IChO 1999 · Theory problem 1
Combustion calorimetry and molecular state of compound Q
A compound Q (molar mass \(122.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)) consists of carbon, hydrogen and oxygen.
PART A
The standard enthalpy of formation of \(\ce{CO2(g)}\) and \(\ce{H2O(l)}\) at \(25.00\ ^\circ\mathrm C\) are −393.51 and −285.83 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\), respectively. The gas constant, \(R=8.314\ \mathrm{J\,K^{-1}\,mol^{-1}}\).
(Relative atomic masses : H = 1.0; C = 12.0; O = 16.0)
A sample of solid Q that weighs 0.6000 g, is combusted in an excess of oxygen in a bomb calorimeter, which initially contains 710.0 g of water at \(25.000\ ^\circ\mathrm C\). After the reaction is completed, the temperature is observed to be \(27.250\ ^\circ\mathrm C\), and 1.5144 g of \(\ce{CO2(g)}\) and 0.2656 g of \(\ce{H2O(l)}\) are produced.
1.1 Determine the molecular formula and write a balanced equation with correct state of matters for the combustion of Q.
If the specific heat of water is \(4.184\ \mathrm{J\,g^{-1}\,K^{-1}}\) and the internal energy change of the reaction \((\Delta U^0)\) −3079 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
1.2 Calculate the heat capacity of the calorimeter (excluding the water).
1.3 Calculate the standard enthalpy of formation \((\Delta H_{\mathrm f}^{0})\) of Q.
PART B
The following data refer to the distribution of Q between benzene and water at \(6\ ^\circ\mathrm C\), \(C_{\mathrm B}\) and \(C_{\mathrm W}\) being equilibrium concentrations of the species of Q in the benzene and water layers, respectively:
Assume that there is only one species of Q in benzene independent of concentration and temperature.
Concentration \((\mathrm{mol\,dm^{-3}})\)
| \(C_{\mathrm B}\) | \(C_{\mathrm W}\) |
|---|---|
| 0.0118 | 0.00281 |
| 0.0478 | 0.00566 |
| 0.0981 | 0.00812 |
| 0.156 | 0.0102 |
1.4 Show by calculation whether Q is monomer or dimer in benzene. Assume that Q is a monomer in water.
The freezing point depression, for an ideal dilute solution, is given by
\[ T_{\mathrm f}^{0}-T_{\mathrm f} =\frac{R(T_{\mathrm f}^{0})^{2}X_{\mathrm s}}{\Delta H_{\mathrm f}} \]
where \(T_{\mathrm f}\) is the freezing point of the solution, \(T_{\mathrm f}^{0}\) the freezing point of solvent, \(\Delta H_{\mathrm f}\) the heat of fusion of the solvent, and \(X_{\mathrm s}\) the mole fraction of solute. The molar mass of benzene is \(78.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). At 1 atm pure benzene freezes at \(5.40\ ^\circ\mathrm C\). The heat of fusion of benzene is \(9.89\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
1.5 Calculate the freezing point \((T_{\mathrm f})\) of a solution containing 0.244 g of Q in 5.85 g of benzene at 1 atm.
Official English text of the problem.
Answers
- 1.1 Molecular formula: \(\boxed{\ce{C7H6O2}}\). \[ \boxed{\ce{2 C7H6O2(s) + 15 O2(g) -> 14 CO2(g) + 6 H2O(l)}} \]
- 1.2 Calorimeter heat capacity, excluding water: \(\boxed{3.759\ \mathrm{kJ\,K^{-1}}}\).
- 1.3 Standard enthalpy of formation: \(\boxed{\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{Q(s)})\approx-532\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\).
- 1.4 Q is a dimer, \(\ce{Q2}\), in benzene, since \(C_{\mathrm B}/C_{\mathrm W}^{2}\) is approximately constant.
- 1.5 Freezing point: \(\boxed{T_{\mathrm f}=4.54\ ^\circ\mathrm C}\).
Solution
The specified molecular species are carbon dioxide O=C=O, water O, dioxygen O=O, and benzene c1ccccc1. The data determine Q’s molecular formula and association state. A unique chemical name or SMILES for Q or its dimer cannot be assigned without further structural information.
1.1 Molecular formula and combustion equation
The amount of Q burned is
\[ n_Q=\frac{0.6000\ \mathrm g}{122.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =4.91803\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
All carbon appears in carbon dioxide, and all hydrogen appears in water:
\[ n(\ce C)=n(\ce{CO2}) =\frac{1.5144\ \mathrm g}{44.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0344182\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce H)=2n(\ce{H2O}) =2\frac{0.2656\ \mathrm g}{18.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0295111\ \mathrm{mol}. \]
Their masses in the sample are therefore
\[ m(\ce C)=0.413018\ \mathrm g, \qquad m(\ce H)=0.0295111\ \mathrm g. \]
Since Q contains only carbon, hydrogen, and oxygen, its oxygen content follows by difference:
\[ m(\ce O) =0.6000-0.413018-0.0295111 =0.157471\ \mathrm g, \]
\[ n(\ce O) =\frac{0.157471\ \mathrm g}{16.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.00984192\ \mathrm{mol}. \]
Dividing each atomic amount by the amount of Q gives the number of atoms per molecule:
\[ \frac{n(\ce C)}{n_Q}=6.9984\approx7,\qquad \frac{n(\ce H)}{n_Q}=6.0006\approx6,\qquad \frac{n(\ce O)}{n_Q}=2.0012\approx2. \]
Thus,
\[ \boxed{Q:\ \ce{C7H6O2}}, \]
with molar mass
\[ 7(12.0)+6(1.0)+2(16.0)=122.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
in agreement with the given value.
Balancing carbon, hydrogen, and then oxygen gives
\[ \boxed{\ce{2 C7H6O2(s) + 15 O2(g) -> 14 CO2(g) + 6 H2O(l)}}. \]
1.2 Heat capacity of the calorimeter
A bomb calorimeter operates at constant volume, so the reaction heat is the internal-energy change:
\[ q_{\mathrm{rxn}} =n_Q\Delta U^0 =\frac{0.6000}{122.0}(-3079) =-15.1426\ \mathrm{kJ}. \]
The water and calorimeter therefore absorb \(15.1426\ \mathrm{kJ}\). Their temperature increase is
\[ \Delta T=27.250-25.000=2.250\ \mathrm K. \]
The water absorbs
\[ q_{\mathrm{water}} =m_{\mathrm{water}}c_{\mathrm{water}}\Delta T =(710.0)(4.184)(2.250) =6683.94\ \mathrm J =6.68394\ \mathrm{kJ}. \]
Energy conservation gives
\[ -q_{\mathrm{rxn}} =q_{\mathrm{water}}+C_{\mathrm{cal}}\Delta T. \]
Consequently,
\[ C_{\mathrm{cal}} =\frac{15.1426-6.68394}{2.250} =3.7594\ \mathrm{kJ\,K^{-1}}, \]
or
\[ \boxed{C_{\mathrm{cal}}=3.759\ \mathrm{kJ\,K^{-1}}}. \]
1.3 Standard enthalpy of formation of Q
For the combustion of one mole of Q, the change in gaseous stoichiometric amount is
\[ \Delta n_{\mathrm g}=7-\frac{15}{2}=-\frac12. \]
Water is liquid and therefore does not contribute to \(\Delta n_{\mathrm g}\). Using
\[ \Delta H_{\mathrm c}^{0} =\Delta U^{0}+\Delta n_{\mathrm g}RT \]
at \(T=298.15\ \mathrm K\),
\[ \begin{aligned} \Delta H_{\mathrm c}^{0} &=-3079 -\frac12(8.314\times10^{-3})(298.15)\\ &=-3080.239\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
By Hess’s law, with \(\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{O2(g)})=0\),
\[ \Delta H_{\mathrm c}^{0} = 7\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{CO2(g)}) +3\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{H2O(l)}) -\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{Q(s)}). \]
Therefore,
\[ \begin{aligned} \Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{Q(s)}) &=7(-393.51)+3(-285.83)-(-3080.239)\\ &=-531.821\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
To a precision appropriate to the given combustion energy,
\[ \boxed{\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{Q(s)}) \approx-532\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \]
1.4 Molecular state of Q in benzene
For monomeric Q in both solvents, the distribution equilibrium would require
\[ \frac{C_{\mathrm B}}{C_{\mathrm W}}=\text{constant}. \]
If Q forms a dimer in benzene, the overall equilibrium is
\[ \ce{2 Q(aq) <=> Q2(benzene)}, \]
and the corresponding concentration expression requires
\[ \frac{C_{\mathrm B}}{C_{\mathrm W}^{2}}=\text{constant}. \]
The two tests give:
| \(C_{\mathrm B}\;(\mathrm{mol\,dm^{-3}})\) | \(C_{\mathrm W}\;(\mathrm{mol\,dm^{-3}})\) | \(C_{\mathrm B}/C_{\mathrm W}\) | \(C_{\mathrm B}/C_{\mathrm W}^{2}\;(\mathrm{dm^3\,mol^{-1}})\) |
|---|---|---|---|
| 0.0118 | 0.00281 | 4.20 | \(1.494\times10^3\) |
| 0.0478 | 0.00566 | 8.45 | \(1.492\times10^3\) |
| 0.0981 | 0.00812 | 12.1 | \(1.488\times10^3\) |
| 0.156 | 0.0102 | 15.3 | \(1.499\times10^3\) |
The monomer ratio varies substantially, whereas the dimer ratio is approximately constant:
\[ \frac{C_{\mathrm B}}{C_{\mathrm W}^{2}} \approx1.49\times10^3\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}. \]
Hence,
\[ \boxed{\text{Q exists as a dimer in benzene.}} \]
1.5 Freezing point of the benzene solution
The stipulated independence of molecular state from concentration and temperature allows the dimer result to be used at the freezing point.
The solute particles are dimers, with molar mass
\[ M(\ce{Q2})=2(122.0)=244.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Thus,
\[ n_{\mathrm s} =\frac{0.244\ \mathrm g}{244.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.00100\ \mathrm{mol}, \]
while the amount of benzene is
\[ n_{\mathrm{benzene}} =\frac{5.85\ \mathrm g}{78.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0750\ \mathrm{mol}. \]
The mole fraction of solute particles is
\[ X_{\mathrm s} =\frac{n_{\mathrm s}}{n_{\mathrm s}+n_{\mathrm{benzene}}} =\frac{0.00100}{0.00100+0.0750} =0.0131579. \]
Convert the solvent freezing point and heat of fusion to the required units:
\[ T_{\mathrm f}^{0}=5.40+273.15=278.55\ \mathrm K, \qquad \Delta H_{\mathrm f}=9890\ \mathrm{J\,mol^{-1}}. \]
Using the supplied equation,
\[ \begin{aligned} \Delta T_{\mathrm f} &=\frac{R(T_{\mathrm f}^{0})^2X_{\mathrm s}} {\Delta H_{\mathrm f}}\\ &=\frac{(8.314)(278.55)^2(0.0131579)}{9890}\\ &=0.8582\ \mathrm K. \end{aligned} \]
Therefore,
\[ T_{\mathrm f}=5.40-0.8582=4.5418\ ^\circ\mathrm C, \]
giving
\[ \boxed{T_{\mathrm f}=4.54\ ^\circ\mathrm C}. \]
The solution was checked against the official solution.
