IChO 2003 · Theory problem 23
Hydrogen halides, buffers and electrolysis
Are the following statements correct (Y) or not (N)?
a) \(\ce{HF}\) boils at a higher temperature than \(\ce{HCl}\). (Y) (N)
b) \(\ce{HBr}\) boils at a lower temperature than \(\ce{HI}\) (Y) (N)
c) Pure \(\ce{HI}\) can be produced by reacting concentrated sulfuric acid with \(\ce{KI}\). (Y) (N)
d) Ammonia solutions are buffer solutions because they contain the conjugate pair \(\ce{NH3}\) – \(\ce{NH4+}\). (Y) (N)
e) Pure water at 80 °C is acidic. (Y) (N)
f) During electrolysis of an aqueous \(\ce{KI}\) solution with graphite electrodes, the pH near the cathode is below 7. (Y) (N)
Official English text of the problem.
Answers
- a) Y
- b) Y
- c) N
- d) N
- e) N
- f) N
Solution
a) Y — hydrogen bonding raises the boiling point of hydrogen fluoride.
Hydrogen fluoride, \(\ce{HF}\) ([H]F), forms strong intermolecular hydrogen bonds. Hydrogen chloride, \(\ce{HCl}\) ([H]Cl), has dipole–dipole and London dispersion attractions but lacks comparably strong hydrogen bonding.
Consequently, separating the molecules into the gas phase requires more energy for \(\ce{HF}\), giving it the higher boiling point despite its lower molar mass.
b) Y — dispersion forces are stronger in hydrogen iodide.
Hydrogen iodide, \(\ce{HI}\) ([H]I), has a larger, more polarizable electron cloud than hydrogen bromide, \(\ce{HBr}\) ([H]Br). Its stronger London dispersion forces produce a higher boiling point:
\[ T_{\mathrm b}(\ce{HBr})<T_{\mathrm b}(\ce{HI}). \]
c) N — concentrated sulfuric acid oxidizes hydrogen iodide.
An initial acid–base reaction between potassium iodide, \(\ce{KI}\) ([K+].[I-]), and sulfuric acid, \(\ce{H2SO4}\) (OS(=O)(=O)O), can be written as
\[ \ce{KI + H2SO4 -> KHSO4 + HI}. \]
Here, \(\ce{KHSO4}\) is potassium hydrogen sulfate ([K+].OS(=O)(=O)[O-]).
However, concentrated sulfuric acid also acts as an oxidizing agent. It oxidizes hydrogen iodide to iodine, \(\ce{I2}\) (II). One possible subsequent redox reaction is
\[ \ce{8HI + H2SO4 -> 4I2 + H2S + 4H2O}. \]
The other products in this equation are hydrogen sulfide, \(\ce{H2S}\) (S), and water, \(\ce{H2O}\) (O). Iodine changes oxidation state from \(-1\) to \(0\), while sulfur changes from \(+6\) to \(-2\).
Thus, the reaction does not provide pure hydrogen iodide.
d) N — the presence of a conjugate pair alone is insufficient.
Ammonia, \(\ce{NH3}\) (N), reacts weakly with water to form ammonium ions, \(\ce{NH4+}\) ([NH4+]), and hydroxide ions, \(\ce{OH-}\) ([OH-]):
\[ \ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH-}. \]
A useful buffer requires appreciable concentrations of both members of the conjugate pair, enabling it to consume added acid and added base without a large change in pH.
In an ordinary ammonia solution, only a small fraction of the ammonia forms ammonium ions. Their mere presence does not establish an effective buffer. An ammonia solution containing a suitable amount of an ammonium salt can form a buffer.
e) N — pure water remains neutral at 80 °C.
Water undergoes self-ionization:
\[ \ce{2H2O <=> H3O+ + OH-}, \]
where \(\ce{H3O+}\) is the hydronium ion ([OH3+]).
In pure water, the two ions are produced in equal amounts:
\[ [\ce{H3O+}]=[\ce{OH-}]. \]
This equality establishes neutrality. At 80 °C, the ionic product of water is greater than at 25 °C, so the neutral pH is below 7:
\[ \mathrm{pH}_{\text{neutral}} =\frac{1}{2}\mathrm{p}K_{\mathrm w}(80\,^\circ\mathrm C)<7. \]
A pH below 7 therefore does not make pure water acidic at this temperature.
f) N — hydroxide is produced at the cathode.
In aqueous potassium iodide, water is reduced at the graphite cathode:
\[ \ce{2H2O + 2e- -> H2 + 2OH-}. \]
The gas produced is hydrogen, \(\ce{H2}\) ([H][H]). Hydroxide accumulates near the cathode, making that region alkaline; under ordinary room-temperature conditions, its pH is above 7.
At the anode, iodide ions, \(\ce{I-}\) ([I-]), are oxidized:
\[ \ce{2I- -> I2 + 2e-}. \]
The corresponding overall electrode reaction is
\[ \ce{2I- + 2H2O -> I2 + H2 + 2OH-}. \]
The answers were checked against the official answers published by the organisers.
