IChO 2003 · Theory problem 11
Heat of neutralisation in a calorimeter
10.0 cm\(^3\) of 0.50 M \(\ce{HCl}\) and 10.0 cm\(^3\) of 0.50 M \(\ce{NaOH}\) solutions, both at the same temperature, are mixed in a calorimeter. A temperature increase of \(\Delta T\) is recorded. Estimate the temperature increase if 5.0 cm\(^3\) of 0.50 M \(\ce{NaOH}\) were used instead of 10.0 cm\(^3\). Thermal losses are negligible and the specific heats of both solutions are taken as equal.
(a) \((1/2)\,\Delta T\) ( )
(b) \((2/3)\,\Delta T\) ( )
(c) \((3/4)\,\Delta T\) ( )
(d) \(\Delta T\) ( )
Official English text of the problem.
Answers
- 11: (b) \(\boxed{\Delta T_{\mathrm{new}}=\frac{2}{3}\Delta T}\). Mark the parentheses beside (b).
Solution
11. The net neutralisation reaction is
\[ \ce{H+(aq) + OH-(aq) -> H2O(l)}. \]
The species are hydrogen ion [H+], hydroxide ion [OH-], and water O.
In the original experiment, the amounts of acid and base are each
\[ n_1=(0.50\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(10.0\times10^{-3}\ \mathrm{L}) =5.0\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
They react completely in a \(1:1\) ratio. With only 5.0 cm\(^3\) of base, hydroxide becomes the limiting reactant:
\[ n_2=(0.50\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(5.0\times10^{-3}\ \mathrm{L}) =2.5\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
The amount neutralised is halved, so the heat released is halved:
\[ \frac{q_2}{q_1}=\frac{n_2}{n_1}=\frac12. \]
For the estimate, take the dilute solutions to have equal densities. The ratio of their total masses is then
\[ \frac{m_2}{m_1} =\frac{10.0+5.0}{10.0+10.0} =\frac34. \]
Neglecting the calorimeter’s heat capacity, \(q=mc\Delta T\). Since the specific heat capacity \(c\) is the same in both experiments,
\[ \frac{\Delta T_{\mathrm{new}}}{\Delta T} =\frac{q_2}{q_1}\frac{m_1}{m_2} =\frac12\times\frac43 =\frac23. \]
Thus the correct choice is (b).
The answers were checked against the official answers published by the organisers.
IChO 2003 · Theorieaufgabe 11
Neutralisationswärme in einem Kalorimeter
10.0 cm\(^3\) einer 0.50 M \(\ce{HCl}\)-Lösung und 10.0 cm\(^3\) einer 0.50 M \(\ce{NaOH}\)-Lösung, die beide dieselbe Temperatur haben, werden in einem Kalorimeter gemischt. Ein Temperaturanstieg von \(\Delta T\) wird gemessen. Schätzen Sie den Temperaturanstieg ab, wenn statt 10.0 cm\(^3\) nur 5.0 cm\(^3\) der 0.50 M \(\ce{NaOH}\)-Lösung verwendet würden. Wärmeverluste sind vernachlässigbar, und die spezifischen Wärmekapazitäten beider Lösungen werden als gleich angenommen.
(a) \((1/2)\,\Delta T\) ( )
(b) \((2/3)\,\Delta T\) ( )
(c) \((3/4)\,\Delta T\) ( )
(d) \(\Delta T\) ( )
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 11: (b) \(\boxed{\Delta T_{\mathrm{new}}=\frac{2}{3}\Delta T}\). Kreuzen Sie die Klammer neben (b) an.
Lösung
11. Die Nettogleichung der Neutralisationsreaktion lautet
\[ \ce{H+(aq) + OH-(aq) -> H2O(l)}. \]
Die beteiligten Spezies sind das Wasserstoffion [H+], das Hydroxidion [OH-] und Wasser O.
Im ursprünglichen Versuch betragen die Stoffmengen von Säure und Base jeweils
\[ n_1=(0.50\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(10.0\times10^{-3}\ \mathrm{L}) =5.0\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Sie reagieren vollständig im Verhältnis \(1:1\). Bei nur 5.0 cm\(^3\) der Basenlösung wird Hydroxid zum limitierenden Reaktanden:
\[ n_2=(0.50\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(5.0\times10^{-3}\ \mathrm{L}) =2.5\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Die neutralisierte Stoffmenge halbiert sich, sodass sich auch die freigesetzte Wärme halbiert:
\[ \frac{q_2}{q_1}=\frac{n_2}{n_1}=\frac12. \]
Für die Abschätzung wird angenommen, dass die verdünnten Lösungen gleiche Dichten haben. Das Verhältnis ihrer Gesamtmassen beträgt dann
\[ \frac{m_2}{m_1} =\frac{10.0+5.0}{10.0+10.0} =\frac34. \]
Unter Vernachlässigung der Wärmekapazität des Kalorimeters gilt \(q=mc\Delta T\). Da die spezifische Wärmekapazität \(c\) in beiden Versuchen gleich ist, gilt
\[ \frac{\Delta T_{\mathrm{new}}}{\Delta T} =\frac{q_2}{q_1}\frac{m_1}{m_2} =\frac12\times\frac43 =\frac23. \]
Somit ist (b) die richtige Antwort.