IChO 1999 · Theorieaufgabe 1
Verbrennungskalorimetrie und molekularer Zustand der Verbindung Q
Eine Verbindung Q (molare Masse \(122.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)) besteht aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff.
TEIL A
Die Standardbildungsenthalpien von \(\ce{CO2(g)}\) und \(\ce{H2O(l)}\) bei \(25.00\ ^\circ\mathrm C\) betragen −393.51 bzw. −285.83 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\). Die Gaskonstante beträgt \(R=8.314\ \mathrm{J\,K^{-1}\,mol^{-1}}\).
(Relative Atommassen: H = 1.0; C = 12.0; O = 16.0)
Eine Probe der festen Verbindung Q mit einer Masse von 0.6000 g wird in einem Bombenkalorimeter in einem Überschuss an Sauerstoff verbrannt. Das Kalorimeter enthält anfangs 710.0 g Wasser bei \(25.000\ ^\circ\mathrm C\). Nach Abschluss der Reaktion wird eine Temperatur von \(27.250\ ^\circ\mathrm C\) gemessen, und es entstehen 1.5144 g \(\ce{CO2(g)}\) und 0.2656 g \(\ce{H2O(l)}\).
1.1 Bestimmen Sie die Summenformel und stellen Sie eine ausgeglichene Reaktionsgleichung mit den korrekten Aggregatzuständen für die Verbrennung von Q auf.
Die spezifische Wärmekapazität von Wasser beträgt \(4.184\ \mathrm{J\,g^{-1}\,K^{-1}}\), und die Änderung der inneren Energie bei der Reaktion \((\Delta U^0)\) beträgt −3079 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
1.2 Berechnen Sie die Wärmekapazität des Kalorimeters (ohne das Wasser).
1.3 Berechnen Sie die Standardbildungsenthalpie \((\Delta H_{\mathrm f}^{0})\) von Q.
TEIL B
Die folgenden Daten beziehen sich auf die Verteilung von Q zwischen Benzol und Wasser bei \(6\ ^\circ\mathrm C\). Dabei sind \(C_{\mathrm B}\) und \(C_{\mathrm W}\) die Gleichgewichtskonzentrationen der Spezies von Q in der Benzol- bzw. Wasserphase:
Nehmen Sie an, dass in Benzol unabhängig von Konzentration und Temperatur nur eine Spezies von Q vorliegt.
Konzentration \((\mathrm{mol\,dm^{-3}})\)
| \(C_{\mathrm B}\) | \(C_{\mathrm W}\) |
|---|---|
| 0.0118 | 0.00281 |
| 0.0478 | 0.00566 |
| 0.0981 | 0.00812 |
| 0.156 | 0.0102 |
1.4 Zeigen Sie durch Berechnung, ob Q in Benzol als Monomer oder als Dimer vorliegt. Nehmen Sie an, dass Q in Wasser als Monomer vorliegt.
Die Gefrierpunktserniedrigung einer idealen verdünnten Lösung ist gegeben durch
\[ T_{\mathrm f}^{0}-T_{\mathrm f} =\frac{R(T_{\mathrm f}^{0})^{2}X_{\mathrm s}}{\Delta H_{\mathrm f}} \]
wobei \(T_{\mathrm f}\) der Gefrierpunkt der Lösung, \(T_{\mathrm f}^{0}\) der Gefrierpunkt des Lösungsmittels, \(\Delta H_{\mathrm f}\) die Schmelzenthalpie des Lösungsmittels und \(X_{\mathrm s}\) der Stoffmengenanteil des gelösten Stoffes ist. Die molare Masse von Benzol beträgt \(78.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). Bei 1 atm gefriert reines Benzol bei \(5.40\ ^\circ\mathrm C\). Die Schmelzenthalpie von Benzol beträgt \(9.89\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
1.5 Berechnen Sie den Gefrierpunkt \((T_{\mathrm f})\) einer Lösung von 0.244 g Q in 5.85 g Benzol bei 1 atm.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 1.1 Summenformel: \(\boxed{\ce{C7H6O2}}\). \[ \boxed{\ce{2 C7H6O2(s) + 15 O2(g) -> 14 CO2(g) + 6 H2O(l)}} \]
- 1.2 Wärmekapazität des Kalorimeters ohne Wasser: \(\boxed{3.759\ \mathrm{kJ\,K^{-1}}}\).
- 1.3 Standardbildungsenthalpie: \(\boxed{\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{Q(s)})\approx-532\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\).
- 1.4 Q liegt in Benzol als Dimer \(\ce{Q2}\) vor, da \(C_{\mathrm B}/C_{\mathrm W}^{2}\) annähernd konstant ist.
- 1.5 Gefrierpunkt: \(\boxed{T_{\mathrm f}=4.54\ ^\circ\mathrm C}\).
Lösung
Die angegebenen molekularen Spezies sind Kohlenstoffdioxid O=C=O, Wasser O, Disauerstoff O=O und Benzol c1ccccc1. Aus den Daten lassen sich die Summenformel und der Assoziationszustand von Q bestimmen. Ohne weitere Strukturinformationen lässt sich Q oder seinem Dimer kein eindeutiger chemischer Name oder SMILES zuordnen.
1.1 Summenformel und Verbrennungsgleichung
Die Stoffmenge des verbrannten Q beträgt
\[ n_Q=\frac{0.6000\ \mathrm g}{122.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =4.91803\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Der gesamte Kohlenstoff liegt anschließend als Kohlenstoffdioxid und der gesamte Wasserstoff als Wasser vor:
\[ n(\ce C)=n(\ce{CO2}) =\frac{1.5144\ \mathrm g}{44.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0344182\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce H)=2n(\ce{H2O}) =2\frac{0.2656\ \mathrm g}{18.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0295111\ \mathrm{mol}. \]
Ihre Massen in der Probe betragen daher
\[ m(\ce C)=0.413018\ \mathrm g, \qquad m(\ce H)=0.0295111\ \mathrm g. \]
Da Q nur Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff enthält, ergibt sich sein Sauerstoffgehalt aus der Differenz:
\[ m(\ce O) =0.6000-0.413018-0.0295111 =0.157471\ \mathrm g, \]
\[ n(\ce O) =\frac{0.157471\ \mathrm g}{16.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.00984192\ \mathrm{mol}. \]
Die Division der jeweiligen Stoffmenge der Atome durch die Stoffmenge von Q ergibt die Anzahl der Atome pro Molekül:
\[ \frac{n(\ce C)}{n_Q}=6.9984\approx7,\qquad \frac{n(\ce H)}{n_Q}=6.0006\approx6,\qquad \frac{n(\ce O)}{n_Q}=2.0012\approx2. \]
Somit gilt
\[ \boxed{Q:\ \ce{C7H6O2}}, \]
mit der molaren Masse
\[ 7(12.0)+6(1.0)+2(16.0)=122.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
in Übereinstimmung mit dem angegebenen Wert.
Durch Ausgleichen von Kohlenstoff, Wasserstoff und anschließend Sauerstoff erhält man
\[ \boxed{\ce{2 C7H6O2(s) + 15 O2(g) -> 14 CO2(g) + 6 H2O(l)}}. \]
1.2 Wärmekapazität des Kalorimeters
Ein Bombenkalorimeter arbeitet bei konstantem Volumen, sodass die Reaktionswärme der Änderung der inneren Energie entspricht:
\[ q_{\mathrm{rxn}} =n_Q\Delta U^0 =\frac{0.6000}{122.0}(-3079) =-15.1426\ \mathrm{kJ}. \]
Das Wasser und das Kalorimeter nehmen daher \(15.1426\ \mathrm{kJ}\) auf. Ihre Temperaturerhöhung beträgt
\[ \Delta T=27.250-25.000=2.250\ \mathrm K. \]
Das Wasser nimmt folgende Wärme auf:
\[ q_{\mathrm{water}} =m_{\mathrm{water}}c_{\mathrm{water}}\Delta T =(710.0)(4.184)(2.250) =6683.94\ \mathrm J =6.68394\ \mathrm{kJ}. \]
Aus der Energieerhaltung folgt
\[ -q_{\mathrm{rxn}} =q_{\mathrm{water}}+C_{\mathrm{cal}}\Delta T. \]
Folglich gilt
\[ C_{\mathrm{cal}} =\frac{15.1426-6.68394}{2.250} =3.7594\ \mathrm{kJ\,K^{-1}}, \]
also
\[ \boxed{C_{\mathrm{cal}}=3.759\ \mathrm{kJ\,K^{-1}}}. \]
1.3 Standardbildungsenthalpie von Q
Bei der Verbrennung eines Mols Q beträgt die stöchiometrische Änderung der Stoffmenge der gasförmigen Stoffe
\[ \Delta n_{\mathrm g}=7-\frac{15}{2}=-\frac12. \]
Wasser ist flüssig und trägt daher nicht zu \(\Delta n_{\mathrm g}\) bei. Mit
\[ \Delta H_{\mathrm c}^{0} =\Delta U^{0}+\Delta n_{\mathrm g}RT \]
erhält man bei \(T=298.15\ \mathrm K\)
\[ \begin{aligned} \Delta H_{\mathrm c}^{0} &=-3079 -\frac12(8.314\times10^{-3})(298.15)\\ &=-3080.239\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Nach dem Satz von Hess gilt mit \(\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{O2(g)})=0\)
\[ \Delta H_{\mathrm c}^{0} = 7\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{CO2(g)}) +3\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{H2O(l)}) -\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{Q(s)}). \]
Daher gilt
\[ \begin{aligned} \Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{Q(s)}) &=7(-393.51)+3(-285.83)-(-3080.239)\\ &=-531.821\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Mit einer der angegebenen Verbrennungsenergie angemessenen Genauigkeit ergibt sich
\[ \boxed{\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{Q(s)}) \approx-532\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \]
1.4 Molekularer Zustand von Q in Benzol
Für monomeres Q in beiden Lösungsmitteln müsste im Verteilungsgleichgewicht gelten:
\[ \frac{C_{\mathrm B}}{C_{\mathrm W}}=\text{konstant}. \]
Wenn Q in Benzol ein Dimer bildet, lautet das Gesamtgleichgewicht
\[ \ce{2 Q(aq) <=> Q2(benzene)}, \]
und der entsprechende Konzentrationsausdruck erfordert
\[ \frac{C_{\mathrm B}}{C_{\mathrm W}^{2}}=\text{konstant}. \]
Die beiden Überprüfungen ergeben:
| \(C_{\mathrm B}\;(\mathrm{mol\,dm^{-3}})\) | \(C_{\mathrm W}\;(\mathrm{mol\,dm^{-3}})\) | \(C_{\mathrm B}/C_{\mathrm W}\) | \(C_{\mathrm B}/C_{\mathrm W}^{2}\;(\mathrm{dm^3\,mol^{-1}})\) |
|---|---|---|---|
| 0.0118 | 0.00281 | 4.20 | \(1.494\times10^3\) |
| 0.0478 | 0.00566 | 8.45 | \(1.492\times10^3\) |
| 0.0981 | 0.00812 | 12.1 | \(1.488\times10^3\) |
| 0.156 | 0.0102 | 15.3 | \(1.499\times10^3\) |
Der Quotient für das Monomer variiert erheblich, während der Quotient für das Dimer annähernd konstant ist:
\[ \frac{C_{\mathrm B}}{C_{\mathrm W}^{2}} \approx1.49\times10^3\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}. \]
Somit gilt
\[ \boxed{\text{Q liegt in Benzol als Dimer vor.}} \]
1.5 Gefrierpunkt der Benzollösung
Die vorausgesetzte Unabhängigkeit des molekularen Zustands von Konzentration und Temperatur erlaubt es, das Ergebnis der Dimerbildung auch am Gefrierpunkt anzuwenden.
Die gelösten Teilchen sind Dimere mit der molaren Masse
\[ M(\ce{Q2})=2(122.0)=244.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Somit gilt
\[ n_{\mathrm s} =\frac{0.244\ \mathrm g}{244.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.00100\ \mathrm{mol}, \]
während die Stoffmenge von Benzol beträgt:
\[ n_{\mathrm{benzene}} =\frac{5.85\ \mathrm g}{78.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0750\ \mathrm{mol}. \]
Der Stoffmengenanteil der gelösten Teilchen beträgt
\[ X_{\mathrm s} =\frac{n_{\mathrm s}}{n_{\mathrm s}+n_{\mathrm{benzene}}} =\frac{0.00100}{0.00100+0.0750} =0.0131579. \]
Der Gefrierpunkt und die Schmelzenthalpie des Lösungsmittels werden in die benötigten Einheiten umgerechnet:
\[ T_{\mathrm f}^{0}=5.40+273.15=278.55\ \mathrm K, \qquad \Delta H_{\mathrm f}=9890\ \mathrm{J\,mol^{-1}}. \]
Mit der angegebenen Gleichung erhält man
\[ \begin{aligned} \Delta T_{\mathrm f} &=\frac{R(T_{\mathrm f}^{0})^2X_{\mathrm s}} {\Delta H_{\mathrm f}}\\ &=\frac{(8.314)(278.55)^2(0.0131579)}{9890}\\ &=0.8582\ \mathrm K. \end{aligned} \]
Daher gilt
\[ T_{\mathrm f}=5.40-0.8582=4.5418\ ^\circ\mathrm C, \]
woraus sich ergibt:
\[ \boxed{T_{\mathrm f}=4.54\ ^\circ\mathrm C}. \]
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1999 · Teori sorusu 1
Yanma kalorimetrisi ve Q bileşiğinin moleküler hâli
Bir Q bileşiği (molar kütlesi \(122.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)) karbon, hidrojen ve oksijenden oluşmaktadır.
BÖLÜM A
\(25.00\ ^\circ\mathrm C\) sıcaklıkta \(\ce{CO2(g)}\) ve \(\ce{H2O(l)}\) için standart oluşum entalpileri sırasıyla −393.51 ve −285.83 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)'dir. Gaz sabiti, \(R=8.314\ \mathrm{J\,K^{-1}\,mol^{-1}}\).
(Bağıl atom kütleleri: H = 1.0; C = 12.0; O = 16.0)
0.6000 g kütleli bir katı Q örneği, başlangıçta \(25.000\ ^\circ\mathrm C\) sıcaklıkta 710.0 g su içeren bir bomba kalorimetresinde, fazla miktarda oksijen ortamında yakılmaktadır. Tepkime tamamlandıktan sonra sıcaklığın \(27.250\ ^\circ\mathrm C\) olduğu gözlenmekte ve 1.5144 g \(\ce{CO2(g)}\) ile 0.2656 g \(\ce{H2O(l)}\) oluşmaktadır.
1.1 Q'nun molekül formülünü belirleyiniz ve yanması için maddelerin fiziksel hâllerini doğru biçimde gösteren denkleştirilmiş bir tepkime denklemi yazınız.
Suyun özgül ısısının \(4.184\ \mathrm{J\,g^{-1}\,K^{-1}}\) ve tepkimenin iç enerji değişiminin \((\Delta U^0)\) −3079 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) olduğunu kabul ediniz.
1.2 Kalorimetrenin ısı kapasitesini (su hariç) hesaplayınız.
1.3 Q'nun standart oluşum entalpisini \((\Delta H_{\mathrm f}^{0})\) hesaplayınız.
BÖLÜM B
Aşağıdaki veriler, Q'nun \(6\ ^\circ\mathrm C\) sıcaklıkta benzen ve su arasındaki dağılımına ilişkindir; \(C_{\mathrm B}\) ve \(C_{\mathrm W}\), sırasıyla benzen ve su tabakalarındaki Q türlerinin denge derişimleridir:
Benzende, derişimden ve sıcaklıktan bağımsız olarak yalnızca tek bir Q türünün bulunduğunu varsayınız.
Derişim \((\mathrm{mol\,dm^{-3}})\)
| \(C_{\mathrm B}\) | \(C_{\mathrm W}\) |
|---|---|
| 0.0118 | 0.00281 |
| 0.0478 | 0.00566 |
| 0.0981 | 0.00812 |
| 0.156 | 0.0102 |
1.4 Q'nun benzende monomer mi yoksa dimer mi olduğunu hesaplamayla gösteriniz. Q'nun suda monomer olduğunu varsayınız.
İdeal seyreltik bir çözelti için donma noktası alçalması şu bağıntıyla verilir:
\[ T_{\mathrm f}^{0}-T_{\mathrm f} =\frac{R(T_{\mathrm f}^{0})^{2}X_{\mathrm s}}{\Delta H_{\mathrm f}} \]
Burada \(T_{\mathrm f}\) çözeltinin donma noktası, \(T_{\mathrm f}^{0}\) çözücünün donma noktası, \(\Delta H_{\mathrm f}\) çözücünün erime ısısı ve \(X_{\mathrm s}\) çözünenin mol kesridir. Benzenin molar kütlesi \(78.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)'dir. Saf benzen 1 atm basınçta \(5.40\ ^\circ\mathrm C\) sıcaklıkta donar. Benzenin erime ısısı \(9.89\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)'dir.
1.5 5.85 g benzende 0.244 g Q içeren bir çözeltinin 1 atm basınçtaki donma noktasını \((T_{\mathrm f})\) hesaplayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 1.1 Molekül formülü: \(\boxed{\ce{C7H6O2}}\). \[ \boxed{\ce{2 C7H6O2(s) + 15 O2(g) -> 14 CO2(g) + 6 H2O(l)}} \]
- 1.2 Kalorimetrenin su hariç ısı kapasitesi: \(\boxed{3.759\ \mathrm{kJ\,K^{-1}}}\).
- 1.3 Standart oluşum entalpisi: \(\boxed{\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{Q(s)})\approx-532\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\).
- 1.4 Q benzende dimer, \(\ce{Q2}\), hâlindedir, çünkü \(C_{\mathrm B}/C_{\mathrm W}^{2}\) yaklaşık olarak sabittir.
- 1.5 Donma noktası: \(\boxed{T_{\mathrm f}=4.54\ ^\circ\mathrm C}\).
Çözüm
Belirtilen moleküler türler karbondioksit O=C=O, su O, dioksijen O=O ve benzen c1ccccc1'dir. Veriler, Q'nun molekül formülünü ve birleşme durumunu belirlemektedir. Ek yapısal bilgi olmadan Q veya dimeri için tek bir kimyasal ad ya da SMILES gösterimi belirlenemez.
1.1 Molekül formülü ve yanma denklemi
Yakılan Q'nun madde miktarı şöyledir:
\[ n_Q=\frac{0.6000\ \mathrm g}{122.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =4.91803\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Karbonun tamamı karbondioksite, hidrojenin tamamı ise suya geçer:
\[ n(\ce C)=n(\ce{CO2}) =\frac{1.5144\ \mathrm g}{44.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0344182\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce H)=2n(\ce{H2O}) =2\frac{0.2656\ \mathrm g}{18.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0295111\ \mathrm{mol}. \]
Dolayısıyla örnekteki kütleleri şöyledir:
\[ m(\ce C)=0.413018\ \mathrm g, \qquad m(\ce H)=0.0295111\ \mathrm g. \]
Q yalnızca karbon, hidrojen ve oksijen içerdiğinden, oksijen içeriği fark alınarak bulunur:
\[ m(\ce O) =0.6000-0.413018-0.0295111 =0.157471\ \mathrm g, \]
\[ n(\ce O) =\frac{0.157471\ \mathrm g}{16.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.00984192\ \mathrm{mol}. \]
Her bir elementin atomlarının madde miktarı Q'nun madde miktarına bölündüğünde, molekül başına atom sayısı elde edilir:
\[ \frac{n(\ce C)}{n_Q}=6.9984\approx7,\qquad \frac{n(\ce H)}{n_Q}=6.0006\approx6,\qquad \frac{n(\ce O)}{n_Q}=2.0012\approx2. \]
Böylece,
\[ \boxed{Q:\ \ce{C7H6O2}}, \]
ve molar kütlesi
\[ 7(12.0)+6(1.0)+2(16.0)=122.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
olup verilen değerle uyumludur.
Önce karbon, ardından hidrojen ve son olarak oksijen denkleştirildiğinde şu denklem elde edilir:
\[ \boxed{\ce{2 C7H6O2(s) + 15 O2(g) -> 14 CO2(g) + 6 H2O(l)}}. \]
1.2 Kalorimetrenin ısı kapasitesi
Bomba kalorimetresi sabit hacimde çalıştığından, tepkime ısısı iç enerji değişimine eşittir:
\[ q_{\mathrm{rxn}} =n_Q\Delta U^0 =\frac{0.6000}{122.0}(-3079) =-15.1426\ \mathrm{kJ}. \]
Dolayısıyla su ve kalorimetre \(15.1426\ \mathrm{kJ}\) ısı soğurur. Sıcaklık artışları şöyledir:
\[ \Delta T=27.250-25.000=2.250\ \mathrm K. \]
Suyun soğurduğu ısı şöyledir:
\[ q_{\mathrm{water}} =m_{\mathrm{water}}c_{\mathrm{water}}\Delta T =(710.0)(4.184)(2.250) =6683.94\ \mathrm J =6.68394\ \mathrm{kJ}. \]
Enerjinin korunumundan şu bağıntı elde edilir:
\[ -q_{\mathrm{rxn}} =q_{\mathrm{water}}+C_{\mathrm{cal}}\Delta T. \]
Buna göre,
\[ C_{\mathrm{cal}} =\frac{15.1426-6.68394}{2.250} =3.7594\ \mathrm{kJ\,K^{-1}}, \]
ya da
\[ \boxed{C_{\mathrm{cal}}=3.759\ \mathrm{kJ\,K^{-1}}}. \]
1.3 Q'nun standart oluşum entalpisi
Bir mol Q'nun yanması için gazların stokiyometrik madde miktarındaki değişim şöyledir:
\[ \Delta n_{\mathrm g}=7-\frac{15}{2}=-\frac12. \]
Su sıvı hâlde olduğundan \(\Delta n_{\mathrm g}\)'ye katkıda bulunmaz. Şu bağıntı
\[ \Delta H_{\mathrm c}^{0} =\Delta U^{0}+\Delta n_{\mathrm g}RT \]
\(T=298.15\ \mathrm K\) sıcaklıkta kullanıldığında,
\[ \begin{aligned} \Delta H_{\mathrm c}^{0} &=-3079 -\frac12(8.314\times10^{-3})(298.15)\\ &=-3080.239\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Hess yasasına göre, \(\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{O2(g)})=0\) olmak üzere,
\[ \Delta H_{\mathrm c}^{0} = 7\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{CO2(g)}) +3\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{H2O(l)}) -\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{Q(s)}). \]
Dolayısıyla,
\[ \begin{aligned} \Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{Q(s)}) &=7(-393.51)+3(-285.83)-(-3080.239)\\ &=-531.821\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Verilen yanma enerjisinin duyarlılığına uygun olarak,
\[ \boxed{\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{Q(s)}) \approx-532\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \]
1.4 Q'nun benzendeki moleküler hâli
Q her iki çözücüde de monomer hâlinde olsaydı, dağılım dengesi şu koşulu gerektirirdi:
\[ \frac{C_{\mathrm B}}{C_{\mathrm W}}=\text{sabit}. \]
Q benzende dimer oluşturuyorsa, toplam denge şöyledir:
\[ \ce{2 Q(aq) <=> Q2(benzene)}, \]
ve buna karşılık gelen derişim ifadesi şu koşulu gerektirir:
\[ \frac{C_{\mathrm B}}{C_{\mathrm W}^{2}}=\text{sabit}. \]
İki sınamanın sonuçları şöyledir:
| \(C_{\mathrm B}\;(\mathrm{mol\,dm^{-3}})\) | \(C_{\mathrm W}\;(\mathrm{mol\,dm^{-3}})\) | \(C_{\mathrm B}/C_{\mathrm W}\) | \(C_{\mathrm B}/C_{\mathrm W}^{2}\;(\mathrm{dm^3\,mol^{-1}})\) |
|---|---|---|---|
| 0.0118 | 0.00281 | 4.20 | \(1.494\times10^3\) |
| 0.0478 | 0.00566 | 8.45 | \(1.492\times10^3\) |
| 0.0981 | 0.00812 | 12.1 | \(1.488\times10^3\) |
| 0.156 | 0.0102 | 15.3 | \(1.499\times10^3\) |
Monomer için hesaplanan oran önemli ölçüde değişirken, dimer için hesaplanan oran yaklaşık olarak sabittir:
\[ \frac{C_{\mathrm B}}{C_{\mathrm W}^{2}} \approx1.49\times10^3\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}. \]
Bu nedenle,
\[ \boxed{\text{Q benzende dimer hâlinde bulunur.}} \]
1.5 Benzen çözeltisinin donma noktası
Moleküler hâlin derişimden ve sıcaklıktan bağımsız olduğu varsayımı, dimer sonucunun donma noktasında da kullanılmasına olanak verir.
Çözünen tanecikleri dimerlerdir ve molar kütleleri şöyledir:
\[ M(\ce{Q2})=2(122.0)=244.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Böylece,
\[ n_{\mathrm s} =\frac{0.244\ \mathrm g}{244.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.00100\ \mathrm{mol}, \]
benzenin madde miktarı ise şöyledir:
\[ n_{\mathrm{benzene}} =\frac{5.85\ \mathrm g}{78.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0750\ \mathrm{mol}. \]
Çözünen taneciklerinin mol kesri şöyledir:
\[ X_{\mathrm s} =\frac{n_{\mathrm s}}{n_{\mathrm s}+n_{\mathrm{benzene}}} =\frac{0.00100}{0.00100+0.0750} =0.0131579. \]
Çözücünün donma noktası ve erime ısısı gerekli birimlere dönüştürülür:
\[ T_{\mathrm f}^{0}=5.40+273.15=278.55\ \mathrm K, \qquad \Delta H_{\mathrm f}=9890\ \mathrm{J\,mol^{-1}}. \]
Verilen denklem kullanılarak,
\[ \begin{aligned} \Delta T_{\mathrm f} &=\frac{R(T_{\mathrm f}^{0})^2X_{\mathrm s}} {\Delta H_{\mathrm f}}\\ &=\frac{(8.314)(278.55)^2(0.0131579)}{9890}\\ &=0.8582\ \mathrm K. \end{aligned} \]
Dolayısıyla,
\[ T_{\mathrm f}=5.40-0.8582=4.5418\ ^\circ\mathrm C, \]
ve sonuç olarak
\[ \boxed{T_{\mathrm f}=4.54\ ^\circ\mathrm C}. \]
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1999 · Problema teórico 1
Calorimetría de combustión y estado molecular del compuesto Q
Un compuesto Q (masa molar \(122.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)) está constituido por carbono, hidrógeno y oxígeno.
PARTE A
Las entalpías estándar de formación de \(\ce{CO2(g)}\) y \(\ce{H2O(l)}\) a \(25.00\ ^\circ\mathrm C\) son −393.51 y −285.83 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\), respectivamente. La constante de los gases es \(R=8.314\ \mathrm{J\,K^{-1}\,mol^{-1}}\).
(Masas atómicas relativas: H = 1.0; C = 12.0; O = 16.0)
Una muestra de Q sólido de 0.6000 g se quema en un exceso de oxígeno en una bomba calorimétrica, que inicialmente contiene 710.0 g de agua a \(25.000\ ^\circ\mathrm C\). Una vez completada la reacción, se observa que la temperatura es de \(27.250\ ^\circ\mathrm C\), y se producen 1.5144 g de \(\ce{CO2(g)}\) y 0.2656 g de \(\ce{H2O(l)}\).
1.1 Determine la fórmula molecular y escriba una ecuación ajustada para la combustión de Q, indicando correctamente los estados de agregación.
Considere que el calor específico del agua es \(4.184\ \mathrm{J\,g^{-1}\,K^{-1}}\) y que la variación de energía interna de la reacción \((\Delta U^0)\) es −3079 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
1.2 Calcule la capacidad calorífica del calorímetro (sin incluir el agua).
1.3 Calcule la entalpía estándar de formación \((\Delta H_{\mathrm f}^{0})\) de Q.
PARTE B
Los siguientes datos corresponden al reparto de Q entre benceno y agua a \(6\ ^\circ\mathrm C\), siendo \(C_{\mathrm B}\) y \(C_{\mathrm W}\) las concentraciones de equilibrio de las especies de Q en las fases de benceno y agua, respectivamente:
Suponga que en el benceno solo existe una especie de Q, independientemente de la concentración y la temperatura.
Concentración \((\mathrm{mol\,dm^{-3}})\)
| \(C_{\mathrm B}\) | \(C_{\mathrm W}\) |
|---|---|
| 0.0118 | 0.00281 |
| 0.0478 | 0.00566 |
| 0.0981 | 0.00812 |
| 0.156 | 0.0102 |
1.4 Demuestre mediante cálculos si Q es un monómero o un dímero en el benceno. Suponga que Q es un monómero en el agua.
El descenso del punto de congelación de una disolución diluida ideal viene dado por
\[ T_{\mathrm f}^{0}-T_{\mathrm f} =\frac{R(T_{\mathrm f}^{0})^{2}X_{\mathrm s}}{\Delta H_{\mathrm f}} \]
donde \(T_{\mathrm f}\) es el punto de congelación de la disolución, \(T_{\mathrm f}^{0}\) el punto de congelación del disolvente, \(\Delta H_{\mathrm f}\) el calor de fusión del disolvente y \(X_{\mathrm s}\) la fracción molar del soluto. La masa molar del benceno es \(78.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). A 1 atm, el benceno puro se congela a \(5.40\ ^\circ\mathrm C\). El calor de fusión del benceno es \(9.89\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
1.5 Calcule el punto de congelación \((T_{\mathrm f})\) de una disolución que contiene 0.244 g de Q en 5.85 g de benceno a 1 atm.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 1.1 Fórmula molecular: \(\boxed{\ce{C7H6O2}}\). \[ \boxed{\ce{2 C7H6O2(s) + 15 O2(g) -> 14 CO2(g) + 6 H2O(l)}} \]
- 1.2 Capacidad calorífica del calorímetro, sin incluir el agua: \(\boxed{3.759\ \mathrm{kJ\,K^{-1}}}\).
- 1.3 Entalpía estándar de formación: \(\boxed{\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{Q(s)})\approx-532\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\).
- 1.4 Q es un dímero, \(\ce{Q2}\), en el benceno, ya que \(C_{\mathrm B}/C_{\mathrm W}^{2}\) es aproximadamente constante.
- 1.5 Punto de congelación: \(\boxed{T_{\mathrm f}=4.54\ ^\circ\mathrm C}\).
Solución
Las especies moleculares especificadas son dióxido de carbono O=C=O, agua O, dioxígeno O=O y benceno c1ccccc1. Los datos permiten determinar la fórmula molecular y el estado de asociación de Q. No es posible asignar un nombre químico ni un SMILES únicos a Q o a su dímero sin información estructural adicional.
1.1 Fórmula molecular y ecuación de combustión
La cantidad de Q quemada es
\[ n_Q=\frac{0.6000\ \mathrm g}{122.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =4.91803\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Todo el carbono aparece en el dióxido de carbono, y todo el hidrógeno aparece en el agua:
\[ n(\ce C)=n(\ce{CO2}) =\frac{1.5144\ \mathrm g}{44.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0344182\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce H)=2n(\ce{H2O}) =2\frac{0.2656\ \mathrm g}{18.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0295111\ \mathrm{mol}. \]
Por tanto, sus masas en la muestra son
\[ m(\ce C)=0.413018\ \mathrm g, \qquad m(\ce H)=0.0295111\ \mathrm g. \]
Como Q contiene únicamente carbono, hidrógeno y oxígeno, su contenido de oxígeno se obtiene por diferencia:
\[ m(\ce O) =0.6000-0.413018-0.0295111 =0.157471\ \mathrm g, \]
\[ n(\ce O) =\frac{0.157471\ \mathrm g}{16.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.00984192\ \mathrm{mol}. \]
Al dividir la cantidad de átomos de cada elemento entre la cantidad de Q, se obtiene el número de átomos por molécula:
\[ \frac{n(\ce C)}{n_Q}=6.9984\approx7,\qquad \frac{n(\ce H)}{n_Q}=6.0006\approx6,\qquad \frac{n(\ce O)}{n_Q}=2.0012\approx2. \]
Así,
\[ \boxed{Q:\ \ce{C7H6O2}}, \]
con una masa molar de
\[ 7(12.0)+6(1.0)+2(16.0)=122.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
en concordancia con el valor dado.
Al ajustar el carbono, el hidrógeno y, por último, el oxígeno, se obtiene
\[ \boxed{\ce{2 C7H6O2(s) + 15 O2(g) -> 14 CO2(g) + 6 H2O(l)}}. \]
1.2 Capacidad calorífica del calorímetro
Una bomba calorimétrica funciona a volumen constante, por lo que el calor de reacción es igual a la variación de energía interna:
\[ q_{\mathrm{rxn}} =n_Q\Delta U^0 =\frac{0.6000}{122.0}(-3079) =-15.1426\ \mathrm{kJ}. \]
Por tanto, el agua y el calorímetro absorben \(15.1426\ \mathrm{kJ}\). Su aumento de temperatura es
\[ \Delta T=27.250-25.000=2.250\ \mathrm K. \]
El agua absorbe
\[ q_{\mathrm{water}} =m_{\mathrm{water}}c_{\mathrm{water}}\Delta T =(710.0)(4.184)(2.250) =6683.94\ \mathrm J =6.68394\ \mathrm{kJ}. \]
La conservación de la energía da
\[ -q_{\mathrm{rxn}} =q_{\mathrm{water}}+C_{\mathrm{cal}}\Delta T. \]
En consecuencia,
\[ C_{\mathrm{cal}} =\frac{15.1426-6.68394}{2.250} =3.7594\ \mathrm{kJ\,K^{-1}}, \]
o bien
\[ \boxed{C_{\mathrm{cal}}=3.759\ \mathrm{kJ\,K^{-1}}}. \]
1.3 Entalpía estándar de formación de Q
Para la combustión de un mol de Q, la variación de la cantidad estequiométrica de gases es
\[ \Delta n_{\mathrm g}=7-\frac{15}{2}=-\frac12. \]
El agua es líquida y, por tanto, no contribuye a \(\Delta n_{\mathrm g}\). Utilizando
\[ \Delta H_{\mathrm c}^{0} =\Delta U^{0}+\Delta n_{\mathrm g}RT \]
a \(T=298.15\ \mathrm K\),
\[ \begin{aligned} \Delta H_{\mathrm c}^{0} &=-3079 -\frac12(8.314\times10^{-3})(298.15)\\ &=-3080.239\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Por la ley de Hess, con \(\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{O2(g)})=0\),
\[ \Delta H_{\mathrm c}^{0} = 7\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{CO2(g)}) +3\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{H2O(l)}) -\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{Q(s)}). \]
Por tanto,
\[ \begin{aligned} \Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{Q(s)}) &=7(-393.51)+3(-285.83)-(-3080.239)\\ &=-531.821\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Con una precisión adecuada a la energía de combustión dada,
\[ \boxed{\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{Q(s)}) \approx-532\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \]
1.4 Estado molecular de Q en el benceno
Si Q fuera monomérico en ambos disolventes, el equilibrio de reparto exigiría
\[ \frac{C_{\mathrm B}}{C_{\mathrm W}}=\text{constante}. \]
Si Q forma un dímero en el benceno, el equilibrio global es
\[ \ce{2 Q(aq) <=> Q2(benzene)}, \]
y la expresión correspondiente en términos de concentraciones exige
\[ \frac{C_{\mathrm B}}{C_{\mathrm W}^{2}}=\text{constante}. \]
Las dos comprobaciones dan:
| \(C_{\mathrm B}\;(\mathrm{mol\,dm^{-3}})\) | \(C_{\mathrm W}\;(\mathrm{mol\,dm^{-3}})\) | \(C_{\mathrm B}/C_{\mathrm W}\) | \(C_{\mathrm B}/C_{\mathrm W}^{2}\;(\mathrm{dm^3\,mol^{-1}})\) |
|---|---|---|---|
| 0.0118 | 0.00281 | 4.20 | \(1.494\times10^3\) |
| 0.0478 | 0.00566 | 8.45 | \(1.492\times10^3\) |
| 0.0981 | 0.00812 | 12.1 | \(1.488\times10^3\) |
| 0.156 | 0.0102 | 15.3 | \(1.499\times10^3\) |
El cociente correspondiente al monómero varía considerablemente, mientras que el correspondiente al dímero es aproximadamente constante:
\[ \frac{C_{\mathrm B}}{C_{\mathrm W}^{2}} \approx1.49\times10^3\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}. \]
Por consiguiente,
\[ \boxed{\text{Q existe como dímero en el benceno.}} \]
1.5 Punto de congelación de la disolución en benceno
La independencia estipulada del estado molecular respecto de la concentración y la temperatura permite aplicar el resultado de la formación del dímero al punto de congelación.
Las partículas de soluto son dímeros, con una masa molar de
\[ M(\ce{Q2})=2(122.0)=244.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Así,
\[ n_{\mathrm s} =\frac{0.244\ \mathrm g}{244.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.00100\ \mathrm{mol}, \]
mientras que la cantidad de benceno es
\[ n_{\mathrm{benzene}} =\frac{5.85\ \mathrm g}{78.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0750\ \mathrm{mol}. \]
La fracción molar de las partículas de soluto es
\[ X_{\mathrm s} =\frac{n_{\mathrm s}}{n_{\mathrm s}+n_{\mathrm{benzene}}} =\frac{0.00100}{0.00100+0.0750} =0.0131579. \]
Se convierten el punto de congelación y el calor de fusión del disolvente a las unidades requeridas:
\[ T_{\mathrm f}^{0}=5.40+273.15=278.55\ \mathrm K, \qquad \Delta H_{\mathrm f}=9890\ \mathrm{J\,mol^{-1}}. \]
Utilizando la ecuación proporcionada,
\[ \begin{aligned} \Delta T_{\mathrm f} &=\frac{R(T_{\mathrm f}^{0})^2X_{\mathrm s}} {\Delta H_{\mathrm f}}\\ &=\frac{(8.314)(278.55)^2(0.0131579)}{9890}\\ &=0.8582\ \mathrm K. \end{aligned} \]
Por tanto,
\[ T_{\mathrm f}=5.40-0.8582=4.5418\ ^\circ\mathrm C, \]
lo que da
\[ \boxed{T_{\mathrm f}=4.54\ ^\circ\mathrm C}. \]
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1999 · 理论题 1
燃烧量热法与化合物 Q 的分子状态
化合物 Q(摩尔质量为 \(122.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\))由碳、氢、氧三种元素组成。
部分 A
在 \(25.00\ ^\circ\mathrm C\) 时,\(\ce{CO2(g)}\) 和 \(\ce{H2O(l)}\) 的标准生成焓分别为 −393.51 和 −285.83 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)。气体常数为 \(R=8.314\ \mathrm{J\,K^{-1}\,mol^{-1}}\)。
(相对原子质量:H = 1.0;C = 12.0;O = 16.0)
将一份质量为 0.6000 g 的固体 Q 样品置于弹式量热计中,在过量氧气中燃烧。量热计最初装有 710.0 g、温度为 \(25.000\ ^\circ\mathrm C\) 的水。反应完成后,测得温度为 \(27.250\ ^\circ\mathrm C\),并生成了 1.5144 g 的 \(\ce{CO2(g)}\) 和 0.2656 g 的 \(\ce{H2O(l)}\)。
1.1 确定 Q 的分子式,并写出配平的 Q 的燃烧反应方程式,正确标明各物质的物态。
已知水的比热容为 \(4.184\ \mathrm{J\,g^{-1}\,K^{-1}}\),反应的内能变化 \((\Delta U^0)\) 为 −3079 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)。
1.2 计算量热计的热容(不包括水)。
1.3 计算 Q 的标准生成焓 \((\Delta H_{\mathrm f}^{0})\)。
部分 B
以下数据描述了 Q 在 \(6\ ^\circ\mathrm C\) 时在苯和水之间的分配情况,\(C_{\mathrm B}\) 和 \(C_{\mathrm W}\) 分别为 Q 的物种在苯层和水层中的平衡浓度:
假设 Q 在苯中仅以一种物种存在,且不随浓度和温度而改变。
浓度 \((\mathrm{mol\,dm^{-3}})\)
| \(C_{\mathrm B}\) | \(C_{\mathrm W}\) |
|---|---|
| 0.0118 | 0.00281 |
| 0.0478 | 0.00566 |
| 0.0981 | 0.00812 |
| 0.156 | 0.0102 |
1.4 通过计算说明 Q 在苯中是以单体还是二聚体形式存在。假设 Q 在水中以单体形式存在。
对于理想稀溶液,凝固点降低值由下式给出:
\[ T_{\mathrm f}^{0}-T_{\mathrm f} =\frac{R(T_{\mathrm f}^{0})^{2}X_{\mathrm s}}{\Delta H_{\mathrm f}} \]
其中,\(T_{\mathrm f}\) 为溶液的凝固点,\(T_{\mathrm f}^{0}\) 为溶剂的凝固点,\(\Delta H_{\mathrm f}\) 为溶剂的熔化热,\(X_{\mathrm s}\) 为溶质的摩尔分数。苯的摩尔质量为 \(78.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)。在 1 atm 下,纯苯的凝固点为 \(5.40\ ^\circ\mathrm C\)。苯的熔化热为 \(9.89\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)。
1.5 计算在 1 atm 下,将 0.244 g 的 Q 溶于 5.85 g 苯所形成的溶液的凝固点 \((T_{\mathrm f})\)。
题目译自官方英文原文。
答案
- 1.1 分子式:\(\boxed{\ce{C7H6O2}}\)。 \[ \boxed{\ce{2 C7H6O2(s) + 15 O2(g) -> 14 CO2(g) + 6 H2O(l)}} \]
- 1.2 量热计的热容(不包括水): \(\boxed{3.759\ \mathrm{kJ\,K^{-1}}}\)。
- 1.3 标准生成焓: \(\boxed{\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{Q(s)})\approx-532\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\)。
- 1.4 Q 在苯中以二聚体 \(\ce{Q2}\) 的形式存在,因为 \(C_{\mathrm B}/C_{\mathrm W}^{2}\) 近似为常数。
- 1.5 凝固点: \(\boxed{T_{\mathrm f}=4.54\ ^\circ\mathrm C}\)。
解答
题目中明确给出的分子物种为二氧化碳 O=C=O、水 O、氧气 O=O 和苯 c1ccccc1。这些数据可以确定 Q 的分子式和缔合状态。没有进一步的结构信息,就无法为 Q 或其二聚体指定唯一的化学名称或 SMILES。
1.1 分子式与燃烧反应方程式
燃烧的 Q 的物质的量为
\[ n_Q=\frac{0.6000\ \mathrm g}{122.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =4.91803\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
所有碳均转化为二氧化碳,所有氢均转化为水:
\[ n(\ce C)=n(\ce{CO2}) =\frac{1.5144\ \mathrm g}{44.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0344182\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce H)=2n(\ce{H2O}) =2\frac{0.2656\ \mathrm g}{18.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0295111\ \mathrm{mol}. \]
因此,它们在样品中的质量分别为
\[ m(\ce C)=0.413018\ \mathrm g, \qquad m(\ce H)=0.0295111\ \mathrm g. \]
由于 Q 仅含碳、氢、氧,其氧含量可由差减法求得:
\[ m(\ce O) =0.6000-0.413018-0.0295111 =0.157471\ \mathrm g, \]
\[ n(\ce O) =\frac{0.157471\ \mathrm g}{16.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.00984192\ \mathrm{mol}. \]
将各元素原子的物质的量分别除以 Q 的物质的量,即得每个分子中各元素的原子数:
\[ \frac{n(\ce C)}{n_Q}=6.9984\approx7,\qquad \frac{n(\ce H)}{n_Q}=6.0006\approx6,\qquad \frac{n(\ce O)}{n_Q}=2.0012\approx2. \]
因此,
\[ \boxed{Q:\ \ce{C7H6O2}}, \]
其摩尔质量为
\[ 7(12.0)+6(1.0)+2(16.0)=122.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
与给定值一致。
依次配平碳、氢和氧,得到
\[ \boxed{\ce{2 C7H6O2(s) + 15 O2(g) -> 14 CO2(g) + 6 H2O(l)}}. \]
1.2 量热计的热容
弹式量热计在恒容条件下工作,因此反应热等于内能变化:
\[ q_{\mathrm{rxn}} =n_Q\Delta U^0 =\frac{0.6000}{122.0}(-3079) =-15.1426\ \mathrm{kJ}. \]
因此,水和量热计共吸收 \(15.1426\ \mathrm{kJ}\) 的热量。它们的温度升高值为
\[ \Delta T=27.250-25.000=2.250\ \mathrm K. \]
水吸收的热量为
\[ q_{\mathrm{water}} =m_{\mathrm{water}}c_{\mathrm{water}}\Delta T =(710.0)(4.184)(2.250) =6683.94\ \mathrm J =6.68394\ \mathrm{kJ}. \]
由能量守恒可得
\[ -q_{\mathrm{rxn}} =q_{\mathrm{water}}+C_{\mathrm{cal}}\Delta T. \]
于是,
\[ C_{\mathrm{cal}} =\frac{15.1426-6.68394}{2.250} =3.7594\ \mathrm{kJ\,K^{-1}}, \]
即
\[ \boxed{C_{\mathrm{cal}}=3.759\ \mathrm{kJ\,K^{-1}}}. \]
1.3 Q 的标准生成焓
每燃烧一摩尔 Q,按化学计量关系计算的气体物质的量变化为
\[ \Delta n_{\mathrm g}=7-\frac{15}{2}=-\frac12. \]
水为液态,因此不计入 \(\Delta n_{\mathrm g}\)。利用
\[ \Delta H_{\mathrm c}^{0} =\Delta U^{0}+\Delta n_{\mathrm g}RT \]
在 \(T=298.15\ \mathrm K\) 时,
\[ \begin{aligned} \Delta H_{\mathrm c}^{0} &=-3079 -\frac12(8.314\times10^{-3})(298.15)\\ &=-3080.239\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
根据盖斯定律,并利用 \(\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{O2(g)})=0\),有
\[ \Delta H_{\mathrm c}^{0} = 7\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{CO2(g)}) +3\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{H2O(l)}) -\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{Q(s)}). \]
因此,
\[ \begin{aligned} \Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{Q(s)}) &=7(-393.51)+3(-285.83)-(-3080.239)\\ &=-531.821\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
按与给定燃烧能相适应的精度表示,
\[ \boxed{\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{Q(s)}) \approx-532\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \]
1.4 Q 在苯中的分子状态
若 Q 在两种溶剂中均以单体形式存在,则分配平衡要求
\[ \frac{C_{\mathrm B}}{C_{\mathrm W}}=\text{常数}. \]
若 Q 在苯中形成二聚体,则总平衡为
\[ \ce{2 Q(aq) <=> Q2(benzene)}, \]
相应的浓度关系要求
\[ \frac{C_{\mathrm B}}{C_{\mathrm W}^{2}}=\text{常数}. \]
对这两种情况进行检验,得到:
| \(C_{\mathrm B}\;(\mathrm{mol\,dm^{-3}})\) | \(C_{\mathrm W}\;(\mathrm{mol\,dm^{-3}})\) | \(C_{\mathrm B}/C_{\mathrm W}\) | \(C_{\mathrm B}/C_{\mathrm W}^{2}\;(\mathrm{dm^3\,mol^{-1}})\) |
|---|---|---|---|
| 0.0118 | 0.00281 | 4.20 | \(1.494\times10^3\) |
| 0.0478 | 0.00566 | 8.45 | \(1.492\times10^3\) |
| 0.0981 | 0.00812 | 12.1 | \(1.488\times10^3\) |
| 0.156 | 0.0102 | 15.3 | \(1.499\times10^3\) |
单体假设对应的比值变化显著,而二聚体假设对应的比值近似为常数:
\[ \frac{C_{\mathrm B}}{C_{\mathrm W}^{2}} \approx1.49\times10^3\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}. \]
因此,
\[ \boxed{\text{Q 在苯中以二聚体形式存在。}} \]
1.5 苯溶液的凝固点
题设规定分子状态不随浓度和温度而改变,因此可以在凝固点处采用二聚体这一结论。
溶质粒子为二聚体,其摩尔质量为
\[ M(\ce{Q2})=2(122.0)=244.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
因此,
\[ n_{\mathrm s} =\frac{0.244\ \mathrm g}{244.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.00100\ \mathrm{mol}, \]
而苯的物质的量为
\[ n_{\mathrm{benzene}} =\frac{5.85\ \mathrm g}{78.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0750\ \mathrm{mol}. \]
溶质粒子的摩尔分数为
\[ X_{\mathrm s} =\frac{n_{\mathrm s}}{n_{\mathrm s}+n_{\mathrm{benzene}}} =\frac{0.00100}{0.00100+0.0750} =0.0131579. \]
将溶剂的凝固点和熔化热换算为所需的单位:
\[ T_{\mathrm f}^{0}=5.40+273.15=278.55\ \mathrm K, \qquad \Delta H_{\mathrm f}=9890\ \mathrm{J\,mol^{-1}}. \]
使用题目给出的公式,
\[ \begin{aligned} \Delta T_{\mathrm f} &=\frac{R(T_{\mathrm f}^{0})^2X_{\mathrm s}} {\Delta H_{\mathrm f}}\\ &=\frac{(8.314)(278.55)^2(0.0131579)}{9890}\\ &=0.8582\ \mathrm K. \end{aligned} \]
因此,
\[ T_{\mathrm f}=5.40-0.8582=4.5418\ ^\circ\mathrm C, \]
得到
\[ \boxed{T_{\mathrm f}=4.54\ ^\circ\mathrm C}. \]
解答已与官方解答核对。
IChO 1999 · Теоретическая задача 1
Калориметрия сгорания и молекулярное состояние соединения Q
Соединение Q (молярная масса \(122.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)) состоит из углерода, водорода и кислорода.
ЧАСТЬ A
Стандартные энтальпии образования \(\ce{CO2(g)}\) и \(\ce{H2O(l)}\) при \(25.00\ ^\circ\mathrm C\) равны соответственно −393.51 и −285.83 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\). Газовая постоянная \(R=8.314\ \mathrm{J\,K^{-1}\,mol^{-1}}\).
(Относительные атомные массы: H = 1.0; C = 12.0; O = 16.0)
Образец твёрдого Q массой 0.6000 г сжигают в избытке кислорода в бомбовом калориметре, первоначально содержащем 710.0 г воды при \(25.000\ ^\circ\mathrm C\). После завершения реакции температура составляет \(27.250\ ^\circ\mathrm C\), при этом образуются 1.5144 г \(\ce{CO2(g)}\) и 0.2656 г \(\ce{H2O(l)}\).
1.1 Определите молекулярную формулу и запишите уравнение сгорания Q с расставленными коэффициентами и правильным указанием агрегатных состояний.
Пусть удельная теплоёмкость воды равна \(4.184\ \mathrm{J\,g^{-1}\,K^{-1}}\), а изменение внутренней энергии реакции \((\Delta U^0)\) равно −3079 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
1.2 Рассчитайте теплоёмкость калориметра (без учёта воды).
1.3 Рассчитайте стандартную энтальпию образования \((\Delta H_{\mathrm f}^{0})\) соединения Q.
ЧАСТЬ B
Следующие данные относятся к распределению Q между бензолом и водой при \(6\ ^\circ\mathrm C\), где \(C_{\mathrm B}\) и \(C_{\mathrm W}\) — равновесные концентрации молекулярных форм Q в бензольном и водном слоях соответственно:
Считайте, что в бензоле существует только одна молекулярная форма Q, независимо от концентрации и температуры.
Концентрация \((\mathrm{mol\,dm^{-3}})\)
| \(C_{\mathrm B}\) | \(C_{\mathrm W}\) |
|---|---|
| 0.0118 | 0.00281 |
| 0.0478 | 0.00566 |
| 0.0981 | 0.00812 |
| 0.156 | 0.0102 |
1.4 Покажите расчётом, является ли Q в бензоле мономером или димером. Считайте, что в воде Q является мономером.
Понижение температуры замерзания идеального разбавленного раствора определяется выражением
\[ T_{\mathrm f}^{0}-T_{\mathrm f} =\frac{R(T_{\mathrm f}^{0})^{2}X_{\mathrm s}}{\Delta H_{\mathrm f}} \]
где \(T_{\mathrm f}\) — температура замерзания раствора, \(T_{\mathrm f}^{0}\) — температура замерзания растворителя, \(\Delta H_{\mathrm f}\) — теплота плавления растворителя, а \(X_{\mathrm s}\) — мольная доля растворённого вещества. Молярная масса бензола равна \(78.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). При давлении 1 атм чистый бензол замерзает при \(5.40\ ^\circ\mathrm C\). Теплота плавления бензола равна \(9.89\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
1.5 Рассчитайте температуру замерзания \((T_{\mathrm f})\) раствора, содержащего 0.244 г Q в 5.85 г бензола, при давлении 1 атм.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 1.1 Молекулярная формула: \(\boxed{\ce{C7H6O2}}\). \[ \boxed{\ce{2 C7H6O2(s) + 15 O2(g) -> 14 CO2(g) + 6 H2O(l)}} \]
- 1.2 Теплоёмкость калориметра без учёта воды: \(\boxed{3.759\ \mathrm{kJ\,K^{-1}}}\).