IChO 2003 · Theorieaufgabe 23
Halogenwasserstoffe, Puffer und Elektrolyse
Sind die folgenden Aussagen richtig (Y) oder falsch (N)?
a) \(\ce{HF}\) siedet bei einer höheren Temperatur als \(\ce{HCl}\). (Y) (N)
b) \(\ce{HBr}\) siedet bei einer niedrigeren Temperatur als \(\ce{HI}\) (Y) (N)
c) Reiner \(\ce{HI}\) kann durch die Reaktion von konzentrierter Schwefelsäure mit \(\ce{KI}\) hergestellt werden. (Y) (N)
d) Ammoniaklösungen sind Pufferlösungen, weil sie das konjugierte Säure-Base-Paar \(\ce{NH3}\) – \(\ce{NH4+}\) enthalten. (Y) (N)
e) Reines Wasser ist bei 80 °C sauer. (Y) (N)
f) Bei der Elektrolyse einer wässrigen \(\ce{KI}\)-Lösung mit Graphitelektroden liegt der pH-Wert in der Nähe der Kathode unter 7. (Y) (N)
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- a) Y
- b) Y
- c) N
- d) N
- e) N
- f) N
Lösung
a) Y — Wasserstoffbrückenbindungen erhöhen den Siedepunkt von Fluorwasserstoff.
Fluorwasserstoff, \(\ce{HF}\) ([H]F), bildet starke intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen. Zwischen den Molekülen von Chlorwasserstoff, \(\ce{HCl}\) ([H]Cl), wirken Dipol-Dipol-Kräfte und London-Dispersionskräfte, jedoch keine vergleichbar starken Wasserstoffbrückenbindungen.
Folglich erfordert die Trennung der Moleküle beim Übergang in die Gasphase bei \(\ce{HF}\) mehr Energie, sodass es trotz seiner geringeren molaren Masse den höheren Siedepunkt aufweist.
b) Y — Die Dispersionskräfte sind bei Iodwasserstoff stärker.
Iodwasserstoff, \(\ce{HI}\) ([H]I), besitzt eine größere und leichter polarisierbare Elektronenhülle als Bromwasserstoff, \(\ce{HBr}\) ([H]Br). Seine stärkeren London-Dispersionskräfte führen zu einem höheren Siedepunkt:
\[ T_{\mathrm b}(\ce{HBr})<T_{\mathrm b}(\ce{HI}). \]
c) N — Konzentrierte Schwefelsäure oxidiert Iodwasserstoff.
Eine anfängliche Säure-Base-Reaktion zwischen Kaliumiodid, \(\ce{KI}\) ([K+].[I-]), und Schwefelsäure, \(\ce{H2SO4}\) (OS(=O)(=O)O), lässt sich wie folgt schreiben:
\[ \ce{KI + H2SO4 -> KHSO4 + HI}. \]
Dabei ist \(\ce{KHSO4}\) Kaliumhydrogensulfat ([K+].OS(=O)(=O)[O-]).
Konzentrierte Schwefelsäure wirkt jedoch auch als Oxidationsmittel. Sie oxidiert Iodwasserstoff zu Iod, \(\ce{I2}\) (II). Eine mögliche anschließende Redoxreaktion ist
\[ \ce{8HI + H2SO4 -> 4I2 + H2S + 4H2O}. \]
Die anderen Produkte in dieser Gleichung sind Schwefelwasserstoff, \(\ce{H2S}\) (S), und Wasser, \(\ce{H2O}\) (O). Die Oxidationszahl von Iod ändert sich von \(-1\) auf \(0\), während sich die von Schwefel von \(+6\) auf \(-2\) ändert.
Die Reaktion liefert somit keinen reinen Iodwasserstoff.
d) N — Das Vorhandensein eines konjugierten Säure-Base-Paares allein reicht nicht aus.
Ammoniak, \(\ce{NH3}\) (N), reagiert in geringem Umfang mit Wasser unter Bildung von Ammoniumionen, \(\ce{NH4+}\) ([NH4+]), und Hydroxidionen, \(\ce{OH-}\) ([OH-]):
\[ \ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH-}. \]
Ein wirksamer Puffer erfordert nennenswerte Konzentrationen beider Komponenten des konjugierten Säure-Base-Paares, sodass er zugesetzte Säure und zugesetzte Base ohne eine große Änderung des pH-Werts abfangen kann.
In einer gewöhnlichen Ammoniaklösung bildet nur ein kleiner Anteil des Ammoniaks Ammoniumionen. Deren bloßes Vorhandensein ergibt noch keinen wirksamen Puffer. Eine Ammoniaklösung, die eine geeignete Menge eines Ammoniumsalzes enthält, kann einen Puffer bilden.
e) N — Reines Wasser bleibt bei 80 °C neutral.
Wasser unterliegt der Autoprotolyse:
\[ \ce{2H2O <=> H3O+ + OH-}, \]
wobei \(\ce{H3O+}\) das Oxoniumion ([OH3+]) ist.
In reinem Wasser entstehen die beiden Ionen in gleichen Mengen:
\[ [\ce{H3O+}]=[\ce{OH-}]. \]
Diese Gleichheit ist das Kriterium für Neutralität. Bei 80 °C ist das Ionenprodukt des Wassers größer als bei 25 °C, sodass der neutrale pH-Wert unter 7 liegt:
\[ \mathrm{pH}_{\text{neutral}} =\frac{1}{2}\mathrm{p}K_{\mathrm w}(80\,^\circ\mathrm C)<7. \]
Ein pH-Wert unter 7 bedeutet bei dieser Temperatur daher nicht, dass reines Wasser sauer ist.
f) N — An der Kathode entstehen Hydroxidionen.
