IChO 1997 · Theory problem 8
Electrodeposition of copper monolayers on Pt(100)
An electrolyte is prepared from \(\ce{H2SO4}\), \(\ce{CuSO4}\) and distilled water and its volume is \(100.0\ \mathrm{cm^3}\). The concentrations of \(\ce{H+}\) and \(\ce{Cu^2+}\) in the electrolyte are \(c(\ce{H+}) = 1.000\ \mathrm{M}\) \((\mathrm{mol\ dm^{-3}})\) and \(c(\ce{Cu^2+}) = 1.000\times10^{-2}\ \mathrm{M}\) \((\mathrm{mol\ dm^{-3}})\), respectively. Two cubic platinum electrodes are immersed in the electrolyte. Both of the electrodes are single crystals with only one face (100) exposed to the electrolyte (the other five faces are blocked physically by an insulator which is stable in the electrolyte). The exposed surface area of each electrode is equal to \(1.000\ \mathrm{cm^2}\). During an electrolysis a total charge of \(2.0000\ \mathrm{C}\) is passed between the cathode and the anode. At the cathode, two simultaneous processes are occurring: deposition of an epitaxial (layer-by-layer) \(\ce{Cu}\) layer and \(\ce{H2}\) gas generation. At the anode, \(\ce{O2}\) gas is generated. The \(\ce{H2}\) gas is collected in a flask under the following conditions (assume ideal gas behaviour):
\(T = 273.15\ \mathrm{K}\) and \(P(\ce{H2}) = 1.01325\times10^4\ \mathrm{Pa}\); the volume of \(\ce{H2}\) is equal to \(2.0000\ \mathrm{cm^3}\)
8.1 Write equations of the processes taking place at the electrodes.
8.2 Calculate the number of moles of \(\ce{H2}\) gas generated at the cathode and the number of moles of \(\ce{Cu}\) deposited on the electrode.
8.3 Calculate the number of \(\ce{Cu}\) monolayers formed on the \(\ce{Pt}\) (100) cathode.
Note that the lattice constant of \(\ce{Pt}\) is \(a(\ce{Pt}) = 3.9236\times10^{-8}\ \mathrm{cm}\).
Both \(\ce{Pt}\) and \(\ce{Cu}\) have the fcc (face centred cubic) crystallographic structure.
Molar masses and constants:
\(M(\ce{H}) = 1.00795\ \mathrm{g\ mol^{-1}}\)
\(M(\ce{Cu}) = 63.546\ \mathrm{g\ mol^{-1}}\)
\(e = 1.60218\times10^{-19}\ \mathrm{C}\)
\(F = 96485.3\ \mathrm{C\ mol^{-1}}\)
\(R = 8.314510\ \mathrm{J\ K^{-1}\ mol^{-1}} = 0.0820584\ \mathrm{L\ atm\ K^{-1}\ mol^{-1}}\)
\(V_m = 22.4141\ \mathrm{dm^3}\)
\(1\ \mathrm{atm} = 1.01325\times10^5\ \mathrm{Pa}\)
\(N_{\mathrm A} = 6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\)
Official English text of the problem.
Answers
-
8.1 Cathode: \[ \ce{Cu^2+(aq) + 2e- -> Cu(s)} \] \[ \ce{2H+(aq) + 2e- -> H2(g)} \] Anode: \[ \ce{2H2O(l) -> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-} \] The molecular and ionic species are copper(II) ion
[Cu+2], hydrogen ion[H+], molecular hydrogen[H][H], waterO, and molecular oxygenO=O. -
8.2 \[ \boxed{n(\ce{H2})=8.9230\times10^{-6}\ \mathrm{mol}}, \qquad \boxed{n(\ce{Cu})=1.441\times10^{-6}\ \mathrm{mol}}. \]
-
8.3 \[ \boxed{L=6.681\times10^2\ \text{monolayers}\approx668\ \text{monolayers}}. \]
Solution
8.1
Reduction occurs at the cathode. Copper(II) ions gain two electrons per ion, changing the copper oxidation state from \(+2\) to \(0\) and depositing copper metal:
\[ \ce{Cu^2+(aq) + 2e- -> Cu(s)}. \]
Simultaneously, hydrogen ions are reduced to molecular hydrogen. Two hydrogen ions require two electrons to form one molecule:
\[ \ce{2H+(aq) + 2e- -> H2(g)}. \]
Oxidation occurs at the anode. Water supplies the oxygen evolved; oxygen changes from oxidation state \(-2\) in water to \(0\) in molecular oxygen. Balancing atoms and charge in the acidic electrolyte gives:
\[ \ce{2H2O(l) -> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-}. \]
8.2
The stated hydrogen pressure is \(1.01325\times10^4\ \mathrm{Pa}\), corresponding to \(0.100000\ \mathrm{atm}\). Convert the gas volume to SI units:
\[ V=2.0000\ \mathrm{cm^3}=2.0000\times10^{-6}\ \mathrm{m^3}. \]
Using the ideal-gas equation,
\[ \begin{aligned} n(\ce{H2}) &=\frac{PV}{RT}\\ &=\frac{(1.01325\times10^4\ \mathrm{Pa}) (2.0000\times10^{-6}\ \mathrm{m^3})} {(8.314510\ \mathrm{J\ K^{-1}\ mol^{-1}}) (273.15\ \mathrm{K})}\\ &=8.9229558\times10^{-6}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
Here \(\mathrm{Pa\,m^3}=\mathrm{J}\), so the resulting unit is moles. Therefore,
\[ \boxed{n(\ce{H2})=8.9230\times10^{-6}\ \mathrm{mol}}. \]
Each mole of hydrogen and each mole of deposited copper consumes two moles of electrons. Consequently, the cathodic charge balance is
\[ Q=2F\,n(\ce{H2})+2F\,n(\ce{Cu}). \]
The anode carries the same total charge; its charge is not an additional contribution to this cathodic balance. Thus,
\[ \begin{aligned} n(\ce{Cu}) &=\frac{Q}{2F}-n(\ce{H2})\\ &=\frac{2.0000\ \mathrm{C}} {2(96485.3\ \mathrm{C\ mol^{-1}})} -8.9229558\times10^{-6}\ \mathrm{mol}\\ &=1.4413173\times10^{-6}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
Rounding after the subtraction gives
\[ \boxed{n(\ce{Cu})=1.441\times10^{-6}\ \mathrm{mol}}. \]
As a consistency check, the initial amount of copper(II) ions is
\[ (1.000\times10^{-2}\ \mathrm{mol\ dm^{-3}}) (0.1000\ \mathrm{dm^3}) =1.000\times10^{-3}\ \mathrm{mol}, \]
which is more than sufficient for this deposit.
8.3
In the epitaxial layer model of the problem, a copper monolayer occupies the surface sites of the \(\ce{Pt}\)(100) lattice.
Consider a square of side \(a\) on an fcc (100) face. It contains four corner atoms, each shared among four such squares, and one face-centre atom lying entirely within the square. The number of atoms per square is therefore
\[ 4\left(\frac14\right)+1=2. \]
Hence the surface atomic density is
\[ \sigma_{(100)} =\frac{2}{a^2} =\frac{2}{(3.9236\times10^{-8}\ \mathrm{cm})^2} =1.2991537\times10^{15}\ \mathrm{atoms\ cm^{-2}}. \]
Only the exposed cathode face receives the copper deposit. For its area \(A=1.000\ \mathrm{cm^2}\), one complete monolayer contains
\[ N_1=\sigma_{(100)}A =1.2991537\times10^{15}\ \text{atoms}. \]
The total number of deposited copper atoms, retaining the unrounded mole calculation, is
\[ \begin{aligned} N_{\mathrm{dep}} &=n(\ce{Cu})N_{\mathrm A}\\ &=(1.4413173\times10^{-6}\ \mathrm{mol}) (6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}})\\ &=8.6798144\times10^{17}\ \text{atoms}. \end{aligned} \]
Thus the deposit expressed in monolayers is
\[ L=\frac{N_{\mathrm{dep}}}{N_1} =\frac{n(\ce{Cu})N_{\mathrm A}a^2}{2A} =668.11296. \]
Therefore,
\[ \boxed{L=6.681\times10^2\ \text{monolayers}\approx668\ \text{monolayers}}. \]
The fcc lattice and its (100) orientation describe an extended metallic crystal; molecular SMILES do not encode this surface geometry.