- 1.3 Стандартная энтальпия образования: \(\boxed{\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{Q(s)})\approx-532\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\).
- 1.4 В бензоле Q является димером, \(\ce{Q2}\), поскольку отношение \(C_{\mathrm B}/C_{\mathrm W}^{2}\) приблизительно постоянно.
- 1.5 Температура замерзания: \(\boxed{T_{\mathrm f}=4.54\ ^\circ\mathrm C}\).
Решение
Указанные молекулярные вещества — диоксид углерода O=C=O, вода O, кислород O=O и бензол c1ccccc1. Данные позволяют определить молекулярную формулу Q и степень его ассоциации. Без дополнительной информации о строении нельзя однозначно установить химическое название или запись SMILES для Q или его димера.
1.1 Молекулярная формула и уравнение сгорания
Количество сгоревшего вещества Q равно
\[ n_Q=\frac{0.6000\ \mathrm g}{122.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =4.91803\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Весь углерод переходит в диоксид углерода, а весь водород — в воду:
\[ n(\ce C)=n(\ce{CO2}) =\frac{1.5144\ \mathrm g}{44.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0344182\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce H)=2n(\ce{H2O}) =2\frac{0.2656\ \mathrm g}{18.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0295111\ \mathrm{mol}. \]
Следовательно, их массы в образце равны
\[ m(\ce C)=0.413018\ \mathrm g, \qquad m(\ce H)=0.0295111\ \mathrm g. \]
Поскольку Q содержит только углерод, водород и кислород, содержание кислорода в нём определяется по разности:
\[ m(\ce O) =0.6000-0.413018-0.0295111 =0.157471\ \mathrm g, \]
\[ n(\ce O) =\frac{0.157471\ \mathrm g}{16.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.00984192\ \mathrm{mol}. \]
Разделив количество вещества атомов каждого элемента на количество вещества Q, получаем число атомов в одной молекуле:
\[ \frac{n(\ce C)}{n_Q}=6.9984\approx7,\qquad \frac{n(\ce H)}{n_Q}=6.0006\approx6,\qquad \frac{n(\ce O)}{n_Q}=2.0012\approx2. \]
Таким образом,
\[ \boxed{Q:\ \ce{C7H6O2}}, \]
а молярная масса составляет
\[ 7(12.0)+6(1.0)+2(16.0)=122.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
что согласуется с данным значением.
Уравнивая число атомов углерода, водорода, а затем кислорода, получаем
\[ \boxed{\ce{2 C7H6O2(s) + 15 O2(g) -> 14 CO2(g) + 6 H2O(l)}}. \]
1.2 Теплоёмкость калориметра
Бомбовый калориметр работает при постоянном объёме, поэтому теплота реакции равна изменению внутренней энергии:
\[ q_{\mathrm{rxn}} =n_Q\Delta U^0 =\frac{0.6000}{122.0}(-3079) =-15.1426\ \mathrm{kJ}. \]
Следовательно, вода и калориметр поглощают \(15.1426\ \mathrm{kJ}\). Повышение их температуры составляет
\[ \Delta T=27.250-25.000=2.250\ \mathrm K. \]
Вода поглощает
\[ q_{\mathrm{water}} =m_{\mathrm{water}}c_{\mathrm{water}}\Delta T =(710.0)(4.184)(2.250) =6683.94\ \mathrm J =6.68394\ \mathrm{kJ}. \]
Из закона сохранения энергии следует
\[ -q_{\mathrm{rxn}} =q_{\mathrm{water}}+C_{\mathrm{cal}}\Delta T. \]
Следовательно,
\[ C_{\mathrm{cal}} =\frac{15.1426-6.68394}{2.250} =3.7594\ \mathrm{kJ\,K^{-1}}, \]
или
\[ \boxed{C_{\mathrm{cal}}=3.759\ \mathrm{kJ\,K^{-1}}}. \]
1.3 Стандартная энтальпия образования Q
При сгорании одного моля Q изменение количества вещества газообразных компонентов, определяемое стехиометрией реакции, равно
\[ \Delta n_{\mathrm g}=7-\frac{15}{2}=-\frac12. \]
Вода находится в жидком состоянии и поэтому не вносит вклада в \(\Delta n_{\mathrm g}\). Используя соотношение
\[ \Delta H_{\mathrm c}^{0} =\Delta U^{0}+\Delta n_{\mathrm g}RT \]
при \(T=298.15\ \mathrm K\), получаем
\[ \begin{aligned} \Delta H_{\mathrm c}^{0} &=-3079 -\frac12(8.314\times10^{-3})(298.15)\\ &=-3080.239\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
По закону Гесса, учитывая, что \(\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{O2(g)})=0\),
\[ \Delta H_{\mathrm c}^{0} = 7\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{CO2(g)}) +3\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{H2O(l)}) -\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{Q(s)}). \]
Следовательно,
\[ \begin{aligned} \Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{Q(s)}) &=7(-393.51)+3(-285.83)-(-3080.239)\\ &=-531.821\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
С точностью, соответствующей заданной энергии сгорания,
\[ \boxed{\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{Q(s)}) \approx-532\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \]
1.4 Молекулярное состояние Q в бензоле
Если бы Q был мономером в обоих растворителях, для равновесия распределения должно было бы выполняться условие
\[ \frac{C_{\mathrm B}}{C_{\mathrm W}}=\text{постоянная}. \]
Если Q образует димер в бензоле, суммарное равновесие имеет вид
\[ \ce{2 Q(aq) <=> Q2(benzene)}, \]
а соответствующее выражение через концентрации требует выполнения условия
\[ \frac{C_{\mathrm B}}{C_{\mathrm W}^{2}}=\text{постоянная}. \]
Проверка этих двух условий даёт:
| \(C_{\mathrm B}\;(\mathrm{mol\,dm^{-3}})\) | \(C_{\mathrm W}\;(\mathrm{mol\,dm^{-3}})\) | \(C_{\mathrm B}/C_{\mathrm W}\) | \(C_{\mathrm B}/C_{\mathrm W}^{2}\;(\mathrm{dm^3\,mol^{-1}})\) |
|---|---|---|---|
| 0.0118 | 0.00281 | 4.20 | \(1.494\times10^3\) |
| 0.0478 | 0.00566 | 8.45 | \(1.492\times10^3\) |
| 0.0981 | 0.00812 | 12.1 | \(1.488\times10^3\) |
| 0.156 | 0.0102 | 15.3 | \(1.499\times10^3\) |
Отношение для мономера существенно изменяется, тогда как отношение для димера приблизительно постоянно:
\[ \frac{C_{\mathrm B}}{C_{\mathrm W}^{2}} \approx1.49\times10^3\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}. \]
Следовательно,
\[ \boxed{\text{Q существует в бензоле в виде димера.}} \]
1.5 Температура замерзания бензольного раствора
Заданная в условии независимость молекулярного состояния от концентрации и температуры позволяет использовать вывод об образовании димера при температуре замерзания.
Частицы растворённого вещества представляют собой димеры с молярной массой
\[ M(\ce{Q2})=2(122.0)=244.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Таким образом,
\[ n_{\mathrm s} =\frac{0.244\ \mathrm g}{244.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.00100\ \mathrm{mol}, \]
тогда как количество вещества бензола равно
\[ n_{\mathrm{benzene}} =\frac{5.85\ \mathrm g}{78.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0750\ \mathrm{mol}. \]
Мольная доля частиц растворённого вещества составляет
\[ X_{\mathrm s} =\frac{n_{\mathrm s}}{n_{\mathrm s}+n_{\mathrm{benzene}}} =\frac{0.00100}{0.00100+0.0750} =0.0131579. \]
Переведём температуру замерзания и теплоту плавления растворителя в требуемые единицы:
\[ T_{\mathrm f}^{0}=5.40+273.15=278.55\ \mathrm K, \qquad \Delta H_{\mathrm f}=9890\ \mathrm{J\,mol^{-1}}. \]
Используя данное уравнение, получаем
\[ \begin{aligned} \Delta T_{\mathrm f} &=\frac{R(T_{\mathrm f}^{0})^2X_{\mathrm s}} {\Delta H_{\mathrm f}}\\ &=\frac{(8.314)(278.55)^2(0.0131579)}{9890}\\ &=0.8582\ \mathrm K. \end{aligned} \]
Следовательно,
\[ T_{\mathrm f}=5.40-0.8582=4.5418\ ^\circ\mathrm C, \]
откуда
\[ \boxed{T_{\mathrm f}=4.54\ ^\circ\mathrm C}. \]
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1999 · مسألة نظرية 1
المسعرية الاحتراقية والحالة الجزيئية للمركب Q
يتكون مركب Q (كتلته المولية \(122.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)) من الكربون والهيدروجين والأكسجين.
الجزء A
إن إنثالبيتي التكوين القياسيتين لكل من \(\ce{CO2(g)}\) و\(\ce{H2O(l)}\) عند \(25.00\ ^\circ\mathrm C\) هما −393.51 و−285.83 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)، على الترتيب. ثابت الغازات هو \(R=8.314\ \mathrm{J\,K^{-1}\,mol^{-1}}\).
(الكتل الذرية النسبية: H = 1.0; C = 12.0; O = 16.0)
تُحرق عينة من Q الصلب كتلتها 0.6000 g في فائض من الأكسجين داخل مسعر القنبلة، الذي يحتوي في البداية على 710.0 g من الماء عند \(25.000\ ^\circ\mathrm C\). بعد اكتمال التفاعل، تُرصد درجة حرارة مقدارها \(27.250\ ^\circ\mathrm C\)، وينتج 1.5144 g من \(\ce{CO2(g)}\) و0.2656 g من \(\ce{H2O(l)}\).
1.1 حدِّد الصيغة الجزيئية واكتب معادلة موزونة لاحتراق Q مع بيان الحالات الفيزيائية الصحيحة للمواد.
إذا كانت السعة الحرارية النوعية للماء \(4.184\ \mathrm{J\,g^{-1}\,K^{-1}}\)، وكان التغير في الطاقة الداخلية للتفاعل \((\Delta U^0)\) يساوي −3079 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
1.2 احسب السعة الحرارية للمسعر (باستثناء الماء).
1.3 احسب إنثالبية التكوين القياسية \((\Delta H_{\mathrm f}^{0})\) للمركب Q.
الجزء B
تتعلق البيانات الآتية بتوزع Q بين البنزين والماء عند \(6\ ^\circ\mathrm C\)، حيث يمثل \(C_{\mathrm B}\) و\(C_{\mathrm W}\) تركيزي الاتزان للأنواع الكيميائية للمركب Q في طبقتي البنزين والماء، على الترتيب:
افترض وجود نوع كيميائي واحد فقط من Q في البنزين، بصرف النظر عن التركيز ودرجة الحرارة.
