IChO 2004 · Theory problem 4
Determining atomic masses
The reaction of the element X with hydrogen leads to a class of compounds that is analogous to hydrocarbons. 5.000 g of X form 5.628 g of a molar 2 : 1 mixture of the stoichiometric X-analogues of methane and ethane, respectively.
4.1 Determine the molar mass of X from this information. Give the chemical symbol of X, and the 3D-structure of the two products.
The following more complex case is of great historical interest.
The mineral Argyrodite is a stoichiometric compound that contains silver (oxidation state +1), sulphur (oxidation state -2) and an unknown element Y (oxidation state +4). The ratio between the masses of silver and Y in Argyrodite is \(m(\ce{Ag}) : m(\ce{Y}) = 11.88 : 1\). Y forms a reddish brown lower sulfide (oxidation state of Y is +2) and a higher white sulfide (oxidation state of Y is +4). The coloured lower sulfide is the sublimate obtained by heating Argyrodite in a flow of hydrogen. The residues are \(\ce{Ag2S}\) and \(\ce{H2S}\). To convert 10.0 g of Argyrodite completely, 0.295 \(\mathrm{dm^3}\) of hydrogen are needed at 400 K and 100 kPa.
4.2 Determine the molar mass of Y from this information. Give the chemical symbol of Y, and the empirical formula of Argyrodite.
The atomic masses are correlated with spectroscopic properties. To determine the vibrational frequency \(\tilde{\nu}\) expressed in wave numbers of chemical bonds in IR spectra chemists use Hooke's law which focuses on the frequency of the vibration (attention to units!):
\[ \tilde{\nu}=\frac{1}{2\pi c}\cdot\sqrt{\frac{k}{\mu}} \]
\(\tilde{\nu}\) - vibrational frequency of the bond, in wavenumbers (\(\mathrm{cm^{-1}}\))
\(c\) - speed of light
\(k\) - force constant, indicating the strength of the bond (\(\mathrm{N\,m^{-1}=kg\,s^{-2}}\))
\(\mu\) reduced mass in \(\ce{AB4}\), which is given by \[ \mu=\frac{3\,m(A)\,m(B)}{3\,m(A)+4\,m(B)} \]
\(m(A),m(B)\) - the masses of the two bond atoms
The vibrational frequency of the \(\ce{C-H}\) bond of methane is known to be 3030.00 \(\mathrm{cm^{-1}}\).
The vibrational frequency of the Z-analogue of methane is known to be 2938.45 \(\mathrm{cm^{-1}}\). The bond enthalpy of a \(\ce{C-H}\) bond in methane is 438.4 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\). The bond enthalpy of a \(\ce{Z-H}\) bond in the Z-analogue of methane is known to be 450.2 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
4.3 Determine the force constant \(k\) of a \(\ce{C-H}\) bond using Hooke's law.
Estimate the force constant \(k\) of a \(\ce{Z-H}\) bond, assuming that there is a linear proportionality between force constant and bond enthalpy.
Determine the atomic mass of Z from this information.
Give the chemical symbol of Z.
Official English text of the problem.
Answers
- 4.1: \(M(X)\approx28.1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\); \(X=\ce{Si}\), silicon. The products are silane, \(\ce{SiH4}\), SMILES
[SiH4], with tetrahedral geometry, and disilane, \(\ce{Si2H6}\), SMILES[SiH3][SiH3], with approximately tetrahedral coordination at each silicon and a preferred staggered conformation. - 4.2: \(M(Y)\approx72.6\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\); \(Y=\ce{Ge}\), germanium. Argyrodite has empirical formula \(\boxed{\ce{Ag8GeS6}}\).
- 4.3: \(k_{\ce{C-H}}=490.4\ \mathrm{N\,m^{-1}}\); \(k_{\ce{Z-H}}\approx503.6\ \mathrm{N\,m^{-1}}\). The estimated atomic mass is \(m(Z)\approx73.4\ \mathrm{u}\), identifying \(Z=\ce{Ge}\). Its methane analogue is germane, \(\ce{GeH4}\), SMILES
[GeH4].
Solution
The problem gives no table of constants. The calculations use the standard reference molar masses \[ M(\ce{H})=1.008,\quad M(\ce{C})=12.01,\quad M(\ce{Ag})=107.87,\quad M(\ce{S})=32.06 \quad \mathrm{g\,mol^{-1}}, \] together with \[ R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}},\qquad c=2.99792458\times10^{10}\ \mathrm{cm\,s^{-1}},\qquad 1\ \mathrm{u}=1.66054\times10^{-27}\ \mathrm{kg}. \]
4.1
Methane, \(\ce{CH4}\), SMILES C, and ethane, \(\ce{C2H6}\), SMILES CC, have the stoichiometric X-analogues \(\ce{XH4}\) and \(\ce{X2H6}\).
Let their amounts be \(2t\) and \(t\), respectively. The mixture therefore contains \[ n(X)=2t+2t=4t,\qquad n(\ce{H}\text{ atoms})=4(2t)+6t=14t. \]
The mass gained is the mass of hydrogen: \[ m(\ce{H})=5.628-5.000=0.628\ \mathrm{g}. \] Consequently, \[ t=\frac{0.628\ \mathrm{g}} {14(1.008\ \mathrm{g\,mol^{-1}})} =0.04450\ \mathrm{mol}, \] and \[ M(X)=\frac{5.000\ \mathrm{g}}{4t} =28.09\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \approx\boxed{28.1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}. \]
This identifies silicon, \(\boxed{\ce{Si}}\).
The balanced formation equations, with hydrogen \(\ce{H2}\), SMILES [H][H], are
\[
\ce{Si + 2H2 -> SiH4},
\]
\[
\ce{2Si + 3H2 -> Si2H6}.
\]
For the specified mixture, their combined stoichiometry is
\[
\ce{4Si + 7H2 -> 2SiH4 + Si2H6}.
\]
The requested three-dimensional structures are:
- Silane, \(\ce{SiH4}\), SMILES
[SiH4]: silicon lies at the centre of a regular tetrahedron, with the four hydrogen atoms at its vertices. The bond angles are approximately \(109.5^\circ\). - Disilane, \(\ce{Si2H6}\), SMILES
[SiH3][SiH3]: a single silicon–silicon bond joins two groups, each containing silicon bonded to three hydrogen atoms. Each silicon has approximately tetrahedral coordination. In the preferred staggered conformation, looking along the silicon–silicon bond, the three rear hydrogen atoms are rotated by \(60^\circ\) relative to the three front hydrogen atoms.
The SMILES specify connectivity; the tetrahedral geometry and staggered conformation are supplied by these descriptions.
4.2
Y is reduced from oxidation state \(+4\) to \(+2\), requiring two electrons per Y atom. Oxidation of one hydrogen molecule supplies these two electrons. Thus, \[ n(Y)=n(\ce{H2}). \]
Using the ideal-gas equation, with \(1\ \mathrm{kPa\,dm^3}=1\ \mathrm{J}\), \[ n(\ce{H2}) =\frac{pV}{RT} =\frac{(100\ \mathrm{kPa})(0.295\ \mathrm{dm^3})} {(8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}})(400\ \mathrm{K})} =8.8706\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Let \(n=n(Y)\) and \(M=M(Y)\). The mass ratio gives \[ m(Y)=nM,\qquad m(\ce{Ag})=11.88nM, \] so \[ n(\ce{Ag})=\frac{11.88nM}{M(\ce{Ag})}. \]
Charge neutrality, using the stated oxidation states, requires the amounts of atoms in the mineral to satisfy \[ n(\ce{Ag})+4n(Y)=2n(\ce{S}). \] Hence, \[ n(\ce{S}) =n\left(\frac{11.88M}{2M(\ce{Ag})}+2\right). \]
Adding the masses of all three elements gives \[ 10.0\ \mathrm{g} =nM+11.88nM+ n\left(\frac{11.88M}{2M(\ce{Ag})}+2\right)M(\ce{S}). \] Therefore, \[ M= \frac{\dfrac{10.0\ \mathrm{g}}{n}-2M(\ce{S})} {12.88+\dfrac{11.88M(\ce{S})}{2M(\ce{Ag})}} \approx\boxed{72.6\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}. \]
This identifies germanium, \(\boxed{\ce{Ge}}\). The reddish brown lower sulfide is germanium(II) sulfide, \(\ce{GeS}\), and the white higher sulfide is germanium(IV) sulfide, \(\ce{GeS2}\).
The silver-to-germanium atomic ratio is \[ \frac{n(\ce{Ag})}{n(\ce{Ge})} =\frac{11.88M(\ce{Ge})}{M(\ce{Ag})} \approx\frac{11.88(72.6)}{107.87} \approx8. \] Charge neutrality then gives \[ \frac{n(\ce{S})}{n(\ce{Ge})}=\frac{8+4}{2}=6. \] Thus the empirical formula is \[ \boxed{\ce{Ag8GeS6}}. \]
The balanced conversion is \[ \boxed{\ce{Ag8GeS6 + H2 -> 4Ag2S + GeS + H2S}}. \]
Here \(\ce{Ag2S}\) is silver(I) sulfide, and \(\ce{H2S}\) is hydrogen sulfide, SMILES S. The solid sulfides and argyrodite have extended structures, so a discrete-molecule SMILES would not describe their solid-state structures.
4.3
For methane, use the reduced-mass expression supplied for \(\ce{AB4}\): \[ \mu_{\ce{CH4}} =\frac{3m(\ce{C})m(\ce{H})} {3m(\ce{C})+4m(\ce{H})}. \] Substituting atomic masses, \[ \mu_{\ce{CH4}} =\frac{3(12.01)(1.008)} {3(12.01)+4(1.008)}\ \mathrm{u} =0.9065508\ \mathrm{u} =1.50536\times10^{-27}\ \mathrm{kg}. \]
Rearranging Hooke’s law, \[ k=4\pi^2c^2\tilde{\nu}^{\,2}\mu. \] Because the wavenumber is in \(\mathrm{cm^{-1}}\), use \(c\) in \(\mathrm{cm\,s^{-1}}\): \[ k_{\ce{C-H}} = 4\pi^2 (2.99792458\times10^{10}\ \mathrm{cm\,s^{-1}})^2 (3030.00\ \mathrm{cm^{-1}})^2 (1.50536\times10^{-27}\ \mathrm{kg}). \] Thus, \[ \boxed{k_{\ce{C-H}}=490.4\ \mathrm{N\,m^{-1}}}. \]
Under the assumed proportionality between force constant and bond enthalpy, \[ \frac{k_{\ce{Z-H}}}{k_{\ce{C-H}}} =\frac{450.2}{438.4}. \] Using the unrounded first result, \[ \boxed{k_{\ce{Z-H}}\approx503.6\ \mathrm{N\,m^{-1}}}. \]
The reduced mass of the Z-analogue follows from \[ \frac{\mu_{\ce{ZH4}}}{\mu_{\ce{CH4}}} = \frac{k_{\ce{Z-H}}}{k_{\ce{C-H}}} \left(\frac{\tilde{\nu}_{\ce{C-H}}} {\tilde{\nu}_{\ce{Z-H}}}\right)^2. \] Therefore, \[ \mu_{\ce{ZH4}} = 0.9065508 \left(\frac{450.2}{438.4}\right) \left(\frac{3030.00}{2938.45}\right)^2 \mathrm{u} =0.9898645\ \mathrm{u}. \]
Writing \(m_Z=m(Z)\) and \(m_H=m(\ce{H})\), \[ \mu_{\ce{ZH4}}=\frac{3m_Zm_H}{3m_Z+4m_H}. \] Solving for \(m_Z\), \[ m_Z=\frac{4\mu_{\ce{ZH4}}m_H} {3(m_H-\mu_{\ce{ZH4}})}. \] Retaining guard digits because the denominator contains a small difference, \[ m_Z= \frac{4(0.9898645)(1.008)} {3(1.008-0.9898645)}\ \mathrm{u} \approx\boxed{73.4\ \mathrm{u}}. \]
This estimated mass identifies \(\boxed{Z=\ce{Ge}}\), consistent with the germanium mass determined in 4.2. The methane analogue is germane, \(\ce{GeH4}\), SMILES [GeH4], with tetrahedral geometry.
The inferred \(73.4\ \mathrm{u}\) is an estimate: the assumed proportionality between bond enthalpy and force constant is approximate.
The solution was checked against the official solution.
IChO 2004 · Theorieaufgabe 4
Bestimmung von Atommassen
Die Reaktion des Elements X mit Wasserstoff führt zu einer Verbindungsklasse, die den Kohlenwasserstoffen analog ist. Aus 5.000 g X entstehen 5.628 g eines Gemisches der stöchiometrischen X-Analoga von Methan und Ethan im Stoffmengenverhältnis 2 : 1.
4.1 Bestimmen Sie anhand dieser Angaben die molare Masse von X. Geben Sie das chemische Symbol von X sowie die räumliche Struktur der beiden Produkte an.
Der folgende komplexere Fall ist von großem historischem Interesse.
Das Mineral Argyrodit ist eine stöchiometrische Verbindung, die Silber (Oxidationsstufe +1), Schwefel (Oxidationsstufe -2) und ein unbekanntes Element Y (Oxidationsstufe +4) enthält. Das Verhältnis der Massen von Silber und Y in Argyrodit beträgt \(m(\ce{Ag}) : m(\ce{Y}) = 11.88 : 1\). Y bildet ein rötlich braunes niederes Sulfid (Oxidationsstufe von Y: +2) und ein weißes höheres Sulfid (Oxidationsstufe von Y: +4). Das farbige niedere Sulfid ist das Sublimat, das beim Erhitzen von Argyrodit in einem Wasserstoffstrom erhalten wird. Zurück bleiben \(\ce{Ag2S}\) und \(\ce{H2S}\). Zur vollständigen Umsetzung von 10.0 g Argyrodit werden bei 400 K und 100 kPa 0.295 \(\mathrm{dm^3}\) Wasserstoff benötigt.
4.2 Bestimmen Sie anhand dieser Angaben die molare Masse von Y. Geben Sie das chemische Symbol von Y sowie die Verhältnisformel von Argyrodit an.
Die Atommassen stehen mit spektroskopischen Eigenschaften in Zusammenhang. Zur Bestimmung der als Wellenzahl ausgedrückten Schwingungsfrequenz \(\tilde{\nu}\) chemischer Bindungen in IR-Spektren verwenden Chemiker das Hookesche Gesetz, das die Frequenz der Schwingung beschreibt (achten Sie auf die Einheiten!):
\[ \tilde{\nu}=\frac{1}{2\pi c}\cdot\sqrt{\frac{k}{\mu}} \]
\(\tilde{\nu}\) - Schwingungsfrequenz der Bindung, als Wellenzahl (\(\mathrm{cm^{-1}}\))
\(c\) - Lichtgeschwindigkeit
\(k\) - Kraftkonstante als Maß für die Stärke der Bindung (\(\mathrm{N\,m^{-1}=kg\,s^{-2}}\))
\(\mu\) reduzierte Masse in \(\ce{AB4}\), gegeben durch \[ \mu=\frac{3\,m(A)\,m(B)}{3\,m(A)+4\,m(B)} \]
\(m(A),m(B)\) - die Massen der beiden an der Bindung beteiligten Atome
Die Schwingungsfrequenz der \(\ce{C-H}\)-Bindung in Methan beträgt bekanntermaßen 3030.00 \(\mathrm{cm^{-1}}\).
Die Schwingungsfrequenz des Z-Analogons von Methan beträgt bekanntermaßen 2938.45 \(\mathrm{cm^{-1}}\). Die Bindungsenthalpie einer \(\ce{C-H}\)-Bindung in Methan beträgt 438.4 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\). Die Bindungsenthalpie einer \(\ce{Z-H}\)-Bindung im Z-Analogon von Methan beträgt bekanntermaßen 450.2 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
4.3 Bestimmen Sie mithilfe des Hookeschen Gesetzes die Kraftkonstante \(k\) einer \(\ce{C-H}\)-Bindung.
Schätzen Sie die Kraftkonstante \(k\) einer \(\ce{Z-H}\)-Bindung unter der Annahme ab, dass zwischen Kraftkonstante und Bindungsenthalpie eine lineare Proportionalität besteht.
Bestimmen Sie anhand dieser Angaben die Atommasse von Z.
Geben Sie das chemische Symbol von Z an.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 4.1: \(M(X)\approx28.1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\); \(X=\ce{Si}\), Silicium. Die Produkte sind Silan, \(\ce{SiH4}\), SMILES
[SiH4], mit tetraedrischer Geometrie, und Disilan, \(\ce{Si2H6}\), SMILES[SiH3][SiH3], mit annähernd tetraedrischer Koordination an jedem Siliciumatom und einer bevorzugten gestaffelten Konformation. - 4.2: \(M(Y)\approx72.6\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\); \(Y=\ce{Ge}\), Germanium. Argyrodit hat die Verhältnisformel \(\boxed{\ce{Ag8GeS6}}\).
- 4.3: \(k_{\ce{C-H}}=490.4\ \mathrm{N\,m^{-1}}\); \(k_{\ce{Z-H}}\approx503.6\ \mathrm{N\,m^{-1}}\). Die geschätzte Atommasse beträgt \(m(Z)\approx73.4\ \mathrm{u}\), womit \(Z=\ce{Ge}\) identifiziert wird. Sein Methananalogon ist German, \(\ce{GeH4}\), SMILES
[GeH4].
Lösung
Die Aufgabenstellung enthält keine Tabelle mit Konstanten. Für die Berechnungen werden die üblichen Referenzwerte der molaren Massen verwendet: \[ M(\ce{H})=1.008,\quad M(\ce{C})=12.01,\quad M(\ce{Ag})=107.87,\quad M(\ce{S})=32.06 \quad \mathrm{g\,mol^{-1}}, \] zusammen mit \[ R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}},\qquad c=2.99792458\times10^{10}\ \mathrm{cm\,s^{-1}},\qquad 1\ \mathrm{u}=1.66054\times10^{-27}\ \mathrm{kg}. \]
4.1
Methan, \(\ce{CH4}\), SMILES C, und Ethan, \(\ce{C2H6}\), SMILES CC, haben die stöchiometrischen X-Analoga \(\ce{XH4}\) bzw. \(\ce{X2H6}\).
Ihre Stoffmengen seien \(2t\) bzw. \(t\). Das Gemisch enthält daher \[ n(X)=2t+2t=4t,\qquad n(\ce{H}\text{-Atome})=4(2t)+6t=14t. \]
Die Massenzunahme entspricht der Masse des Wasserstoffs: \[ m(\ce{H})=5.628-5.000=0.628\ \mathrm{g}. \] Folglich gilt \[ t=\frac{0.628\ \mathrm{g}} {14(1.008\ \mathrm{g\,mol^{-1}})} =0.04450\ \mathrm{mol}, \] und \[ M(X)=\frac{5.000\ \mathrm{g}}{4t} =28.09\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \approx\boxed{28.1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}. \]
Damit ist Silicium, \(\boxed{\ce{Si}}\), identifiziert.
Die ausgeglichenen Bildungsgleichungen mit Wasserstoff \(\ce{H2}\), SMILES [H][H], lauten
\[
\ce{Si + 2H2 -> SiH4},
\]
\[
\ce{2Si + 3H2 -> Si2H6}.
\]
Für das angegebene Gemisch ergibt sich daraus die Gesamtstöchiometrie
\[
\ce{4Si + 7H2 -> 2SiH4 + Si2H6}.
\]
Die gesuchten räumlichen Strukturen sind:
- Silan, \(\ce{SiH4}\), SMILES
[SiH4]: Das Siliciumatom liegt im Zentrum eines regelmäßigen Tetraeders, die vier Wasserstoffatome befinden sich an dessen Ecken. Die Bindungswinkel betragen etwa \(109.5^\circ\). - Disilan, \(\ce{Si2H6}\), SMILES
[SiH3][SiH3]: Eine Silicium–Silicium-Einfachbindung verbindet zwei Gruppen, in denen jeweils ein Siliciumatom an drei Wasserstoffatome gebunden ist. Jedes Siliciumatom weist eine annähernd tetraedrische Koordination auf. In der bevorzugten gestaffelten Konformation sind bei Betrachtung entlang der Silicium–Silicium-Bindung die drei hinteren Wasserstoffatome gegenüber den drei vorderen Wasserstoffatomen um \(60^\circ\) verdreht.
Die SMILES geben die Konnektivität an; die tetraedrische Geometrie und die gestaffelte Konformation werden durch diese Beschreibungen angegeben.
4.2
Y wird von der Oxidationsstufe \(+4\) auf \(+2\) reduziert, wofür zwei Elektronen pro Y-Atom erforderlich sind. Die Oxidation eines Wasserstoffmoleküls liefert diese beiden Elektronen. Somit gilt \[ n(Y)=n(\ce{H2}). \]
Mit der idealen Gasgleichung und \(1\ \mathrm{kPa\,dm^3}=1\ \mathrm{J}\) erhält man \[ n(\ce{H2}) =\frac{pV}{RT} =\frac{(100\ \mathrm{kPa})(0.295\ \mathrm{dm^3})} {(8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}})(400\ \mathrm{K})} =8.8706\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Es seien \(n=n(Y)\) und \(M=M(Y)\). Aus dem Massenverhältnis folgt \[ m(Y)=nM,\qquad m(\ce{Ag})=11.88nM, \] also \[ n(\ce{Ag})=\frac{11.88nM}{M(\ce{Ag})}. \]
Aufgrund der Elektroneutralität müssen die Stoffmengen der Atome im Mineral unter Verwendung der angegebenen Oxidationsstufen die folgende Beziehung erfüllen: \[ n(\ce{Ag})+4n(Y)=2n(\ce{S}). \] Daraus folgt \[ n(\ce{S}) =n\left(\frac{11.88M}{2M(\ce{Ag})}+2\right). \]
Die Addition der Massen aller drei Elemente ergibt \[ 10.0\ \mathrm{g} =nM+11.88nM+ n\left(\frac{11.88M}{2M(\ce{Ag})}+2\right)M(\ce{S}). \] Somit gilt \[ M= \frac{\dfrac{10.0\ \mathrm{g}}{n}-2M(\ce{S})} {12.88+\dfrac{11.88M(\ce{S})}{2M(\ce{Ag})}} \approx\boxed{72.6\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}. \]
Damit ist Germanium, \(\boxed{\ce{Ge}}\), identifiziert. Das rötlich braune niedere Sulfid ist Germanium(II)-sulfid, \(\ce{GeS}\), und das weiße höhere Sulfid ist Germanium(IV)-sulfid, \(\ce{GeS2}\).
Das Atomanzahlverhältnis von Silber zu Germanium beträgt \[ \frac{n(\ce{Ag})}{n(\ce{Ge})} =\frac{11.88M(\ce{Ge})}{M(\ce{Ag})} \approx\frac{11.88(72.6)}{107.87} \approx8. \] Aus der Elektroneutralität folgt dann \[ \frac{n(\ce{S})}{n(\ce{Ge})}=\frac{8+4}{2}=6. \] Die Verhältnisformel lautet somit \[ \boxed{\ce{Ag8GeS6}}. \]
Die ausgeglichene Reaktionsgleichung der Umsetzung lautet \[ \boxed{\ce{Ag8GeS6 + H2 -> 4Ag2S + GeS + H2S}}. \]
Hierbei ist \(\ce{Ag2S}\) Silber(I)-sulfid und \(\ce{H2S}\) Schwefelwasserstoff, SMILES S. Die festen Sulfide und Argyrodit besitzen ausgedehnte Strukturen, sodass ein SMILES für ein diskretes Molekül ihre Festkörperstrukturen nicht beschreiben würde.
4.3
Für Methan wird der für \(\ce{AB4}\) angegebene Ausdruck für die reduzierte Masse verwendet: \[ \mu_{\ce{CH4}} =\frac{3m(\ce{C})m(\ce{H})} {3m(\ce{C})+4m(\ce{H})}. \] Einsetzen der Atommassen ergibt \[ \mu_{\ce{CH4}} =\frac{3(12.01)(1.008)} {3(12.01)+4(1.008)}\ \mathrm{u} =0.9065508\ \mathrm{u} =1.50536\times10^{-27}\ \mathrm{kg}. \]
Durch Umstellen des Hookeschen Gesetzes erhält man \[ k=4\pi^2c^2\tilde{\nu}^{\,2}\mu. \] Da die Wellenzahl in \(\mathrm{cm^{-1}}\) angegeben ist, wird \(c\) in \(\mathrm{cm\,s^{-1}}\) eingesetzt: \[ k_{\ce{C-H}} = 4\pi^2 (2.99792458\times10^{10}\ \mathrm{cm\,s^{-1}})^2 (3030.00\ \mathrm{cm^{-1}})^2 (1.50536\times10^{-27}\ \mathrm{kg}). \] Damit ergibt sich \[ \boxed{k_{\ce{C-H}}=490.4\ \mathrm{N\,m^{-1}}}. \]
Unter der angenommenen Proportionalität zwischen Kraftkonstante und Bindungsenthalpie gilt \[ \frac{k_{\ce{Z-H}}}{k_{\ce{C-H}}} =\frac{450.2}{438.4}. \] Unter Verwendung des ungerundeten ersten Ergebnisses erhält man \[ \boxed{k_{\ce{Z-H}}\approx503.6\ \mathrm{N\,m^{-1}}}. \]
Die reduzierte Masse des Z-Analogons folgt aus \[ \frac{\mu_{\ce{ZH4}}}{\mu_{\ce{CH4}}} = \frac{k_{\ce{Z-H}}}{k_{\ce{C-H}}} \left(\frac{\tilde{\nu}_{\ce{C-H}}} {\tilde{\nu}_{\ce{Z-H}}}\right)^2. \] Somit gilt \[ \mu_{\ce{ZH4}} = 0.9065508 \left(\frac{450.2}{438.4}\right) \left(\frac{3030.00}{2938.45}\right)^2 \mathrm{u} =0.9898645\ \mathrm{u}. \]
Mit den Bezeichnungen \(m_Z=m(Z)\) und \(m_H=m(\ce{H})\) gilt \[ \mu_{\ce{ZH4}}=\frac{3m_Zm_H}{3m_Z+4m_H}. \] Auflösen nach \(m_Z\) ergibt \[ m_Z=\frac{4\mu_{\ce{ZH4}}m_H} {3(m_H-\mu_{\ce{ZH4}})}. \] Da der Nenner eine kleine Differenz enthält, werden zusätzliche Stellen zur Vermeidung von Rundungsfehlern beibehalten: \[ m_Z= \frac{4(0.9898645)(1.008)} {3(1.008-0.9898645)}\ \mathrm{u} \approx\boxed{73.4\ \mathrm{u}}. \]
Diese geschätzte Masse identifiziert \(\boxed{Z=\ce{Ge}}\), im Einklang mit der in 4.2 bestimmten Masse von Germanium. Das Methananalogon ist German, \(\ce{GeH4}\), SMILES [GeH4], mit tetraedrischer Geometrie.
Die ermittelten \(73.4\ \mathrm{u}\) sind ein Schätzwert: Die angenommene Proportionalität zwischen Bindungsenthalpie und Kraftkonstante gilt nur näherungsweise.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 2004 · Teori sorusu 4
Atom kütlelerinin belirlenmesi
X elementinin hidrojenle tepkimesi, hidrokarbonlara benzer bir bileşik sınıfı oluşturur. 5.000 g X, metan ve etanın stokiyometrik X analoglarının sırasıyla 2 : 1 mol oranındaki karışımından 5.628 g oluşturur.
4.1 Bu bilgilerden X'in molar kütlesini belirleyiniz. X'in kimyasal simgesini ve iki ürünün üç boyutlu yapılarını veriniz.
Aşağıdaki daha karmaşık durum, tarihsel açıdan büyük ilgi taşımaktadır.
Arjirodit minerali, gümüş (yükseltgenme basamağı +1), kükürt (yükseltgenme basamağı -2) ve bilinmeyen bir Y elementi (yükseltgenme basamağı +4) içeren stokiyometrik bir bileşiktir. Arjiroditte gümüş ve Y'nin kütleleri arasındaki oran \(m(\ce{Ag}) : m(\ce{Y}) = 11.88 : 1\) şeklindedir. Y, kırmızımsı kahverengi bir düşük yükseltgenme basamaklı sülfür (Y'nin yükseltgenme basamağı +2) ve beyaz bir yüksek yükseltgenme basamaklı sülfür (Y'nin yükseltgenme basamağı +4) oluşturur. Renkli, düşük yükseltgenme basamaklı sülfür, arjiroditin hidrojen akımı altında ısıtılmasıyla elde edilen süblimattır. Geriye kalan maddeler \(\ce{Ag2S}\) ve \(\ce{H2S}\)'dir. 10.0 g arjiroditin tamamen dönüştürülmesi için 400 K ve 100 kPa'da 0.295 \(\mathrm{dm^3}\) hidrojen gereklidir.
4.2 Bu bilgilerden Y'nin molar kütlesini belirleyiniz. Y'nin kimyasal simgesini ve arjiroditin basit formülünü veriniz.
Atom kütleleri spektroskopik özelliklerle ilişkilidir. Kimyacılar, IR spektrumlarında kimyasal bağların dalga sayısı cinsinden ifade edilen titreşim frekansını \(\tilde{\nu}\) belirlemek için titreşimin frekansını esas alan Hooke yasasını kullanırlar (birimlere dikkat ediniz!):
\[ \tilde{\nu}=\frac{1}{2\pi c}\cdot\sqrt{\frac{k}{\mu}} \]
\(\tilde{\nu}\) - bağın dalga sayısı cinsinden titreşim frekansı (\(\mathrm{cm^{-1}}\))
\(c\) - ışık hızı
\(k\) - bağın kuvvetini gösteren kuvvet sabiti (\(\mathrm{N\,m^{-1}=kg\,s^{-2}}\))
\(\mu\), \(\ce{AB4}\) için aşağıdaki bağıntıyla verilen indirgenmiş kütledir: \[ \mu=\frac{3\,m(A)\,m(B)}{3\,m(A)+4\,m(B)} \]
\(m(A),m(B)\) - bağı oluşturan iki atomun kütleleri
Metandaki \(\ce{C-H}\) bağının titreşim frekansının 3030.00 \(\mathrm{cm^{-1}}\) olduğu bilinmektedir.
Metanın Z analoğunun titreşim frekansının 2938.45 \(\mathrm{cm^{-1}}\) olduğu bilinmektedir. Metandaki bir \(\ce{C-H}\) bağının bağ entalpisi 438.4 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)'dir. Metanın Z analoğundaki bir \(\ce{Z-H}\) bağının bağ entalpisinin 450.2 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) olduğu bilinmektedir.
4.3 Hooke yasasını kullanarak bir \(\ce{C-H}\) bağının kuvvet sabiti \(k\)'yi belirleyiniz.
Kuvvet sabiti ile bağ entalpisi arasında doğrusal bir orantı olduğunu varsayarak bir \(\ce{Z-H}\) bağının kuvvet sabiti \(k\)'yi tahmin ediniz.
Bu bilgilerden Z'nin atom kütlesini belirleyiniz.
Z'nin kimyasal simgesini veriniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 4.1: \(M(X)\approx28.1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\); \(X=\ce{Si}\), silisyum. Ürünler, dört yüzlü geometriye sahip silan, \(\ce{SiH4}\), SMILES
[SiH4]ve her bir silisyum atomunun çevresinde yaklaşık dört yüzlü koordinasyona ve tercih edilen şaşırtmalı konformasyona sahip disilan, \(\ce{Si2H6}\), SMILES[SiH3][SiH3]'dır. - 4.2: \(M(Y)\approx72.6\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\); \(Y=\ce{Ge}\), germanyum. Arjiroditin basit formülü \(\boxed{\ce{Ag8GeS6}}\)'dır.
- 4.3: \(k_{\ce{C-H}}=490.4\ \mathrm{N\,m^{-1}}\); \(k_{\ce{Z-H}}\approx503.6\ \mathrm{N\,m^{-1}}\). Tahmin edilen atom kütlesi \(m(Z)\approx73.4\ \mathrm{u}\) olup bu değer \(Z=\ce{Ge}\) olduğunu gösterir. Metan analoğu german, \(\ce{GeH4}\), SMILES
[GeH4]'dır.
Çözüm
Soruda bir sabitler tablosu verilmemiştir. Hesaplamalarda standart referans molar kütleleri \[ M(\ce{H})=1.008,\quad M(\ce{C})=12.01,\quad M(\ce{Ag})=107.87,\quad M(\ce{S})=32.06 \quad \mathrm{g\,mol^{-1}}, \] ile birlikte \[ R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}},\qquad c=2.99792458\times10^{10}\ \mathrm{cm\,s^{-1}},\qquad 1\ \mathrm{u}=1.66054\times10^{-27}\ \mathrm{kg}. \] değerleri kullanılmıştır.
4.1
Metan, \(\ce{CH4}\), SMILES C ve etanın, \(\ce{C2H6}\), SMILES CC, stokiyometrik X analogları \(\ce{XH4}\) ve \(\ce{X2H6}\)'dır.
Bunların madde miktarları sırasıyla \(2t\) ve \(t\) olsun. Buna göre karışımda \[ n(X)=2t+2t=4t,\qquad n(\ce{H}\text{ atomları})=4(2t)+6t=14t. \] miktarlarında atom bulunur.
Kütle artışı, hidrojenin kütlesidir: \[ m(\ce{H})=5.628-5.000=0.628\ \mathrm{g}. \] Dolayısıyla, \[ t=\frac{0.628\ \mathrm{g}} {14(1.008\ \mathrm{g\,mol^{-1}})} =0.04450\ \mathrm{mol}, \] ve \[ M(X)=\frac{5.000\ \mathrm{g}}{4t} =28.09\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \approx\boxed{28.1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}. \]
Bu sonuç, elementin silisyum, \(\boxed{\ce{Si}}\), olduğunu gösterir.
Hidrojen, \(\ce{H2}\), SMILES [H][H], ile gerçekleşen oluşum tepkimelerinin denkleştirilmiş denklemleri şöyledir:
\[
\ce{Si + 2H2 -> SiH4},
\]
\[
\ce{2Si + 3H2 -> Si2H6}.
\]
Belirtilen karışım için bunların birleşik stokiyometrisi şöyledir:
\[
\ce{4Si + 7H2 -> 2SiH4 + Si2H6}.
\]
İstenen üç boyutlu yapılar şöyledir:
- Silan, \(\ce{SiH4}\), SMILES
[SiH4]: silisyum, düzgün bir dört yüzlünün merkezinde, dört hidrojen atomu ise köşelerinde bulunur. Bağ açıları yaklaşık \(109.5^\circ\)'dir. - Disilan, \(\ce{Si2H6}\), SMILES
[SiH3][SiH3]: bir silisyum–silisyum tekli bağı, her birinde üç hidrojen atomuna bağlı bir silisyum atomu bulunan iki grubu birbirine bağlar. Her silisyum atomunun koordinasyonu yaklaşık dört yüzlüdür. Tercih edilen şaşırtmalı konformasyonda, silisyum–silisyum bağı doğrultusunda bakıldığında, arkadaki üç hidrojen atomu öndeki üç hidrojen atomuna göre \(60^\circ\) dönmüş durumdadır.
SMILES gösterimleri atomların bağlanma düzenini belirtir; dört yüzlü geometri ve şaşırtmalı konformasyon bu açıklamalarla verilmektedir.
4.2
Y, \(+4\) yükseltgenme basamağından \(+2\) yükseltgenme basamağına indirgenir; bunun için her Y atomu başına iki elektron gerekir. Bir hidrojen molekülünün yükseltgenmesi bu iki elektronu sağlar. Böylece, \[ n(Y)=n(\ce{H2}). \]
\(1\ \mathrm{kPa\,dm^3}=1\ \mathrm{J}\) eşitliğiyle ideal gaz denklemi kullanıldığında, \[ n(\ce{H2}) =\frac{pV}{RT} =\frac{(100\ \mathrm{kPa})(0.295\ \mathrm{dm^3})} {(8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}})(400\ \mathrm{K})} =8.8706\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
\(n=n(Y)\) ve \(M=M(Y)\) olsun. Kütle oranından \[ m(Y)=nM,\qquad m(\ce{Ag})=11.88nM, \] dolayısıyla \[ n(\ce{Ag})=\frac{11.88nM}{M(\ce{Ag})}. \] elde edilir.
Belirtilen yükseltgenme basamakları kullanıldığında, elektriksel nötrlük mineraldeki atomların madde miktarlarının şu eşitliği sağlamasını gerektirir: \[ n(\ce{Ag})+4n(Y)=2n(\ce{S}). \] Böylece, \[ n(\ce{S}) =n\left(\frac{11.88M}{2M(\ce{Ag})}+2\right). \]
Üç elementin kütleleri toplandığında \[ 10.0\ \mathrm{g} =nM+11.88nM+ n\left(\frac{11.88M}{2M(\ce{Ag})}+2\right)M(\ce{S}). \] elde edilir. Dolayısıyla, \[ M= \frac{\dfrac{10.0\ \mathrm{g}}{n}-2M(\ce{S})} {12.88+\dfrac{11.88M(\ce{S})}{2M(\ce{Ag})}} \approx\boxed{72.6\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}. \]
Bu sonuç, elementin germanyum, \(\boxed{\ce{Ge}}\), olduğunu gösterir. Kırmızımsı kahverengi, düşük yükseltgenme basamaklı sülfür germanyum(II) sülfür, \(\ce{GeS}\); beyaz, yüksek yükseltgenme basamaklı sülfür ise germanyum(IV) sülfür, \(\ce{GeS2}\)'dir.
Gümüşün germanyuma atom sayısı oranı şöyledir: \[ \frac{n(\ce{Ag})}{n(\ce{Ge})} =\frac{11.88M(\ce{Ge})}{M(\ce{Ag})} \approx\frac{11.88(72.6)}{107.87} \approx8. \] Bunun ardından elektriksel nötrlükten \[ \frac{n(\ce{S})}{n(\ce{Ge})}=\frac{8+4}{2}=6. \] elde edilir. Böylece basit formül şöyledir: \[ \boxed{\ce{Ag8GeS6}}. \]
Dönüşümün denkleştirilmiş tepkime denklemi şöyledir: \[ \boxed{\ce{Ag8GeS6 + H2 -> 4Ag2S + GeS + H2S}}. \]
Burada \(\ce{Ag2S}\) gümüş(I) sülfür, \(\ce{H2S}\) ise hidrojen sülfürdür, SMILES S. Katı sülfürler ve arjirodit, uzanımlı yapılara sahip olduklarından, tek bir moleküle ait SMILES gösterimi bunların katı hâl yapılarını betimlemez.
4.3
Metan için, \(\ce{AB4}\) için verilen indirgenmiş kütle bağıntısı kullanılır: \[ \mu_{\ce{CH4}} =\frac{3m(\ce{C})m(\ce{H})} {3m(\ce{C})+4m(\ce{H})}. \] Atom kütleleri yerine konulduğunda, \[ \mu_{\ce{CH4}} =\frac{3(12.01)(1.008)} {3(12.01)+4(1.008)}\ \mathrm{u} =0.9065508\ \mathrm{u} =1.50536\times10^{-27}\ \mathrm{kg}. \]
Hooke yasası yeniden düzenlendiğinde, \[ k=4\pi^2c^2\tilde{\nu}^{\,2}\mu. \] Dalga sayısı \(\mathrm{cm^{-1}}\) cinsinden olduğundan, \(c\) değeri \(\mathrm{cm\,s^{-1}}\) cinsinden kullanılır: \[ k_{\ce{C-H}} = 4\pi^2 (2.99792458\times10^{10}\ \mathrm{cm\,s^{-1}})^2 (3030.00\ \mathrm{cm^{-1}})^2 (1.50536\times10^{-27}\ \mathrm{kg}). \] Böylece, \[ \boxed{k_{\ce{C-H}}=490.4\ \mathrm{N\,m^{-1}}}. \]
Kuvvet sabiti ile bağ entalpisi arasında varsayılan orantıya göre, \[ \frac{k_{\ce{Z-H}}}{k_{\ce{C-H}}} =\frac{450.2}{438.4}. \] İlk sonucun yuvarlanmamış değeri kullanıldığında, \[ \boxed{k_{\ce{Z-H}}\approx503.6\ \mathrm{N\,m^{-1}}}. \]
Z analoğunun indirgenmiş kütlesi şu bağıntıdan bulunur: \[ \frac{\mu_{\ce{ZH4}}}{\mu_{\ce{CH4}}} = \frac{k_{\ce{Z-H}}}{k_{\ce{C-H}}} \left(\frac{\tilde{\nu}_{\ce{C-H}}} {\tilde{\nu}_{\ce{Z-H}}}\right)^2. \] Dolayısıyla, \[ \mu_{\ce{ZH4}} = 0.9065508 \left(\frac{450.2}{438.4}\right) \left(\frac{3030.00}{2938.45}\right)^2 \mathrm{u} =0.9898645\ \mathrm{u}. \]
\(m_Z=m(Z)\) ve \(m_H=m(\ce{H})\) yazılırsa, \[ \mu_{\ce{ZH4}}=\frac{3m_Zm_H}{3m_Z+4m_H}. \] \(m_Z\) için çözüldüğünde, \[ m_Z=\frac{4\mu_{\ce{ZH4}}m_H} {3(m_H-\mu_{\ce{ZH4}})}. \] Paydada küçük bir fark bulunduğundan, yuvarlama hatasını önlemek için ek basamaklar korunarak, \[ m_Z= \frac{4(0.9898645)(1.008)} {3(1.008-0.9898645)}\ \mathrm{u} \approx\boxed{73.4\ \mathrm{u}}. \]
Bu tahmini kütle, 4.2'de belirlenen germanyum kütlesiyle uyumlu olarak \(\boxed{Z=\ce{Ge}}\) olduğunu gösterir. Metan analoğu, dört yüzlü geometriye sahip german, \(\ce{GeH4}\), SMILES [GeH4]'dır.
Çıkarılan \(73.4\ \mathrm{u}\) değeri bir tahmindir: bağ entalpisi ile kuvvet sabiti arasında varsayılan orantı yaklaşık olarak geçerlidir.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 2004 · Problema teórico 4
Determinación de masas atómicas
La reacción del elemento X con hidrógeno da lugar a una clase de compuestos análoga a los hidrocarburos. 5.000 g de X forman 5.628 g de una mezcla en proporción molar 2 : 1 de los análogos estequiométricos de metano y etano con X, respectivamente.
4.1 Determine la masa molar de X a partir de esta información. Indique el símbolo químico de X y la estructura tridimensional de los dos productos.
El siguiente caso, más complejo, tiene un gran interés histórico.
El mineral argirodita es un compuesto estequiométrico que contiene plata (estado de oxidación +1), azufre (estado de oxidación -2) y un elemento desconocido Y (estado de oxidación +4). La relación entre las masas de plata y de Y en la argirodita es \(m(\ce{Ag}) : m(\ce{Y}) = 11.88 : 1\). Y forma un sulfuro inferior de color pardo rojizo (el estado de oxidación de Y es +2) y un sulfuro superior blanco (el estado de oxidación de Y es +4). El sulfuro inferior coloreado es el sublimado obtenido al calentar argirodita en una corriente de hidrógeno. Los residuos son \(\ce{Ag2S}\) y \(\ce{H2S}\). Para transformar completamente 10.0 g de argirodita, se necesitan 0.295 \(\mathrm{dm^3}\) de hidrógeno a 400 K y 100 kPa.
4.2 Determine la masa molar de Y a partir de esta información. Indique el símbolo químico de Y y la fórmula empírica de la argirodita.
Las masas atómicas están correlacionadas con las propiedades espectroscópicas. Para determinar la frecuencia de vibración \(\tilde{\nu}\), expresada en números de onda, de los enlaces químicos en los espectros IR, los químicos utilizan la ley de Hooke, que se centra en la frecuencia de la vibración (¡atención a las unidades!):
\[ \tilde{\nu}=\frac{1}{2\pi c}\cdot\sqrt{\frac{k}{\mu}} \]
\(\tilde{\nu}\) - frecuencia de vibración del enlace, en números de onda (\(\mathrm{cm^{-1}}\))
\(c\) - velocidad de la luz
\(k\) - constante de fuerza, que indica la fuerza del enlace (\(\mathrm{N\,m^{-1}=kg\,s^{-2}}\))
\(\mu\) masa reducida en \(\ce{AB4}\), dada por \[ \mu=\frac{3\,m(A)\,m(B)}{3\,m(A)+4\,m(B)} \]
\(m(A),m(B)\) - masas de los dos átomos del enlace
Se sabe que la frecuencia de vibración del enlace \(\ce{C-H}\) del metano es 3030.00 \(\mathrm{cm^{-1}}\).
Se sabe que la frecuencia de vibración del análogo del metano con Z es 2938.45 \(\mathrm{cm^{-1}}\). La entalpía de enlace de un enlace \(\ce{C-H}\) en el metano es 438.4 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\). Se sabe que la entalpía de enlace de un enlace \(\ce{Z-H}\) en el análogo del metano con Z es 450.2 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
4.3 Determine la constante de fuerza \(k\) de un enlace \(\ce{C-H}\) utilizando la ley de Hooke.
Estime la constante de fuerza \(k\) de un enlace \(\ce{Z-H}\), suponiendo que existe una proporcionalidad lineal entre la constante de fuerza y la entalpía de enlace.
Determine la masa atómica de Z a partir de esta información.
Indique el símbolo químico de Z.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 4.1: \(M(X)\approx28.1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\); \(X=\ce{Si}\), silicio. Los productos son silano, \(\ce{SiH4}\), SMILES
[SiH4], con geometría tetraédrica, y disilano, \(\ce{Si2H6}\), SMILES[SiH3][SiH3], con coordinación aproximadamente tetraédrica en cada átomo de silicio y una conformación alternada preferente. - 4.2: \(M(Y)\approx72.6\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\); \(Y=\ce{Ge}\), germanio. La argirodita tiene la fórmula empírica \(\boxed{\ce{Ag8GeS6}}\).
- 4.3: \(k_{\ce{C-H}}=490.4\ \mathrm{N\,m^{-1}}\); \(k_{\ce{Z-H}}\approx503.6\ \mathrm{N\,m^{-1}}\). La masa atómica estimada es \(m(Z)\approx73.4\ \mathrm{u}\), lo que permite identificar \(Z=\ce{Ge}\). Su análogo del metano es el germano, \(\ce{GeH4}\), SMILES
[GeH4].
Solución
El problema no proporciona ninguna tabla de constantes. En los cálculos se utilizan las masas molares de referencia habituales \[ M(\ce{H})=1.008,\quad M(\ce{C})=12.01,\quad M(\ce{Ag})=107.87,\quad M(\ce{S})=32.06 \quad \mathrm{g\,mol^{-1}}, \] junto con \[ R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}},\qquad c=2.99792458\times10^{10}\ \mathrm{cm\,s^{-1}},\qquad 1\ \mathrm{u}=1.66054\times10^{-27}\ \mathrm{kg}. \]
4.1
El metano, \(\ce{CH4}\), SMILES C, y el etano, \(\ce{C2H6}\), SMILES CC, tienen como análogos estequiométricos con X los compuestos \(\ce{XH4}\) y \(\ce{X2H6}\).
Sean sus cantidades de sustancia \(2t\) y \(t\), respectivamente. Por tanto, la mezcla contiene \[ n(X)=2t+2t=4t,\qquad n(\ce{H}\text{ átomos})=4(2t)+6t=14t. \]
El incremento de masa corresponde a la masa de hidrógeno: \[ m(\ce{H})=5.628-5.000=0.628\ \mathrm{g}. \] En consecuencia, \[ t=\frac{0.628\ \mathrm{g}} {14(1.008\ \mathrm{g\,mol^{-1}})} =0.04450\ \mathrm{mol}, \] y \[ M(X)=\frac{5.000\ \mathrm{g}}{4t} =28.09\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \approx\boxed{28.1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}. \]
Esto permite identificar el silicio, \(\boxed{\ce{Si}}\).
Las ecuaciones de formación ajustadas, con hidrógeno \(\ce{H2}\), SMILES [H][H], son
\[
\ce{Si + 2H2 -> SiH4},
\]
\[
\ce{2Si + 3H2 -> Si2H6}.
\]
Para la mezcla especificada, su estequiometría combinada es
\[
\ce{4Si + 7H2 -> 2SiH4 + Si2H6}.
\]
Las estructuras tridimensionales solicitadas son:
- Silano, \(\ce{SiH4}\), SMILES
[SiH4]: el silicio se encuentra en el centro de un tetraedro regular, con los cuatro átomos de hidrógeno en sus vértices. Los ángulos de enlace son aproximadamente \(109.5^\circ\). - Disilano, \(\ce{Si2H6}\), SMILES
[SiH3][SiH3]: un enlace simple silicio–silicio une dos grupos, cada uno de los cuales contiene un átomo de silicio enlazado a tres átomos de hidrógeno. Cada átomo de silicio tiene una coordinación aproximadamente tetraédrica. En la conformación alternada preferente, al observar a lo largo del enlace silicio–silicio, los tres átomos de hidrógeno posteriores están girados \(60^\circ\) respecto a los tres átomos de hidrógeno anteriores.
Los SMILES especifican la conectividad; estas descripciones proporcionan la geometría tetraédrica y la conformación alternada.
4.2
Y se reduce del estado de oxidación \(+4\) al \(+2\), lo que requiere dos electrones por átomo de Y. La oxidación de una molécula de hidrógeno aporta estos dos electrones. Por tanto, \[ n(Y)=n(\ce{H2}). \]
Utilizando la ecuación de los gases ideales, con \(1\ \mathrm{kPa\,dm^3}=1\ \mathrm{J}\), \[ n(\ce{H2}) =\frac{pV}{RT} =\frac{(100\ \mathrm{kPa})(0.295\ \mathrm{dm^3})} {(8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}})(400\ \mathrm{K})} =8.8706\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Sean \(n=n(Y)\) y \(M=M(Y)\). La relación de masas da \[ m(Y)=nM,\qquad m(\ce{Ag})=11.88nM, \] de modo que \[ n(\ce{Ag})=\frac{11.88nM}{M(\ce{Ag})}. \]
La neutralidad eléctrica, utilizando los estados de oxidación indicados, exige que las cantidades de sustancia de los átomos del mineral satisfagan \[ n(\ce{Ag})+4n(Y)=2n(\ce{S}). \] Por consiguiente, \[ n(\ce{S}) =n\left(\frac{11.88M}{2M(\ce{Ag})}+2\right). \]
Al sumar las masas de los tres elementos se obtiene \[ 10.0\ \mathrm{g} =nM+11.88nM+ n\left(\frac{11.88M}{2M(\ce{Ag})}+2\right)M(\ce{S}). \] Por tanto, \[ M= \frac{\dfrac{10.0\ \mathrm{g}}{n}-2M(\ce{S})} {12.88+\dfrac{11.88M(\ce{S})}{2M(\ce{Ag})}} \approx\boxed{72.6\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}. \]
Esto permite identificar el germanio, \(\boxed{\ce{Ge}}\). El sulfuro inferior de color pardo rojizo es el sulfuro de germanio(II), \(\ce{GeS}\), y el sulfuro superior blanco es el sulfuro de germanio(IV), \(\ce{GeS2}\).
La relación atómica entre la plata y el germanio es \[ \frac{n(\ce{Ag})}{n(\ce{Ge})} =\frac{11.88M(\ce{Ge})}{M(\ce{Ag})} \approx\frac{11.88(72.6)}{107.87} \approx8. \] La neutralidad eléctrica da entonces \[ \frac{n(\ce{S})}{n(\ce{Ge})}=\frac{8+4}{2}=6. \] Así pues, la fórmula empírica es \[ \boxed{\ce{Ag8GeS6}}. \]
La ecuación ajustada de la transformación es \[ \boxed{\ce{Ag8GeS6 + H2 -> 4Ag2S + GeS + H2S}}. \]
Aquí, \(\ce{Ag2S}\) es sulfuro de plata(I), y \(\ce{H2S}\) es sulfuro de hidrógeno, SMILES S. Los sulfuros sólidos y la argirodita tienen estructuras extendidas, por lo que un SMILES de una molécula discreta no describiría sus estructuras en estado sólido.
4.3
Para el metano, se utiliza la expresión de la masa reducida proporcionada para \(\ce{AB4}\): \[ \mu_{\ce{CH4}} =\frac{3m(\ce{C})m(\ce{H})} {3m(\ce{C})+4m(\ce{H})}. \] Sustituyendo las masas atómicas, \[ \mu_{\ce{CH4}} =\frac{3(12.01)(1.008)} {3(12.01)+4(1.008)}\ \mathrm{u} =0.9065508\ \mathrm{u} =1.50536\times10^{-27}\ \mathrm{kg}. \]
Reordenando la ley de Hooke, \[ k=4\pi^2c^2\tilde{\nu}^{\,2}\mu. \] Como el número de onda está en \(\mathrm{cm^{-1}}\), se utiliza \(c\) en \(\mathrm{cm\,s^{-1}}\): \[ k_{\ce{C-H}} = 4\pi^2 (2.99792458\times10^{10}\ \mathrm{cm\,s^{-1}})^2 (3030.00\ \mathrm{cm^{-1}})^2 (1.50536\times10^{-27}\ \mathrm{kg}). \] Por tanto, \[ \boxed{k_{\ce{C-H}}=490.4\ \mathrm{N\,m^{-1}}}. \]
Con la proporcionalidad supuesta entre la constante de fuerza y la entalpía de enlace, \[ \frac{k_{\ce{Z-H}}}{k_{\ce{C-H}}} =\frac{450.2}{438.4}. \] Utilizando el primer resultado sin redondear, \[ \boxed{k_{\ce{Z-H}}\approx503.6\ \mathrm{N\,m^{-1}}}. \]
La masa reducida del análogo con Z se obtiene de \[ \frac{\mu_{\ce{ZH4}}}{\mu_{\ce{CH4}}} = \frac{k_{\ce{Z-H}}}{k_{\ce{C-H}}} \left(\frac{\tilde{\nu}_{\ce{C-H}}} {\tilde{\nu}_{\ce{Z-H}}}\right)^2. \] Por tanto, \[ \mu_{\ce{ZH4}} = 0.9065508 \left(\frac{450.2}{438.4}\right) \left(\frac{3030.00}{2938.45}\right)^2 \mathrm{u} =0.9898645\ \mathrm{u}. \]
Escribiendo \(m_Z=m(Z)\) y \(m_H=m(\ce{H})\), \[ \mu_{\ce{ZH4}}=\frac{3m_Zm_H}{3m_Z+4m_H}. \] Despejando \(m_Z\), \[ m_Z=\frac{4\mu_{\ce{ZH4}}m_H} {3(m_H-\mu_{\ce{ZH4}})}. \] Conservando cifras adicionales porque el denominador contiene una diferencia pequeña, \[ m_Z= \frac{4(0.9898645)(1.008)} {3(1.008-0.9898645)}\ \mathrm{u} \approx\boxed{73.4\ \mathrm{u}}. \]
Esta masa estimada permite identificar \(\boxed{Z=\ce{Ge}}\), en concordancia con la masa del germanio determinada en 4.2. El análogo del metano es el germano, \(\ce{GeH4}\), SMILES [GeH4], con geometría tetraédrica.
El valor deducido de \(73.4\ \mathrm{u}\) es una estimación: la proporcionalidad supuesta entre la entalpía de enlace y la constante de fuerza es aproximada.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 2004 · 理论题 4
原子质量的测定
元素 X 与氢反应生成一类与烃类似的化合物。5.000 g X 生成 5.628 g 混合物,其中甲烷和乙烷的相应 X 类似物具有与各自原型相同的化学计量组成,二者的物质的量之比为 2 : 1。
4.1 根据这些信息确定 X 的摩尔质量。给出 X 的化学符号以及两种产物的三维结构。
下面这个更复杂的例子具有重要的历史意义。
矿物硫银锗矿是一种化学计量化合物,含有银(氧化态为 +1)、硫(氧化态为 -2)以及一种未知元素 Y(氧化态为 +4)。硫银锗矿中银与 Y 的质量之比为 \(m(\ce{Ag}) : m(\ce{Y}) = 11.88 : 1\)。Y 能形成一种红棕色的低价硫化物(Y 的氧化态为 +2)和一种白色的高价硫化物(Y 的氧化态为 +4)。在氢气流中加热硫银锗矿,得到的升华产物就是这种有色的低价硫化物。其余产物为 \(\ce{Ag2S}\) 和 \(\ce{H2S}\)。要使 10.0 g 硫银锗矿完全转化,需要在 400 K 和 100 kPa 下体积为 0.295 \(\mathrm{dm^3}\) 的氢气。
4.2 根据这些信息确定 Y 的摩尔质量。给出 Y 的化学符号以及硫银锗矿的实验式。
原子质量与光谱性质相关。为了确定红外光谱中以波数表示的化学键振动频率 \(\tilde{\nu}\),化学家使用描述振动频率的胡克定律(注意单位!):
\[ \tilde{\nu}=\frac{1}{2\pi c}\cdot\sqrt{\frac{k}{\mu}} \]
\(\tilde{\nu}\) - 键的振动频率,以波数(\(\mathrm{cm^{-1}}\))表示
\(c\) - 光速
\(k\) - 力常数,表示键的强度(\(\mathrm{N\,m^{-1}=kg\,s^{-2}}\))
\(\mu\) 为 \(\ce{AB4}\) 中的约化质量,由下式给出 \[ \mu=\frac{3\,m(A)\,m(B)}{3\,m(A)+4\,m(B)} \]
\(m(A),m(B)\) - 成键的两个原子的质量
已知甲烷中 \(\ce{C-H}\) 键的振动频率为 3030.00 \(\mathrm{cm^{-1}}\)。
已知甲烷的 Z 类似物的振动频率为 2938.45 \(\mathrm{cm^{-1}}\)。甲烷中 \(\ce{C-H}\) 键的键焓为 438.4 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)。已知甲烷的 Z 类似物中 \(\ce{Z-H}\) 键的键焓为 450.2 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)。
4.3 利用胡克定律确定 \(\ce{C-H}\) 键的力常数 \(k\)。
假设力常数与键焓成正比,估算 \(\ce{Z-H}\) 键的力常数 \(k\)。
根据这些信息确定 Z 的原子质量。
给出 Z 的化学符号。
题目译自官方英文原文。
答案
- 4.1: \(M(X)\approx28.1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\);\(X=\ce{Si}\),硅。产物为甲硅烷,\(\ce{SiH4}\),SMILES
[SiH4],具有四面体构型;以及乙硅烷,\(\ce{Si2H6}\),SMILES[SiH3][SiH3],每个硅原子周围的配位构型近似为四面体,优先采取交错构象。 - 4.2: \(M(Y)\approx72.6\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\);\(Y=\ce{Ge}\),锗。硫银锗矿的实验式为 \(\boxed{\ce{Ag8GeS6}}\)。
- 4.3: \(k_{\ce{C-H}}=490.4\ \mathrm{N\,m^{-1}}\);\(k_{\ce{Z-H}}\approx503.6\ \mathrm{N\,m^{-1}}\)。估算的原子质量为 \(m(Z)\approx73.4\ \mathrm{u}\),据此确定 \(Z=\ce{Ge}\)。其甲烷类似物为甲锗烷,\(\ce{GeH4}\),SMILES
[GeH4]。
解答
题目未提供常数表。计算采用以下标准参考摩尔质量 \[ M(\ce{H})=1.008,\quad M(\ce{C})=12.01,\quad M(\ce{Ag})=107.87,\quad M(\ce{S})=32.06 \quad \mathrm{g\,mol^{-1}}, \] 以及 \[ R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}},\qquad c=2.99792458\times10^{10}\ \mathrm{cm\,s^{-1}},\qquad 1\ \mathrm{u}=1.66054\times10^{-27}\ \mathrm{kg}. \]
4.1
甲烷,\(\ce{CH4}\),SMILES C,和乙烷,\(\ce{C2H6}\),SMILES CC,对应的具有相同化学计量组成的 X 类似物分别为 \(\ce{XH4}\) 和 \(\ce{X2H6}\)。
设它们的物质的量分别为 \(2t\) 和 \(t\)。因此,混合物中含有 \[ n(X)=2t+2t=4t,\qquad n(\ce{H}\text{ 原子})=4(2t)+6t=14t. \]
增加的质量就是氢的质量: \[ m(\ce{H})=5.628-5.000=0.628\ \mathrm{g}. \] 因此, \[ t=\frac{0.628\ \mathrm{g}} {14(1.008\ \mathrm{g\,mol^{-1}})} =0.04450\ \mathrm{mol}, \] 且 \[ M(X)=\frac{5.000\ \mathrm{g}}{4t} =28.09\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \approx\boxed{28.1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}. \]
据此确定该元素为硅,\(\boxed{\ce{Si}}\)。
与氢气 \(\ce{H2}\)(SMILES [H][H])反应生成这些产物的配平方程式为
\[
\ce{Si + 2H2 -> SiH4},
\]
\[
\ce{2Si + 3H2 -> Si2H6}.
\]
对于题目指定的混合物,合并后的化学计量关系为
\[
\ce{4Si + 7H2 -> 2SiH4 + Si2H6}.
\]
所要求的三维结构如下:
- 甲硅烷,\(\ce{SiH4}\),SMILES
[SiH4]:硅原子位于正四面体的中心,四个氢原子位于其顶点。键角约为 \(109.5^\circ\)。 - 乙硅烷,\(\ce{Si2H6}\),SMILES
[SiH3][SiH3]:一个硅—硅单键连接两个基团,每个基团均含有一个与三个氢原子成键的硅原子。每个硅原子周围的配位构型近似为四面体。在优先采取的交错构象中,沿硅—硅键方向观察,后方的三个氢原子相对于前方的三个氢原子旋转了 \(60^\circ\)。
SMILES 指定原子的连接关系;四面体构型和交错构象则由上述描述给出。
4.2
Y 从 \(+4\) 氧化态还原至 \(+2\) 氧化态,每个 Y 原子需要两个电子。一个氢分子的氧化提供这两个电子。因此, \[ n(Y)=n(\ce{H2}). \]
利用理想气体状态方程,并使用 \(1\ \mathrm{kPa\,dm^3}=1\ \mathrm{J}\), \[ n(\ce{H2}) =\frac{pV}{RT} =\frac{(100\ \mathrm{kPa})(0.295\ \mathrm{dm^3})} {(8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}})(400\ \mathrm{K})} =8.8706\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
令 \(n=n(Y)\),\(M=M(Y)\)。由质量比可得 \[ m(Y)=nM,\qquad m(\ce{Ag})=11.88nM, \] 所以 \[ n(\ce{Ag})=\frac{11.88nM}{M(\ce{Ag})}. \]
根据给定的氧化态,电中性条件要求矿物中各元素原子的物质的量满足 \[ n(\ce{Ag})+4n(Y)=2n(\ce{S}). \] 因此, \[ n(\ce{S}) =n\left(\frac{11.88M}{2M(\ce{Ag})}+2\right). \]
将三种元素的质量相加,得到 \[ 10.0\ \mathrm{g} =nM+11.88nM+ n\left(\frac{11.88M}{2M(\ce{Ag})}+2\right)M(\ce{S}). \] 因此, \[ M= \frac{\dfrac{10.0\ \mathrm{g}}{n}-2M(\ce{S})} {12.88+\dfrac{11.88M(\ce{S})}{2M(\ce{Ag})}} \approx\boxed{72.6\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}. \]
据此确定该元素为锗,\(\boxed{\ce{Ge}}\)。红棕色的低价硫化物是硫化锗(II),\(\ce{GeS}\),白色的高价硫化物是硫化锗(IV),\(\ce{GeS2}\)。
银与锗的原子数之比为 \[ \frac{n(\ce{Ag})}{n(\ce{Ge})} =\frac{11.88M(\ce{Ge})}{M(\ce{Ag})} \approx\frac{11.88(72.6)}{107.87} \approx8. \] 由电中性条件进一步得到 \[ \frac{n(\ce{S})}{n(\ce{Ge})}=\frac{8+4}{2}=6. \] 因此,实验式为 \[ \boxed{\ce{Ag8GeS6}}. \]
该转化的配平方程式为 \[ \boxed{\ce{Ag8GeS6 + H2 -> 4Ag2S + GeS + H2S}}. \]
这里,\(\ce{Ag2S}\) 是硫化银(I),\(\ce{H2S}\) 是硫化氢,SMILES S。这些固态硫化物和硫银锗矿具有延展结构,因此,表示独立分子的 SMILES 无法描述它们的固态结构。
4.3
对于甲烷,使用题目给出的适用于 \(\ce{AB4}\) 的约化质量表达式: \[ \mu_{\ce{CH4}} =\frac{3m(\ce{C})m(\ce{H})} {3m(\ce{C})+4m(\ce{H})}. \] 代入原子质量, \[ \mu_{\ce{CH4}} =\frac{3(12.01)(1.008)} {3(12.01)+4(1.008)}\ \mathrm{u} =0.9065508\ \mathrm{u} =1.50536\times10^{-27}\ \mathrm{kg}. \]
将胡克定律变形,得 \[ k=4\pi^2c^2\tilde{\nu}^{\,2}\mu. \] 由于波数的单位为 \(\mathrm{cm^{-1}}\),因此 \(c\) 应采用 \(\mathrm{cm\,s^{-1}}\) 为单位: \[ k_{\ce{C-H}} = 4\pi^2 (2.99792458\times10^{10}\ \mathrm{cm\,s^{-1}})^2 (3030.00\ \mathrm{cm^{-1}})^2 (1.50536\times10^{-27}\ \mathrm{kg}). \] 因此, \[ \boxed{k_{\ce{C-H}}=490.4\ \mathrm{N\,m^{-1}}}. \]
根据力常数与键焓成正比的假设, \[ \frac{k_{\ce{Z-H}}}{k_{\ce{C-H}}} =\frac{450.2}{438.4}. \] 使用第一个结果的未舍入值,得到 \[ \boxed{k_{\ce{Z-H}}\approx503.6\ \mathrm{N\,m^{-1}}}. \]
Z 类似物的约化质量可由下式求得 \[ \frac{\mu_{\ce{ZH4}}}{\mu_{\ce{CH4}}} = \frac{k_{\ce{Z-H}}}{k_{\ce{C-H}}} \left(\frac{\tilde{\nu}_{\ce{C-H}}} {\tilde{\nu}_{\ce{Z-H}}}\right)^2. \] 因此, \[ \mu_{\ce{ZH4}} = 0.9065508 \left(\frac{450.2}{438.4}\right) \left(\frac{3030.00}{2938.45}\right)^2 \mathrm{u} =0.9898645\ \mathrm{u}. \]
记 \(m_Z=m(Z)\),\(m_H=m(\ce{H})\),则 \[ \mu_{\ce{ZH4}}=\frac{3m_Zm_H}{3m_Z+4m_H}. \] 解出 \(m_Z\),得 \[ m_Z=\frac{4\mu_{\ce{ZH4}}m_H} {3(m_H-\mu_{\ce{ZH4}})}. \] 由于分母含有一个较小的差值,计算时保留额外位数, \[ m_Z= \frac{4(0.9898645)(1.008)} {3(1.008-0.9898645)}\ \mathrm{u} \approx\boxed{73.4\ \mathrm{u}}. \]
根据这一估算质量可确定 \(\boxed{Z=\ce{Ge}}\),这与 4.2 中确定的锗的质量相符。其甲烷类似物为甲锗烷,\(\ce{GeH4}\),SMILES [GeH4],具有四面体构型。
推算出的 \(73.4\ \mathrm{u}\) 是一个估计值:所假设的键焓与力常数之间的正比关系是近似的。
解答已与官方解答核对。
IChO 2004 · Теоретическая задача 4
Определение атомных масс
Реакция элемента X с водородом приводит к образованию класса соединений, аналогичного углеводородам. Из 5.000 г X образуется 5.628 г смеси стехиометрических X-аналогов метана и этана в молярном соотношении 2 : 1 соответственно.
4.1 Определите молярную массу X на основании этих данных. Укажите химический символ X и пространственное строение двух продуктов.
Следующий, более сложный случай представляет большой исторический интерес.
Минерал аргиродит — стехиометрическое соединение, содержащее серебро (степень окисления +1), серу (степень окисления -2) и неизвестный элемент Y (степень окисления +4). Соотношение масс серебра и Y в аргиродите составляет \(m(\ce{Ag}) : m(\ce{Y}) = 11.88 : 1\). Y образует красновато-коричневый низший сульфид (степень окисления Y равна +2) и белый высший сульфид (степень окисления Y равна +4). Окрашенный низший сульфид представляет собой возгон, получаемый при нагревании аргиродита в токе водорода. Остальные продукты — \(\ce{Ag2S}\) и \(\ce{H2S}\). Для полного превращения 10.0 г аргиродита требуется 0.295 \(\mathrm{dm^3}\) водорода при 400 К и 100 кПа.
4.2 Определите молярную массу Y на основании этих данных. