IChO 2003 · Theory problem 24
Zinc and nitric acid
Under certain conditions of concentration and temperature \(\ce{HNO3}\) reacts with \(\ce{Zn}\) and its reduction products are \(\ce{NO2}\) and \(\ce{NO}\) in a molar ratio 1 : 3. How many moles of \(\ce{HNO3}\) are consumed by 1 mol of \(\ce{Zn}\)?
a) 2.2 ( )
b) 2.4 ( )
c) 2.6 ( )
d) 2.8 ( )
e) 3.0 ( )
f) 3.2 ( )
Official English text of the problem.
Answers
- 24. d) \(\boxed{2.8\ \mathrm{mol}}\) of nitric acid, \(\ce{HNO3}\) (
O=[N+]([O-])O), is consumed by \(1\ \mathrm{mol}\) of zinc. Mark option d).
Solution
24. Zinc is oxidized from oxidation state \(0\) to \(+2\), so \(1\ \mathrm{mol}\) of zinc releases \(2\ \mathrm{mol}\) of electrons.
Nitrogen has oxidation state \(+5\) in nitric acid. Its reduction products are:
- Nitrogen dioxide, \(\ce{NO2}\) (
O=[N+][O-]): nitrogen is \(+4\), requiring one electron per molecule. This SMILES represents a radical using one formal charge arrangement. - Nitrogen monoxide, \(\ce{NO}\) (
[N]=O): nitrogen is \(+2\), requiring three electrons per molecule.
Let \(x\ \mathrm{mol}\) of \(\ce{NO2}\) and \(3x\ \mathrm{mol}\) of \(\ce{NO}\) form per mole of zinc. Electron balance gives \[ x+3(3x)=2, \qquad x=0.20. \] Thus, the amount of nitric acid reduced is \[ n_{\text{reduced}}=(0.20+0.60)\ \mathrm{mol} =0.80\ \mathrm{mol}. \]
Another \(2\ \mathrm{mol}\) of nitric acid supplies the nitrate ions, \(\ce{NO3-}\) ([O-][N+](=O)[O-]), needed to form \(1\ \mathrm{mol}\) of zinc(II) nitrate, \(\ce{Zn(NO3)2}\) ([Zn+2].[O-][N+](=O)[O-].[O-][N+](=O)[O-]). The salt’s SMILES specifies its ionic composition.
The balanced overall reaction is
\[
\ce{5Zn + 14HNO3 -> 5Zn(NO3)2 + NO2 + 3NO + 7H2O},
\]
where \(\ce{H2O}\) is water (O).
Therefore, \[ n(\ce{HNO3}) =2.00+0.80 =\boxed{2.8\ \mathrm{mol}} \] per \(1\ \mathrm{mol}\) of zinc, confirming option d).
The answers were checked against the official answers published by the organisers.
IChO 2003 · Theorieaufgabe 24
Zink und Salpetersäure
Unter bestimmten Konzentrations- und Temperaturbedingungen reagiert \(\ce{HNO3}\) mit \(\ce{Zn}\), wobei die Reduktionsprodukte \(\ce{NO2}\) und \(\ce{NO}\) im Stoffmengenverhältnis 1 : 3 entstehen. Wie viele Mol \(\ce{HNO3}\) werden von 1 mol \(\ce{Zn}\) verbraucht?
a) 2.2 ( )
b) 2.4 ( )
c) 2.6 ( )
d) 2.8 ( )
e) 3.0 ( )
f) 3.2 ( )
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 24. d) \(\boxed{2.8\ \mathrm{mol}}\) Salpetersäure, \(\ce{HNO3}\) (
O=[N+]([O-])O), werden von \(1\ \mathrm{mol}\) Zink verbraucht. Kreuzen Sie Antwort d) an.
Lösung
24. Zink wird von der Oxidationsstufe \(0\) zur Oxidationsstufe \(+2\) oxidiert, sodass \(1\ \mathrm{mol}\) Zink \(2\ \mathrm{mol}\) Elektronen abgibt.
Stickstoff hat in Salpetersäure die Oxidationsstufe \(+5\). Die Reduktionsprodukte sind:
- Stickstoffdioxid, \(\ce{NO2}\) (
O=[N+][O-]): Stickstoff hat die Oxidationsstufe \(+4\), sodass pro Molekül ein Elektron benötigt wird. Dieser SMILES-Ausdruck stellt ein Radikal mithilfe einer möglichen Verteilung der Formalladungen dar. - Stickstoffmonoxid, \(\ce{NO}\) (
[N]=O): Stickstoff hat die Oxidationsstufe \(+2\), sodass pro Molekül drei Elektronen benötigt werden.
Pro Mol Zink mögen \(x\ \mathrm{mol}\) \(\ce{NO2}\) und \(3x\ \mathrm{mol}\) \(\ce{NO}\) entstehen. Die Elektronenbilanz ergibt \[ x+3(3x)=2, \qquad x=0.20. \] Somit beträgt die Stoffmenge der reduzierten Salpetersäure \[ n_{\text{reduziert}}=(0.20+0.60)\ \mathrm{mol} =0.80\ \mathrm{mol}. \]
Weitere \(2\ \mathrm{mol}\) Salpetersäure liefern die Nitrationen, \(\ce{NO3-}\) ([O-][N+](=O)[O-]), die zur Bildung von \(1\ \mathrm{mol}\) Zink(II)-nitrat, \(\ce{Zn(NO3)2}\) ([Zn+2].[O-][N+](=O)[O-].[O-][N+](=O)[O-]), benötigt werden. Der SMILES-Ausdruck des Salzes gibt dessen ionische Zusammensetzung an.
Die ausgeglichene Gesamtreaktion lautet
\[
\ce{5Zn + 14HNO3 -> 5Zn(NO3)2 + NO2 + 3NO + 7H2O},
\]
wobei \(\ce{H2O}\) Wasser (O) ist.
Daher werden \[ n(\ce{HNO3}) =2.00+0.80 =\boxed{2.8\ \mathrm{mol}} \] pro \(1\ \mathrm{mol}\) Zink verbraucht, was Antwort d) bestätigt.
Die Ergebnisse wurden mit den von den Veranstaltern veröffentlichten offiziellen Ergebnissen abgeglichen.
IChO 2003 · Teori sorusu 24
Çinko ve nitrik asit
Belirli derişim ve sıcaklık koşullarında \(\ce{HNO3}\), \(\ce{Zn}\) ile tepkimeye girer ve indirgenme ürünleri, mol oranı 1 : 3 olan \(\ce{NO2}\) ve \(\ce{NO}\)'dur. 1 mol \(\ce{Zn}\) tarafından kaç mol \(\ce{HNO3}\) tüketilir?
a) 2.2 ( )
b) 2.4 ( )
c) 2.6 ( )
d) 2.8 ( )
e) 3.0 ( )
f) 3.2 ( )
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 24. d) \(1\ \mathrm{mol}\) çinko tarafından \(\boxed{2.8\ \mathrm{mol}}\) nitrik asit, \(\ce{HNO3}\) (
O=[N+]([O-])O), tüketilir. d) seçeneğini işaretleyin.
Çözüm
24. Çinko, \(0\) yükseltgenme basamağından \(+2\) yükseltgenme basamağına yükseltgenir; dolayısıyla \(1\ \mathrm{mol}\) çinko, \(2\ \mathrm{mol}\) elektron verir.
Nitrik asitte azotun yükseltgenme basamağı \(+5\)'tir. İndirgenme ürünleri şunlardır:
- Azot dioksit, \(\ce{NO2}\) (
O=[N+][O-]): azotun yükseltgenme basamağı \(+4\)'tür ve molekül başına bir elektron gereklidir. Bu SMILES, belirli bir formal yük düzeni kullanarak bir radikali temsil eder. - Azot monoksit, \(\ce{NO}\) (
[N]=O): azotun yükseltgenme basamağı \(+2\)'dir ve molekül başına üç elektron gereklidir.
Bir mol çinko başına \(x\ \mathrm{mol}\) \(\ce{NO2}\) ve \(3x\ \mathrm{mol}\) \(\ce{NO}\) oluşsun. Elektron denkliği şu sonucu verir: \[ x+3(3x)=2, \qquad x=0.20. \] Böylece, indirgenen nitrik asit miktarı \[ n_{\text{indirgenen}}=(0.20+0.60)\ \mathrm{mol} =0.80\ \mathrm{mol} \] olur.
İlave \(2\ \mathrm{mol}\) nitrik asit, \(1\ \mathrm{mol}\) çinko(II) nitrat, \(\ce{Zn(NO3)2}\) ([Zn+2].[O-][N+](=O)[O-].[O-][N+](=O)[O-]), oluşturmak için gereken nitrat iyonlarını, \(\ce{NO3-}\) ([O-][N+](=O)[O-]), sağlar. Tuzun SMILES gösterimi, iyonik bileşimini belirtir.
Denkleştirilmiş toplam tepkime şöyledir:
\[
\ce{5Zn + 14HNO3 -> 5Zn(NO3)2 + NO2 + 3NO + 7H2O},
\]
burada \(\ce{H2O}\), sudur (O).
Dolayısıyla, \(1\ \mathrm{mol}\) çinko başına \[ n(\ce{HNO3}) =2.00+0.80 =\boxed{2.8\ \mathrm{mol}} \] nitrik asit tüketilir; bu da d) seçeneğini doğrular.
Sonuçlar, düzenleyicilerin yayımladığı resmi sonuçlarla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 2003 · Problema teórico 24
Zinc y ácido nítrico
En determinadas condiciones de concentración y temperatura, el \(\ce{HNO3}\) reacciona con el \(\ce{Zn}\) y sus productos de reducción son \(\ce{NO2}\) y \(\ce{NO}\) en una proporción molar de 1 : 3. ¿Cuántos moles de \(\ce{HNO3}\) se consumen por 1 mol de \(\ce{Zn}\)?
a) 2.2 ( )
b) 2.4 ( )
c) 2.6 ( )
d) 2.8 ( )
e) 3.0 ( )
f) 3.2 ( )
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 24. d) Se consumen \(\boxed{2.8\ \mathrm{mol}}\) de ácido nítrico, \(\ce{HNO3}\) (
O=[N+]([O-])O), por \(1\ \mathrm{mol}\) de zinc. Marque la opción d).
Solución
24. El zinc se oxida del estado de oxidación \(0\) al \(+2\), por lo que \(1\ \mathrm{mol}\) de zinc libera \(2\ \mathrm{mol}\) de electrones.
El nitrógeno tiene un estado de oxidación de \(+5\) en el ácido nítrico. Sus productos de reducción son:
- Dióxido de nitrógeno, \(\ce{NO2}\) (
O=[N+][O-]): el nitrógeno tiene un estado de oxidación de \(+4\), por lo que se requiere un electrón por molécula. Este SMILES representa un radical mediante una distribución de cargas formales. - Monóxido de nitrógeno, \(\ce{NO}\) (
[N]=O): el nitrógeno tiene un estado de oxidación de \(+2\), por lo que se requieren tres electrones por molécula.
Supongamos que se forman \(x\ \mathrm{mol}\) de \(\ce{NO2}\) y \(3x\ \mathrm{mol}\) de \(\ce{NO}\) por mol de zinc. El balance de electrones da \[ x+3(3x)=2, \qquad x=0.20. \] Por tanto, la cantidad de ácido nítrico reducido es \[ n_{\text{reducido}}=(0.20+0.60)\ \mathrm{mol} =0.80\ \mathrm{mol}. \]
Otros \(2\ \mathrm{mol}\) de ácido nítrico aportan los iones nitrato, \(\ce{NO3-}\) ([O-][N+](=O)[O-]), necesarios para formar \(1\ \mathrm{mol}\) de nitrato de zinc(II), \(\ce{Zn(NO3)2}\) ([Zn+2].[O-][N+](=O)[O-].[O-][N+](=O)[O-]). El SMILES de la sal especifica su composición iónica.
La reacción global ajustada es
\[
\ce{5Zn + 14HNO3 -> 5Zn(NO3)2 + NO2 + 3NO + 7H2O},
\]
donde \(\ce{H2O}\) es agua (O).
Por lo tanto, \[ n(\ce{HNO3}) =2.00+0.80 =\boxed{2.8\ \mathrm{mol}} \] por \(1\ \mathrm{mol}\) de zinc, lo que confirma la opción d).
Los resultados se comprobaron con los resultados oficiales publicados por los organizadores.
IChO 2003 · 理论题 24
锌与硝酸
在一定的浓度和温度条件下，\(\ce{HNO3}\) 与 \(\ce{Zn}\) 反应，其还原产物为 \(\ce{NO2}\) 和 \(\ce{NO}\)，二者的物质的量之比为 1 : 3。1 mol \(\ce{Zn}\) 消耗多少摩尔的 \(\ce{HNO3}\)？
a) 2.2 ( )
b) 2.4 ( )
c) 2.6 ( )
d) 2.8 ( )
e) 3.0 ( )
f) 3.2 ( )
题目译自官方英文原文。
答案
- 24. d) \(1\ \mathrm{mol}\) 锌消耗 \(\boxed{2.8\ \mathrm{mol}}\) 硝酸，\(\ce{HNO3}\)（
O=[N+]([O-])O）。选择 d)。
解答
24. 锌的氧化态由 \(0\) 升高至 \(+2\)，因此 \(1\ \mathrm{mol}\) 锌释放 \(2\ \mathrm{mol}\) 电子。
硝酸中氮的氧化态为 \(+5\)。其还原产物为：
- 二氧化氮，\(\ce{NO2}\)（
O=[N+][O-]）：氮的氧化态为 \(+4\)，每生成一个分子需要一个电子。此 SMILES 采用一种形式电荷分布来表示该自由基。 - 一氧化氮，\(\ce{NO}\)（
[N]=O）：氮的氧化态为 \(+2\)，每生成一个分子需要三个电子。
设每摩尔锌反应生成 \(x\ \mathrm{mol}\) 的 \(\ce{NO2}\) 和 \(3x\ \mathrm{mol}\) 的 \(\ce{NO}\)。根据电子守恒可得 \[ x+3(3x)=2, \qquad x=0.20. \] 因此，被还原的硝酸的物质的量为 \[ n_{\text{被还原}}=(0.20+0.60)\ \mathrm{mol} =0.80\ \mathrm{mol}. \]
另外 \(2\ \mathrm{mol}\) 硝酸提供硝酸根离子，\(\ce{NO3-}\)（[O-][N+](=O)[O-]），用于生成 \(1\ \mathrm{mol}\) 硝酸锌(II)，\(\ce{Zn(NO3)2}\)（[Zn+2].[O-][N+](=O)[O-].[O-][N+](=O)[O-]）。该盐的 SMILES 表明了其离子组成。
配平后的总反应方程式为
\[
\ce{5Zn + 14HNO3 -> 5Zn(NO3)2 + NO2 + 3NO + 7H2O},
\]
其中 \(\ce{H2O}\) 为水（O）。
因此， \[ n(\ce{HNO3}) =2.00+0.80 =\boxed{2.8\ \mathrm{mol}} \] 即每 \(1\ \mathrm{mol}\) 锌消耗上述物质的量的硝酸，由此确认应选选项 d)。
结果已与主办方公布的官方答案核对。
IChO 2003 · Теоретическая задача 24
Цинк и азотная кислота
При определённых условиях концентрации и температуры \(\ce{HNO3}\) реагирует с \(\ce{Zn}\), и продуктами её восстановления являются \(\ce{NO2}\) и \(\ce{NO}\) в молярном соотношении 1 : 3. Сколько молей \(\ce{HNO3}\) расходуется на 1 моль \(\ce{Zn}\)?
a) 2.2 ( )
b) 2.4 ( )
c) 2.6 ( )
d) 2.8 ( )
e) 3.0 ( )
f) 3.2 ( )
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 24. d) На \(1\ \mathrm{mol}\) цинка расходуется \(\boxed{2.8\ \mathrm{mol}}\) азотной кислоты, \(\ce{HNO3}\) (
O=[N+]([O-])O). Отметьте вариант d).
Решение
24. Цинк окисляется из степени окисления \(0\) до \(+2\), поэтому \(1\ \mathrm{mol}\) цинка отдаёт \(2\ \mathrm{mol}\) электронов.
В азотной кислоте азот имеет степень окисления \(+5\). Продуктами её восстановления являются:
- Диоксид азота, \(\ce{NO2}\) (
O=[N+][O-]): азот имеет степень окисления \(+4\), поэтому на каждую молекулу требуется один электрон. Эта запись SMILES представляет радикал с использованием одного из вариантов распределения формальных зарядов. - Монооксид азота, \(\ce{NO}\) (
[N]=O): азот имеет степень окисления \(+2\), поэтому на каждую молекулу требуется три электрона.
Пусть на каждый моль цинка образуется \(x\ \mathrm{mol}\) \(\ce{NO2}\) и \(3x\ \mathrm{mol}\) \(\ce{NO}\). Электронный баланс даёт \[ x+3(3x)=2, \qquad x=0.20. \] Таким образом, количество восстановленной азотной кислоты составляет \[ n_{\text{восстановленной}}=(0.20+0.60)\ \mathrm{mol} =0.80\ \mathrm{mol}. \]
Ещё \(2\ \mathrm{mol}\) азотной кислоты обеспечивают нитрат-ионы, \(\ce{NO3-}\) ([O-][N+](=O)[O-]), необходимые для образования \(1\ \mathrm{mol}\) нитрата цинка(II), \(\ce{Zn(NO3)2}\) ([Zn+2].[O-][N+](=O)[O-].[O-][N+](=O)[O-]). Запись SMILES соли указывает её ионный состав.
