IChO 1992 · Theory problem 1
Diatoms, whales and the carbon cycle
Diatoms, microscopic organisms, are an abundant food source in the oceans producing carbohydrates from carbon dioxide and water by photosynthesis:

1.1 During the first five years of life blue whales gain 75 kg of mass per day by feeding on krill. The whale must consume ten times this mass of krill each day. The krill must consume 10.0 kg of diatoms to produce 1.0 kg of krill. Assuming that the mass gain in the first years of a whale's life is due to the consumption of carbohydrates (\(\ce{C6H12O6}\)), calculate the volume of \(\ce{CO2}\) at STP (0 °C, 101 kPa) that must be used by the diatoms to produce the carbohydrates consumed by a blue whale in its first five years of life.
1.2 There is 0.23 cm³ of dissolved \(\ce{CO2}\) per one litre sea water (at 24 °C and 101 kPa).
i) If diatoms can completely remove carbon dioxide from the water they process, what volume of water would they process to produce the carbohydrates required by a blue whale during the first five years of life?
ii) What fraction of the total volume of the oceans will be needed to supply the carbon dioxide for the first five years of growth of 1000 blue whales? The volume of the oceans is \(1.37\times10^{18}\ \mathrm{m^3}\).
1.3 Three percent of the mass of a \(9.1\times10^4\) kg adult whale is nitrogen. When a \(9.1\times10^4\) kg blue whale dies, what is the maximum mass of \(\ce{NH4+}\) that can become available for other marine organisms?
1.4 Eighteen percent of a \(9.1\times10^4\) kg whale's mass is carbon. Carbon can be returned to the atmosphere as \(\ce{CO2}\) and then removed from the atmosphere by weathering of rocks containing calcium silicate.

What are the maximum number of grams of \(\ce{CaSiO3}\) that can be weathered by the carbon dioxide produced from the decomposition of 1000 blue whales, the number estimated to die annually?
Official English text of the problem.
Answers
- 1.1: \(\boxed{1.0\times10^7\ \mathrm{m^3}}\) of carbon dioxide at STP, equivalent to \(1.0\times10^{10}\ \mathrm{L}\).
- 1.2 i): \(\boxed{4.9\times10^{10}\ \mathrm{m^3}}\) of seawater, equivalent to \(4.9\times10^{13}\ \mathrm{L}\).
- 1.2 ii): \(\boxed{3.5\times10^{-5}}\) of the ocean volume, or approximately \(0.0035\%\).
- 1.3: \(\boxed{3.5\times10^3\ \mathrm{kg}}\) of ammonium ions, \(\ce{NH4+}\).
- 1.4: \(\boxed{7.9\times10^{10}\ \mathrm{g}}\) of calcium silicate, \(\ce{CaSiO3}\).
Solution
Take one year as 365 days, neglecting leap days. Use the ideal-gas law with \[ R=8.314\ \mathrm{L\,kPa\,mol^{-1}\,K^{-1}}. \] Intermediate values retain extra digits; final results are rounded to approximately two significant figures.
1.1 — Carbon dioxide required for photosynthesis
The balanced photosynthesis equation is \[ \ce{6CO2 + 6H2O ->[solar energy] C6H12O6 + 6O2}. \]
The species are carbon dioxide (O=C=O), water (O), a hexose carbohydrate such as glucose (open-chain connectivity SMILES O=CC(O)C(O)C(O)C(O)CO), and dioxygen (O=O). The carbohydrate’s stereochemistry is unspecified and does not affect this calculation.
The whale’s daily krill consumption is \[ 10(75\ \mathrm{kg\,d^{-1}})=750\ \mathrm{kg\,d^{-1}}. \] Producing this krill requires \[ 750\ \mathrm{kg\,d^{-1}} \times\frac{10.0\ \mathrm{kg\ diatoms}}{1.0\ \mathrm{kg\ krill}} =7500\ \mathrm{kg\ diatoms\,d^{-1}}. \]
Under the problem’s carbohydrate mass-accounting assumption, the required carbohydrate mass over five years is therefore \[ m(\ce{C6H12O6}) =(7500\ \mathrm{kg\,d^{-1}})(5\times365\ \mathrm{d}) =1.36875\times10^7\ \mathrm{kg}. \]
Using \(M(\ce{C6H12O6})=180\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), and six moles of carbon dioxide per mole of carbohydrate, \[ n(\ce{CO2}) =6\left(\frac{1.36875\times10^{10}\ \mathrm{g}} {180\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\right) =4.5625\times10^8\ \mathrm{mol}. \]
At \(T=273.15\ \mathrm{K}\) and \(P=101\ \mathrm{kPa}\), \[ \begin{aligned} V_0(\ce{CO2}) &=\frac{nRT}{P}\\ &=\frac{(4.5625\times10^8)(8.314)(273.15)}{101}\ \mathrm{L}\\ &=1.02587\times10^{10}\ \mathrm{L}. \end{aligned} \]
Thus \[ \boxed{V_0(\ce{CO2})\approx1.0\times10^7\ \mathrm{m^3}}. \]
1.2 i) — Seawater processed
The dissolved carbon dioxide content is expressed as a gas volume at \(24\,^\circ\mathrm{C}\), so the required carbon dioxide volume must first be converted to that temperature. At unchanged pressure, \[ \frac{V_{24}}{V_0}=\frac{297.15}{273.15}. \] Hence \[ V_{24} =(1.02587\times10^{10}\ \mathrm{L}) \frac{297.15}{273.15} =1.11601\times10^{10}\ \mathrm{L} =1.11601\times10^{13}\ \mathrm{cm^3}. \]
Each litre of seawater supplies \(0.23\ \mathrm{cm^3}\) of carbon dioxide at these conditions. Complete extraction therefore requires \[ \begin{aligned} V_{\text{seawater}} &=\frac{1.11601\times10^{13}\ \mathrm{cm^3}} {0.23\ \mathrm{cm^3\,L^{-1}}}\\ &=4.85221\times10^{13}\ \mathrm{L}\\ &=4.85221\times10^{10}\ \mathrm{m^3}. \end{aligned} \]
Thus \[ \boxed{V_{\text{seawater}}\approx4.9\times10^{10}\ \mathrm{m^3}}. \]
1.2 ii) — Fraction of the oceans for 1000 whales
Using the unrounded water volume from part i), \[ f=\frac{1000(4.85221\times10^{10}\ \mathrm{m^3})} {1.37\times10^{18}\ \mathrm{m^3}} =3.54176\times10^{-5}. \]
Therefore \[ \boxed{f\approx3.5\times10^{-5}}, \] equivalent to approximately \(0.0035\%\) of the ocean volume.
1.3 — Maximum ammonium mass
The ammonium ion is \(\ce{NH4+}\), SMILES [NH4+].
The whale contains \[ m(\ce{N})=0.03(9.1\times10^4\ \mathrm{kg}) =2.73\times10^3\ \mathrm{kg} \] of nitrogen.
The maximum occurs when all this nitrogen becomes ammonium. Each ammonium ion contains one nitrogen atom, so \[ n(\ce{NH4+})=n(\ce{N}). \] Using \(M(\ce{N})=14\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) and \(M(\ce{NH4+})=18\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), \[ m(\ce{NH4+}) =(2.73\times10^3\ \mathrm{kg})\frac{18}{14} =3.510\times10^3\ \mathrm{kg}. \]
The hydrogen incorporated into ammonium supplies the additional mass. Thus \[ \boxed{m_{\max}(\ce{NH4+})\approx3.5\times10^3\ \mathrm{kg}}. \]
1.4 — Maximum calcium silicate weathered
The balanced weathering reaction is \[ \ce{CaSiO3(s) + 2CO2(g) + 3H2O(l) -> Ca^2+(aq) + 2HCO3^-(aq) + H4SiO4(aq)}. \]
The aqueous products are calcium(II) ions ([Ca+2]), hydrogen carbonate or bicarbonate ions (O=C(O)[O-]), and orthosilicic acid (O[Si](O)(O)O). Calcium silicate has the formal formula-unit SMILES [Ca+2].[O-][Si](=O)[O-]; this represents its composition, not its extended crystal lattice or coordination geometry.
The carbon mass in 1000 whales is \[ \begin{aligned} m(\ce{C}) &=1000(9.1\times10^4\ \mathrm{kg})(0.18)\\ &=1.638\times10^7\ \mathrm{kg} =1.638\times10^{10}\ \mathrm{g}. \end{aligned} \]
For the maximum, all whale carbon becomes carbon dioxide. Each mole of carbon supplies one mole of carbon dioxide: \[ n(\ce{CO2}) =\frac{1.638\times10^{10}\ \mathrm{g}} {12\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =1.365\times10^9\ \mathrm{mol}. \]
The weathering equation consumes two moles of carbon dioxide per mole of calcium silicate: \[ n(\ce{CaSiO3}) =\frac{1.365\times10^9}{2} =6.825\times10^8\ \mathrm{mol}. \]
With \[ M(\ce{CaSiO3})=40+28+3(16)=116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \] the maximum mass weathered is \[ \begin{aligned} m(\ce{CaSiO3}) &=(6.825\times10^8\ \mathrm{mol})(116\ \mathrm{g\,mol^{-1}})\\ &=7.917\times10^{10}\ \mathrm{g}. \end{aligned} \]
Therefore \[ \boxed{m_{\max}(\ce{CaSiO3})\approx7.9\times10^{10}\ \mathrm{g}}. \]
The solution was checked against the official solution. Where this solution differs from the official solution, the official solution contains an error or a misprint.