In einer wässrigen Kaliumiodidlösung wird Wasser an der Graphitkathode reduziert:
\[ \ce{2H2O + 2e- -> H2 + 2OH-}. \]
Das entstehende Gas ist Wasserstoff, \(\ce{H2}\) ([H][H]). Hydroxidionen reichern sich in der Nähe der Kathode an und machen diesen Bereich alkalisch; unter üblichen Bedingungen bei Raumtemperatur liegt sein pH-Wert über 7.
An der Anode werden Iodidionen, \(\ce{I-}\) ([I-]), oxidiert:
\[ \ce{2I- -> I2 + 2e-}. \]
Die entsprechende Gesamtreaktion der Elektrodenreaktionen lautet
\[ \ce{2I- + 2H2O -> I2 + H2 + 2OH-}. \]
Die Ergebnisse wurden mit den von den Veranstaltern veröffentlichten offiziellen Ergebnissen abgeglichen.
IChO 2003 · Teori sorusu 23
Hidrojen halojenürler, tamponlar ve elektroliz
Aşağıdaki ifadeler doğru mu (Y), yanlış mı (N)?
a) \(\ce{HF}\), \(\ce{HCl}\)'den daha yüksek bir sıcaklıkta kaynar. (Y) (N)
b) \(\ce{HBr}\), \(\ce{HI}\)'den daha düşük bir sıcaklıkta kaynar (Y) (N)
c) Derişik sülfürik asidin \(\ce{KI}\) ile tepkimeye sokulmasıyla saf \(\ce{HI}\) üretilebilir. (Y) (N)
d) Amonyak çözeltileri, \(\ce{NH3}\) – \(\ce{NH4+}\) eşlenik çiftini içerdikleri için tampon çözeltilerdir. (Y) (N)
e) 80 °C'deki saf su asidiktir. (Y) (N)
f) Sulu bir \(\ce{KI}\) çözeltisinin grafit elektrotlarla elektrolizi sırasında katot yakınındaki pH 7'nin altındadır. (Y) (N)
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- a) Y
- b) Y
- c) N
- d) N
- e) N
- f) N
Çözüm
a) Y — hidrojen bağları, hidrojen florürün kaynama noktasını yükseltir.
Hidrojen florür, \(\ce{HF}\) ([H]F), moleküller arasında güçlü hidrojen bağları oluşturur. Hidrojen klorürde, \(\ce{HCl}\) ([H]Cl), dipol–dipol ve London dispersiyon çekim kuvvetleri bulunur, ancak benzer güçte hidrojen bağları bulunmaz.
Dolayısıyla, molekülleri birbirinden ayırarak gaz fazına geçirmek \(\ce{HF}\) için daha fazla enerji gerektirir; bu da molar kütlesi daha düşük olmasına rağmen kaynama noktasının daha yüksek olmasını sağlar.
b) Y — hidrojen iyodürde dispersiyon kuvvetleri daha güçlüdür.
Hidrojen iyodürün, \(\ce{HI}\) ([H]I), elektron bulutu hidrojen bromürünkinden, \(\ce{HBr}\) ([H]Br), daha büyüktür ve daha kolay kutuplanabilir. Daha güçlü London dispersiyon kuvvetleri, kaynama noktasının daha yüksek olmasına yol açar:
\[ T_{\mathrm b}(\ce{HBr})<T_{\mathrm b}(\ce{HI}). \]
c) N — derişik sülfürik asit, hidrojen iyodürü yükseltger.
Potasyum iyodür, \(\ce{KI}\) ([K+].[I-]), ile sülfürik asit, \(\ce{H2SO4}\) (OS(=O)(=O)O), arasında başlangıçta gerçekleşen asit–baz tepkimesi şöyle yazılabilir:
\[ \ce{KI + H2SO4 -> KHSO4 + HI}. \]
Burada \(\ce{KHSO4}\), potasyum hidrojen sülfattır ([K+].OS(=O)(=O)[O-]).
Ancak derişik sülfürik asit aynı zamanda yükseltgen madde olarak da davranır. Hidrojen iyodürü iyoda, \(\ce{I2}\) (II), yükseltger. Ardından gerçekleşebilecek yükseltgenme–indirgenme tepkimelerinden biri şöyledir:
\[ \ce{8HI + H2SO4 -> 4I2 + H2S + 4H2O}. \]
Bu denklemdeki diğer ürünler hidrojen sülfür, \(\ce{H2S}\) (S), ve sudur, \(\ce{H2O}\) (O). İyodun yükseltgenme basamağı \(-1\)'den \(0\)'a değişirken kükürdünki \(+6\)'dan \(-2\)'ye değişir.
Dolayısıyla bu tepkimeyle saf hidrojen iyodür elde edilemez.
d) N — bir eşlenik çiftin varlığı tek başına yeterli değildir.