Die Ergebnisse wurden mit den von den Veranstaltern veröffentlichten offiziellen Ergebnissen abgeglichen.
IChO 2003 · Teori sorusu 11
Kalorimetrede nötralleşme ısısı
Aynı sıcaklıktaki 10.0 cm\(^3\) 0.50 M \(\ce{HCl}\) ve 10.0 cm\(^3\) 0.50 M \(\ce{NaOH}\) çözeltileri bir kalorimetrede karıştırılır. \(\Delta T\) kadar bir sıcaklık artışı kaydedilir. 10.0 cm\(^3\) yerine 5.0 cm\(^3\) 0.50 M \(\ce{NaOH}\) kullanılsaydı sıcaklık artışının ne olacağını tahmin ediniz. Isı kayıpları ihmal edilebilir düzeydedir ve her iki çözeltinin özgül ısıları eşit kabul edilmektedir.
(a) \((1/2)\,\Delta T\) ( )
(b) \((2/3)\,\Delta T\) ( )
(c) \((3/4)\,\Delta T\) ( )
(d) \(\Delta T\) ( )
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 11: (b) \(\boxed{\Delta T_{\mathrm{new}}=\frac{2}{3}\Delta T}\). (b) seçeneğinin yanındaki parantezlerin içini işaretleyiniz.
Çözüm
11. Net nötralleşme tepkimesi şöyledir:
\[ \ce{H+(aq) + OH-(aq) -> H2O(l)}. \]
Kimyasal türler hidrojen iyonu [H+], hidroksit iyonu [OH-] ve su O şeklindedir.
İlk deneyde asit ve bazın her birinin madde miktarı şöyledir:
\[ n_1=(0.50\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(10.0\times10^{-3}\ \mathrm{L}) =5.0\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Bunlar \(1:1\) oranında tamamen tepkimeye girer. Yalnızca 5.0 cm\(^3\) baz kullanıldığında hidroksit sınırlayıcı reaktif olur:
\[ n_2=(0.50\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(5.0\times10^{-3}\ \mathrm{L}) =2.5\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Nötralleşen madde miktarı yarıya indiği için açığa çıkan ısı da yarıya iner:
\[ \frac{q_2}{q_1}=\frac{n_2}{n_1}=\frac12. \]
Tahmin için seyreltik çözeltilerin yoğunluklarını eşit kabul edelim. Bu durumda toplam kütlelerinin oranı şöyledir:
\[ \frac{m_2}{m_1} =\frac{10.0+5.0}{10.0+10.0} =\frac34. \]
Kalorimetrenin ısı kapasitesi ihmal edildiğinde \(q=mc\Delta T\) olur. Özgül ısı kapasitesi \(c\) her iki deneyde de aynı olduğundan,
\[ \frac{\Delta T_{\mathrm{new}}}{\Delta T} =\frac{q_2}{q_1}\frac{m_1}{m_2} =\frac12\times\frac43 =\frac23. \]
Dolayısıyla doğru seçenek (b) olur.
Sonuçlar, düzenleyicilerin yayımladığı resmi sonuçlarla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 2003 · Problema teórico 11
Calor de neutralización en un calorímetro
Se mezclan en un calorímetro 10.0 cm\(^3\) de una disolución de \(\ce{HCl}\) 0.50 M y 10.0 cm\(^3\) de una disolución de \(\ce{NaOH}\) 0.50 M, ambas a la misma temperatura. Se registra un aumento de temperatura de \(\Delta T\). Estime el aumento de temperatura si se utilizaran 5.0 cm\(^3\) de \(\ce{NaOH}\) 0.50 M en lugar de 10.0 cm\(^3\). Las pérdidas de calor son despreciables y se consideran iguales los calores específicos de ambas disoluciones.
(a) \((1/2)\,\Delta T\) ( )
(b) \((2/3)\,\Delta T\) ( )
(c) \((3/4)\,\Delta T\) ( )
(d) \(\Delta T\) ( )
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 11: (b) \(\boxed{\Delta T_{\mathrm{new}}=\frac{2}{3}\Delta T}\). Marque los paréntesis junto a (b).
Solución
11. La reacción neta de neutralización es
\[ \ce{H+(aq) + OH-(aq) -> H2O(l)}. \]
Las especies son el ion hidrógeno [H+], el ion hidróxido [OH-] y el agua O.
