x,y)=(2,6)\quad\text{или}\quad(3,2). \]
Из них \(\ce{C2H6}\) является обычным устойчивым газообразным углеводородом: это этан, SMILES CC. Формальный альтернативный вариант \(\ce{C3H2}\) предполагает необычные реакционноспособные частицы или структуры с высоким напряжением, выходящие за предполагаемые рамки этого элементарного анализа.
Этан сгорает согласно уравнению
\[ \boxed{\ce{2C2H6 + 7O2 -> 4CO2 + 6H2O}}. \]
Проверка объёмов даёт
\[ V_{\ce{O2},\,\mathrm{consumed}} =\frac72(15\ \mathrm{cm^3}) =52.5\ \mathrm{cm^3}, \]
\[ V_{\ce{O2},\,\mathrm{remaining}} =120-52.5 =\boxed{67.5\ \mathrm{cm^3}}, \]
что в точности воспроизводит результат измерения.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1984 · مسألة نظرية 4
تعيين صيغة هيدروكربون غازي من احتراقه
تُمزج 15 cm³ من هيدروكربون غازي \(\ce{C_xH_y}\) مع 120 cm³ من الأكسجين ويُشعل المزيج. بعد التفاعل، تُرجّ غازات الاحتراق مع محلول مائي مركّز من \(\ce{KOH}\). يُمتص جزء من الغازات امتصاصًا تامًا، بينما يتبقى 67.5 cm³ من الغازات. ويكون الغاز المتبقي عند درجة الحرارة والضغط نفسيهما للمزيج الأصلي قبل الاحتراق.
4.1 ما تركيب الغاز المتبقي؟ فسّر إجابتك.
4.2 ما مقدار التغير في كمية المادة لكل مول من هيدروكربون \(\ce{C_xH_y}\) عند احتراقه احتراقًا تامًا؟
4.3 ما الصيغة الكيميائية للهيدروكربون المستخدم في التجربة؟
بيّن خطوات الحساب.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 4.1: الغاز المتبقي هو الأكسجين، \(\ce{O2}\)، وتمثيله بصيغة SMILES هو
O=O، وحجمه \(67.5\ \mathrm{cm^3}\)، مع إهمال بخار الماء المتبقي. - 4.2: عند احتساب جميع نواتج الاحتراق، يكون التغير \(\left(\frac y4-1\right)\ \mathrm{mol}\) لكل مول من الهيدروكربون. وبعد إزالة الماء وثاني أكسيد الكربون، تنخفض كمية الغاز المقيسة بمقدار \(\left(1+x+\frac y4\right)\ \mathrm{mol}\) لكل مول من الهيدروكربون.
- 4.3: الهيدروكربون المقصود هو الإيثان، \(\ce{C2H6}\)، وتمثيله بصيغة SMILES هو
CC، وفق الافتراض المعتاد بأنه هيدروكربون غازي مستقر وشائع.
الحل
4.1
ينتج عن الاحتراق التام ثاني أكسيد الكربون، \(\ce{CO2}\)، وتمثيله بصيغة SMILES هو O=C=O، والماء، \(\ce{H2O}\)، وتمثيله بصيغة SMILES هو O:
\[ \ce{C_xH_y + (x + y/4) O2 -> x CO2 + (y/2) H2O}. \]
يُعدّ الماء قد أُزيل من الغاز المقيس بفعل التبريد والتلامس مع المحلول المائي المركّز. ويمتص هيدروكسيد البوتاسيوم، \(\ce{KOH}\)، الذي تمثيله بصيغة SMILES هو [K+].[OH-]، ثاني أكسيد الكربون:
\[ \ce{CO2 + 2KOH -> K2CO3 + H2O}. \]
الملح المتكوّن هو كربونات البوتاسيوم، \(\ce{K2CO3}\)، ويُمثّل بصيغة SMILES الأيونية [K+].[K+].[O-]C(=O)[O-].
وفق نموذج الاحتراق التام هذا، لا بد إذن أن يكون الغاز المتبقي إما أكسجينًا فائضًا أو هيدروكربونًا لم يتفاعل. ولو نَفِد الأكسجين، لما أمكن أن يتجاوز حجم الهيدروكربون غير المتفاعل حجمه الابتدائي، \(15\ \mathrm{cm^3}\)، عند درجة الحرارة والضغط نفسيهما. وبما أن
\[ 67.5\ \mathrm{cm^3}>15\ \mathrm{cm^3}, \]
فقد كان الأكسجين فائضًا. وقد احترق الهيدروكربون احتراقًا تامًا، تاركًا الأكسجين بعد إزالة النواتج.
4.2
لمول واحد من الهيدروكربون، تعطي معادلة الاحتراق الموزونة
\[ n_{\mathrm{reactants}} =\left(1+x+\frac y4\right)\mathrm{mol}, \]
وعند احتساب كلٍّ من ثاني أكسيد الكربون والماء،
\[ n_{\mathrm{products}} =\left(x+\frac y2\right)\mathrm{mol}. \]
ومن ثم فإن التغير، المعرّف بأنه كمية النواتج مطروحًا منها كمية المتفاعلات، هو
\[ \boxed{\Delta n_{\mathrm{total}} =\left(\frac y4-1\right)\mathrm{mol} \quad\text{لكل مول من الهيدروكربون}.} \]
لتفسير تجربة قياس حجم الغاز، يجب التمييز بين المراحل:
| المرحلة | التغير في كمية الغاز لكل مول من الهيدروكربون |
|---|---|
| الاحتراق، مع بقاء الماء كله في الحالة الغازية | \(\left(\frac y4-1\right)\ \mathrm{mol}\) |
| بعد إزالة الماء، وقبل امتصاص ثاني أكسيد الكربون | \(-\left(1+\frac y4\right)\ \mathrm{mol}\) |
| بعد إزالة كلٍّ من الماء وثاني أكسيد الكربون | \(-\left(1+x+\frac y4\right)\ \mathrm{mol}\) |
ينطبق التعبير الأخير على حجمي الغاز الابتدائي والنهائي المقيسين.
4.3
عند تساوي درجة الحرارة والضغط، تتناسب أحجام الغازات طرديًا مع كميات المادة. وحجم الأكسجين المستهلك هو
\[ V_{\ce{O2},\,\mathrm{consumed}} =120-67.5 =52.5\ \mathrm{cm^3}. \]
وبذلك يستهلك كل مول من الهيدروكربون
\[ \frac{n_{\ce{O2},\,\mathrm{consumed}}}{n_{\mathrm{hydrocarbon}}} =\frac{52.5\ \mathrm{cm^3}}{15\ \mathrm{cm^3}} =3.5 \]
مولًا من الأكسجين. ومن معادلة الاحتراق،
\[ x+\frac y4=3.5, \]
ومن ثم
\[ \boxed{4x+y=14}. \]
وبصورة مكافئة، باستخدام الانكماش في حجم الغاز بعد إزالة النواتج،
\[ 1+x+\frac y4 =\frac{(15+120)-67.5}{15} =4.5. \]
في هيدروكربون متعادل عادي، يكون \(x,y\) عددين صحيحين موجبين، ويكون الحد الأقصى لعدد ذرات الهيدروجين هو \(y=2x+2\). وبالجمع بين هذا الحد والعلاقة \(y=14-4x\) نحصل على
\[ 14-4x\le 2x+2 \quad\Longrightarrow\quad x\ge2, \]
بينما يقتضي الشرط \(y>0\) أن يكون \(x\le3\). ومن ثم فإن الاحتمالات الصورية هي
\[ (x,y)=(2,6)\quad\text{أو}\quad(3,2). \]
ومن بين هذين الاحتمالين، فإن \(\ce{C2H6}\) هو الهيدروكربون الغازي المستقر والشائع: الإيثان، وتمثيله بصيغة SMILES هو CC. أما البديل الصوري \(\ce{C3H2}\) فيتطلب أنواعًا كيميائية غير معتادة، شديدة التفاعل أو ذات إجهاد بنيوي مرتفع، وهي خارج النطاق المقصود لهذا التحليل الأولي.
يحترق الإيثان وفق المعادلة
\[ \boxed{\ce{2C2H6 + 7O2 -> 4CO2 + 6H2O}}. \]
ويكون التحقق من الحجم كما يلي
\[ V_{\ce{O2},\,\mathrm{consumed}} =\frac72(15\ \mathrm{cm^3}) =52.5\ \mathrm{cm^3}, \]
\[ V_{\ce{O2},\,\mathrm{remaining}} =120-52.5 =\boxed{67.5\ \mathrm{cm^3}}, \]
وهو ما يطابق القياس تمامًا.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.