Amonyak, \(\ce{NH3}\) (N), suyla sınırlı ölçüde tepkimeye girerek amonyum iyonları, \(\ce{NH4+}\) ([NH4+]), ve hidroksit iyonları, \(\ce{OH-}\) ([OH-]), oluşturur:
\[ \ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH-}. \]
İşlevsel bir tampon, eşlenik çiftin her iki üyesinin de kayda değer derişimlerde bulunmasını gerektirir; böylece eklenen asidi ve eklenen bazı pH'ta büyük bir değişiklik olmadan tüketebilir.
Sıradan bir amonyak çözeltisinde amonyağın yalnızca küçük bir kısmı amonyum iyonlarına dönüşür. Bu iyonların yalnızca mevcut olması, etkili bir tampon oluşmasını sağlamaz. Uygun miktarda bir amonyum tuzu içeren amonyak çözeltisi bir tampon oluşturabilir.
e) N — saf su 80 °C'de nötr kalır.
Su kendiliğinden iyonlaşır:
\[ \ce{2H2O <=> H3O+ + OH-}, \]
burada \(\ce{H3O+}\), hidronyum iyonudur ([OH3+]).
Saf suda bu iki iyon eşit miktarlarda oluşur:
\[ [\ce{H3O+}]=[\ce{OH-}]. \]
Bu eşitlik nötrlüğü belirler. 80 °C'de suyun iyonlar çarpımı 25 °C'dekinden daha büyüktür; dolayısıyla nötr pH 7'nin altındadır:
\[ \mathrm{pH}_{\text{nötr}} =\frac{1}{2}\mathrm{p}K_{\mathrm w}(80\,^\circ\mathrm C)<7. \]
Bu nedenle pH'ın 7'nin altında olması, bu sıcaklıkta saf suyu asidik yapmaz.
f) N — katotta hidroksit üretilir.
Sulu potasyum iyodür çözeltisinde su, grafit katotta indirgenir:
\[ \ce{2H2O + 2e- -> H2 + 2OH-}. \]
Oluşan gaz hidrojendir, \(\ce{H2}\) ([H][H]). Hidroksit katot yakınında birikerek bu bölgeyi bazik hâle getirir; olağan oda sıcaklığı koşullarında bu bölgenin pH'ı 7'nin üzerindedir.
Anotta iyodür iyonları, \(\ce{I-}\) ([I-]), yükseltgenir:
\[ \ce{2I- -> I2 + 2e-}. \]
Buna karşılık gelen toplam elektrot tepkimesi şöyledir:
\[ \ce{2I- + 2H2O -> I2 + H2 + 2OH-}. \]
Sonuçlar, düzenleyicilerin yayımladığı resmi sonuçlarla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 2003 · Problema teórico 23
Haluros de hidrógeno, disoluciones tampón y electrólisis
¿Son correctas (Y) o no (N) las siguientes afirmaciones?
a) \(\ce{HF}\) hierve a una temperatura mayor que \(\ce{HCl}\). (Y) (N)
b) \(\ce{HBr}\) hierve a una temperatura menor que \(\ce{HI}\) (Y) (N)
c) Se puede obtener \(\ce{HI}\) puro haciendo reaccionar ácido sulfúrico concentrado con \(\ce{KI}\). (Y) (N)
d) Las disoluciones de amoníaco son disoluciones tampón porque contienen el par conjugado \(\ce{NH3}\) – \(\ce{NH4+}\). (Y) (N)
e) El agua pura a 80 °C es ácida. (Y) (N)
f) Durante la electrólisis de una disolución acuosa de \(\ce{KI}\) con electrodos de grafito, el pH cerca del cátodo es inferior a 7. (Y) (N)
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- a) Y
- b) Y
- c) N
- d) N
- e) N
- f) N
Solución
a) Y — los enlaces de hidrógeno elevan el punto de ebullición del fluoruro de hidrógeno.
El fluoruro de hidrógeno, \(\ce{HF}\) ([H]F), forma fuertes enlaces de hidrógeno intermoleculares. El cloruro de hidrógeno, \(\ce{HCl}\) ([H]Cl), presenta atracciones dipolo–dipolo y de dispersión de London, pero carece de enlaces de hidrógeno de intensidad comparable.
En consecuencia, separar las moléculas para llevarlas a la fase gaseosa requiere más energía en el caso del \(\ce{HF}\), lo que le confiere un punto de ebullición mayor a pesar de su menor masa molar.
b) Y — las fuerzas de dispersión son más intensas en el yoduro de hidrógeno.
El yoduro de hidrógeno, \(\ce{HI}\) ([H]I), tiene una nube electrónica más grande y más polarizable que el bromuro de hidrógeno, \(\ce{HBr}\) ([H]Br). Sus fuerzas de dispersión de London, más intensas, dan lugar a un punto de ebullición mayor:
\[ T_{\mathrm b}(\ce{HBr})<T_{\mathrm b}(\ce{HI}). \]
c) N — el ácido sulfúrico concentrado oxida el yoduro de hidrógeno.
La reacción ácido–base inicial entre el yoduro de potasio, \(\ce{KI}\) ([K+].[I-]), y el ácido sulfúrico, \(\ce{H2SO4}\) (OS(=O)(=O)O), puede escribirse como
\[ \ce{KI + H2SO4 -> KHSO4 + HI}. \]
Aquí, \(\ce{KHSO4}\) es hidrogenosulfato de potasio ([K+].OS(=O)(=O)[O-]).