Суммарное уравнение реакции с расставленными коэффициентами имеет вид
\[
\ce{5Zn + 14HNO3 -> 5Zn(NO3)2 + NO2 + 3NO + 7H2O},
\]
где \(\ce{H2O}\) — вода (O).
Следовательно, \[ n(\ce{HNO3}) =2.00+0.80 =\boxed{2.8\ \mathrm{mol}} \] на \(1\ \mathrm{mol}\) цинка, что подтверждает вариант d).
Ответы проверены по официальным ответам, опубликованным организаторами.
IChO 2003 · مسألة نظرية 24
الزنك وحمض النتريك
في ظروف معينة من التركيز ودرجة الحرارة، يتفاعل \(\ce{HNO3}\) مع \(\ce{Zn}\)، وتكون نواتج اختزاله \(\ce{NO2}\) و\(\ce{NO}\) بنسبة مولية 1 : 3. كم مولًا من \(\ce{HNO3}\) يستهلكه 1 mol من \(\ce{Zn}\)؟
a) 2.2 ( )
b) 2.4 ( )
c) 2.6 ( )
d) 2.8 ( )
e) 3.0 ( )
f) 3.2 ( )
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 24. d) تُستهلك كمية قدرها \(\boxed{2.8\ \mathrm{mol}}\) من حمض النتريك، \(\ce{HNO3}\) (
O=[N+]([O-])O)، بواسطة \(1\ \mathrm{mol}\) من الزنك. ضع علامة على الخيار d).
الحل
24. يتأكسد الزنك من حالة الأكسدة \(0\) إلى \(+2\)، لذا يحرر \(1\ \mathrm{mol}\) من الزنك \(2\ \mathrm{mol}\) من الإلكترونات.
تكون حالة أكسدة النيتروجين في حمض النتريك \(+5\). ونواتج اختزاله هي:
- ثاني أكسيد النيتروجين، \(\ce{NO2}\) (
O=[N+][O-]): تكون حالة أكسدة النيتروجين \(+4\)، مما يتطلب إلكترونًا واحدًا لكل جزيء. يمثّل ترميز SMILES هذا جذرًا حرًا باستخدام أحد توزيعات الشحنات الشكلية. - أحادي أكسيد النيتروجين، \(\ce{NO}\) (
[N]=O): تكون حالة أكسدة النيتروجين \(+2\)، مما يتطلب ثلاثة إلكترونات لكل جزيء.
لنفترض تكوّن \(x\ \mathrm{mol}\) من \(\ce{NO2}\) و\(3x\ \mathrm{mol}\) من \(\ce{NO}\) لكل مول من الزنك. تعطي موازنة الإلكترونات \[ x+3(3x)=2, \qquad x=0.20. \] إذن، كمية حمض النتريك التي تُختزل هي \[ n_{\text{المختزل}}=(0.20+0.60)\ \mathrm{mol} =0.80\ \mathrm{mol}. \]
وتوفر كمية إضافية قدرها \(2\ \mathrm{mol}\) من حمض النتريك أيونات النترات، \(\ce{NO3-}\) ([O-][N+](=O)[O-])، اللازمة لتكوين \(1\ \mathrm{mol}\) من نترات الزنك(II)، \(\ce{Zn(NO3)2}\) ([Zn+2].[O-][N+](=O)[O-].[O-][N+](=O)[O-]). يحدد ترميز SMILES للملح تركيبه الأيوني.
التفاعل الكلي الموزون هو
\[
\ce{5Zn + 14HNO3 -> 5Zn(NO3)2 + NO2 + 3NO + 7H2O},
\]
حيث إن \(\ce{H2O}\) هو الماء (O).
وعليه، فإن \[ n(\ce{HNO3}) =2.00+0.80 =\boxed{2.8\ \mathrm{mol}} \] لكل \(1\ \mathrm{mol}\) من الزنك، مما يؤكد الخيار d).
تمت مراجعة النتائج بمقارنتها بالنتائج الرسمية التي نشرها المنظمون.