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 1997 · Theorieaufgabe 8
Elektrolytische Abscheidung von Kupfermonolagen auf Pt(100)
Ein Elektrolyt wird aus \(\ce{H2SO4}\), \(\ce{CuSO4}\) und destilliertem Wasser hergestellt; sein Volumen beträgt \(100.0\ \mathrm{cm^3}\). Die Konzentrationen von \(\ce{H+}\) und \(\ce{Cu^2+}\) im Elektrolyten betragen \(c(\ce{H+}) = 1.000\ \mathrm{M}\) \((\mathrm{mol\ dm^{-3}})\) bzw. \(c(\ce{Cu^2+}) = 1.000\times10^{-2}\ \mathrm{M}\) \((\mathrm{mol\ dm^{-3}})\). Zwei würfelförmige Platinelektroden werden in den Elektrolyten eingetaucht. Beide Elektroden sind Einkristalle, bei denen jeweils nur eine (100)-Fläche dem Elektrolyten ausgesetzt ist (die anderen fünf Flächen sind durch einen im Elektrolyten beständigen Isolator physisch abgedeckt). Die freiliegende Oberfläche jeder Elektrode beträgt \(1.000\ \mathrm{cm^2}\). Während einer Elektrolyse fließt zwischen Kathode und Anode eine Gesamtladung von \(2.0000\ \mathrm{C}\). An der Kathode laufen zwei Prozesse gleichzeitig ab: die Abscheidung einer epitaktischen (lageweise wachsenden) \(\ce{Cu}\)-Schicht und die Entwicklung von \(\ce{H2}\)-Gas. An der Anode wird \(\ce{O2}\)-Gas entwickelt. Das \(\ce{H2}\)-Gas wird unter den folgenden Bedingungen in einem Kolben aufgefangen (nehmen Sie ideales Gasverhalten an):
\(T = 273.15\ \mathrm{K}\) und \(P(\ce{H2}) = 1.01325\times10^4\ \mathrm{Pa}\); das Volumen von \(\ce{H2}\) beträgt \(2.0000\ \mathrm{cm^3}\)
8.1 Geben Sie die Gleichungen der an den Elektroden ablaufenden Prozesse an.
8.2 Berechnen Sie die Stoffmenge des an der Kathode entwickelten \(\ce{H2}\)-Gases und die Stoffmenge des auf der Elektrode abgeschiedenen \(\ce{Cu}\).
8.3 Berechnen Sie die Anzahl der auf der \(\ce{Pt}\)-(100)-Kathode gebildeten \(\ce{Cu}\)-Monolagen.
Beachten Sie, dass die Gitterkonstante von \(\ce{Pt}\) \(a(\ce{Pt}) = 3.9236\times10^{-8}\ \mathrm{cm}\) beträgt.
Sowohl \(\ce{Pt}\) als auch \(\ce{Cu}\) besitzen eine kubisch flächenzentrierte Kristallstruktur (fcc).
Molare Massen und Konstanten:
\(M(\ce{H}) = 1.00795\ \mathrm{g\ mol^{-1}}\)
\(M(\ce{Cu}) = 63.546\ \mathrm{g\ mol^{-1}}\)
\(e = 1.60218\times10^{-19}\ \mathrm{C}\)
\(F = 96485.3\ \mathrm{C\ mol^{-1}}\)
\(R = 8.314510\ \mathrm{J\ K^{-1}\ mol^{-1}} = 0.0820584\ \mathrm{L\ atm\ K^{-1}\ mol^{-1}}\)
\(V_m = 22.4141\ \mathrm{dm^3}\)
\(1\ \mathrm{atm} = 1.01325\times10^5\ \mathrm{Pa}\)
\(N_{\mathrm A} = 6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\)
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
-
8.1 Kathode: \[ \ce{Cu^2+(aq) + 2e- -> Cu(s)} \] \[ \ce{2H+(aq) + 2e- -> H2(g)} \] Anode: \[ \ce{2H2O(l) -> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-} \] Die molekularen und ionischen Spezies sind das Kupfer(II)-Ion
[Cu+2], das Wasserstoffion[H+], molekularer Wasserstoff[H][H], WasserOund molekularer SauerstoffO=O. -
8.2 \[ \boxed{n(\ce{H2})=8.9230\times10^{-6}\ \mathrm{mol}}, \qquad \boxed{n(\ce{Cu})=1.441\times10^{-6}\ \mathrm{mol}}. \]
-
8.3 \[ \boxed{L=6.681\times10^2\ \text{Monolagen}\approx668\ \text{Monolagen}}. \]
Lösung
8.1
An der Kathode findet eine Reduktion statt. Kupfer(II)-Ionen nehmen pro Ion zwei Elektronen auf, wodurch sich die Oxidationszahl des Kupfers von \(+2\) auf \(0\) ändert und metallisches Kupfer abgeschieden wird:
\[ \ce{Cu^2+(aq) + 2e- -> Cu(s)}. \]
Gleichzeitig werden Wasserstoffionen zu molekularem Wasserstoff reduziert. Zwei Wasserstoffionen benötigen zwei Elektronen, um ein Molekül zu bilden:
\[ \ce{2H+(aq) + 2e- -> H2(g)}. \]
An der Anode findet eine Oxidation statt. Der freigesetzte Sauerstoff stammt aus dem Wasser; seine Oxidationszahl ändert sich von \(-2\) im Wasser auf \(0\) im molekularen Sauerstoff. Der Ausgleich der Atome und der Ladung im sauren Elektrolyten ergibt:
\[ \ce{2H2O(l) -> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-}. \]
8.2
Der angegebene Wasserstoffdruck beträgt \(1.01325\times10^4\ \mathrm{Pa}\), was \(0.100000\ \mathrm{atm}\) entspricht. Das Gasvolumen wird in SI-Einheiten umgerechnet:
\[ V=2.0000\ \mathrm{cm^3}=2.0000\times10^{-6}\ \mathrm{m^3}. \]
Mit der idealen Gasgleichung ergibt sich:
\[ \begin{aligned} n(\ce{H2}) &=\frac{PV}{RT}\\ &=\frac{(1.01325\times10^4\ \mathrm{Pa}) (2.0000\times10^{-6}\ \mathrm{m^3})} {(8.314510\ \mathrm{J\ K^{-1}\ mol^{-1}}) (273.15\ \mathrm{K})}\\ &=8.9229558\times10^{-6}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
Dabei gilt \(\mathrm{Pa\,m^3}=\mathrm{J}\), sodass sich als Einheit Mol ergibt. Somit gilt:
\[ \boxed{n(\ce{H2})=8.9230\times10^{-6}\ \mathrm{mol}}. \]
Für jedes Mol Wasserstoff und jedes Mol abgeschiedenes Kupfer werden zwei Mol Elektronen verbraucht. Folglich lautet die kathodische Ladungsbilanz:
\[ Q=2F\,n(\ce{H2})+2F\,n(\ce{Cu}). \]
Durch die Anode fließt dieselbe Gesamtladung; ihre Ladung stellt keinen zusätzlichen Beitrag zu dieser kathodischen Bilanz dar. Somit gilt:
\[ \begin{aligned} n(\ce{Cu}) &=\frac{Q}{2F}-n(\ce{H2})\\ &=\frac{2.0000\ \mathrm{C}} {2(96485.3\ \mathrm{C\ mol^{-1}})} -8.9229558\times10^{-6}\ \mathrm{mol}\\ &=1.4413173\times10^{-6}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
Durch Runden nach der Subtraktion erhält man:
\[ \boxed{n(\ce{Cu})=1.441\times10^{-6}\ \mathrm{mol}}. \]
Zur Überprüfung der Konsistenz wird die anfängliche Stoffmenge an Kupfer(II)-Ionen berechnet:
\[ (1.000\times10^{-2}\ \mathrm{mol\ dm^{-3}}) (0.1000\ \mathrm{dm^3}) =1.000\times10^{-3}\ \mathrm{mol}, \]
was für diese Abscheidung mehr als ausreichend ist.
8.3
Im epitaktischen Schichtmodell der Aufgabe besetzt eine Kupfermonolage die Oberflächenplätze des \(\ce{Pt}\)(100)-Gitters.
Betrachtet wird ein Quadrat mit der Seitenlänge \(a\) auf einer fcc-(100)-Fläche. Es enthält vier Eckatome, die jeweils vier solchen Quadraten gemeinsam angehören, und ein Atom im Flächenzentrum, das vollständig innerhalb des Quadrats liegt. Die Anzahl der Atome pro Quadrat beträgt daher:
\[ 4\left(\frac14\right)+1=2. \]
Damit ergibt sich für die Flächendichte der Atome:
\[ \sigma_{(100)} =\frac{2}{a^2} =\frac{2}{(3.9236\times10^{-8}\ \mathrm{cm})^2} =1.2991537\times10^{15}\ \mathrm{atoms\ cm^{-2}}. \]
Nur auf der freiliegenden Kathodenfläche wird Kupfer abgeschieden. Für ihren Flächeninhalt \(A=1.000\ \mathrm{cm^2}\) enthält eine vollständige Monolage:
\[ N_1=\sigma_{(100)}A =1.2991537\times10^{15}\ \text{Atome}. \]
Die Gesamtzahl der abgeschiedenen Kupferatome beträgt unter Verwendung des ungerundeten Ergebnisses der Stoffmengenberechnung:
\[ \begin{aligned} N_{\mathrm{dep}} &=n(\ce{Cu})N_{\mathrm A}\\ &=(1.4413173\times10^{-6}\ \mathrm{mol}) (6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}})\\ &=8.6798144\times10^{17}\ \text{Atome}. \end{aligned} \]
Damit ergibt sich die abgeschiedene Menge, ausgedrückt in Monolagen, zu:
\[ L=\frac{N_{\mathrm{dep}}}{N_1} =\frac{n(\ce{Cu})N_{\mathrm A}a^2}{2A} =668.11296. \]
Somit gilt:
\[ \boxed{L=6.681\times10^2\ \text{Monolagen}\approx668\ \text{Monolagen}}. \]
Das fcc-Gitter und seine (100)-Orientierung beschreiben einen ausgedehnten metallischen Kristall; molekulare SMILES codieren diese Oberflächengeometrie nicht.
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 1997 · Teori sorusu 8
Pt(100) üzerinde bakır tek tabakalarının elektrokimyasal biriktirilmesi
\(\ce{H2SO4}\), \(\ce{CuSO4}\) ve damıtık sudan bir elektrolit hazırlanmıştır ve hacmi \(100.0\ \mathrm{cm^3}\) tür. Elektrolitteki \(\ce{H+}\) ve \(\ce{Cu^2+}\) derişimleri sırasıyla \(c(\ce{H+}) = 1.000\ \mathrm{M}\) \((\mathrm{mol\ dm^{-3}})\) ve \(c(\ce{Cu^2+}) = 1.000\times10^{-2}\ \mathrm{M}\) \((\mathrm{mol\ dm^{-3}})\) dir. Elektrolite küp biçiminde iki platin elektrot daldırılmıştır. Her iki elektrot da yalnızca bir (100) yüzü elektrolitle temas eden tek kristallerdir (diğer beş yüz, elektrolitte kararlı olan bir yalıtkanla fiziksel olarak kapatılmıştır). Her bir elektrodun elektrolitle temas eden yüzey alanı \(1.000\ \mathrm{cm^2}\) ye eşittir. Elektroliz sırasında katot ile anot arasından toplam \(2.0000\ \mathrm{C}\) yük geçirilir. Katotta eş zamanlı iki süreç gerçekleşir: epitaksiyel (tabaka tabaka) bir \(\ce{Cu}\) tabakasının birikmesi ve \(\ce{H2}\) gazı oluşumu. Anotta \(\ce{O2}\) gazı oluşur. \(\ce{H2}\) gazı aşağıdaki koşullarda bir balonda toplanır (ideal gaz davranışı varsayınız):
\(T = 273.15\ \mathrm{K}\) ve \(P(\ce{H2}) = 1.01325\times10^4\ \mathrm{Pa}\); \(\ce{H2}\) hacmi \(2.0000\ \mathrm{cm^3}\) e eşittir
8.1 Elektrotlarda gerçekleşen süreçlerin denklemlerini yazınız.
8.2 Katotta oluşan \(\ce{H2}\) gazının mol sayısını ve elektrot üzerinde biriken \(\ce{Cu}\) mol sayısını hesaplayınız.
8.3 \(\ce{Pt}\) (100) katodu üzerinde oluşan \(\ce{Cu}\) tek tabakalarının sayısını hesaplayınız.
\(\ce{Pt}\) örgü sabitinin \(a(\ce{Pt}) = 3.9236\times10^{-8}\ \mathrm{cm}\) olduğunu dikkate alınız.
Hem \(\ce{Pt}\) hem de \(\ce{Cu}\), fcc (yüzey merkezli kübik) kristalografik yapıya sahiptir.
Molar kütleler ve sabitler:
\(M(\ce{H}) = 1.00795\ \mathrm{g\ mol^{-1}}\)
\(M(\ce{Cu}) = 63.546\ \mathrm{g\ mol^{-1}}\)
\(e = 1.60218\times10^{-19}\ \mathrm{C}\)
\(F = 96485.3\ \mathrm{C\ mol^{-1}}\)
\(R = 8.314510\ \mathrm{J\ K^{-1}\ mol^{-1}} = 0.0820584\ \mathrm{L\ atm\ K^{-1}\ mol^{-1}}\)
\(V_m = 22.4141\ \mathrm{dm^3}\)
\(1\ \mathrm{atm} = 1.01325\times10^5\ \mathrm{Pa}\)
\(N_{\mathrm A} = 6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\)
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
-
8.1 Katot: \[ \ce{Cu^2+(aq) + 2e- -> Cu(s)} \] \[ \ce{2H+(aq) + 2e- -> H2(g)} \] Anot: \[ \ce{2H2O(l) -> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-} \] Moleküler ve iyonik türler bakır(II) iyonu
[Cu+2], hidrojen iyonu[H+], moleküler hidrojen[H][H], suOve moleküler oksijenO=Odur. -
8.2 \[ \boxed{n(\ce{H2})=8.9230\times10^{-6}\ \mathrm{mol}}, \qquad \boxed{n(\ce{Cu})=1.441\times10^{-6}\ \mathrm{mol}}. \]
-
8.3 \[ \boxed{L=6.681\times10^2\ \text{tek tabaka}\approx668\ \text{tek tabaka}}. \]
Çözüm
8.1
Katotta indirgenme gerçekleşir. Bakır(II) iyonları, iyon başına iki elektron alır; bakırın yükseltgenme basamağı \(+2\) den \(0\) a değişir ve metalik bakır birikir:
\[ \ce{Cu^2+(aq) + 2e- -> Cu(s)}. \]
Eş zamanlı olarak hidrojen iyonları moleküler hidrojene indirgenir. İki hidrojen iyonunun bir molekül oluşturması için iki elektron gerekir:
\[ \ce{2H+(aq) + 2e- -> H2(g)}. \]
Anotta yükseltgenme gerçekleşir. Açığa çıkan oksijenin kaynağı sudur; oksijenin yükseltgenme basamağı sudaki \(-2\) değerinden moleküler oksijendeki \(0\) değerine değişir. Asidik elektrolitte atomlar ve yük denkleştirildiğinde şu denklem elde edilir:
\[ \ce{2H2O(l) -> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-}. \]
8.2
Verilen hidrojen basıncı \(1.01325\times10^4\ \mathrm{Pa}\) olup \(0.100000\ \mathrm{atm}\) değerine karşılık gelir. Gaz hacmini SI birimlerine dönüştürelim:
\[ V=2.0000\ \mathrm{cm^3}=2.0000\times10^{-6}\ \mathrm{m^3}. \]
İdeal gaz denklemini kullanarak,
\[ \begin{aligned} n(\ce{H2}) &=\frac{PV}{RT}\\ &=\frac{(1.01325\times10^4\ \mathrm{Pa}) (2.0000\times10^{-6}\ \mathrm{m^3})} {(8.314510\ \mathrm{J\ K^{-1}\ mol^{-1}}) (273.15\ \mathrm{K})}\\ &=8.9229558\times10^{-6}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
Burada \(\mathrm{Pa\,m^3}=\mathrm{J}\) olduğundan sonuç mol birimindedir. Dolayısıyla,
\[ \boxed{n(\ce{H2})=8.9230\times10^{-6}\ \mathrm{mol}}. \]
Her bir mol hidrojen ve biriken her bir mol bakır, iki mol elektron tüketir. Buna göre katottaki yük dengesi şöyledir:
\[ Q=2F\,n(\ce{H2})+2F\,n(\ce{Cu}). \]
Anottan da aynı toplam yük geçer; anottaki yük, katottaki bu dengeye ek bir katkı oluşturmaz. Böylece,
\[ \begin{aligned} n(\ce{Cu}) &=\frac{Q}{2F}-n(\ce{H2})\\ &=\frac{2.0000\ \mathrm{C}} {2(96485.3\ \mathrm{C\ mol^{-1}})} -8.9229558\times10^{-6}\ \mathrm{mol}\\ &=1.4413173\times10^{-6}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
Çıkarma işleminden sonra yuvarlama yapıldığında şu sonuç elde edilir:
\[ \boxed{n(\ce{Cu})=1.441\times10^{-6}\ \mathrm{mol}}. \]
Tutarlılık kontrolü olarak, başlangıçtaki bakır(II) iyonlarının miktarı
\[ (1.000\times10^{-2}\ \mathrm{mol\ dm^{-3}}) (0.1000\ \mathrm{dm^3}) =1.000\times10^{-3}\ \mathrm{mol}, \]
olup bu birikim için fazlasıyla yeterlidir.
8.3
Sorudaki epitaksiyel tabaka modelinde, bir bakır tek tabakası \(\ce{Pt}\)(100) örgüsünün yüzey konumlarını işgal eder.
Bir fcc (100) yüzünde kenar uzunluğu \(a\) olan bir kare ele alalım. Bu kare, her biri bu tür dört kare tarafından paylaşılan dört köşe atomu ve bütünüyle karenin içinde yer alan bir yüzey merkezi atomu içerir. Dolayısıyla kare başına atom sayısı
\[ 4\left(\frac14\right)+1=2. \]
olur. Buna göre yüzey atom yoğunluğu
\[ \sigma_{(100)} =\frac{2}{a^2} =\frac{2}{(3.9236\times10^{-8}\ \mathrm{cm})^2} =1.2991537\times10^{15}\ \mathrm{atoms\ cm^{-2}}. \]
olur. Bakır yalnızca katodun elektrolitle temas eden yüzünde birikir. Bu yüzün \(A=1.000\ \mathrm{cm^2}\) alanı için tam bir tek tabaka
\[ N_1=\sigma_{(100)}A =1.2991537\times10^{15}\ \text{atom}. \]
içerir. Mol hesabındaki yuvarlanmamış değer kullanıldığında, biriken bakır atomlarının toplam sayısı
\[ \begin{aligned} N_{\mathrm{dep}} &=n(\ce{Cu})N_{\mathrm A}\\ &=(1.4413173\times10^{-6}\ \mathrm{mol}) (6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}})\\ &=8.6798144\times10^{17}\ \text{atom}. \end{aligned} \]
olur. Böylece birikimin tek tabaka sayısı cinsinden ifadesi
\[ L=\frac{N_{\mathrm{dep}}}{N_1} =\frac{n(\ce{Cu})N_{\mathrm A}a^2}{2A} =668.11296. \]
olur. Dolayısıyla,
\[ \boxed{L=6.681\times10^2\ \text{tek tabaka}\approx668\ \text{tek tabaka}}. \]
fcc örgüsü ve bu örgünün (100) yönelimi, uzam boyunca yayılan bir metalik kristali tanımlar; moleküler SMILES gösterimleri bu yüzey geometrisini kodlamaz.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi. Bu çözümün resmi çözümden ayrıldığı yerlerde resmi çözümde bir hata ya da baskı hatası vardır.
IChO 1997 · Problema teórico 8
Electrodeposición de monocapas de cobre sobre Pt(100)
Se prepara un electrolito a partir de \(\ce{H2SO4}\), \(\ce{CuSO4}\) y agua destilada, y su volumen es de \(100.0\ \mathrm{cm^3}\). Las concentraciones de \(\ce{H+}\) y \(\ce{Cu^2+}\) en el electrolito son \(c(\ce{H+}) = 1.000\ \mathrm{M}\) \((\mathrm{mol\ dm^{-3}})\) y \(c(\ce{Cu^2+}) = 1.000\times10^{-2}\ \mathrm{M}\) \((\mathrm{mol\ dm^{-3}})\), respectivamente. Se sumergen dos electrodos cúbicos de platino en el electrolito. Ambos electrodos son monocristales con una sola cara (100) expuesta al electrolito (las otras cinco caras están bloqueadas físicamente por un aislante estable en el electrolito). El área de la superficie expuesta de cada electrodo es igual a \(1.000\ \mathrm{cm^2}\). Durante una electrólisis se hace pasar una carga total de \(2.0000\ \mathrm{C}\) entre el cátodo y el ánodo. En el cátodo tienen lugar dos procesos simultáneos: la deposición de una capa epitaxial (capa a capa) de \(\ce{Cu}\) y la generación de \(\ce{H2}\) gaseoso. En el ánodo se genera \(\ce{O2}\) gaseoso. El \(\ce{H2}\) gaseoso se recoge en un matraz en las siguientes condiciones (suponga un comportamiento de gas ideal):
\(T = 273.15\ \mathrm{K}\) y \(P(\ce{H2}) = 1.01325\times10^4\ \mathrm{Pa}\); el volumen de \(\ce{H2}\) es igual a \(2.0000\ \mathrm{cm^3}\)
8.1 Escriba las ecuaciones de los procesos que tienen lugar en los electrodos.
8.2 Calcule el número de moles de \(\ce{H2}\) gaseoso generado en el cátodo y el número de moles de \(\ce{Cu}\) depositado sobre el electrodo.
8.3 Calcule el número de monocapas de \(\ce{Cu}\) formadas sobre el cátodo de \(\ce{Pt}\) (100).
Tenga en cuenta que la constante de red del \(\ce{Pt}\) es \(a(\ce{Pt}) = 3.9236\times10^{-8}\ \mathrm{cm}\).
Tanto el \(\ce{Pt}\) como el \(\ce{Cu}\) presentan una estructura cristalográfica fcc (cúbica centrada en las caras).
Masas molares y constantes:
\(M(\ce{H}) = 1.00795\ \mathrm{g\ mol^{-1}}\)
\(M(\ce{Cu}) = 63.546\ \mathrm{g\ mol^{-1}}\)
\(e = 1.60218\times10^{-19}\ \mathrm{C}\)
\(F = 96485.3\ \mathrm{C\ mol^{-1}}\)
\(R = 8.314510\ \mathrm{J\ K^{-1}\ mol^{-1}} = 0.0820584\ \mathrm{L\ atm\ K^{-1}\ mol^{-1}}\)
\(V_m = 22.4141\ \mathrm{dm^3}\)
\(1\ \mathrm{atm} = 1.01325\times10^5\ \mathrm{Pa}\)
\(N_{\mathrm A} = 6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\)
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
-
8.1 Cátodo: \[ \ce{Cu^2+(aq) + 2e- -> Cu(s)} \] \[ \ce{2H+(aq) + 2e- -> H2(g)} \] Ánodo: \[ \ce{2H2O(l) -> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-} \] Las especies moleculares e iónicas son el ion cobre(II)
[Cu+2], el ion hidrógeno[H+], el hidrógeno molecular[H][H], el aguaOy el oxígeno molecularO=O. -
8.2 \[ \boxed{n(\ce{H2})=8.9230\times10^{-6}\ \mathrm{mol}}, \qquad \boxed{n(\ce{Cu})=1.441\times10^{-6}\ \mathrm{mol}}. \]
-
8.3 \[ \boxed{L=6.681\times10^2\ \text{monocapas}\approx668\ \text{monocapas}}. \]
Solución
8.1
En el cátodo se produce la reducción. Los iones cobre(II) ganan dos electrones por ion, lo que cambia el estado de oxidación del cobre de \(+2\) a \(0\) y deposita cobre metálico:
\[ \ce{Cu^2+(aq) + 2e- -> Cu(s)}. \]
Simultáneamente, los iones hidrógeno se reducen a hidrógeno molecular. Dos iones hidrógeno requieren dos electrones para formar una molécula:
\[ \ce{2H+(aq) + 2e- -> H2(g)}. \]
En el ánodo se produce la oxidación. El agua aporta el oxígeno que se desprende; el oxígeno pasa del estado de oxidación \(-2\) en el agua a \(0\) en el oxígeno molecular. Al ajustar los átomos y la carga en el electrolito ácido, se obtiene:
\[ \ce{2H2O(l) -> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-}. \]
8.2
La presión de hidrógeno indicada es \(1.01325\times10^4\ \mathrm{Pa}\), que corresponde a \(0.100000\ \mathrm{atm}\). Convertimos el volumen del gas a unidades del SI:
\[ V=2.0000\ \mathrm{cm^3}=2.0000\times10^{-6}\ \mathrm{m^3}. \]
Utilizando la ecuación de los gases ideales,
\[ \begin{aligned} n(\ce{H2}) &=\frac{PV}{RT}\\ &=\frac{(1.01325\times10^4\ \mathrm{Pa}) (2.0000\times10^{-6}\ \mathrm{m^3})} {(8.314510\ \mathrm{J\ K^{-1}\ mol^{-1}}) (273.15\ \mathrm{K})}\\ &=8.9229558\times10^{-6}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
Aquí \(\mathrm{Pa\,m^3}=\mathrm{J}\), por lo que la unidad resultante es el mol. Por tanto,
\[ \boxed{n(\ce{H2})=8.9230\times10^{-6}\ \mathrm{mol}}. \]
Cada mol de hidrógeno y cada mol de cobre depositado consume dos moles de electrones. En consecuencia, el balance de carga catódica es
\[ Q=2F\,n(\ce{H2})+2F\,n(\ce{Cu}). \]
Por el ánodo pasa la misma carga total; su carga no constituye una contribución adicional a este balance catódico. Así,
\[ \begin{aligned} n(\ce{Cu}) &=\frac{Q}{2F}-n(\ce{H2})\\ &=\frac{2.0000\ \mathrm{C}} {2(96485.3\ \mathrm{C\ mol^{-1}})} -8.9229558\times10^{-6}\ \mathrm{mol}\\ &=1.4413173\times10^{-6}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
Al redondear después de la resta, se obtiene
\[ \boxed{n(\ce{Cu})=1.441\times10^{-6}\ \mathrm{mol}}. \]
Como comprobación de coherencia, la cantidad inicial de iones cobre(II) es
\[ (1.000\times10^{-2}\ \mathrm{mol\ dm^{-3}}) (0.1000\ \mathrm{dm^3}) =1.000\times10^{-3}\ \mathrm{mol}, \]
lo que resulta más que suficiente para este depósito.
8.3
En el modelo de capas epitaxiales del problema, una monocapa de cobre ocupa los sitios superficiales de la red de \(\ce{Pt}\)(100).
Consideremos un cuadrado de lado \(a\) en una cara (100) de una estructura fcc. Contiene cuatro átomos en los vértices, cada uno compartido entre cuatro cuadrados de este tipo, y un átomo en el centro de la cara situado íntegramente dentro del cuadrado. Por tanto, el número de átomos por cuadrado es
\[ 4\left(\frac14\right)+1=2. \]
Así pues, la densidad atómica superficial es
\[ \sigma_{(100)} =\frac{2}{a^2} =\frac{2}{(3.9236\times10^{-8}\ \mathrm{cm})^2} =1.2991537\times10^{15}\ \mathrm{atoms\ cm^{-2}}. \]
Solo la cara expuesta del cátodo recibe el depósito de cobre. Para su área \(A=1.000\ \mathrm{cm^2}\), una monocapa completa contiene
\[ N_1=\sigma_{(100)}A =1.2991537\times10^{15}\ \text{átomos}. \]
El número total de átomos de cobre depositados, conservando el cálculo de moles sin redondear, es
\[ \begin{aligned} N_{\mathrm{dep}} &=n(\ce{Cu})N_{\mathrm A}\\ &=(1.4413173\times10^{-6}\ \mathrm{mol}) (6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}})\\ &=8.6798144\times10^{17}\ \text{átomos}. \end{aligned} \]
Así, el depósito expresado en monocapas es
\[ L=\frac{N_{\mathrm{dep}}}{N_1} =\frac{n(\ce{Cu})N_{\mathrm A}a^2}{2A} =668.11296. \]
Por tanto,
\[ \boxed{L=6.681\times10^2\ \text{monocapas}\approx668\ \text{monocapas}}. \]
La red fcc y su orientación (100) describen un cristal metálico extendido; los SMILES moleculares no codifican esta geometría superficial.
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 1997 · 理论题 8
Pt(100) 上铜单原子层的电沉积
用 \(\ce{H2SO4}\)、\(\ce{CuSO4}\) 和蒸馏水配制体积为 \(100.0\ \mathrm{cm^3}\) 的电解液。电解液中 \(\ce{H+}\) 和 \(\ce{Cu^2+}\) 的浓度分别为 \(c(\ce{H+}) = 1.000\ \mathrm{M}\) \((\mathrm{mol\ dm^{-3}})\) 和 \(c(\ce{Cu^2+}) = 1.000\times10^{-2}\ \mathrm{M}\) \((\mathrm{mol\ dm^{-3}})\)。将两个立方体铂电极浸入电解液中。两个电极均为单晶,且都只有一个 (100) 晶面与电解液接触(其余五个面用在电解液中稳定的绝缘体进行物理封闭)。每个电极暴露的表面积均为 \(1.000\ \mathrm{cm^2}\)。电解过程中,阴极与阳极之间通过的总电荷量为 \(2.0000\ \mathrm{C}\)。阴极上同时发生两个过程:外延(逐层)\(\ce{Cu}\) 层的沉积和 \(\ce{H2}\) 气体的生成。阳极上生成 \(\ce{O2}\) 气体。在下列条件下,将 \(\ce{H2}\) 气体收集于烧瓶中(假定气体具有理想气体行为):
\(T = 273.15\ \mathrm{K}\) 且 \(P(\ce{H2}) = 1.01325\times10^4\ \mathrm{Pa}\);\(\ce{H2}\) 的体积为 \(2.0000\ \mathrm{cm^3}\)
8.1 写出电极上所发生过程的反应方程式。
8.2 计算阴极上生成的 \(\ce{H2}\) 气体的物质的量以及电极上沉积的 \(\ce{Cu}\) 的物质的量。
8.3 计算 \(\ce{Pt}\) (100) 阴极上形成的 \(\ce{Cu}\) 单原子层的层数。
已知 \(\ce{Pt}\) 的晶格常数为 \(a(\ce{Pt}) = 3.9236\times10^{-8}\ \mathrm{cm}\)。
\(\ce{Pt}\) 和 \(\ce{Cu}\) 均具有 fcc(面心立方)晶体结构。
摩尔质量和常数:
\(M(\ce{H}) = 1.00795\ \mathrm{g\ mol^{-1}}\)
\(M(\ce{Cu}) = 63.546\ \mathrm{g\ mol^{-1}}\)
\(e = 1.60218\times10^{-19}\ \mathrm{C}\)
\(F = 96485.3\ \mathrm{C\ mol^{-1}}\)
\(R = 8.314510\ \mathrm{J\ K^{-1}\ mol^{-1}} = 0.0820584\ \mathrm{L\ atm\ K^{-1}\ mol^{-1}}\)
\(V_m = 22.4141\ \mathrm{dm^3}\)
\(1\ \mathrm{atm} = 1.01325\times10^5\ \mathrm{Pa}\)
\(N_{\mathrm A} = 6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\)
题目译自官方英文原文。
答案
-
8.1 阴极: \[ \ce{Cu^2+(aq) + 2e- -> Cu(s)} \] \[ \ce{2H+(aq) + 2e- -> H2(g)} \] 阳极: \[ \ce{2H2O(l) -> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-} \] 其中涉及的分子和离子为铜(II)离子
[Cu+2]、氢离子[H+]、氢分子[H][H]、水O和氧分子O=O。 -
8.2 \[ \boxed{n(\ce{H2})=8.9230\times10^{-6}\ \mathrm{mol}}, \qquad \boxed{n(\ce{Cu})=1.441\times10^{-6}\ \mathrm{mol}}. \]
-
8.3 \[ \boxed{L=6.681\times10^2\ \text{单原子层}\approx668\ \text{单原子层}}. \]
解答
8.1
阴极上发生还原反应。每个铜(II)离子得到两个电子,铜的氧化态由 \(+2\) 变为 \(0\),并沉积出金属铜:
\[ \ce{Cu^2+(aq) + 2e- -> Cu(s)}. \]
与此同时,氢离子被还原为氢分子。两个氢离子需要得到两个电子才能形成一个氢分子:
\[ \ce{2H+(aq) + 2e- -> H2(g)}. \]
阳极上发生氧化反应。析出的氧气来自水;氧的氧化态由水中的 \(-2\) 变为氧分子中的 \(0\)。在酸性电解液中配平原子数和电荷,得到:
\[ \ce{2H2O(l) -> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-}. \]
8.2
题目给出的氢气压力为 \(1.01325\times10^4\ \mathrm{Pa}\),相当于 \(0.100000\ \mathrm{atm}\)。将气体体积换算为国际单位制单位:
\[ V=2.0000\ \mathrm{cm^3}=2.0000\times10^{-6}\ \mathrm{m^3}. \]
根据理想气体状态方程,
\[ \begin{aligned} n(\ce{H2}) &=\frac{PV}{RT}\\ &=\frac{(1.01325\times10^4\ \mathrm{Pa}) (2.0000\times10^{-6}\ \mathrm{m^3})} {(8.314510\ \mathrm{J\ K^{-1}\ mol^{-1}}) (273.15\ \mathrm{K})}\\ &=8.9229558\times10^{-6}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
这里 \(\mathrm{Pa\,m^3}=\mathrm{J}\),因此所得结果的单位为摩尔。所以,
\[ \boxed{n(\ce{H2})=8.9230\times10^{-6}\ \mathrm{mol}}. \]
每生成一摩尔氢气和每沉积一摩尔铜,均消耗两摩尔电子。因此,阴极的电荷量平衡关系为
\[ Q=2F\,n(\ce{H2})+2F\,n(\ce{Cu}). \]
通过阳极的总电荷量与通过阴极的相同;阳极的电荷量不应额外计入上述阴极电荷量平衡。因此,
\[ \begin{aligned} n(\ce{Cu}) &=\frac{Q}{2F}-n(\ce{H2})\\ &=\frac{2.0000\ \mathrm{C}} {2(96485.3\ \mathrm{C\ mol^{-1}})} -8.9229558\times10^{-6}\ \mathrm{mol}\\ &=1.4413173\times10^{-6}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
相减后再进行四舍五入,得到
\[ \boxed{n(\ce{Cu})=1.441\times10^{-6}\ \mathrm{mol}}. \]
为检验结果的一致性,计算初始铜(II)离子的物质的量:
\[ (1.000\times10^{-2}\ \mathrm{mol\ dm^{-3}}) (0.1000\ \mathrm{dm^3}) =1.000\times10^{-3}\ \mathrm{mol}, \]
该量远足以满足此次沉积所需。
8.3
在本题的外延层模型中,铜单原子层占据 \(\ce{Pt}\)(100) 晶格的表面位点。
考虑 fcc (100) 晶面上一个边长为 \(a\) 的正方形。其四个顶点各有一个原子,每个顶点原子由四个这样的正方形共有;另有一个面心原子完全位于该正方形内。因此,每个正方形内的原子数为
\[ 4\left(\frac14\right)+1=2. \]
所以,表面原子密度为
\[ \sigma_{(100)} =\frac{2}{a^2} =\frac{2}{(3.9236\times10^{-8}\ \mathrm{cm})^2} =1.2991537\times10^{15}\ \mathrm{atoms\ cm^{-2}}. \]
铜仅沉积在阴极暴露的晶面上。该晶面的面积为 \(A=1.000\ \mathrm{cm^2}\),因此一个完整单原子层所含的原子数为
\[ N_1=\sigma_{(100)}A =1.2991537\times10^{15}\ \text{个原子}. \]
使用未四舍五入的物质的量计算结果,沉积的铜原子总数为
\[ \begin{aligned} N_{\mathrm{dep}} &=n(\ce{Cu})N_{\mathrm A}\\ &=(1.4413173\times10^{-6}\ \mathrm{mol}) (6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}})\\ &=8.6798144\times10^{17}\ \text{个原子}. \end{aligned} \]
因此,以单原子层层数表示的沉积量为
\[ L=\frac{N_{\mathrm{dep}}}{N_1} =\frac{n(\ce{Cu})N_{\mathrm A}a^2}{2A} =668.11296. \]
所以,
\[ \boxed{L=6.681\times10^2\ \text{单原子层}\approx668\ \text{单原子层}}. \]
fcc 晶格及其 (100) 取向描述的是延展的金属晶体;分子 SMILES 不能编码这种表面几何结构。
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 1997 · Теоретическая задача 8
Электроосаждение монослоёв меди на Pt(100)
Электролит приготовлен из \(\ce{H2SO4}\), \(\ce{CuSO4}\) и дистиллированной воды; его объём составляет \(100.0\ \mathrm{cm^3}\). Концентрации \(\ce{H+}\) и \(\ce{Cu^2+}\) в электролите равны соответственно \(c(\ce{H+}) = 1.000\ \mathrm{M}\) \((\mathrm{mol\ dm^{-3}})\) и \(c(\ce{Cu^2+}) = 1.000\times10^{-2}\ \mathrm{M}\) \((\mathrm{mol\ dm^{-3}})\). В электролит погружены два кубических платиновых электрода. Оба электрода представляют собой монокристаллы, у которых с электролитом контактирует только одна грань (100) (остальные пять граней физически закрыты изолятором, устойчивым в электролите). Площадь открытой поверхности каждого электрода равна \(1.000\ \mathrm{cm^2}\). В ходе электролиза между катодом и анодом проходит суммарный заряд \(2.0000\ \mathrm{C}\). На катоде одновременно протекают два процесса: осаждение эпитаксиального (формирующегося слой за слоем) слоя \(\ce{Cu}\) и выделение газообразного \(\ce{H2}\). На аноде выделяется газообразный \(\ce{O2}\). Газообразный \(\ce{H2}\) собирают в колбу при следующих условиях (считайте газ идеальным):
\(T = 273.15\ \mathrm{K}\) и \(P(\ce{H2}) = 1.01325\times10^4\ \mathrm{Pa}\); объём \(\ce{H2}\) равен \(2.0000\ \mathrm{cm^3}\)
8.1 Запишите уравнения процессов, протекающих на электродах.
8.2 Рассчитайте количество вещества газообразного \(\ce{H2}\), выделившегося на катоде, и количество вещества \(\ce{Cu}\), осаждённой на электроде.
8.3 Рассчитайте число монослоёв \(\ce{Cu}\), образовавшихся на катоде \(\ce{Pt}\) (100).
Учтите, что параметр решётки \(\ce{Pt}\) равен \(a(\ce{Pt}) = 3.9236\times10^{-8}\ \mathrm{cm}\).
Как \(\ce{Pt}\), так и \(\ce{Cu}\) имеют гранецентрированную кубическую (ГЦК) кристаллическую структуру.
Молярные массы и константы:
\(M(\ce{H}) = 1.00795\ \mathrm{g\ mol^{-1}}\)
\(M(\ce{Cu}) = 63.546\ \mathrm{g\ mol^{-1}}\)
\(e = 1.60218\times10^{-19}\ \mathrm{C}\)
\(F = 96485.3\ \mathrm{C\ mol^{-1}}\)
\(R = 8.314510\ \mathrm{J\ K^{-1}\ mol^{-1}} = 0.0820584\ \mathrm{L\ atm\ K^{-1}\ mol^{-1}}\)
\(V_m = 22.4141\ \mathrm{dm^3}\)
\(1\ \mathrm{atm} = 1.01325\times10^5\ \mathrm{Pa}\)
\(N_{\mathrm A} = 6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\)
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
-
8.1 Катод: \[ \ce{Cu^2+(aq) + 2e- -> Cu(s)} \] \[ \ce{2H+(aq) + 2e- -> H2(g)} \] Анод: \[ \ce{2H2O(l) -> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-} \] Молекулярные и ионные частицы: ион меди(II)
[Cu+2], ион водорода[H+], молекулярный водород[H][H], водаOи молекулярный кислородO=O. -
8.2 \[ \boxed{n(\ce{H2})=8.9230\times10^{-6}\ \mathrm{mol}}, \qquad \boxed{n(\ce{Cu})=1.441\times10^{-6}\ \mathrm{mol}}. \]
-
8.3 \[ \boxed{L=6.681\times10^2\ \text{монослоёв}\approx668\ \text{монослоёв}}. \]
Решение
8.1
На катоде происходит восстановление. Каждый ион меди(II) принимает два электрона, при этом степень окисления меди изменяется с \(+2\) до \(0\) и осаждается металлическая медь:
\[ \ce{Cu^2+(aq) + 2e- -> Cu(s)}. \]
Одновременно ионы водорода восстанавливаются до молекулярного водорода. Для образования одной молекулы два иона водорода должны принять два электрона:
\[ \ce{2H+(aq) + 2e- -> H2(g)}. \]
На аноде происходит окисление. Источником выделяющегося кислорода служит вода; степень окисления кислорода изменяется с \(-2\) в воде до \(0\) в молекулярном кислороде. Баланс атомов и заряда в кислом электролите даёт:
\[ \ce{2H2O(l) -> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-}. \]
8.2
Указанное давление водорода составляет \(1.01325\times10^4\ \mathrm{Pa}\), что соответствует \(0.100000\ \mathrm{atm}\). Переведём объём газа в единицы СИ:
\[ V=2.0000\ \mathrm{cm^3}=2.0000\times10^{-6}\ \mathrm{m^3}. \]
Используя уравнение состояния идеального газа, получаем
\[ \begin{aligned} n(\ce{H2}) &=\frac{PV}{RT}\\ &=\frac{(1.01325\times10^4\ \mathrm{Pa}) (2.0000\times10^{-6}\ \mathrm{m^3})} {(8.314510\ \mathrm{J\ K^{-1}\ mol^{-1}}) (273.15\ \mathrm{K})}\\ &=8.9229558\times10^{-6}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
Здесь \(\mathrm{Pa\,m^3}=\mathrm{J}\), поэтому результат выражается в молях. Следовательно,
\[ \boxed{n(\ce{H2})=8.9230\times10^{-6}\ \mathrm{mol}}. \]
На образование каждого моля водорода и осаждение каждого моля меди расходуется по два моля электронов. Следовательно, баланс заряда на катоде имеет вид
\[ Q=2F\,n(\ce{H2})+2F\,n(\ce{Cu}). \]
Через анод проходит тот же суммарный заряд; заряд, проходящий через него, не является дополнительным слагаемым в этом балансе заряда на катоде. Таким образом,
\[ \begin{aligned} n(\ce{Cu}) &=\frac{Q}{2F}-n(\ce{H2})\\ &=\frac{2.0000\ \mathrm{C}} {2(96485.3\ \mathrm{C\ mol^{-1}})} -8.9229558\times10^{-6}\ \mathrm{mol}\\ &=1.4413173\times10^{-6}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
Округляя после вычитания, получаем
\[ \boxed{n(\ce{Cu})=1.441\times10^{-6}\ \mathrm{mol}}. \]
Для проверки согласованности результата найдём исходное количество вещества ионов меди(II):
\[ (1.000\times10^{-2}\ \mathrm{mol\ dm^{-3}}) (0.1000\ \mathrm{dm^3}) =1.000\times10^{-3}\ \mathrm{mol}, \]
что с большим запасом достаточно для образования такого осадка.
8.3
В принятой в задаче модели эпитаксиального слоя монослой меди занимает поверхностные узлы решётки \(\ce{Pt}\)(100).
Рассмотрим квадрат со стороной \(a\) на грани (100) ГЦК-решётки. Он содержит четыре угловых атома, каждый из которых принадлежит четырём таким квадратам, и один атом в центре грани, целиком находящийся внутри квадрата. Поэтому число атомов на один квадрат равно
\[ 4\left(\frac14\right)+1=2. \]
Следовательно, поверхностная плотность атомов равна
\[ \sigma_{(100)} =\frac{2}{a^2} =\frac{2}{(3.9236\times10^{-8}\ \mathrm{cm})^2} =1.2991537\times10^{15}\ \mathrm{atoms\ cm^{-2}}. \]
Медь осаждается только на открытой грани катода. При её площади \(A=1.000\ \mathrm{cm^2}\) один полный монослой содержит
\[ N_1=\sigma_{(100)}A =1.2991537\times10^{15}\ \text{атомов}. \]
Общее число осаждённых атомов меди, вычисленное с использованием неокруглённого значения количества вещества, равно
\[ \begin{aligned} N_{\mathrm{dep}} &=n(\ce{Cu})N_{\mathrm A}\\ &=(1.4413173\times10^{-6}\ \mathrm{mol}) (6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}})\\ &=8.6798144\times10^{17}\ \text{атомов}. \end{aligned} \]
Таким образом, количество осаждённой меди, выраженное в монослоях, составляет
\[ L=\frac{N_{\mathrm{dep}}}{N_1} =\frac{n(\ce{Cu})N_{\mathrm A}a^2}{2A} =668.11296. \]
Следовательно,
\[ \boxed{L=6.681\times10^2\ \text{монослоёв}\approx668\ \text{монослоёв}}. \]
ГЦК-решётка и её ориентация (100) описывают протяжённый металлический кристалл; молекулярные SMILES не кодируют эту геометрию поверхности.
Решение проверено по официальному решению. Там, где это решение расходится с официальным, в официальном решении есть ошибка или опечатка.
IChO 1997 · مسألة نظرية 8
الترسيب الكهربائي لطبقات أحادية من النحاس على Pt(100)
يُحضَّر محلول إلكتروليتي من \(\ce{H2SO4}\) و\(\ce{CuSO4}\) والماء المقطر، ويبلغ حجمه \(100.0\ \mathrm{cm^3}\). تركيزا \(\ce{H+}\) و\(\ce{Cu^2+}\) في المحلول الإلكتروليتي هما \(c(\ce{H+}) = 1.000\ \mathrm{M}\) \((\mathrm{mol\ dm^{-3}})\) و\(c(\ce{Cu^2+}) = 1.000\times10^{-2}\ \mathrm{M}\) \((\mathrm{mol\ dm^{-3}})\)، على الترتيب. يُغمَر قطبان مكعبان من البلاتين في المحلول الإلكتروليتي. كلٌّ من القطبين بلورة أحادية، ولا ينكشف للمحلول الإلكتروليتي إلا وجه واحد (100) منه (أما الأوجه الخمسة الأخرى فمحجوبة ماديًّا بعازل مستقر في المحلول الإلكتروليتي). تبلغ مساحة السطح المكشوف لكل قطب \(1.000\ \mathrm{cm^2}\). أثناء التحليل الكهربائي، تمر شحنة كلية مقدارها \(2.0000\ \mathrm{C}\) بين المهبط والمصعد. تحدث عند المهبط عمليتان متزامنتان: ترسيب طبقة من \(\ce{Cu}\) بنمو فوقي متوافق بلوريًّا (طبقة تلو أخرى)، وتوليد غاز \(\ce{H2}\). وعند المصعد، يتولد غاز \(\ce{O2}\). يُجمَع غاز \(\ce{H2}\) في دورق تحت الظروف الآتية (افترض سلوك الغاز المثالي):
\(T = 273.15\ \mathrm{K}\) و\(P(\ce{H2}) = 1.01325\times10^4\ \mathrm{Pa}\)؛ حجم \(\ce{H2}\) يساوي \(2.0000\ \mathrm{cm^3}\)
8.1 اكتب معادلات العمليات التي تحدث عند القطبين.
8.2 احسب عدد مولات غاز \(\ce{H2}\) المتولد عند المهبط وعدد مولات \(\ce{Cu}\) المترسبة على القطب.
8.3 احسب عدد الطبقات الأحادية من \(\ce{Cu}\) المتشكلة على مهبط \(\ce{Pt}\) (100).
لاحظ أن ثابت الشبكة البلورية لـ\(\ce{Pt}\) هو \(a(\ce{Pt}) = 3.9236\times10^{-8}\ \mathrm{cm}\).
لكلٍّ من \(\ce{Pt}\) و\(\ce{Cu}\) بنية بلورية مكعبة متمركزة الوجوه (fcc).
الكتل المولية والثوابت:
\(M(\ce{H}) = 1.00795\ \mathrm{g\ mol^{-1}}\)
\(M(\ce{Cu}) = 63.546\ \mathrm{g\ mol^{-1}}\)
\(e = 1.60218\times10^{-19}\ \mathrm{C}\)
\(F = 96485.3\ \mathrm{C\ mol^{-1}}\)
\(R = 8.314510\ \mathrm{J\ K^{-1}\ mol^{-1}} = 0.0820584\ \mathrm{L\ atm\ K^{-1}\ mol^{-1}}\)
\(V_m = 22.4141\ \mathrm{dm^3}\)
\(1\ \mathrm{atm} = 1.01325\times10^5\ \mathrm{Pa}\)
\(N_{\mathrm A} = 6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}\)
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
-
8.1 المهبط: \[ \ce{Cu^2+(aq) + 2e- -> Cu(s)} \] \[ \ce{2H+(aq) + 2e- -> H2(g)} \] المصعد: \[ \ce{2H2O(l) -> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-} \] الأنواع الجزيئية والأيونية هي أيون النحاس(II)
[Cu+2]، وأيون الهيدروجين[H+]، والهيدروجين الجزيئي[H][H]، والماءO، والأكسجين الجزيئيO=O. -
8.2 \[ \boxed{n(\ce{H2})=8.9230\times10^{-6}\ \mathrm{mol}}, \qquad \boxed{n(\ce{Cu})=1.441\times10^{-6}\ \mathrm{mol}}. \]
-
8.3 \[ \boxed{L=6.681\times10^2\ \text{طبقة أحادية}\approx668\ \text{طبقة أحادية}}. \]
الحل
8.1
يحدث الاختزال عند المهبط. تكتسب أيونات النحاس(II) إلكترونين لكل أيون، فتتغير حالة أكسدة النحاس من \(+2\) إلى \(0\)، ويترسب النحاس الفلزي:
\[ \ce{Cu^2+(aq) + 2e- -> Cu(s)}. \]
في الوقت نفسه، تُختزَل أيونات الهيدروجين إلى هيدروجين جزيئي. يحتاج أيونا هيدروجين إلى إلكترونين لتكوين جزيء واحد:
\[ \ce{2H+(aq) + 2e- -> H2(g)}. \]
تحدث الأكسدة عند المصعد. الماء هو مصدر الأكسجين المتصاعد؛ وتتغير حالة أكسدة الأكسجين من \(-2\) في الماء إلى \(0\) في الأكسجين الجزيئي. وتؤدي موازنة الذرات والشحنة في المحلول الإلكتروليتي الحمضي إلى:
\[ \ce{2H2O(l) -> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-}. \]
8.2
ضغط الهيدروجين المعطى هو \(1.01325\times10^4\ \mathrm{Pa}\)، وهو يعادل \(0.100000\ \mathrm{atm}\). نحوّل حجم الغاز إلى وحدات النظام الدولي:
\[ V=2.0000\ \mathrm{cm^3}=2.0000\times10^{-6}\ \mathrm{m^3}. \]
باستخدام معادلة الغاز المثالي،
\[ \begin{aligned} n(\ce{H2}) &=\frac{PV}{RT}\\ &=\frac{(1.01325\times10^4\ \mathrm{Pa}) (2.0000\times10^{-6}\ \mathrm{m^3})} {(8.314510\ \mathrm{J\ K^{-1}\ mol^{-1}}) (273.15\ \mathrm{K})}\\ &=8.9229558\times10^{-6}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
هنا \(\mathrm{Pa\,m^3}=\mathrm{J}\)، لذا تكون الوحدة الناتجة هي المول. ومن ثم،
\[ \boxed{n(\ce{H2})=8.9230\times10^{-6}\ \mathrm{mol}}. \]
يستهلك كل مول من الهيدروجين وكل مول من النحاس المترسب مولين من الإلكترونات. وبناءً على ذلك، تكون موازنة الشحنة عند المهبط
\[ Q=2F\,n(\ce{H2})+2F\,n(\ce{Cu}). \]
تمر بالمصعد الشحنة الكلية نفسها؛ ولا تمثل شحنته مساهمة إضافية في موازنة الشحنة هذه عند المهبط. وعليه،
\[ \begin{aligned} n(\ce{Cu}) &=\frac{Q}{2F}-n(\ce{H2})\\ &=\frac{2.0000\ \mathrm{C}} {2(96485.3\ \mathrm{C\ mol^{-1}})} -8.9229558\times10^{-6}\ \mathrm{mol}\\ &=1.4413173\times10^{-6}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
بالتقريب بعد إجراء الطرح نحصل على
\[ \boxed{n(\ce{Cu})=1.441\times10^{-6}\ \mathrm{mol}}. \]
للتحقق من الاتساق، فإن الكمية الابتدائية من أيونات النحاس(II) هي
\[ (1.000\times10^{-2}\ \mathrm{mol\ dm^{-3}}) (0.1000\ \mathrm{dm^3}) =1.000\times10^{-3}\ \mathrm{mol}, \]
وهي كمية تزيد بكثير على ما يلزم لتكوين هذه الكمية المترسبة.
8.3
في نموذج الطبقة ذات النمو الفوقي المتوافق بلوريًّا الوارد في المسألة، تشغل طبقة أحادية من النحاس المواقع السطحية لشبكة \(\ce{Pt}\)(100).
لننظر إلى مربع طول ضلعه \(a\) على وجه (100) من بنية مكعبة متمركزة الوجوه (fcc). يحتوي هذا المربع على أربع ذرات عند الزوايا، تشترك في كلٍّ منها أربعة مربعات من هذا النوع، وعلى ذرة واحدة في مركز الوجه تقع بالكامل داخل المربع. لذا فإن عدد الذرات في كل مربع هو
\[ 4\left(\frac14\right)+1=2. \]
ومن ثم تكون الكثافة الذرية السطحية
\[ \sigma_{(100)} =\frac{2}{a^2} =\frac{2}{(3.9236\times10^{-8}\ \mathrm{cm})^2} =1.2991537\times10^{15}\ \mathrm{atoms\ cm^{-2}}. \]
لا يترسب النحاس إلا على وجه المهبط المكشوف. ولمساحته \(A=1.000\ \mathrm{cm^2}\)، تحتوي طبقة أحادية كاملة على
\[ N_1=\sigma_{(100)}A =1.2991537\times10^{15}\ \text{ذرة}. \]
العدد الكلي لذرات النحاس المترسبة، مع الاحتفاظ بالقيمة غير المقربة لحساب عدد المولات، هو
\[ \begin{aligned} N_{\mathrm{dep}} &=n(\ce{Cu})N_{\mathrm A}\\ &=(1.4413173\times10^{-6}\ \mathrm{mol}) (6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}})\\ &=8.6798144\times10^{17}\ \text{ذرة}. \end{aligned} \]
وعليه، فإن كمية النحاس المترسبة، معبَّرًا عنها بعدد الطبقات الأحادية، هي
\[ L=\frac{N_{\mathrm{dep}}}{N_1} =\frac{n(\ce{Cu})N_{\mathrm A}a^2}{2A} =668.11296. \]
ومن ثم،
\[ \boxed{L=6.681\times10^2\ \text{طبقة أحادية}\approx668\ \text{طبقة أحادية}}. \]
تصف الشبكة المكعبة متمركزة الوجوه (fcc) واتجاهها (100) بلورة فلزية ممتدة؛ ولا تُمثِّل صيغ SMILES الجزيئية هذه البنية الهندسية السطحية.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي. حيثما يختلف هذا الحل عن الحل الرسمي، يحتوي الحل الرسمي على خطأ أو خطأ مطبعي.