Sin embargo, el ácido sulfúrico concentrado también actúa como agente oxidante. Oxida el yoduro de hidrógeno a yodo, \(\ce{I2}\) (II). Una posible reacción redox posterior es
\[ \ce{8HI + H2SO4 -> 4I2 + H2S + 4H2O}. \]
Los otros productos de esta ecuación son sulfuro de hidrógeno, \(\ce{H2S}\) (S), y agua, \(\ce{H2O}\) (O). El estado de oxidación del yodo cambia de \(-1\) a \(0\), mientras que el del azufre cambia de \(+6\) a \(-2\).
Por tanto, la reacción no proporciona yoduro de hidrógeno puro.
d) N — la mera presencia de un par conjugado es insuficiente.
El amoníaco, \(\ce{NH3}\) (N), reacciona en pequeña medida con el agua para formar iones amonio, \(\ce{NH4+}\) ([NH4+]), e iones hidróxido, \(\ce{OH-}\) ([OH-]):
\[ \ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH-}. \]
Una disolución tampón eficaz requiere concentraciones apreciables de ambos miembros del par conjugado, lo que le permite consumir el ácido y la base añadidos sin que se produzca un cambio grande en el pH.
En una disolución ordinaria de amoníaco, solo una pequeña fracción del amoníaco forma iones amonio. Su mera presencia no basta para constituir una disolución tampón eficaz. Una disolución de amoníaco que contenga una cantidad adecuada de una sal de amonio puede formar una disolución tampón.
e) N — el agua pura sigue siendo neutra a 80 °C.
El agua experimenta autoionización:
\[ \ce{2H2O <=> H3O+ + OH-}, \]
donde \(\ce{H3O+}\) es el ion hidronio ([OH3+]).
En el agua pura, los dos iones se producen en cantidades iguales:
\[ [\ce{H3O+}]=[\ce{OH-}]. \]
Esta igualdad determina la neutralidad. A 80 °C, el producto iónico del agua es mayor que a 25 °C, por lo que el pH neutro es inferior a 7:
\[ \mathrm{pH}_{\text{neutro}} =\frac{1}{2}\mathrm{p}K_{\mathrm w}(80\,^\circ\mathrm C)<7. \]
Por tanto, un pH inferior a 7 no hace que el agua pura sea ácida a esta temperatura.
f) N — se produce hidróxido en el cátodo.
En una disolución acuosa de yoduro de potasio, el agua se reduce en el cátodo de grafito:
\[ \ce{2H2O + 2e- -> H2 + 2OH-}. \]
El gas producido es hidrógeno, \(\ce{H2}\) ([H][H]). El hidróxido se acumula cerca del cátodo, haciendo que esa región sea alcalina; en condiciones habituales de temperatura ambiente, su pH es superior a 7.
En el ánodo, los iones yoduro, \(\ce{I-}\) ([I-]), se oxidan:
\[ \ce{2I- -> I2 + 2e-}. \]
La reacción global correspondiente a los procesos de los electrodos es
\[ \ce{2I- + 2H2O -> I2 + H2 + 2OH-}. \]
Los resultados se comprobaron con los resultados oficiales publicados por los organizadores.
IChO 2003 · 理论题 23
卤化氢、缓冲溶液与电解
下列说法是否正确?正确选 (Y),错误选 (N)。
a) \(\ce{HF}\) 的沸点高于 \(\ce{HCl}\)。(Y) (N)
b) \(\ce{HBr}\) 的沸点低于 \(\ce{HI}\) (Y) (N)
c) 浓硫酸与 \(\ce{KI}\) 反应可以制得纯净的 \(\ce{HI}\)。(Y) (N)
d) 氨水是缓冲溶液,因为其中含有共轭酸碱对 \(\ce{NH3}\) – \(\ce{NH4+}\)。(Y) (N)
e) 80 °C 时的纯水呈酸性。(Y) (N)
f) 用石墨电极电解 \(\ce{KI}\) 水溶液时,阴极附近的 pH 低于 7。(Y) (N)
题目译自官方英文原文。
答案
- a) Y
- b) Y
- c) N
- d) N
- e) N
- f) N
解答
a) Y — 氢键使氟化氢的沸点升高。
氟化氢 \(\ce{HF}\) ([H]F) 能形成较强的分子间氢键。氯化氢 \(\ce{HCl}\) ([H]Cl) 分子之间存在偶极–偶极作用和伦敦色散力,但不存在强度相当的氢键。
因此,使 \(\ce{HF}\) 分子彼此分离并进入气相需要更多的能量,所以尽管其摩尔质量较小,沸点却更高。
b) Y — 碘化氢分子间的色散力更强。