En el experimento original, las cantidades de sustancia de ácido y de base son, cada una,
\[ n_1=(0.50\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(10.0\times10^{-3}\ \mathrm{L}) =5.0\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Reaccionan completamente en una proporción \(1:1\). Con solo 5.0 cm\(^3\) de base, el hidróxido pasa a ser el reactivo limitante:
\[ n_2=(0.50\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(5.0\times10^{-3}\ \mathrm{L}) =2.5\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
La cantidad neutralizada se reduce a la mitad, por lo que el calor liberado también se reduce a la mitad:
\[ \frac{q_2}{q_1}=\frac{n_2}{n_1}=\frac12. \]
Para la estimación, suponga que las disoluciones diluidas tienen la misma densidad. La relación entre sus masas totales es entonces
\[ \frac{m_2}{m_1} =\frac{10.0+5.0}{10.0+10.0} =\frac34. \]
Despreciando la capacidad calorífica del calorímetro, \(q=mc\Delta T\). Puesto que el calor específico \(c\) es el mismo en ambos experimentos,
\[ \frac{\Delta T_{\mathrm{new}}}{\Delta T} =\frac{q_2}{q_1}\frac{m_1}{m_2} =\frac12\times\frac43 =\frac23. \]
Por tanto, la opción correcta es (b).
Los resultados se comprobaron con los resultados oficiales publicados por los organizadores.
IChO 2003 · 理论题 11
量热计中的中和热
将温度相同的 10.0 cm\(^3\) 0.50 M \(\ce{HCl}\) 溶液和 10.0 cm\(^3\) 0.50 M \(\ce{NaOH}\) 溶液在量热计中混合,测得温度升高了 \(\Delta T\)。如果将所用的 10.0 cm\(^3\) 0.50 M \(\ce{NaOH}\) 溶液改为 5.0 cm\(^3\),估算温度的升高值。热量损失可忽略不计,且认为两种溶液的比热容相等。
(a) \((1/2)\,\Delta T\) ( )
(b) \((2/3)\,\Delta T\) ( )
(c) \((3/4)\,\Delta T\) ( )
(d) \(\Delta T\) ( )
题目译自官方英文原文。
答案
- 11: (b) \(\boxed{\Delta T_{\mathrm{new}}=\frac{2}{3}\Delta T}\)。在 (b) 旁的括号内作标记。
解答
11. 中和反应的净离子方程式为
\[ \ce{H+(aq) + OH-(aq) -> H2O(l)}. \]
其中的物种为氢离子 [H+]、氢氧根离子 [OH-] 和水 O。
在原实验中,酸和碱的物质的量均为
\[ n_1=(0.50\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(10.0\times10^{-3}\ \mathrm{L}) =5.0\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
它们按 \(1:1\) 的比例完全反应。当仅使用 5.0 cm\(^3\) 的碱溶液时,氢氧根离子成为限量反应物:
\[ n_2=(0.50\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(5.0\times10^{-3}\ \mathrm{L}) =2.5\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
参与中和反应的物质的量减半,因此放出的热量也减半:
\[ \frac{q_2}{q_1}=\frac{n_2}{n_1}=\frac12. \]
估算时,认为这些稀溶液的密度相等。于是,两次实验中溶液总质量之比为
\[ \frac{m_2}{m_1} =\frac{10.0+5.0}{10.0+10.0} =\frac34. \]
忽略量热计的热容,有 \(q=mc\Delta T\)。由于两次实验中的比热容 \(c\) 相同,
\[ \frac{\Delta T_{\mathrm{new}}}{\Delta T} =\frac{q_2}{q_1}\frac{m_1}{m_2} =\frac12\times\frac43 =\frac23. \]
因此,正确选项为 (b)。
结果已与主办方公布的官方答案核对。
IChO 2003 · Теоретическая задача 11
Теплота нейтрализации в калориметре
В калориметре смешивают 10.0 см\(^3\) 0.50 М раствора \(\ce{HCl}\) и 10.0 см\(^3\) 0.50 М раствора \(\ce{NaOH}\), имеющих одинаковую температуру. Регистрируют повышение температуры на \(\Delta T\). Оцените повышение температуры, если вместо 10.0 см\(^3\) использовать 5.0 см\(^3\) 0.50 М раствора \(\ce{NaOH}\). Тепловыми потерями можно пренебречь, а удельные теплоёмкости обоих растворов принимаются одинаковыми.
(a) \((1/2)\,\Delta T\) ( )
(b) \((2/3)\,\Delta T\) ( )
(c) \((3/4)\,\Delta T\) ( )
(d) \(\Delta T\) ( )
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 11: (b) \(\boxed{\Delta T_{\mathrm{new}}=\frac{2}{3}\Delta T}\). Поставьте отметку в скобках рядом с (b).
