IChO 2003 · Theory problem 9
Charge needed to electrolyse water
The complete electrolysis of 1 mol of water requires the following amount of electric charge (F is the Faraday constant):
(a) F ( )
(b) (4/3) F ( )
(c) (3/2) F ( )
(d) 2 F ( )
(e) 3 F ( )
Official English text of the problem.
Answers
- 9: (d) \(2F\). Mark the box for (d); leave the other boxes blank.
Solution
The overall electrolysis reaction is
\[ \ce{2H2O(l) -> 2H2(g) + O2(g)}. \]
The molecular species are water (O), hydrogen ([H][H]), and oxygen (O=O).
Using acidic half-equations, with hydrogen ions \(\ce{H+}\) ([H+]):
-
At the cathode, reduction occurs: \[ \ce{4H+ + 4e- -> 2H2}. \]
-
At the anode, oxidation occurs: \[ \ce{2H2O -> O2 + 4H+ + 4e-}. \]
Adding these gives the overall reaction above. Thus, electrolysing \(2\ \mathrm{mol}\) of water requires \(4\ \mathrm{mol}\) of electrons to pass through the circuit. For \(1\ \mathrm{mol}\) of water,
\[ n(\ce{e-}) = 1\ \mathrm{mol}\times\frac{4}{2} = 2\ \mathrm{mol}. \]
By Faraday’s law,
\[ Q=n(\ce{e-})F=(2\ \mathrm{mol})F. \]
This is two faradays of charge, written \(2F\) in the options, so (d) is correct. The electrode charges are not added: the same charge passes through both electrodes.
The answers were checked against the official answers published by the organisers.
IChO 2003 · Theorieaufgabe 9
Zur Elektrolyse von Wasser benötigte Ladung
Die vollständige Elektrolyse von 1 mol Wasser erfordert die folgende elektrische Ladungsmenge (F ist die Faraday-Konstante):
(a) F ( )
(b) (4/3) F ( )
(c) (3/2) F ( )
(d) 2 F ( )
(e) 3 F ( )
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 9: (d) \(2F\). Kreuzen Sie das Kästchen bei (d) an; lassen Sie die anderen Kästchen leer.
Lösung
Die Gesamtreaktion der Elektrolyse lautet
\[ \ce{2H2O(l) -> 2H2(g) + O2(g)}. \]
Die molekularen Spezies sind Wasser (O), Wasserstoff ([H][H]) und Sauerstoff (O=O).
Mit den Teilgleichungen im sauren Milieu unter Verwendung von Wasserstoffionen \(\ce{H+}\) ([H+]) ergibt sich:
-
An der Kathode findet die Reduktion statt: \[ \ce{4H+ + 4e- -> 2H2}. \]
-
An der Anode findet die Oxidation statt: \[ \ce{2H2O -> O2 + 4H+ + 4e-}. \]
Die Addition dieser Teilgleichungen ergibt die obige Gesamtreaktion. Somit müssen bei der Elektrolyse von \(2\ \mathrm{mol}\) Wasser \(4\ \mathrm{mol}\) Elektronen durch den Stromkreis fließen. Für \(1\ \mathrm{mol}\) Wasser gilt:
\[ n(\ce{e-}) = 1\ \mathrm{mol}\times\frac{4}{2} = 2\ \mathrm{mol}. \]
Nach dem Faradayschen Gesetz gilt:
\[ Q=n(\ce{e-})F=(2\ \mathrm{mol})F. \]
Dies entspricht einer Ladungsmenge von zwei Faraday, in den Antwortmöglichkeiten als \(2F\) angegeben; daher ist (d) richtig. Die Ladungsmengen an den Elektroden werden nicht addiert: Durch beide Elektroden fließt dieselbe Ladungsmenge.
Die Ergebnisse wurden mit den von den Veranstaltern veröffentlichten offiziellen Ergebnissen abgeglichen.
IChO 2003 · Teori sorusu 9
Suyun elektrolizi için gereken yük
1 mol suyun tamamen elektroliz edilmesi için gereken elektrik yükü miktarı aşağıdakilerden hangisidir (F, Faraday sabitidir)?
(a) F ( )
(b) (4/3) F ( )
(c) (3/2) F ( )
(d) 2 F ( )
(e) 3 F ( )
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 9: (d) \(2F\). (d) seçeneğinin kutusunu işaretleyin; diğer kutuları boş bırakın.