IChO 1992 · Theorieaufgabe 1
Kieselalgen, Wale und der Kohlenstoffkreislauf
Kieselalgen sind mikroskopisch kleine Organismen und eine reichlich vorhandene Nahrungsquelle in den Ozeanen. Sie erzeugen durch Photosynthese Kohlenhydrate aus Kohlenstoffdioxid und Wasser:

1.1 In den ersten fünf Lebensjahren nehmen Blauwale täglich 75 kg an Masse zu, indem sie sich von Krill ernähren. Ein Wal muss jeden Tag die zehnfache Menge dieser Masse an Krill aufnehmen. Der Krill muss 10.0 kg Kieselalgen aufnehmen, um 1.0 kg Krill zu bilden. Berechnen Sie unter der Annahme, dass die Massenzunahme in den ersten Lebensjahren eines Wals auf der Aufnahme von Kohlenhydraten (\(\ce{C6H12O6}\)) beruht, das Volumen an \(\ce{CO2}\) unter Standardbedingungen (STP: 0 °C, 101 kPa), das die Kieselalgen benötigen, um die von einem Blauwal in seinen ersten fünf Lebensjahren aufgenommenen Kohlenhydrate zu erzeugen.
1.2 Pro Liter Meerwasser sind 0.23 cm³ \(\ce{CO2}\) gelöst (bei 24 °C und 101 kPa).
i) Wenn Kieselalgen dem von ihnen verarbeiteten Wasser das Kohlenstoffdioxid vollständig entziehen können, welches Wasservolumen würden sie verarbeiten, um die Kohlenhydrate zu erzeugen, die ein Blauwal in seinen ersten fünf Lebensjahren benötigt?
ii) Welcher Anteil des Gesamtvolumens der Ozeane wird benötigt, um das Kohlenstoffdioxid für die ersten fünf Wachstumsjahre von 1000 Blauwalen bereitzustellen? Das Volumen der Ozeane beträgt \(1.37\times10^{18}\ \mathrm{m^3}\).
1.3 Drei Prozent der Masse eines ausgewachsenen Wals von \(9.1\times10^4\) kg bestehen aus Stickstoff. Wenn ein Blauwal von \(9.1\times10^4\) kg stirbt, welche Masse an \(\ce{NH4+}\) kann anderen Meeresorganismen höchstens zur Verfügung stehen?
1.4 Achtzehn Prozent der Masse eines Wals von \(9.1\times10^4\) kg bestehen aus Kohlenstoff. Kohlenstoff kann als \(\ce{CO2}\) in die Atmosphäre zurückgelangen und ihr anschließend durch die Verwitterung von Gesteinen, die Calciumsilicat enthalten, wieder entzogen werden.

Wie viele Gramm \(\ce{CaSiO3}\) können höchstens durch das Kohlenstoffdioxid verwittert werden, das bei der Zersetzung von 1000 Blauwalen entsteht? Dies entspricht der geschätzten Anzahl jährlich sterbender Blauwale.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 1.1: \(\boxed{1.0\times10^7\ \mathrm{m^3}}\) Kohlenstoffdioxid unter Standardbedingungen (STP), entsprechend \(1.0\times10^{10}\ \mathrm{L}\).
- 1.2 i): \(\boxed{4.9\times10^{10}\ \mathrm{m^3}}\) Meerwasser, entsprechend \(4.9\times10^{13}\ \mathrm{L}\).
- 1.2 ii): \(\boxed{3.5\times10^{-5}}\) des Ozeanvolumens, also ungefähr \(0.0035\%\).
- 1.3: \(\boxed{3.5\times10^3\ \mathrm{kg}}\) Ammoniumionen, \(\ce{NH4+}\).
- 1.4: \(\boxed{7.9\times10^{10}\ \mathrm{g}}\) Calciumsilicat, \(\ce{CaSiO3}\).
Lösung
Ein Jahr wird mit 365 Tagen angesetzt; Schalttage werden vernachlässigt. Es wird die ideale Gasgleichung verwendet, mit \[ R=8.314\ \mathrm{L\,kPa\,mol^{-1}\,K^{-1}}. \] Bei den Zwischenwerten werden zusätzliche Stellen beibehalten; die Endergebnisse werden auf etwa zwei signifikante Stellen gerundet.
1.1 — Für die Photosynthese benötigtes Kohlenstoffdioxid
Die ausgeglichene Photosynthesegleichung lautet \[ \ce{6CO2 + 6H2O ->[solar energy] C6H12O6 + 6O2}. \]
Die beteiligten Spezies sind Kohlenstoffdioxid (O=C=O), Wasser (O), ein Kohlenhydrat aus der Gruppe der Hexosen wie Glucose (SMILES der offenkettigen Konnektivität: O=CC(O)C(O)C(O)C(O)CO) und Disauerstoff (O=O). Die Stereochemie des Kohlenhydrats ist nicht festgelegt und hat keinen Einfluss auf diese Berechnung.
Die tägliche Krillaufnahme des Wals beträgt \[ 10(75\ \mathrm{kg\,d^{-1}})=750\ \mathrm{kg\,d^{-1}}. \] Zur Bildung dieser Krillmenge werden \[ 750\ \mathrm{kg\,d^{-1}} \times\frac{10.0\ \mathrm{kg\ diatoms}}{1.0\ \mathrm{kg\ krill}} =7500\ \mathrm{kg\ diatoms\,d^{-1}} \] benötigt.
Unter der in der Aufgabe getroffenen Annahme für die Massenbilanz der Kohlenhydrate beträgt die über fünf Jahre benötigte Kohlenhydratmasse daher \[ m(\ce{C6H12O6}) =(7500\ \mathrm{kg\,d^{-1}})(5\times365\ \mathrm{d}) =1.36875\times10^7\ \mathrm{kg}. \]
Mit \(M(\ce{C6H12O6})=180\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) und sechs Mol Kohlenstoffdioxid pro Mol Kohlenhydrat ergibt sich \[ n(\ce{CO2}) =6\left(\frac{1.36875\times10^{10}\ \mathrm{g}} {180\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\right) =4.5625\times10^8\ \mathrm{mol}. \]
Bei \(T=273.15\ \mathrm{K}\) und \(P=101\ \mathrm{kPa}\) gilt \[ \begin{aligned} V_0(\ce{CO2}) &=\frac{nRT}{P}\\ &=\frac{(4.5625\times10^8)(8.314)(273.15)}{101}\ \mathrm{L}\\ &=1.02587\times10^{10}\ \mathrm{L}. \end{aligned} \]
Somit ist \[ \boxed{V_0(\ce{CO2})\approx1.0\times10^7\ \mathrm{m^3}}. \]
1.2 i) — Verarbeitetes Meerwasser
Der Gehalt an gelöstem Kohlenstoffdioxid ist als Gasvolumen bei \(24\,^\circ\mathrm{C}\) angegeben. Daher muss das benötigte Kohlenstoffdioxidvolumen zunächst auf diese Temperatur umgerechnet werden. Bei unverändertem Druck gilt \[ \frac{V_{24}}{V_0}=\frac{297.15}{273.15}. \] Daraus folgt \[ V_{24} =(1.02587\times10^{10}\ \mathrm{L}) \frac{297.15}{273.15} =1.11601\times10^{10}\ \mathrm{L} =1.11601\times10^{13}\ \mathrm{cm^3}. \]
Jeder Liter Meerwasser liefert unter diesen Bedingungen \(0.23\ \mathrm{cm^3}\) Kohlenstoffdioxid. Bei vollständiger Entnahme wird daher folgendes Volumen benötigt: \[ \begin{aligned} V_{\text{Meerwasser}} &=\frac{1.11601\times10^{13}\ \mathrm{cm^3}} {0.23\ \mathrm{cm^3\,L^{-1}}}\\ &=4.85221\times10^{13}\ \mathrm{L}\\ &=4.85221\times10^{10}\ \mathrm{m^3}. \end{aligned} \]
Somit ist \[ \boxed{V_{\text{Meerwasser}}\approx4.9\times10^{10}\ \mathrm{m^3}}. \]
1.2 ii) — Anteil der Ozeane für 1000 Wale
Mit dem ungerundeten Wasservolumen aus Teil i) ergibt sich \[ f=\frac{1000(4.85221\times10^{10}\ \mathrm{m^3})} {1.37\times10^{18}\ \mathrm{m^3}} =3.54176\times10^{-5}. \]
Damit gilt \[ \boxed{f\approx3.5\times10^{-5}}, \] was ungefähr \(0.0035\%\) des Ozeanvolumens entspricht.
1.3 — Maximale Ammoniummasse
Das Ammoniumion ist \(\ce{NH4+}\), SMILES [NH4+].
Der Wal enthält \[ m(\ce{N})=0.03(9.1\times10^4\ \mathrm{kg}) =2.73\times10^3\ \mathrm{kg} \] Stickstoff.
Das Maximum wird erreicht, wenn dieser gesamte Stickstoff in Ammonium übergeht. Jedes Ammoniumion enthält ein Stickstoffatom, sodass \[ n(\ce{NH4+})=n(\ce{N}). \] Mit \(M(\ce{N})=14\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) und \(M(\ce{NH4+})=18\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) ergibt sich \[ m(\ce{NH4+}) =(2.73\times10^3\ \mathrm{kg})\frac{18}{14} =3.510\times10^3\ \mathrm{kg}. \]
Der in das Ammonium eingebaute Wasserstoff liefert die zusätzliche Masse. Somit ist \[ \boxed{m_{\max}(\ce{NH4+})\approx3.5\times10^3\ \mathrm{kg}}. \]
1.4 — Maximale verwitterte Calciumsilicatmenge
Die ausgeglichene Verwitterungsreaktion lautet \[ \ce{CaSiO3(s) + 2CO2(g) + 3H2O(l) -> Ca^2+(aq) + 2HCO3^-(aq) + H4SiO4(aq)}. \]
Die in Wasser gelösten Produkte sind Calcium(II)-Ionen ([Ca+2]), Hydrogencarbonat- oder Bicarbonationen (O=C(O)[O-]) und Orthokieselsäure (O[Si](O)(O)O). Calciumsilicat hat für seine Formeleinheit die formale SMILES-Darstellung [Ca+2].[O-][Si](=O)[O-]; diese gibt seine Zusammensetzung wieder, nicht sein ausgedehntes Kristallgitter oder seine Koordinationsgeometrie.
Die Kohlenstoffmasse in 1000 Walen beträgt \[ \begin{aligned} m(\ce{C}) &=1000(9.1\times10^4\ \mathrm{kg})(0.18)\\ &=1.638\times10^7\ \mathrm{kg} =1.638\times10^{10}\ \mathrm{g}. \end{aligned} \]
Für das Maximum wird der gesamte Kohlenstoff der Wale in Kohlenstoffdioxid umgewandelt. Jedes Mol Kohlenstoff liefert ein Mol Kohlenstoffdioxid: \[ n(\ce{CO2}) =\frac{1.638\times10^{10}\ \mathrm{g}} {12\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =1.365\times10^9\ \mathrm{mol}. \]
Nach der Verwitterungsgleichung werden zwei Mol Kohlenstoffdioxid pro Mol Calciumsilicat verbraucht: \[ n(\ce{CaSiO3}) =\frac{1.365\times10^9}{2} =6.825\times10^8\ \mathrm{mol}. \]
Mit \[ M(\ce{CaSiO3})=40+28+3(16)=116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \] beträgt die maximal verwitterte Masse \[ \begin{aligned} m(\ce{CaSiO3}) &=(6.825\times10^8\ \mathrm{mol})(116\ \mathrm{g\,mol^{-1}})\\ &=7.917\times10^{10}\ \mathrm{g}. \end{aligned} \]
Damit ergibt sich \[ \boxed{m_{\max}(\ce{CaSiO3})\approx7.9\times10^{10}\ \mathrm{g}}. \]
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen. Wo diese Lösung von der offiziellen Lösung abweicht, enthält die offizielle Lösung einen Fehler oder Druckfehler.
IChO 1992 · Teori sorusu 1
Diyatomlar, balinalar ve karbon döngüsü
Mikroskobik organizmalar olan diyatomlar, okyanuslarda bol bulunan bir besin kaynağıdır ve fotosentez yoluyla karbondioksit ve sudan karbonhidrat üretirler:

1.1 Mavi balinalar, yaşamlarının ilk beş yılında kril ile beslenerek günde 75 kg kütle kazanırlar. Balinanın her gün bu kütlenin on katı kadar kril tüketmesi gerekir. Krillerin 1.0 kg kril üretmek için 10.0 kg diyatom tüketmesi gerekir. Bir balinanın yaşamının ilk yıllarındaki kütle artışının karbonhidrat (\(\ce{C6H12O6}\)) tüketiminden kaynaklandığını varsayarak, bir mavi balinanın yaşamının ilk beş yılında tükettiği karbonhidratları üretmek için diyatomların kullanması gereken \(\ce{CO2}\)'nin STP'deki (0 °C, 101 kPa) hacmini hesaplayınız.
1.2 Bir litre deniz suyunda (24 °C ve 101 kPa'da) 0.23 cm³ çözünmüş \(\ce{CO2}\) bulunur.
i) Diyatomlar işledikleri sudaki karbondioksitin tamamını uzaklaştırabiliyorlarsa, bir mavi balinanın yaşamının ilk beş yılında ihtiyaç duyduğu karbonhidratları üretmek için ne kadar hacimde su işlemeleri gerekir?
ii) 1000 mavi balinanın ilk beş yıllık büyümesi için gerekli karbondioksiti sağlamak üzere okyanusların toplam hacminin ne kadarlık bir bölümüne ihtiyaç duyulur? Okyanusların hacmi \(1.37\times10^{18}\ \mathrm{m^3}\)'tür.
1.3 \(9.1\times10^4\) kg kütleli yetişkin bir balinanın kütlesinin yüzde üçü azottur. \(9.1\times10^4\) kg kütleli bir mavi balina öldüğünde, diğer deniz organizmalarının kullanımına sunulabilecek en büyük \(\ce{NH4+}\) kütlesi nedir?
1.4 \(9.1\times10^4\) kg kütleli bir balinanın kütlesinin yüzde on sekizi karbondur. Karbon, atmosfere \(\ce{CO2}\) olarak geri dönebilir ve ardından kalsiyum silikat içeren kayaçların ayrışmasıyla atmosferden uzaklaştırılabilir.

Her yıl öldüğü tahmin edilen 1000 mavi balinanın bozunmasıyla üretilen karbondioksitin ayrıştırabileceği en büyük \(\ce{CaSiO3}\) miktarı kaç gramdır?
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 1.1: STP'de \(\boxed{1.0\times10^7\ \mathrm{m^3}}\) karbondioksit; \(1.0\times10^{10}\ \mathrm{L}\)'ye eşdeğerdir.
- 1.2 i): \(\boxed{4.9\times10^{10}\ \mathrm{m^3}}\) deniz suyu; \(4.9\times10^{13}\ \mathrm{L}\)'ye eşdeğerdir.
- 1.2 ii): Okyanus hacminin \(\boxed{3.5\times10^{-5}}\)'i, yani yaklaşık \(0.0035\%\)'i.
- 1.3: \(\boxed{3.5\times10^3\ \mathrm{kg}}\) amonyum iyonu, \(\ce{NH4+}\).
- 1.4: \(\boxed{7.9\times10^{10}\ \mathrm{g}}\) kalsiyum silikat, \(\ce{CaSiO3}\).
Çözüm
Artık günleri ihmal ederek bir yılı 365 gün olarak alınız. İdeal gaz yasasını \[ R=8.314\ \mathrm{L\,kPa\,mol^{-1}\,K^{-1}}. \] değeriyle kullanınız. Ara değerlerde fazladan basamaklar korunmuştur; nihai sonuçlar yaklaşık iki anlamlı basamağa yuvarlanmıştır.
1.1 — Fotosentez için gerekli karbondioksit
Denkleştirilmiş fotosentez denklemi şöyledir: \[ \ce{6CO2 + 6H2O ->[solar energy] C6H12O6 + 6O2}. \]
Kimyasal türler karbondioksit (O=C=O), su (O), glikoz gibi bir heksoz karbonhidrat (açık zincirli bağlantı yapısının SMILES gösterimi O=CC(O)C(O)C(O)C(O)CO) ve dioksijendir (O=O). Karbonhidratın stereokimyası belirtilmemiştir ve bu hesaplamayı etkilemez.
Balinanın günlük kril tüketimi şöyledir: \[ 10(75\ \mathrm{kg\,d^{-1}})=750\ \mathrm{kg\,d^{-1}}. \] Bu krilin üretilmesi için gereken diyatom miktarı şöyledir: \[ 750\ \mathrm{kg\,d^{-1}} \times\frac{10.0\ \mathrm{kg\ diatoms}}{1.0\ \mathrm{kg\ krill}} =7500\ \mathrm{kg\ diatoms\,d^{-1}}. \]
Dolayısıyla, sorudaki kütle hesabının karbonhidrat üzerinden yapılması varsayımı altında, beş yıl boyunca gereken karbonhidrat kütlesi şöyledir: \[ m(\ce{C6H12O6}) =(7500\ \mathrm{kg\,d^{-1}})(5\times365\ \mathrm{d}) =1.36875\times10^7\ \mathrm{kg}. \]
\(M(\ce{C6H12O6})=180\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) değeri ve bir mol karbonhidrat başına altı mol karbondioksit kullanılarak, \[ n(\ce{CO2}) =6\left(\frac{1.36875\times10^{10}\ \mathrm{g}} {180\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\right) =4.5625\times10^8\ \mathrm{mol}. \]
\(T=273.15\ \mathrm{K}\) ve \(P=101\ \mathrm{kPa}\) koşullarında, \[ \begin{aligned} V_0(\ce{CO2}) &=\frac{nRT}{P}\\ &=\frac{(4.5625\times10^8)(8.314)(273.15)}{101}\ \mathrm{L}\\ &=1.02587\times10^{10}\ \mathrm{L}. \end{aligned} \]
Böylece \[ \boxed{V_0(\ce{CO2})\approx1.0\times10^7\ \mathrm{m^3}}. \]
1.2 i) — İşlenen deniz suyu
Çözünmüş karbondioksit miktarı, \(24\,^\circ\mathrm{C}\)'deki gaz hacmi olarak ifade edilmiştir; bu nedenle gereken karbondioksit hacmi önce bu sıcaklığa dönüştürülmelidir. Basınç değişmediğinde, \[ \frac{V_{24}}{V_0}=\frac{297.15}{273.15}. \] Buradan \[ V_{24} =(1.02587\times10^{10}\ \mathrm{L}) \frac{297.15}{273.15} =1.11601\times10^{10}\ \mathrm{L} =1.11601\times10^{13}\ \mathrm{cm^3}. \]
Her litre deniz suyu, bu koşullarda \(0.23\ \mathrm{cm^3}\) karbondioksit sağlar. Dolayısıyla, karbondioksitin tamamının alınması için gereken hacim şöyledir: \[ \begin{aligned} V_{\text{deniz suyu}} &=\frac{1.11601\times10^{13}\ \mathrm{cm^3}} {0.23\ \mathrm{cm^3\,L^{-1}}}\\ &=4.85221\times10^{13}\ \mathrm{L}\\ &=4.85221\times10^{10}\ \mathrm{m^3}. \end{aligned} \]
Böylece \[ \boxed{V_{\text{deniz suyu}}\approx4.9\times10^{10}\ \mathrm{m^3}}. \]
1.2 ii) — 1000 balina için okyanusların gereken bölümü
i) kısmında bulunan yuvarlanmamış su hacmi kullanılarak, \[ f=\frac{1000(4.85221\times10^{10}\ \mathrm{m^3})} {1.37\times10^{18}\ \mathrm{m^3}} =3.54176\times10^{-5}. \]
Dolayısıyla \[ \boxed{f\approx3.5\times10^{-5}}, \] bu da okyanus hacminin yaklaşık \(0.0035\%\)'ine eşdeğerdir.