التركيز \((\mathrm{mol\,dm^{-3}})\)
| \(C_{\mathrm B}\) | \(C_{\mathrm W}\) |
|---|---|
| 0.0118 | 0.00281 |
| 0.0478 | 0.00566 |
| 0.0981 | 0.00812 |
| 0.156 | 0.0102 |
1.4 بيِّن بالحساب ما إذا كان Q أحادي القسيمة أم ثنائي القسيمة في البنزين. افترض أن Q أحادي القسيمة في الماء.
يُعطى انخفاض درجة التجمد، لمحلول مثالي مخفف، بالعلاقة
\[ T_{\mathrm f}^{0}-T_{\mathrm f} =\frac{R(T_{\mathrm f}^{0})^{2}X_{\mathrm s}}{\Delta H_{\mathrm f}} \]
حيث \(T_{\mathrm f}\) هي درجة تجمد المحلول، و\(T_{\mathrm f}^{0}\) درجة تجمد المذيب، و\(\Delta H_{\mathrm f}\) حرارة انصهار المذيب، و\(X_{\mathrm s}\) الكسر المولي للمذاب. الكتلة المولية للبنزين هي \(78.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\). عند ضغط 1 atm، يتجمد البنزين النقي عند \(5.40\ ^\circ\mathrm C\). حرارة انصهار البنزين هي \(9.89\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
1.5 احسب درجة التجمد \((T_{\mathrm f})\) لمحلول يحتوي على 0.244 g من Q في 5.85 g من البنزين عند ضغط 1 atm.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 1.1 الصيغة الجزيئية: \(\boxed{\ce{C7H6O2}}\). \[ \boxed{\ce{2 C7H6O2(s) + 15 O2(g) -> 14 CO2(g) + 6 H2O(l)}} \]
- 1.2 السعة الحرارية للمسعر، باستثناء الماء: \(\boxed{3.759\ \mathrm{kJ\,K^{-1}}}\).
- 1.3 إنثالبية التكوين القياسية: \(\boxed{\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{Q(s)})\approx-532\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\).
- 1.4 يوجد Q في صورة ثنائي القسيمة، \(\ce{Q2}\)، في البنزين، لأن \(C_{\mathrm B}/C_{\mathrm W}^{2}\) ثابت تقريبًا.
- 1.5 درجة التجمد: \(\boxed{T_{\mathrm f}=4.54\ ^\circ\mathrm C}\).
الحل
الأنواع الجزيئية المحددة هي ثاني أكسيد الكربون O=C=O، والماء O، وثنائي الأكسجين O=O، والبنزين c1ccccc1. تحدد البيانات الصيغة الجزيئية للمركب Q وحالة تجمعه الجزيئي. ولا يمكن تعيين اسم كيميائي أو تمثيل SMILES وحيد للمركب Q أو لثنائي القسيمة منه دون معلومات بنيوية إضافية.
1.1 الصيغة الجزيئية ومعادلة الاحتراق
كمية مادة Q المحترقة هي
\[ n_Q=\frac{0.6000\ \mathrm g}{122.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =4.91803\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
يوجد كل الكربون في ثاني أكسيد الكربون، ويوجد كل الهيدروجين في الماء:
\[ n(\ce C)=n(\ce{CO2}) =\frac{1.5144\ \mathrm g}{44.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0344182\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce H)=2n(\ce{H2O}) =2\frac{0.2656\ \mathrm g}{18.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0295111\ \mathrm{mol}. \]
ومن ثم فإن كتلتيهما في العينة هما
\[ m(\ce C)=0.413018\ \mathrm g, \qquad m(\ce H)=0.0295111\ \mathrm g. \]
بما أن Q لا يحتوي إلا على الكربون والهيدروجين والأكسجين، فإن محتواه من الأكسجين يُحسب بالفرق:
\[ m(\ce O) =0.6000-0.413018-0.0295111 =0.157471\ \mathrm g, \]
\[ n(\ce O) =\frac{0.157471\ \mathrm g}{16.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.00984192\ \mathrm{mol}. \]
تعطي قسمة كمية مادة ذرات كل عنصر على كمية مادة Q عدد الذرات في كل جزيء:
\[ \frac{n(\ce C)}{n_Q}=6.9984\approx7,\qquad \frac{n(\ce H)}{n_Q}=6.0006\approx6,\qquad \frac{n(\ce O)}{n_Q}=2.0012\approx2. \]
إذن،
\[ \boxed{Q:\ \ce{C7H6O2}}, \]
وتبلغ كتلته المولية
\[ 7(12.0)+6(1.0)+2(16.0)=122.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
وهو ما يتفق مع القيمة المعطاة.
تعطي موازنة الكربون والهيدروجين ثم الأكسجين
\[ \boxed{\ce{2 C7H6O2(s) + 15 O2(g) -> 14 CO2(g) + 6 H2O(l)}}. \]
1.2 السعة الحرارية للمسعر
يعمل مسعر القنبلة عند حجم ثابت، لذا تساوي حرارة التفاعل التغير في الطاقة الداخلية:
\[ q_{\mathrm{rxn}} =n_Q\Delta U^0 =\frac{0.6000}{122.0}(-3079) =-15.1426\ \mathrm{kJ}. \]
لذلك يمتص الماء والمسعر \(15.1426\ \mathrm{kJ}\). ويبلغ ارتفاع درجة حرارتهما
\[ \Delta T=27.250-25.000=2.250\ \mathrm K. \]
يمتص الماء
\[ q_{\mathrm{water}} =m_{\mathrm{water}}c_{\mathrm{water}}\Delta T =(710.0)(4.184)(2.250) =6683.94\ \mathrm J =6.68394\ \mathrm{kJ}. \]
يعطي قانون حفظ الطاقة
\[ -q_{\mathrm{rxn}} =q_{\mathrm{water}}+C_{\mathrm{cal}}\Delta T. \]
وبالتالي،
\[ C_{\mathrm{cal}} =\frac{15.1426-6.68394}{2.250} =3.7594\ \mathrm{kJ\,K^{-1}}, \]
أو
\[ \boxed{C_{\mathrm{cal}}=3.759\ \mathrm{kJ\,K^{-1}}}. \]
1.3 إنثالبية التكوين القياسية للمركب Q
عند احتراق مول واحد من Q، يكون التغير في كمية المادة الغازية وفقًا للمعاملات الستوكيومترية
\[ \Delta n_{\mathrm g}=7-\frac{15}{2}=-\frac12. \]
الماء سائل، ولذلك لا يسهم في \(\Delta n_{\mathrm g}\). باستخدام
\[ \Delta H_{\mathrm c}^{0} =\Delta U^{0}+\Delta n_{\mathrm g}RT \]
عند \(T=298.15\ \mathrm K\)،
\[ \begin{aligned} \Delta H_{\mathrm c}^{0} &=-3079 -\frac12(8.314\times10^{-3})(298.15)\\ &=-3080.239\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
وفقًا لقانون هس، ومع \(\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{O2(g)})=0\)،
\[ \Delta H_{\mathrm c}^{0} = 7\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{CO2(g)}) +3\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{H2O(l)}) -\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{Q(s)}). \]
وعليه،
\[ \begin{aligned} \Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{Q(s)}) &=7(-393.51)+3(-285.83)-(-3080.239)\\ &=-531.821\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
وبدقة تتناسب مع طاقة الاحتراق المعطاة،
\[ \boxed{\Delta H_{\mathrm f}^{0}(\ce{Q(s)}) \approx-532\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \]
1.4 الحالة الجزيئية للمركب Q في البنزين
إذا كان Q أحادي القسيمة في كلا المذيبين، فإن اتزان التوزع يقتضي أن يكون
\[ \frac{C_{\mathrm B}}{C_{\mathrm W}}=\text{ثابت}. \]
إذا كوَّن Q ثنائي القسيمة في البنزين، فإن الاتزان الكلي هو
\[ \ce{2 Q(aq) <=> Q2(benzene)}, \]
ويقتضي تعبير التركيز المقابل أن يكون
\[ \frac{C_{\mathrm B}}{C_{\mathrm W}^{2}}=\text{ثابت}. \]
يعطي الاختباران:
| \(C_{\mathrm B}\;(\mathrm{mol\,dm^{-3}})\) | \(C_{\mathrm W}\;(\mathrm{mol\,dm^{-3}})\) | \(C_{\mathrm B}/C_{\mathrm W}\) | \(C_{\mathrm B}/C_{\mathrm W}^{2}\;(\mathrm{dm^3\,mol^{-1}})\) |
|---|---|---|---|
| 0.0118 | 0.00281 | 4.20 | \(1.494\times10^3\) |
| 0.0478 | 0.00566 | 8.45 | \(1.492\times10^3\) |
| 0.0981 | 0.00812 | 12.1 | \(1.488\times10^3\) |
| 0.156 | 0.0102 | 15.3 | \(1.499\times10^3\) |
تتغير النسبة الخاصة بأحادي القسيمة تغيرًا كبيرًا، في حين أن النسبة الخاصة بثنائي القسيمة ثابتة تقريبًا:
\[ \frac{C_{\mathrm B}}{C_{\mathrm W}^{2}} \approx1.49\times10^3\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}}. \]
ومن ثم،
\[ \boxed{\text{يوجد Q في صورة ثنائي القسيمة في البنزين.}} \]
1.5 درجة تجمد محلول البنزين
إن استقلال الحالة الجزيئية عن التركيز ودرجة الحرارة، وفقًا للافتراض المذكور، يتيح استخدام النتيجة المتعلقة بثنائي القسيمة عند درجة التجمد.
جسيمات المذاب هي ثنائيات القسيمة، وكتلتها المولية
\[ M(\ce{Q2})=2(122.0)=244.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
إذن،
\[ n_{\mathrm s} =\frac{0.244\ \mathrm g}{244.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.00100\ \mathrm{mol}, \]
في حين أن كمية مادة البنزين هي
\[ n_{\mathrm{benzene}} =\frac{5.85\ \mathrm g}{78.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.0750\ \mathrm{mol}. \]
الكسر المولي لجسيمات المذاب هو
\[ X_{\mathrm s} =\frac{n_{\mathrm s}}{n_{\mathrm s}+n_{\mathrm{benzene}}} =\frac{0.00100}{0.00100+0.0750} =0.0131579. \]
حوِّل درجة تجمد المذيب وحرارة انصهاره إلى الوحدات المطلوبة:
\[ T_{\mathrm f}^{0}=5.40+273.15=278.55\ \mathrm K, \qquad \Delta H_{\mathrm f}=9890\ \mathrm{J\,mol^{-1}}. \]
باستخدام المعادلة المعطاة،
\[ \begin{aligned} \Delta T_{\mathrm f} &=\frac{R(T_{\mathrm f}^{0})^2X_{\mathrm s}} {\Delta H_{\mathrm f}}\\ &=\frac{(8.314)(278.55)^2(0.0131579)}{9890}\\ &=0.8582\ \mathrm K. \end{aligned} \]
وعليه،
\[ T_{\mathrm f}=5.40-0.8582=4.5418\ ^\circ\mathrm C, \]
فنحصل على
\[ \boxed{T_{\mathrm f}=4.54\ ^\circ\mathrm C}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.