Решение
11. Сокращённое ионное уравнение реакции нейтрализации имеет вид
\[ \ce{H+(aq) + OH-(aq) -> H2O(l)}. \]
Участвующие частицы — ион водорода [H+], гидроксид-ион [OH-] и вода O.
В исходном опыте количества вещества кислоты и основания равны и составляют
\[ n_1=(0.50\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(10.0\times10^{-3}\ \mathrm{L}) =5.0\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Они полностью реагируют в соотношении \(1:1\). При использовании лишь 5.0 см\(^3\) раствора основания гидроксид-ионы становятся лимитирующим реагентом:
\[ n_2=(0.50\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(5.0\times10^{-3}\ \mathrm{L}) =2.5\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Количество нейтрализованного вещества уменьшается вдвое, поэтому количество выделившейся теплоты также уменьшается вдвое:
\[ \frac{q_2}{q_1}=\frac{n_2}{n_1}=\frac12. \]
Для оценки примем плотности разбавленных растворов одинаковыми. Тогда отношение их суммарных масс равно
\[ \frac{m_2}{m_1} =\frac{10.0+5.0}{10.0+10.0} =\frac34. \]
Пренебрегая теплоёмкостью калориметра, получаем \(q=mc\Delta T\). Поскольку удельная теплоёмкость \(c\) одинакова в обоих опытах,
\[ \frac{\Delta T_{\mathrm{new}}}{\Delta T} =\frac{q_2}{q_1}\frac{m_1}{m_2} =\frac12\times\frac43 =\frac23. \]
Таким образом, правильный ответ — (b).
Ответы проверены по официальным ответам, опубликованным организаторами.
IChO 2003 · مسألة نظرية 11
حرارة التعادل في مسعر
يُمزج في مسعر 10.0 cm\(^3\) من محلول \(\ce{HCl}\) بتركيز 0.50 M مع 10.0 cm\(^3\) من محلول \(\ce{NaOH}\) بتركيز 0.50 M، وكلاهما عند درجة الحرارة نفسها. تُسجَّل زيادة في درجة الحرارة مقدارها \(\Delta T\). قدِّر الزيادة في درجة الحرارة إذا استُخدم 5.0 cm\(^3\) من محلول \(\ce{NaOH}\) بتركيز 0.50 M بدلًا من 10.0 cm\(^3\). الفواقد الحرارية مهملة، وتُعدّ الحرارتان النوعيتان للمحلولين متساويتين.
(a) \((1/2)\,\Delta T\) ( )
(b) \((2/3)\,\Delta T\) ( )
(c) \((3/4)\,\Delta T\) ( )
(d) \(\Delta T\) ( )
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 11: (b) \(\boxed{\Delta T_{\mathrm{new}}=\frac{2}{3}\Delta T}\). ضع علامة داخل القوسين بجانب (b).
الحل
11. تفاعل التعادل الصافي هو
\[ \ce{H+(aq) + OH-(aq) -> H2O(l)}. \]
الأنواع الكيميائية هي أيون الهيدروجين [H+]، وأيون الهيدروكسيد [OH-]، والماء O.
في التجربة الأصلية، كمية المادة لكلٍّ من الحمض والقاعدة هي
\[ n_1=(0.50\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(10.0\times10^{-3}\ \mathrm{L}) =5.0\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
يتفاعلان تمامًا بنسبة \(1:1\). وعند استخدام 5.0 cm\(^3\) فقط من القاعدة، يصبح الهيدروكسيد هو المتفاعل المحدِّد:
\[ n_2=(0.50\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(5.0\times10^{-3}\ \mathrm{L}) =2.5\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
تنخفض كمية المادة المتعادلة إلى النصف، ولذلك تنخفض الحرارة المنطلقة إلى النصف:
\[ \frac{q_2}{q_1}=\frac{n_2}{n_1}=\frac12. \]
لإجراء التقدير، افترض أن المحاليل المخففة متساوية الكثافة. وعندئذٍ تكون نسبة الكتلتين الكليتين للمحاليل
\[ \frac{m_2}{m_1} =\frac{10.0+5.0}{10.0+10.0} =\frac34. \]
بإهمال السعة الحرارية للمسعر، فإن \(q=mc\Delta T\). وبما أن السعة الحرارية النوعية \(c\) هي نفسها في التجربتين، فإن
\[ \frac{\Delta T_{\mathrm{new}}}{\Delta T} =\frac{q_2}{q_1}\frac{m_1}{m_2} =\frac12\times\frac43 =\frac23. \]
إذن، الاختيار الصحيح هو (b).
تمت مراجعة النتائج بمقارنتها بالنتائج الرسمية التي نشرها المنظمون.