1.3 — En büyük amonyum kütlesi
Amonyum iyonu \(\ce{NH4+}\) olup SMILES gösterimi [NH4+]'tır.
Balinanın içerdiği azot kütlesi şöyledir: \[ m(\ce{N})=0.03(9.1\times10^4\ \mathrm{kg}) =2.73\times10^3\ \mathrm{kg} \]
En büyük değere, bu azotun tamamı amonyuma dönüştüğünde ulaşılır. Her amonyum iyonu bir azot atomu içerdiğinden, \[ n(\ce{NH4+})=n(\ce{N}). \] \(M(\ce{N})=14\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) ve \(M(\ce{NH4+})=18\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) değerleri kullanılarak, \[ m(\ce{NH4+}) =(2.73\times10^3\ \mathrm{kg})\frac{18}{14} =3.510\times10^3\ \mathrm{kg}. \]
Amonyumun yapısına katılan hidrojen, ek kütleyi sağlar. Böylece \[ \boxed{m_{\max}(\ce{NH4+})\approx3.5\times10^3\ \mathrm{kg}}. \]
1.4 — Ayrışan en büyük kalsiyum silikat miktarı
Denkleştirilmiş ayrışma tepkimesi şöyledir: \[ \ce{CaSiO3(s) + 2CO2(g) + 3H2O(l) -> Ca^2+(aq) + 2HCO3^-(aq) + H4SiO4(aq)}. \]
Sulu çözeltideki ürünler kalsiyum(II) iyonları ([Ca+2]), hidrojen karbonat veya bikarbonat iyonları (O=C(O)[O-]) ve ortosilisik asittir (O[Si](O)(O)O). Kalsiyum silikatın biçimsel formül biriminin SMILES gösterimi [Ca+2].[O-][Si](=O)[O-] şeklindedir; bu gösterim, bileşimini temsil eder, uzanan kristal örgüsünü veya koordinasyon geometrisini değil.
1000 balinadaki karbon kütlesi şöyledir: \[ \begin{aligned} m(\ce{C}) &=1000(9.1\times10^4\ \mathrm{kg})(0.18)\\ &=1.638\times10^7\ \mathrm{kg} =1.638\times10^{10}\ \mathrm{g}. \end{aligned} \]
En büyük değerin elde edilmesi için balinalardaki karbonun tamamı karbondioksite dönüşür. Her bir mol karbon, bir mol karbondioksit sağlar: \[ n(\ce{CO2}) =\frac{1.638\times10^{10}\ \mathrm{g}} {12\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =1.365\times10^9\ \mathrm{mol}. \]
Ayrışma denklemine göre bir mol kalsiyum silikat başına iki mol karbondioksit tüketilir: \[ n(\ce{CaSiO3}) =\frac{1.365\times10^9}{2} =6.825\times10^8\ \mathrm{mol}. \]
\[ M(\ce{CaSiO3})=40+28+3(16)=116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \] değeriyle, ayrışan en büyük kütle şöyledir: \[ \begin{aligned} m(\ce{CaSiO3}) &=(6.825\times10^8\ \mathrm{mol})(116\ \mathrm{g\,mol^{-1}})\\ &=7.917\times10^{10}\ \mathrm{g}. \end{aligned} \]
Dolayısıyla \[ \boxed{m_{\max}(\ce{CaSiO3})\approx7.9\times10^{10}\ \mathrm{g}}. \]
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi. Bu çözümün resmi çözümden ayrıldığı yerlerde resmi çözümde bir hata ya da baskı hatası vardır.
IChO 1992 · Problema teórico 1
Diatomeas, ballenas y el ciclo del carbono
Las diatomeas, organismos microscópicos, constituyen una abundante fuente de alimento en los océanos y producen carbohidratos a partir de dióxido de carbono y agua mediante la fotosíntesis:

1.1 Durante los primeros cinco años de vida, las ballenas azules aumentan su masa en 75 kg al día alimentándose de kril. La ballena debe consumir cada día una masa de kril diez veces mayor. El kril debe consumir 10.0 kg de diatomeas para producir 1.0 kg de kril. Suponiendo que el aumento de masa en los primeros años de vida de una ballena se debe al consumo de carbohidratos (\(\ce{C6H12O6}\)), calcule el volumen de \(\ce{CO2}\) en condiciones estándar de temperatura y presión (STP: 0 °C, 101 kPa) que deben utilizar las diatomeas para producir los carbohidratos consumidos por una ballena azul en sus primeros cinco años de vida.
1.2 Hay 0.23 cm³ de \(\ce{CO2}\) disuelto por cada litro de agua de mar (a 24 °C y 101 kPa).
i) Si las diatomeas pueden eliminar por completo el dióxido de carbono del agua que procesan, ¿qué volumen de agua procesarían para producir los carbohidratos que necesita una ballena azul durante sus primeros cinco años de vida?
ii) ¿Qué fracción del volumen total de los océanos se necesitará para suministrar el dióxido de carbono necesario para los primeros cinco años de crecimiento de 1000 ballenas azules? El volumen de los océanos es \(1.37\times10^{18}\ \mathrm{m^3}\).
1.3 El tres por ciento de la masa de una ballena adulta de \(9.1\times10^4\) kg es nitrógeno. Cuando muere una ballena azul de \(9.1\times10^4\) kg, ¿cuál es la masa máxima de \(\ce{NH4+}\) que puede quedar disponible para otros organismos marinos?
1.4 El dieciocho por ciento de la masa de una ballena de \(9.1\times10^4\) kg es carbono. El carbono puede volver a la atmósfera en forma de \(\ce{CO2}\) y después ser eliminado de ella mediante la meteorización de rocas que contienen silicato de calcio.

¿Cuál es la cantidad máxima de gramos de \(\ce{CaSiO3}\) que pueden sufrir meteorización por acción del dióxido de carbono producido por la descomposición de 1000 ballenas azules, el número estimado de muertes anuales?
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 1.1: \(\boxed{1.0\times10^7\ \mathrm{m^3}}\) de dióxido de carbono en condiciones STP, equivalentes a \(1.0\times10^{10}\ \mathrm{L}\).
- 1.2 i): \(\boxed{4.9\times10^{10}\ \mathrm{m^3}}\) de agua de mar, equivalentes a \(4.9\times10^{13}\ \mathrm{L}\).
- 1.2 ii): \(\boxed{3.5\times10^{-5}}\) del volumen de los océanos, o aproximadamente el \(0.0035\%\).
- 1.3: \(\boxed{3.5\times10^3\ \mathrm{kg}}\) de iones amonio, \(\ce{NH4+}\).
- 1.4: \(\boxed{7.9\times10^{10}\ \mathrm{g}}\) de silicato de calcio, \(\ce{CaSiO3}\).
Solución
Se considera que un año tiene 365 días, sin tener en cuenta los días adicionales de los años bisiestos. Se utiliza la ley de los gases ideales con \[ R=8.314\ \mathrm{L\,kPa\,mol^{-1}\,K^{-1}}. \] En los valores intermedios se conservan cifras adicionales; los resultados finales se redondean a aproximadamente dos cifras significativas.
1.1 — Dióxido de carbono necesario para la fotosíntesis
La ecuación ajustada de la fotosíntesis es \[ \ce{6CO2 + 6H2O ->[solar energy] C6H12O6 + 6O2}. \]
Las especies son dióxido de carbono (O=C=O), agua (O), un carbohidrato de tipo hexosa como la glucosa (SMILES de conectividad de la forma de cadena abierta O=CC(O)C(O)C(O)C(O)CO) y dioxígeno (O=O). La estereoquímica del carbohidrato no se especifica y no afecta a este cálculo.
El consumo diario de kril de la ballena es \[ 10(75\ \mathrm{kg\,d^{-1}})=750\ \mathrm{kg\,d^{-1}}. \] La producción de este kril requiere \[ 750\ \mathrm{kg\,d^{-1}} \times\frac{10.0\ \mathrm{kg\ diatoms}}{1.0\ \mathrm{kg\ krill}} =7500\ \mathrm{kg\ diatoms\,d^{-1}}. \]
De acuerdo con la suposición del problema de atribuir la masa a los carbohidratos, la masa de carbohidratos necesaria durante cinco años es, por tanto, \[ m(\ce{C6H12O6}) =(7500\ \mathrm{kg\,d^{-1}})(5\times365\ \mathrm{d}) =1.36875\times10^7\ \mathrm{kg}. \]
Utilizando \(M(\ce{C6H12O6})=180\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) y seis moles de dióxido de carbono por mol de carbohidrato, \[ n(\ce{CO2}) =6\left(\frac{1.36875\times10^{10}\ \mathrm{g}} {180\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\right) =4.5625\times10^8\ \mathrm{mol}. \]
A \(T=273.15\ \mathrm{K}\) y \(P=101\ \mathrm{kPa}\), \[ \begin{aligned} V_0(\ce{CO2}) &=\frac{nRT}{P}\\ &=\frac{(4.5625\times10^8)(8.314)(273.15)}{101}\ \mathrm{L}\\ &=1.02587\times10^{10}\ \mathrm{L}. \end{aligned} \]
Así, \[ \boxed{V_0(\ce{CO2})\approx1.0\times10^7\ \mathrm{m^3}}. \]
1.2 i) — Agua de mar procesada
El contenido de dióxido de carbono disuelto se expresa como un volumen de gas a \(24\,^\circ\mathrm{C}\), por lo que primero hay que convertir el volumen de dióxido de carbono necesario a esa temperatura. A presión constante, \[ \frac{V_{24}}{V_0}=\frac{297.15}{273.15}. \] Por tanto, \[ V_{24} =(1.02587\times10^{10}\ \mathrm{L}) \frac{297.15}{273.15} =1.11601\times10^{10}\ \mathrm{L} =1.11601\times10^{13}\ \mathrm{cm^3}. \]
Cada litro de agua de mar aporta \(0.23\ \mathrm{cm^3}\) de dióxido de carbono en estas condiciones. Por lo tanto, la extracción completa requiere \[ \begin{aligned} V_{\text{agua de mar}} &=\frac{1.11601\times10^{13}\ \mathrm{cm^3}} {0.23\ \mathrm{cm^3\,L^{-1}}}\\ &=4.85221\times10^{13}\ \mathrm{L}\\ &=4.85221\times10^{10}\ \mathrm{m^3}. \end{aligned} \]
Así, \[ \boxed{V_{\text{agua de mar}}\approx4.9\times10^{10}\ \mathrm{m^3}}. \]
1.2 ii) — Fracción de los océanos para 1000 ballenas
Utilizando el volumen de agua sin redondear del apartado i), \[ f=\frac{1000(4.85221\times10^{10}\ \mathrm{m^3})} {1.37\times10^{18}\ \mathrm{m^3}} =3.54176\times10^{-5}. \]
Por lo tanto, \[ \boxed{f\approx3.5\times10^{-5}}, \] equivalente a aproximadamente el \(0.0035\%\) del volumen de los océanos.
1.3 — Masa máxima de amonio
El ion amonio es \(\ce{NH4+}\), SMILES [NH4+].
La ballena contiene \[ m(\ce{N})=0.03(9.1\times10^4\ \mathrm{kg}) =2.73\times10^3\ \mathrm{kg} \] de nitrógeno.
El máximo se alcanza cuando todo este nitrógeno se convierte en amonio. Cada ion amonio contiene un átomo de nitrógeno, por lo que \[ n(\ce{NH4+})=n(\ce{N}). \] Utilizando \(M(\ce{N})=14\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) y \(M(\ce{NH4+})=18\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), \[ m(\ce{NH4+}) =(2.73\times10^3\ \mathrm{kg})\frac{18}{14} =3.510\times10^3\ \mathrm{kg}. \]
El hidrógeno incorporado al amonio aporta la masa adicional. Así, \[ \boxed{m_{\max}(\ce{NH4+})\approx3.5\times10^3\ \mathrm{kg}}. \]
1.4 — Cantidad máxima de silicato de calcio meteorizado
La reacción ajustada de meteorización es \[ \ce{CaSiO3(s) + 2CO2(g) + 3H2O(l) -> Ca^2+(aq) + 2HCO3^-(aq) + H4SiO4(aq)}. \]
Los productos en disolución acuosa son iones calcio(II) ([Ca+2]), iones hidrogenocarbonato o bicarbonato (O=C(O)[O-]) y ácido ortosilícico (O[Si](O)(O)O). El silicato de calcio tiene como SMILES formal de su unidad fórmula [Ca+2].[O-][Si](=O)[O-]; esta representación indica su composición, no su red cristalina extendida ni su geometría de coordinación.
La masa de carbono en 1000 ballenas es \[ \begin{aligned} m(\ce{C}) &=1000(9.1\times10^4\ \mathrm{kg})(0.18)\\ &=1.638\times10^7\ \mathrm{kg} =1.638\times10^{10}\ \mathrm{g}. \end{aligned} \]
Para alcanzar el máximo, todo el carbono de las ballenas se convierte en dióxido de carbono. Cada mol de carbono aporta un mol de dióxido de carbono: \[ n(\ce{CO2}) =\frac{1.638\times10^{10}\ \mathrm{g}} {12\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =1.365\times10^9\ \mathrm{mol}. \]
La ecuación de meteorización consume dos moles de dióxido de carbono por mol de silicato de calcio: \[ n(\ce{CaSiO3}) =\frac{1.365\times10^9}{2} =6.825\times10^8\ \mathrm{mol}. \]
Con \[ M(\ce{CaSiO3})=40+28+3(16)=116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \] la masa máxima meteorizada es \[ \begin{aligned} m(\ce{CaSiO3}) &=(6.825\times10^8\ \mathrm{mol})(116\ \mathrm{g\,mol^{-1}})\\ &=7.917\times10^{10}\ \mathrm{g}. \end{aligned} \]
Por lo tanto, \[ \boxed{m_{\max}(\ce{CaSiO3})\approx7.9\times10^{10}\ \mathrm{g}}. \]
La solución se comprobó con la solución oficial. Donde esta solución difiere de la solución oficial, la solución oficial contiene un error o una errata.
IChO 1992 · 理论题 1
硅藻、鲸与碳循环
硅藻是一类微小生物,是海洋中丰富的食物来源,它们通过光合作用由二氧化碳和水生成碳水化合物:

1.1 蓝鲸在出生后的前五年中以磷虾为食,每天体重增加 75 kg。蓝鲸每天必须摄食相当于这一增重量十倍的磷虾。磷虾每增加 1.0 kg 生物量,必须摄食 10.0 kg 硅藻。假设鲸在出生后最初几年的体重增加来自碳水化合物(\(\ce{C6H12O6}\))的摄入,计算硅藻为生产一头蓝鲸在出生后前五年所摄入的碳水化合物,必须利用多少体积的 \(\ce{CO2}\),体积按标准温度和压力(STP,0 °C、101 kPa)计算。
1.2 每升海水中溶解有 0.23 cm³ 的 \(\ce{CO2}\)(在 24 °C、101 kPa 下)。
i) 如果硅藻能够完全除去其所处理的水中的二氧化碳,那么,为生产一头蓝鲸在出生后前五年所需的碳水化合物,它们需要处理多少体积的水?
ii) 为供给 1000 头蓝鲸在出生后前五年生长所需的二氧化碳,需要的海水体积占海洋总体积的多大比例?海洋总体积为 \(1.37\times10^{18}\ \mathrm{m^3}\)。
1.3 一头质量为 \(9.1\times10^4\) kg 的成年鲸,其质量的百分之三为氮。当一头质量为 \(9.1\times10^4\) kg 的蓝鲸死亡时,最多有多少质量的 \(\ce{NH4+}\) 可供其他海洋生物利用?
1.4 一头质量为 \(9.1\times10^4\) kg 的鲸,其质量的百分之十八为碳。碳可作为 \(\ce{CO2}\) 返回大气,随后通过含硅酸钙岩石的风化作用从大气中移除。

1000 头蓝鲸(估计每年死亡的数量)分解产生的二氧化碳最多能使多少克 \(\ce{CaSiO3}\) 风化?
题目译自官方英文原文。
答案
- 1.1: 标准温度和压力下的二氧化碳体积为 \(\boxed{1.0\times10^7\ \mathrm{m^3}}\),相当于 \(1.0\times10^{10}\ \mathrm{L}\)。
- 1.2 i): 海水体积为 \(\boxed{4.9\times10^{10}\ \mathrm{m^3}}\),相当于 \(4.9\times10^{13}\ \mathrm{L}\)。
- 1.2 ii): 占海洋总体积的 \(\boxed{3.5\times10^{-5}}\),即约 \(0.0035\%\)。
- 1.3: \(\boxed{3.5\times10^3\ \mathrm{kg}}\) 铵离子,\(\ce{NH4+}\)。
- 1.4: \(\boxed{7.9\times10^{10}\ \mathrm{g}}\) 硅酸钙,\(\ce{CaSiO3}\)。
解答
取一年为 365 天,忽略闰日。使用理想气体状态方程,其中 \[ R=8.314\ \mathrm{L\,kPa\,mol^{-1}\,K^{-1}}. \] 中间计算值保留较多位数;最终结果舍入至约两位有效数字。
1.1 — 光合作用所需的二氧化碳
配平后的光合作用方程式为 \[ \ce{6CO2 + 6H2O ->[solar energy] C6H12O6 + 6O2}. \]
各物种分别为二氧化碳(O=C=O)、水(O)、葡萄糖等己糖类碳水化合物(表示开链连接关系的 SMILES 为 O=CC(O)C(O)C(O)C(O)CO)以及氧气(O=O)。该碳水化合物的立体化学未作指定,且不影响本计算。
蓝鲸每天摄食的磷虾质量为 \[ 10(75\ \mathrm{kg\,d^{-1}})=750\ \mathrm{kg\,d^{-1}}. \] 生产这些磷虾所需的硅藻质量为 \[ 750\ \mathrm{kg\,d^{-1}} \times\frac{10.0\ \mathrm{kg\ diatoms}}{1.0\ \mathrm{kg\ krill}} =7500\ \mathrm{kg\ diatoms\,d^{-1}}. \]
因此,根据题目关于碳水化合物质量核算的假设,五年内所需的碳水化合物质量为 \[ m(\ce{C6H12O6}) =(7500\ \mathrm{kg\,d^{-1}})(5\times365\ \mathrm{d}) =1.36875\times10^7\ \mathrm{kg}. \]
取 \(M(\ce{C6H12O6})=180\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\),且每摩尔碳水化合物需要六摩尔二氧化碳,得 \[ n(\ce{CO2}) =6\left(\frac{1.36875\times10^{10}\ \mathrm{g}} {180\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\right) =4.5625\times10^8\ \mathrm{mol}. \]
在 \(T=273.15\ \mathrm{K}\)、\(P=101\ \mathrm{kPa}\) 时, \[ \begin{aligned} V_0(\ce{CO2}) &=\frac{nRT}{P}\\ &=\frac{(4.5625\times10^8)(8.314)(273.15)}{101}\ \mathrm{L}\\ &=1.02587\times10^{10}\ \mathrm{L}. \end{aligned} \]
因此 \[ \boxed{V_0(\ce{CO2})\approx1.0\times10^7\ \mathrm{m^3}}. \]
1.2 i) — 处理的海水体积
溶解的二氧化碳含量以 \(24\,^\circ\mathrm{C}\) 下的气体体积表示,因此必须先将所需的二氧化碳体积换算到该温度。压力不变时, \[ \frac{V_{24}}{V_0}=\frac{297.15}{273.15}. \] 由此得 \[ V_{24} =(1.02587\times10^{10}\ \mathrm{L}) \frac{297.15}{273.15} =1.11601\times10^{10}\ \mathrm{L} =1.11601\times10^{13}\ \mathrm{cm^3}. \]
每升海水在这些条件下可提供 \(0.23\ \mathrm{cm^3}\) 的二氧化碳。因此,若将其中的二氧化碳完全提取,所需海水体积为 \[ \begin{aligned} V_{\text{海水}} &=\frac{1.11601\times10^{13}\ \mathrm{cm^3}} {0.23\ \mathrm{cm^3\,L^{-1}}}\\ &=4.85221\times10^{13}\ \mathrm{L}\\ &=4.85221\times10^{10}\ \mathrm{m^3}. \end{aligned} \]
因此 \[ \boxed{V_{\text{海水}}\approx4.9\times10^{10}\ \mathrm{m^3}}. \]
1.2 ii) — 1000 头鲸所需海水占海洋总体积的比例
使用 i) 部分中未舍入的海水体积, \[ f=\frac{1000(4.85221\times10^{10}\ \mathrm{m^3})} {1.37\times10^{18}\ \mathrm{m^3}} =3.54176\times10^{-5}. \]
因此 \[ \boxed{f\approx3.5\times10^{-5}}, \] 相当于海洋总体积的约 \(0.0035\%\)。
1.3 — 铵离子的最大质量
铵离子为 \(\ce{NH4+}\),其 SMILES 为 [NH4+]。
鲸体内所含氮的质量为 \[ m(\ce{N})=0.03(9.1\times10^4\ \mathrm{kg}) =2.73\times10^3\ \mathrm{kg} \] 。
当所有这些氮均转化为铵离子时,铵离子的质量达到最大值。每个铵离子含一个氮原子,因此 \[ n(\ce{NH4+})=n(\ce{N}). \] 取 \(M(\ce{N})=14\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) 及 \(M(\ce{NH4+})=18\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\),得 \[ m(\ce{NH4+}) =(2.73\times10^3\ \mathrm{kg})\frac{18}{14} =3.510\times10^3\ \mathrm{kg}. \]
结合进入铵离子的氢提供了增加的质量。因此 \[ \boxed{m_{\max}(\ce{NH4+})\approx3.5\times10^3\ \mathrm{kg}}. \]
1.4 — 可风化的硅酸钙的最大质量
配平后的风化反应方程式为 \[ \ce{CaSiO3(s) + 2CO2(g) + 3H2O(l) -> Ca^2+(aq) + 2HCO3^-(aq) + H4SiO4(aq)}. \]
水溶液中的产物为钙(II)离子([Ca+2])、碳酸氢根离子(又称重碳酸根离子,O=C(O)[O-])和正硅酸(O[Si](O)(O)O)。硅酸钙的形式化学式单位 SMILES 为 [Ca+2].[O-][Si](=O)[O-];它表示的是硅酸钙的组成,而非其延展的晶格或配位几何构型。
1000 头鲸体内的碳质量为 \[ \begin{aligned} m(\ce{C}) &=1000(9.1\times10^4\ \mathrm{kg})(0.18)\\ &=1.638\times10^7\ \mathrm{kg} =1.638\times10^{10}\ \mathrm{g}. \end{aligned} \]
当鲸体内所有的碳均转化为二氧化碳时,可风化的硅酸钙质量达到最大值。每摩尔碳可提供一摩尔二氧化碳: \[ n(\ce{CO2}) =\frac{1.638\times10^{10}\ \mathrm{g}} {12\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =1.365\times10^9\ \mathrm{mol}. \]
根据风化反应方程式,每摩尔硅酸钙消耗两摩尔二氧化碳: \[ n(\ce{CaSiO3}) =\frac{1.365\times10^9}{2} =6.825\times10^8\ \mathrm{mol}. \]
由 \[ M(\ce{CaSiO3})=40+28+3(16)=116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \] 可得可风化的最大质量为 \[ \begin{aligned} m(\ce{CaSiO3}) &=(6.825\times10^8\ \mathrm{mol})(116\ \mathrm{g\,mol^{-1}})\\ &=7.917\times10^{10}\ \mathrm{g}. \end{aligned} \]
因此 \[ \boxed{m_{\max}(\ce{CaSiO3})\approx7.9\times10^{10}\ \mathrm{g}}. \]
解答已与官方解答核对。本解答与官方解答不同之处,均为官方解答中的错误或印刷错误。
IChO 1992 · Теоретическая задача 1
Диатомовые водоросли, киты и круговорот углерода
Диатомовые водоросли — микроскопические организмы, служащие обильным источником пищи в океанах и образующие углеводы из углекислого газа и воды посредством фотосинтеза:

1.1 В течение первых пяти лет жизни синие киты, питаясь крилем, прибавляют в массе по 75 кг в день. Каждый день кит должен потреблять массу криля, в десять раз превышающую эту прибавку. Для образования 1.0 кг криля необходимо потребление им 10.0 кг диатомовых водорослей. Предполагая, что прибавка массы в первые годы жизни кита обусловлена потреблением углеводов (\(\ce{C6H12O6}\)), рассчитайте объём \(\ce{CO2}\) при стандартных условиях (0 °C, 101 кПа), который должен быть использован диатомовыми водорослями для образования углеводов, потребляемых синим китом за первые пять лет жизни.
1.2 В одном литре морской воды содержится 0.23 см³ растворённого \(\ce{CO2}\) (при 24 °C и 101 кПа).
i) Если диатомовые водоросли способны полностью извлекать углекислый газ из перерабатываемой ими воды, какой объём воды они должны переработать для образования углеводов, необходимых синему киту в течение первых пяти лет жизни?
ii) Какая доля общего объёма океанов потребуется для обеспечения углекислым газом роста 1000 синих китов в течение первых пяти лет жизни? Объём океанов составляет \(1.37\times10^{18}\ \mathrm{m^3}\).
1.3 Три процента массы взрослого кита массой \(9.1\times10^4\) кг составляет азот. Когда синий кит массой \(9.1\times10^4\) кг погибает, какая максимальная масса \(\ce{NH4+}\) может стать доступной другим морским организмам?
1.4 Восемнадцать процентов массы кита массой \(9.1\times10^4\) кг составляет углерод. Углерод может возвращаться в атмосферу в виде \(\ce{CO2}\), а затем удаляться из неё при выветривании горных пород, содержащих силикат кальция.

Какова максимальная масса \(\ce{CaSiO3}\) в граммах, которая может подвергнуться выветриванию под действием углекислого газа, образующегося при разложении 1000 синих китов — их предполагаемого числа, погибающего ежегодно?
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 1.1: \(\boxed{1.0\times10^7\ \mathrm{m^3}}\) углекислого газа при стандартных условиях, что эквивалентно \(1.0\times10^{10}\ \mathrm{L}\).
- 1.2 i): \(\boxed{4.9\times10^{10}\ \mathrm{m^3}}\) морской воды, что эквивалентно \(4.9\times10^{13}\ \mathrm{L}\).
- 1.2 ii): \(\boxed{3.5\times10^{-5}}\) объёма океанов, или приблизительно \(0.0035\%\).
- 1.3: \(\boxed{3.5\times10^3\ \mathrm{kg}}\) ионов аммония, \(\ce{NH4+}\).
- 1.4: \(\boxed{7.9\times10^{10}\ \mathrm{g}}\) силиката кальция, \(\ce{CaSiO3}\).
Решение
Примем продолжительность года равной 365 дням, пренебрегая дополнительными днями високосных лет. Используем уравнение состояния идеального газа с \[ R=8.314\ \mathrm{L\,kPa\,mol^{-1}\,K^{-1}}. \] В промежуточных значениях сохраняем дополнительные цифры; окончательные результаты округляем приблизительно до двух значащих цифр.
1.1 — Углекислый газ, необходимый для фотосинтеза
Уравнение фотосинтеза с расставленными коэффициентами имеет вид \[ \ce{6CO2 + 6H2O ->[solar energy] C6H12O6 + 6O2}. \]
Вещества в этом уравнении — углекислый газ (O=C=O), вода (O), углевод класса гексоз, например глюкоза (SMILES, описывающий связность атомов открытой цепи: O=CC(O)C(O)C(O)C(O)CO), и молекулярный кислород (O=O). Стереохимия углевода не задана и не влияет на этот расчёт.
Суточное потребление криля китом составляет \[ 10(75\ \mathrm{kg\,d^{-1}})=750\ \mathrm{kg\,d^{-1}}. \] Для образования этого количества криля требуется \[ 750\ \mathrm{kg\,d^{-1}} \times\frac{10.0\ \mathrm{kg\ diatoms}}{1.0\ \mathrm{kg\ krill}} =7500\ \mathrm{kg\ diatoms\,d^{-1}}. \]
Таким образом, при принятом в условии допущении об учёте массы в виде углеводов необходимая масса углеводов за пять лет равна \[ m(\ce{C6H12O6}) =(7500\ \mathrm{kg\,d^{-1}})(5\times365\ \mathrm{d}) =1.36875\times10^7\ \mathrm{kg}. \]
Используя \(M(\ce{C6H12O6})=180\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) и учитывая, что на один моль углевода требуется шесть молей углекислого газа, получаем \[ n(\ce{CO2}) =6\left(\frac{1.36875\times10^{10}\ \mathrm{g}} {180\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\right) =4.5625\times10^8\ \mathrm{mol}. \]
При \(T=273.15\ \mathrm{K}\) и \(P=101\ \mathrm{kPa}\) \[ \begin{aligned} V_0(\ce{CO2}) &=\frac{nRT}{P}\\ &=\frac{(4.5625\times10^8)(8.314)(273.15)}{101}\ \mathrm{L}\\ &=1.02587\times10^{10}\ \mathrm{L}. \end{aligned} \]
Следовательно, \[ \boxed{V_0(\ce{CO2})\approx1.0\times10^7\ \mathrm{m^3}}. \]
1.2 i) — Объём перерабатываемой морской воды
Содержание растворённого углекислого газа выражено как объём газа при \(24\,^\circ\mathrm{C}\), поэтому необходимый объём углекислого газа сначала нужно пересчитать на эту температуру. При неизменном давлении \[ \frac{V_{24}}{V_0}=\frac{297.15}{273.15}. \] Отсюда \[ V_{24} =(1.02587\times10^{10}\ \mathrm{L}) \frac{297.15}{273.15} =1.11601\times10^{10}\ \mathrm{L} =1.11601\times10^{13}\ \mathrm{cm^3}. \]
Каждый литр морской воды даёт \(0.23\ \mathrm{cm^3}\) углекислого газа при этих условиях. Поэтому при полном извлечении требуется \[ \begin{aligned} V_{\text{морская вода}} &=\frac{1.11601\times10^{13}\ \mathrm{cm^3}} {0.23\ \mathrm{cm^3\,L^{-1}}}\\ &=4.85221\times10^{13}\ \mathrm{L}\\ &=4.85221\times10^{10}\ \mathrm{m^3}. \end{aligned} \]
Следовательно, \[ \boxed{V_{\text{морская вода}}\approx4.9\times10^{10}\ \mathrm{m^3}}. \]
1.2 ii) — Доля объёма океанов для 1000 китов
Используя неокруглённый объём воды из пункта i), получаем \[ f=\frac{1000(4.85221\times10^{10}\ \mathrm{m^3})} {1.37\times10^{18}\ \mathrm{m^3}} =3.54176\times10^{-5}. \]
Таким образом, \[ \boxed{f\approx3.5\times10^{-5}}, \] что эквивалентно приблизительно \(0.0035\%\) объёма океанов.
1.3 — Максимальная масса ионов аммония
Ион аммония имеет формулу \(\ce{NH4+}\), SMILES [NH4+].
В организме кита содержится \[ m(\ce{N})=0.03(9.1\times10^4\ \mathrm{kg}) =2.73\times10^3\ \mathrm{kg} \] азота.
Максимум достигается, когда весь этот азот переходит в ионы аммония. Каждый ион аммония содержит один атом азота, поэтому \[ n(\ce{NH4+})=n(\ce{N}). \] Используя \(M(\ce{N})=14\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) и \(M(\ce{NH4+})=18\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), получаем \[ m(\ce{NH4+}) =(2.73\times10^3\ \mathrm{kg})\frac{18}{14} =3.510\times10^3\ \mathrm{kg}. \]
Дополнительная масса обусловлена водородом, входящим в состав ионов аммония. Следовательно, \[ \boxed{m_{\max}(\ce{NH4+})\approx3.5\times10^3\ \mathrm{kg}}. \]
1.4 — Максимальная масса силиката кальция, подвергающегося выветриванию
Уравнение реакции выветривания с расставленными коэффициентами имеет вид \[ \ce{CaSiO3(s) + 2CO2(g) + 3H2O(l) -> Ca^2+(aq) + 2HCO3^-(aq) + H4SiO4(aq)}. \]
Продуктами реакции в водном растворе являются ионы кальция(II) ([Ca+2]), гидрокарбонат-ионы, или бикарбонат-ионы (O=C(O)[O-]), и ортокремниевая кислота (O[Si](O)(O)O). Формальная запись SMILES для формульной единицы силиката кальция — [Ca+2].[O-][Si](=O)[O-]; она отражает его состав, а не протяжённую кристаллическую решётку или координационную геометрию.
Масса углерода в 1000 китах составляет \[ \begin{aligned} m(\ce{C}) &=1000(9.1\times10^4\ \mathrm{kg})(0.18)\\ &=1.638\times10^7\ \mathrm{kg} =1.638\times10^{10}\ \mathrm{g}. \end{aligned} \]
Для достижения максимума весь углерод, содержащийся в китах, должен превратиться в углекислый газ. Каждый моль углерода даёт один моль углекислого газа: \[ n(\ce{CO2}) =\frac{1.638\times10^{10}\ \mathrm{g}} {12\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =1.365\times10^9\ \mathrm{mol}. \]
Согласно уравнению выветривания, на один моль силиката кальция расходуется два моля углекислого газа: \[ n(\ce{CaSiO3}) =\frac{1.365\times10^9}{2} =6.825\times10^8\ \mathrm{mol}. \]
При \[ M(\ce{CaSiO3})=40+28+3(16)=116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \] максимальная масса, подвергающаяся выветриванию, равна \[ \begin{aligned} m(\ce{CaSiO3}) &=(6.825\times10^8\ \mathrm{mol})(116\ \mathrm{g\,mol^{-1}})\\ &=7.917\times10^{10}\ \mathrm{g}. \end{aligned} \]
Таким образом, \[ \boxed{m_{\max}(\ce{CaSiO3})\approx7.9\times10^{10}\ \mathrm{g}}. \]
Решение проверено по официальному решению. Там, где это решение расходится с официальным, в официальном решении есть ошибка или опечатка.
IChO 1992 · مسألة نظرية 1
الدياتومات والحيتان ودورة الكربون
الدياتومات كائنات مجهرية تُعدّ مصدرًا وفيرًا للغذاء في المحيطات، وتنتج الكربوهيدرات من ثاني أكسيد الكربون والماء بعملية البناء الضوئي:

1.1 خلال السنوات الخمس الأولى من حياتها، تزداد كتلة الحيتان الزرقاء بمقدار 75 kg يوميًا بتغذّيها على الكريل. ويجب أن يستهلك الحوت كل يوم كتلة من الكريل تساوي عشرة أمثال هذه الزيادة. ويجب أن يستهلك الكريل 10.0 kg من الدياتومات لإنتاج 1.0 kg من الكريل. بافتراض أن الزيادة في كتلة الحوت في السنوات الأولى من حياته تعود إلى استهلاك الكربوهيدرات (\(\ce{C6H12O6}\))، احسب حجم \(\ce{CO2}\) عند الظروف القياسية لدرجة الحرارة والضغط (STP؛ 0 °C، 101 kPa) الذي يجب أن تستخدمه الدياتومات لإنتاج الكربوهيدرات التي يستهلكها حوت أزرق خلال السنوات الخمس الأولى من حياته.
1.2 يحتوي كل لتر من ماء البحر على 0.23 cm³ من \(\ce{CO2}\) المذاب (عند 24 °C و101 kPa).
i) إذا كانت الدياتومات قادرة على إزالة ثاني أكسيد الكربون بالكامل من الماء الذي تعالجه، فما حجم الماء الذي ستعالجه لإنتاج الكربوهيدرات اللازمة لحوت أزرق خلال السنوات الخمس الأولى من حياته؟
ii) ما الكسر من الحجم الكلي للمحيطات اللازم لتوفير ثاني أكسيد الكربون لنمو 1000 حوت أزرق خلال السنوات الخمس الأولى من حياتها؟ حجم المحيطات هو \(1.37\times10^{18}\ \mathrm{m^3}\).
1.3 يشكّل النيتروجين ثلاثة بالمئة من كتلة حوت بالغ كتلته \(9.1\times10^4\) kg. عندما يموت حوت أزرق كتلته \(9.1\times10^4\) kg، ما الكتلة القصوى من \(\ce{NH4+}\) التي يمكن أن تصبح متاحة للكائنات البحرية الأخرى؟
1.4 يشكّل الكربون ثمانية عشر بالمئة من كتلة حوت كتلته \(9.1\times10^4\) kg. ويمكن أن يعود الكربون إلى الغلاف الجوي على هيئة \(\ce{CO2}\)، ثم يُزال من الغلاف الجوي بفعل تجوية الصخور المحتوية على سيليكات الكالسيوم.

ما أقصى عدد من غرامات \(\ce{CaSiO3}\) التي يمكن أن تتعرض للتجوية بفعل ثاني أكسيد الكربون الناتج عن تحلل 1000 حوت أزرق، وهو العدد المقدَّر للحيتان التي تموت سنويًا؟
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 1.1: \(\boxed{1.0\times10^7\ \mathrm{m^3}}\) من ثاني أكسيد الكربون عند الظروف القياسية لدرجة الحرارة والضغط، وهو ما يعادل \(1.0\times10^{10}\ \mathrm{L}\).
- 1.2 i): \(\boxed{4.9\times10^{10}\ \mathrm{m^3}}\) من ماء البحر، وهو ما يعادل \(4.9\times10^{13}\ \mathrm{L}\).
- 1.2 ii): \(\boxed{3.5\times10^{-5}}\) من حجم المحيطات، أي نحو \(0.0035\%\).
- 1.3: \(\boxed{3.5\times10^3\ \mathrm{kg}}\) من أيونات الأمونيوم، \(\ce{NH4+}\).
- 1.4: \(\boxed{7.9\times10^{10}\ \mathrm{g}}\) من سيليكات الكالسيوم، \(\ce{CaSiO3}\).
الحل
نعتبر السنة 365 يومًا، مع إهمال الأيام الكبيسة. ونستخدم قانون الغاز المثالي مع \[ R=8.314\ \mathrm{L\,kPa\,mol^{-1}\,K^{-1}}. \] نحتفظ بأرقام إضافية في القيم الوسيطة؛ ونقرّب النتائج النهائية إلى نحو رقمين معنويين.
1.1 — ثاني أكسيد الكربون اللازم للبناء الضوئي
معادلة البناء الضوئي الموزونة هي \[ \ce{6CO2 + 6H2O ->[solar energy] C6H12O6 + 6O2}. \]
الأنواع الكيميائية هي ثاني أكسيد الكربون (O=C=O)، والماء (O)، وكربوهيدرات من السكريات السداسية مثل الغلوكوز (تمثيل SMILES لترابط الذرات في السلسلة المفتوحة O=CC(O)C(O)C(O)C(O)CO)، وثنائي الأكسجين (O=O). والكيمياء الفراغية للكربوهيدرات غير محددة ولا تؤثر في هذا الحساب.
استهلاك الحوت اليومي من الكريل هو \[ 10(75\ \mathrm{kg\,d^{-1}})=750\ \mathrm{kg\,d^{-1}}. \] ويتطلب إنتاج هذه الكمية من الكريل \[ 750\ \mathrm{kg\,d^{-1}} \times\frac{10.0\ \mathrm{kg\ diatoms}}{1.0\ \mathrm{kg\ krill}} =7500\ \mathrm{kg\ diatoms\,d^{-1}}. \]
وبناءً على افتراض المسألة بشأن احتساب كتلة الكربوهيدرات، فإن كتلة الكربوهيدرات اللازمة على مدى خمس سنوات هي إذن \[ m(\ce{C6H12O6}) =(7500\ \mathrm{kg\,d^{-1}})(5\times365\ \mathrm{d}) =1.36875\times10^7\ \mathrm{kg}. \]
باستخدام \(M(\ce{C6H12O6})=180\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)، وستة مولات من ثاني أكسيد الكربون لكل مول من الكربوهيدرات، \[ n(\ce{CO2}) =6\left(\frac{1.36875\times10^{10}\ \mathrm{g}} {180\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\right) =4.5625\times10^8\ \mathrm{mol}. \]
عند \(T=273.15\ \mathrm{K}\) و\(P=101\ \mathrm{kPa}\)، \[ \begin{aligned} V_0(\ce{CO2}) &=\frac{nRT}{P}\\ &=\frac{(4.5625\times10^8)(8.314)(273.15)}{101}\ \mathrm{L}\\ &=1.02587\times10^{10}\ \mathrm{L}. \end{aligned} \]
إذن \[ \boxed{V_0(\ce{CO2})\approx1.0\times10^7\ \mathrm{m^3}}. \]
1.2 i) — ماء البحر المُعالَج
يُعبَّر عن محتوى ثاني أكسيد الكربون المذاب بحجم الغاز عند \(24\,^\circ\mathrm{C}\)، لذا يجب أولًا تحويل حجم ثاني أكسيد الكربون اللازم إلى حجمه عند درجة الحرارة تلك. وعند ثبات الضغط، \[ \frac{V_{24}}{V_0}=\frac{297.15}{273.15}. \] ومن ثم \[ V_{24} =(1.02587\times10^{10}\ \mathrm{L}) \frac{297.15}{273.15} =1.11601\times10^{10}\ \mathrm{L} =1.11601\times10^{13}\ \mathrm{cm^3}. \]
يوفّر كل لتر من ماء البحر \(0.23\ \mathrm{cm^3}\) من ثاني أكسيد الكربون عند هذه الظروف. ولذلك يتطلب الاستخلاص الكامل \[ \begin{aligned} V_{\text{ماء البحر}} &=\frac{1.11601\times10^{13}\ \mathrm{cm^3}} {0.23\ \mathrm{cm^3\,L^{-1}}}\\ &=4.85221\times10^{13}\ \mathrm{L}\\ &=4.85221\times10^{10}\ \mathrm{m^3}. \end{aligned} \]
إذن \[ \boxed{V_{\text{ماء البحر}}\approx4.9\times10^{10}\ \mathrm{m^3}}. \]
1.2 ii) — الكسر من حجم المحيطات اللازم لـ1000 حوت
باستخدام حجم الماء غير المقرَّب من الجزء i)، \[ f=\frac{1000(4.85221\times10^{10}\ \mathrm{m^3})} {1.37\times10^{18}\ \mathrm{m^3}} =3.54176\times10^{-5}. \]
وعليه \[ \boxed{f\approx3.5\times10^{-5}}, \] وهو ما يعادل نحو \(0.0035\%\) من حجم المحيطات.
1.3 — الكتلة القصوى للأمونيوم
أيون الأمونيوم هو \(\ce{NH4+}\)، وتمثيله بصيغة SMILES هو [NH4+].
يحتوي الحوت على \[ m(\ce{N})=0.03(9.1\times10^4\ \mathrm{kg}) =2.73\times10^3\ \mathrm{kg} \] من النيتروجين.
تتحقق القيمة القصوى عندما يتحول كل هذا النيتروجين إلى أمونيوم. ويحتوي كل أيون أمونيوم على ذرة نيتروجين واحدة، لذا \[ n(\ce{NH4+})=n(\ce{N}). \] باستخدام \(M(\ce{N})=14\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) و \(M(\ce{NH4+})=18\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)، \[ m(\ce{NH4+}) =(2.73\times10^3\ \mathrm{kg})\frac{18}{14} =3.510\times10^3\ \mathrm{kg}. \]
يسهم الهيدروجين الداخل في تكوين الأمونيوم بالكتلة الإضافية. إذن \[ \boxed{m_{\max}(\ce{NH4+})\approx3.5\times10^3\ \mathrm{kg}}. \]
1.4 — الكمية القصوى من سيليكات الكالسيوم التي تتعرض للتجوية
تفاعل التجوية الموزون هو \[ \ce{CaSiO3(s) + 2CO2(g) + 3H2O(l) -> Ca^2+(aq) + 2HCO3^-(aq) + H4SiO4(aq)}. \]
النواتج في المحلول المائي هي أيونات الكالسيوم(II) ([Ca+2])، وأيونات هيدروجين الكربونات أو البيكربونات (O=C(O)[O-])، وحمض الأورثوسيليسيك (O[Si](O)(O)O). والتمثيل الشكلي لوحدة الصيغة لسيليكات الكالسيوم بصيغة SMILES هو [Ca+2].[O-][Si](=O)[O-]؛ وهو يمثّل تركيبها، لا شبكتها البلورية الممتدة ولا هندستها التناسقية.
كتلة الكربون في 1000 حوت هي \[ \begin{aligned} m(\ce{C}) &=1000(9.1\times10^4\ \mathrm{kg})(0.18)\\ &=1.638\times10^7\ \mathrm{kg} =1.638\times10^{10}\ \mathrm{g}. \end{aligned} \]
لبلوغ القيمة القصوى، يتحول كل الكربون الموجود في الحيتان إلى ثاني أكسيد الكربون. ويعطي كل مول من الكربون مولًا واحدًا من ثاني أكسيد الكربون: \[ n(\ce{CO2}) =\frac{1.638\times10^{10}\ \mathrm{g}} {12\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =1.365\times10^9\ \mathrm{mol}. \]
تستهلك معادلة التجوية مولين من ثاني أكسيد الكربون لكل مول من سيليكات الكالسيوم: \[ n(\ce{CaSiO3}) =\frac{1.365\times10^9}{2} =6.825\times10^8\ \mathrm{mol}. \]
وبما أن \[ M(\ce{CaSiO3})=40+28+3(16)=116\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \] فإن الكتلة القصوى التي تتعرض للتجوية هي \[ \begin{aligned} m(\ce{CaSiO3}) &=(6.825\times10^8\ \mathrm{mol})(116\ \mathrm{g\,mol^{-1}})\\ &=7.917\times10^{10}\ \mathrm{g}. \end{aligned} \]
وعليه \[ \boxed{m_{\max}(\ce{CaSiO3})\approx7.9\times10^{10}\ \mathrm{g}}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي. حيثما يختلف هذا الحل عن الحل الرسمي، يحتوي الحل الرسمي على خطأ أو خطأ مطبعي.