Çözüm
Toplam elektroliz tepkimesi şöyledir:
\[ \ce{2H2O(l) -> 2H2(g) + O2(g)}. \]
Moleküler türler su (O), hidrojen ([H][H]) ve oksijendir (O=O).
Hidrojen iyonları \(\ce{H+}\) ([H+]) içeren asidik ortam yarı tepkime denklemleri kullanıldığında:
-
Katotta indirgenme gerçekleşir: \[ \ce{4H+ + 4e- -> 2H2}. \]
-
Anotta yükseltgenme gerçekleşir: \[ \ce{2H2O -> O2 + 4H+ + 4e-}. \]
Bu denklemler toplandığında yukarıdaki toplam tepkime elde edilir. Dolayısıyla, \(2\ \mathrm{mol}\) suyun elektroliz edilmesi için devreden \(4\ \mathrm{mol}\) elektron geçmesi gerekir. \(1\ \mathrm{mol}\) su için,
\[ n(\ce{e-}) = 1\ \mathrm{mol}\times\frac{4}{2} = 2\ \mathrm{mol}. \]
Faraday yasasına göre,
\[ Q=n(\ce{e-})F=(2\ \mathrm{mol})F. \]
Bu, iki faradaylık yük demektir ve seçeneklerde \(2F\) olarak yazılmıştır; dolayısıyla (d) doğrudur. Elektrotlardaki yükler toplanmaz: her iki elektrottan da aynı yük geçer.
Sonuçlar, düzenleyicilerin yayımladığı resmi sonuçlarla karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 2003 · Problema teórico 9
Carga necesaria para electrolizar agua
La electrólisis completa de 1 mol de agua requiere la siguiente cantidad de carga eléctrica (F es la constante de Faraday):
(a) F ( )
(b) (4/3) F ( )
(c) (3/2) F ( )
(d) 2 F ( )
(e) 3 F ( )
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 9: (d) \(2F\). Marque la casilla correspondiente a (d); deje las demás casillas en blanco.
Solución
La reacción global de electrólisis es
\[ \ce{2H2O(l) -> 2H2(g) + O2(g)}. \]
Las especies moleculares son agua (O), hidrógeno ([H][H]) y oxígeno (O=O).
Utilizando las semirreacciones en medio ácido, con iones hidrógeno \(\ce{H+}\) ([H+]):
-
En el cátodo se produce la reducción: \[ \ce{4H+ + 4e- -> 2H2}. \]
-
En el ánodo se produce la oxidación: \[ \ce{2H2O -> O2 + 4H+ + 4e-}. \]
Al sumarlas se obtiene la reacción global anterior. Por tanto, para electrolizar \(2\ \mathrm{mol}\) de agua es necesario que pasen \(4\ \mathrm{mol}\) de electrones por el circuito. Para \(1\ \mathrm{mol}\) de agua,
\[ n(\ce{e-}) = 1\ \mathrm{mol}\times\frac{4}{2} = 2\ \mathrm{mol}. \]
Según la ley de Faraday,
\[ Q=n(\ce{e-})F=(2\ \mathrm{mol})F. \]
Esto equivale a dos faradays de carga, que se expresan como \(2F\) en las opciones, por lo que (d) es correcta. Las cargas de los electrodos no se suman: la misma carga pasa por ambos electrodos.
Los resultados se comprobaron con los resultados oficiales publicados por los organizadores.
IChO 2003 · 理论题 9
电解水所需的电荷量
将 1 mol 水完全电解需要下列电荷量(F 为法拉第常数):
(a) F ( )
(b) (4/3) F ( )
(c) (3/2) F ( )
(d) 2 F ( )
(e) 3 F ( )
题目译自官方英文原文。
答案
- 9: (d) \(2F\)。 在 (d) 对应的方框内做标记;其余方框留空。
解答
电解的总反应为
\[ \ce{2H2O(l) -> 2H2(g) + O2(g)}. \]
涉及的分子物种为水(O)、氢气([H][H])和氧气(O=O)。
采用酸性条件下的半反应方程式,其中氢离子为 \(\ce{H+}\)([H+]):
-
在阴极,发生还原反应: \[ \ce{4H+ + 4e- -> 2H2}. \]
-
在阳极,发生氧化反应: \[ \ce{2H2O -> O2 + 4H+ + 4e-}. \]
将这两个半反应相加,即得上述总反应。因此,电解 \(2\ \mathrm{mol}\) 水需要有 \(4\ \mathrm{mol}\) 电子通过电路。对于 \(1\ \mathrm{mol}\) 水,
\[ n(\ce{e-}) = 1\ \mathrm{mol}\times\frac{4}{2} = 2\ \mathrm{mol}. \]
根据法拉第定律,
\[ Q=n(\ce{e-})F=(2\ \mathrm{mol})F. \]
这就是两个法拉第的电荷量,在选项中写作 \(2F\),因此 (d) 正确。通过两个电极的电荷量不能相加:通过两个电极的是同一份电荷。
结果已与主办方公布的官方答案核对。
IChO 2003 · Теоретическая задача 9
Заряд, необходимый для электролиза воды
Для полного электролиза 1 моль воды требуется следующее количество электрического заряда (F — постоянная Фарадея):
(a) F ( )
(b) (4/3) F ( )
(c) (3/2) F ( )
(d) 2 F ( )
(e) 3 F ( )
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 9: (d) \(2F\). Отметьте клетку для варианта (d); остальные клетки оставьте пустыми.
Решение
Суммарная реакция электролиза имеет вид
\[ \ce{2H2O(l) -> 2H2(g) + O2(g)}. \]
Молекулярные вещества — вода (O), водород ([H][H]) и кислород (O=O).
Запишем уравнения полуреакций в кислой среде с участием ионов водорода \(\ce{H+}\) ([H+]):
-
На катоде происходит восстановление: \[ \ce{4H+ + 4e- -> 2H2}. \]
-
На аноде происходит окисление: \[ \ce{2H2O -> O2 + 4H+ + 4e-}. \]
Сложение этих уравнений даёт приведённую выше суммарную реакцию. Таким образом, для электролиза \(2\ \mathrm{mol}\) воды необходимо, чтобы через цепь прошло \(4\ \mathrm{mol}\) электронов. Для \(1\ \mathrm{mol}\) воды
\[ n(\ce{e-}) = 1\ \mathrm{mol}\times\frac{4}{2} = 2\ \mathrm{mol}. \]
По закону Фарадея,
\[ Q=n(\ce{e-})F=(2\ \mathrm{mol})F. \]
Это заряд, равный двум фарадеям, обозначенный в вариантах ответа как \(2F\), поэтому правильный ответ — (d). Заряды, проходящие через электроды, не складываются: через оба электрода проходит один и тот же заряд.
Ответы проверены по официальным ответам, опубликованным организаторами.
IChO 2003 · مسألة نظرية 9
الشحنة اللازمة للتحليل الكهربائي للماء
يتطلب التحليل الكهربائي الكامل لـ 1 mol من الماء المقدار الآتي من الشحنة الكهربائية (F هو ثابت فاراداي):
(a) F ( )
(b) (4/3) F ( )
(c) (3/2) F ( )
(d) 2 F ( )
(e) 3 F ( )
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 9: (d) \(2F\). ضع علامة في المربع الخاص بالخيار (d)؛ واترك المربعات الأخرى فارغة.
الحل
التفاعل الكلي للتحليل الكهربائي هو
\[ \ce{2H2O(l) -> 2H2(g) + O2(g)}. \]
الأنواع الجزيئية هي الماء (O)، والهيدروجين ([H][H])، والأكسجين (O=O).
باستخدام المعادلتين النصفيتين في وسط حمضي، مع أيونات الهيدروجين \(\ce{H+}\) ([H+]):
-
عند المهبط، يحدث الاختزال: \[ \ce{4H+ + 4e- -> 2H2}. \]
-
عند المصعد، تحدث الأكسدة: \[ \ce{2H2O -> O2 + 4H+ + 4e-}. \]
بجمع هاتين المعادلتين نحصل على التفاعل الكلي الوارد أعلاه. إذن، يتطلب التحليل الكهربائي لـ \(2\ \mathrm{mol}\) من الماء مرور \(4\ \mathrm{mol}\) من الإلكترونات عبر الدائرة الكهربائية. ولـ \(1\ \mathrm{mol}\) من الماء،
\[ n(\ce{e-}) = 1\ \mathrm{mol}\times\frac{4}{2} = 2\ \mathrm{mol}. \]
وفقًا لقانون فاراداي،
\[ Q=n(\ce{e-})F=(2\ \mathrm{mol})F. \]
هذه شحنة مقدارها وحدتا فاراداي، وتُكتب \(2F\) في الخيارات، لذا فإن (d) هو الخيار الصحيح. ولا تُجمع الشحنات المارة عبر القطبين: فالشحنة نفسها تمر عبر كلا القطبين.
تمت مراجعة النتائج بمقارنتها بالنتائج الرسمية التي نشرها المنظمون.