与溴化氢 \(\ce{HBr}\) ([H]Br) 相比,碘化氢 \(\ce{HI}\) ([H]I) 的电子云更大,也更容易极化。其更强的伦敦色散力使其沸点更高:
\[ T_{\mathrm b}(\ce{HBr})<T_{\mathrm b}(\ce{HI}). \]
c) N — 浓硫酸会氧化碘化氢。
碘化钾 \(\ce{KI}\) ([K+].[I-]) 与硫酸 \(\ce{H2SO4}\) (OS(=O)(=O)O) 之间最初发生的酸碱反应可写为
\[ \ce{KI + H2SO4 -> KHSO4 + HI}. \]
这里,\(\ce{KHSO4}\) 是硫酸氢钾 ([K+].OS(=O)(=O)[O-])。
然而,浓硫酸也起氧化剂的作用。它会将碘化氢氧化为碘 \(\ce{I2}\) (II)。随后可能发生的一种氧化还原反应为
\[ \ce{8HI + H2SO4 -> 4I2 + H2S + 4H2O}. \]
该方程式中的其他产物是硫化氢 \(\ce{H2S}\) (S) 和水 \(\ce{H2O}\) (O)。碘的氧化态由 \(-1\) 变为 \(0\),而硫的氧化态由 \(+6\) 变为 \(-2\)。
因此,该反应不能制得纯净的碘化氢。
d) N — 仅存在共轭酸碱对还不够。
氨 \(\ce{NH3}\) (N) 与水发生少量反应,生成铵离子 \(\ce{NH4+}\) ([NH4+]) 和氢氧根离子 \(\ce{OH-}\) ([OH-]):
\[ \ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH-}. \]
有效的缓冲溶液要求共轭酸碱对的两种组分均具有足够的浓度,从而能够消耗加入的酸和碱,而不使 pH 发生较大变化。
在普通氨水中,只有一小部分氨转化为铵离子。仅仅存在铵离子并不足以形成有效的缓冲溶液。含有适量铵盐的氨水可以形成缓冲溶液。
e) N — 纯水在 80 °C 时仍呈中性。
水会发生自电离:
\[ \ce{2H2O <=> H3O+ + OH-}, \]
其中,\(\ce{H3O+}\) 是水合氢离子 ([OH3+])。
在纯水中,这两种离子的生成量相等:
\[ [\ce{H3O+}]=[\ce{OH-}]. \]
这一相等关系表明水呈中性。80 °C 时水的离子积大于 25 °C 时的值,因此中性时的 pH 低于 7:
\[ \mathrm{pH}_{\text{中性}} =\frac{1}{2}\mathrm{p}K_{\mathrm w}(80\,^\circ\mathrm C)<7. \]
因此,在这一温度下,pH 低于 7 并不意味着纯水呈酸性。
f) N — 阴极生成氢氧根离子。
在碘化钾水溶液中,水在石墨阴极上被还原:
\[ \ce{2H2O + 2e- -> H2 + 2OH-}. \]
生成的气体是氢气 \(\ce{H2}\) ([H][H])。氢氧根离子在阴极附近积累,使该区域呈碱性;在通常的室温条件下,该区域的 pH 高于 7。
在阳极,碘离子 \(\ce{I-}\) ([I-]) 被氧化:
\[ \ce{2I- -> I2 + 2e-}. \]
相应的电极总反应为
\[ \ce{2I- + 2H2O -> I2 + H2 + 2OH-}. \]
结果已与主办方公布的官方答案核对。
IChO 2003 · Теоретическая задача 23
Галогеноводороды, буферные растворы и электролиз
Верны ли следующие утверждения (Y) или нет (N)?
a) \(\ce{HF}\) кипит при более высокой температуре, чем \(\ce{HCl}\). (Y) (N)
b) \(\ce{HBr}\) кипит при более низкой температуре, чем \(\ce{HI}\) (Y) (N)
c) Чистый \(\ce{HI}\) можно получить взаимодействием концентрированной серной кислоты с \(\ce{KI}\). (Y) (N)
d) Растворы аммиака являются буферными растворами, поскольку содержат сопряжённую пару \(\ce{NH3}\) – \(\ce{NH4+}\). (Y) (N)
e) Чистая вода при 80 °C имеет кислую реакцию. (Y) (N)
f) При электролизе водного раствора \(\ce{KI}\) с графитовыми электродами pH вблизи катода ниже 7. (Y) (N)
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- a) Y
- b) Y
- c) N
- d) N
- e) N
- f) N
Решение
a) Y — водородные связи повышают температуру кипения фтороводорода.
Фтороводород, \(\ce{HF}\) ([H]F), образует прочные межмолекулярные водородные связи. Между молекулами хлороводорода, \(\ce{HCl}\) ([H]Cl), действуют диполь-дипольные силы и лондоновские дисперсионные силы притяжения, но столь же прочные водородные связи отсутствуют.
Следовательно, для разделения молекул и перевода их в газовую фазу в случае \(\ce{HF}\) требуется больше энергии, что обусловливает его более высокую температуру кипения, несмотря на меньшую молярную массу.
b) Y — дисперсионные силы сильнее в иодоводороде.
Иодоводород, \(\ce{HI}\) ([H]I), имеет более крупное и более поляризуемое электронное облако, чем бромоводород, \(\ce{HBr}\) ([H]Br). Более сильные лондоновские дисперсионные силы обусловливают его более высокую температуру кипения:
\[ T_{\mathrm b}(\ce{HBr})<T_{\mathrm b}(\ce{HI}). \]
c) N — концентрированная серная кислота окисляет иодоводород.
Начальную кислотно-основную реакцию между иодидом калия, \(\ce{KI}\) ([K+].[I-]), и серной кислотой, \(\ce{H2SO4}\) (OS(=O)(=O)O), можно записать следующим образом:
\[ \ce{KI + H2SO4 -> KHSO4 + HI}. \]
Здесь \(\ce{KHSO4}\) — гидросульфат калия ([K+].OS(=O)(=O)[O-]).
Однако концентрированная серная кислота также выступает в качестве окислителя. Она окисляет иодоводород до иода, \(\ce{I2}\) (II). Одна из возможных последующих окислительно-восстановительных реакций:
\[ \ce{8HI + H2SO4 -> 4I2 + H2S + 4H2O}. \]
Другие продукты в этом уравнении — сероводород, \(\ce{H2S}\) (S), и вода, \(\ce{H2O}\) (O). Степень окисления иода изменяется от \(-1\) до \(0\), а серы — от \(+6\) до \(-2\).
Таким образом, эта реакция не позволяет получить чистый иодоводород.
d) N — одного лишь наличия сопряжённой пары недостаточно.
Аммиак, \(\ce{NH3}\) (N), в небольшой степени реагирует с водой с образованием ионов аммония, \(\ce{NH4+}\) ([NH4+]), и гидроксид-ионов, \(\ce{OH-}\) ([OH-]):
\[ \ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH-}. \]
Для эффективного буферного раствора необходимы достаточно высокие концентрации обоих компонентов сопряжённой пары, что позволяет ему связывать добавляемую кислоту и добавляемое основание без значительного изменения pH.
В обычном растворе аммиака лишь небольшая доля аммиака превращается в ионы аммония. Само по себе их присутствие не обеспечивает эффективного буферного действия. Раствор аммиака, содержащий подходящее количество соли аммония, может быть буферным.
e) N — чистая вода остаётся нейтральной при 80 °C.
Вода подвергается автоионизации:
\[ \ce{2H2O <=> H3O+ + OH-}, \]
где \(\ce{H3O+}\) — ион гидроксония ([OH3+]).
В чистой воде оба иона образуются в равных количествах:
\[ [\ce{H3O+}]=[\ce{OH-}]. \]
Это равенство определяет нейтральность. При 80 °C ионное произведение воды больше, чем при 25 °C, поэтому pH нейтральной среды ниже 7:
\[ \mathrm{pH}_{\text{нейтральный}} =\frac{1}{2}\mathrm{p}K_{\mathrm w}(80\,^\circ\mathrm C)<7. \]
Следовательно, pH ниже 7 не означает, что чистая вода при этой температуре имеет кислую реакцию.
f) N — на катоде образуются гидроксид-ионы.
В водном растворе иодида калия на графитовом катоде восстанавливается вода:
\[ \ce{2H2O + 2e- -> H2 + 2OH-}. \]
Образующийся газ — водород, \(\ce{H2}\) ([H][H]). Гидроксид-ионы накапливаются вблизи катода, создавая в этой области щелочную среду; в обычных условиях при комнатной температуре её pH выше 7.
На аноде иодид-ионы, \(\ce{I-}\) ([I-]), окисляются:
\[ \ce{2I- -> I2 + 2e-}. \]
Соответствующая суммарная электродная реакция:
\[ \ce{2I- + 2H2O -> I2 + H2 + 2OH-}. \]
Ответы проверены по официальным ответам, опубликованным организаторами.
IChO 2003 · مسألة نظرية 23
هاليدات الهيدروجين والمحاليل المنظمة والتحليل الكهربائي
هل العبارات التالية صحيحة (Y) أم غير صحيحة (N)؟
a) يغلي \(\ce{HF}\) عند درجة حرارة أعلى من \(\ce{HCl}\). (Y) (N)
b) يغلي \(\ce{HBr}\) عند درجة حرارة أقل من \(\ce{HI}\) (Y) (N)
c) يمكن إنتاج \(\ce{HI}\) النقي بتفاعل حمض الكبريتيك المركز مع \(\ce{KI}\). (Y) (N)
d) محاليل الأمونيا محاليل منظمة لأنها تحتوي على الزوج المترافق \(\ce{NH3}\) – \(\ce{NH4+}\). (Y) (N)
e) الماء النقي عند 80 °C حمضي. (Y) (N)
f) أثناء التحليل الكهربائي لمحلول مائي من \(\ce{KI}\) باستخدام أقطاب من الغرافيت، يكون pH بالقرب من المهبط أقل من 7. (Y) (N)
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- a) Y
- b) Y
- c) N
- d) N
- e) N
- f) N
الحل
a) Y — ترفع الروابط الهيدروجينية درجة غليان فلوريد الهيدروجين.
يُكوِّن فلوريد الهيدروجين، \(\ce{HF}\) ([H]F)، روابط هيدروجينية قوية بين جزيئاته. أما كلوريد الهيدروجين، \(\ce{HCl}\) ([H]Cl)، فتوجد بين جزيئاته قوى تجاذب ثنائي القطب–ثنائي القطب وقوى تشتت لندن، لكنه يفتقر إلى روابط هيدروجينية ذات قوة مماثلة.
وبالتالي، يتطلب فصل الجزيئات ونقلها إلى الطور الغازي طاقة أكبر في حالة \(\ce{HF}\)، مما يجعل درجة غليانه أعلى رغم أن كتلته المولية أقل.
b) Y — قوى التشتت أقوى في يوديد الهيدروجين.
يمتلك يوديد الهيدروجين، \(\ce{HI}\) ([H]I)، سحابة إلكترونية أكبر وأكثر قابلية للاستقطاب من سحابة بروميد الهيدروجين، \(\ce{HBr}\) ([H]Br). وتؤدي قوى تشتت لندن الأقوى فيه إلى ارتفاع درجة غليانه:
\[ T_{\mathrm b}(\ce{HBr})<T_{\mathrm b}(\ce{HI}). \]
c) N — يؤكسد حمض الكبريتيك المركز يوديد الهيدروجين.
يمكن كتابة التفاعل الحمضي القاعدي الأولي بين يوديد البوتاسيوم، \(\ce{KI}\) ([K+].[I-])، وحمض الكبريتيك، \(\ce{H2SO4}\) (OS(=O)(=O)O)، على النحو التالي:
\[ \ce{KI + H2SO4 -> KHSO4 + HI}. \]
هنا، \(\ce{KHSO4}\) هو هيدروجين كبريتات البوتاسيوم ([K+].OS(=O)(=O)[O-]).
لكن حمض الكبريتيك المركز يعمل أيضًا عاملًا مؤكسدًا. فهو يؤكسد يوديد الهيدروجين إلى اليود، \(\ce{I2}\) (II). ومن تفاعلات الأكسدة والاختزال اللاحقة الممكنة:
\[ \ce{8HI + H2SO4 -> 4I2 + H2S + 4H2O}. \]
الناتجان الآخران في هذه المعادلة هما كبريتيد الهيدروجين، \(\ce{H2S}\) (S)، والماء، \(\ce{H2O}\) (O). تتغير حالة أكسدة اليود من \(-1\) إلى \(0\)، بينما تتغير حالة أكسدة الكبريت من \(+6\) إلى \(-2\).
لذلك، لا ينتج هذا التفاعل يوديد الهيدروجين النقي.
d) N — وجود زوج مترافق وحده غير كافٍ.
تتفاعل الأمونيا، \(\ce{NH3}\) (N)، مع الماء بدرجة محدودة لتكوين أيونات الأمونيوم، \(\ce{NH4+}\) ([NH4+])، وأيونات الهيدروكسيد، \(\ce{OH-}\) ([OH-]):
\[ \ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH-}. \]
يتطلب المحلول المنظم الفعّال وجود كلا مكوِّني الزوج المترافق بتركيزين معتبرين، مما يمكِّنه من استهلاك الحمض المضاف والقاعدة المضافة دون تغير كبير في pH.
في محلول الأمونيا العادي، لا يتحول إلى أيونات الأمونيوم إلا جزء صغير من الأمونيا. ومجرد وجود هذه الأيونات لا يجعل المحلول منظمًا فعّالًا. ويمكن لمحلول الأمونيا المحتوي على كمية مناسبة من أحد أملاح الأمونيوم أن يشكِّل محلولًا منظمًا.
e) N — يظل الماء النقي متعادلًا عند 80 °C.
يخضع الماء للتأين الذاتي:
\[ \ce{2H2O <=> H3O+ + OH-}, \]
حيث إن \(\ce{H3O+}\) هو أيون الهيدرونيوم ([OH3+]).
في الماء النقي، يُنتَج الأيونان بكميتين متساويتين:
\[ [\ce{H3O+}]=[\ce{OH-}]. \]
تحدد هذه المساواة حالة التعادل. عند 80 °C، يكون الحاصل الأيوني للماء أكبر منه عند 25 °C، ولذلك تكون قيمة pH عند التعادل أقل من 7:
\[ \mathrm{pH}_{\text{التعادل}} =\frac{1}{2}\mathrm{p}K_{\mathrm w}(80\,^\circ\mathrm C)<7. \]
لذلك، لا تجعل قيمة pH الأقل من 7 الماء النقي حمضيًا عند درجة الحرارة هذه.
f) N — يُنتَج الهيدروكسيد عند المهبط.
في محلول يوديد البوتاسيوم المائي، يُختزَل الماء عند مهبط الغرافيت:
\[ \ce{2H2O + 2e- -> H2 + 2OH-}. \]
الغاز الناتج هو الهيدروجين، \(\ce{H2}\) ([H][H]). يتراكم الهيدروكسيد بالقرب من المهبط، مما يجعل تلك المنطقة قلوية؛ وفي الظروف المعتادة عند درجة حرارة الغرفة، تكون قيمة pH فيها أعلى من 7.
عند المصعد، تتأكسد أيونات اليوديد، \(\ce{I-}\) ([I-]):
\[ \ce{2I- -> I2 + 2e-}. \]
التفاعل الكلي الموافق لتفاعلي القطبين هو:
\[ \ce{2I- + 2H2O -> I2 + H2 + 2OH-}. \]
تمت مراجعة النتائج بمقارنتها بالنتائج الرسمية التي نشرها المنظمون.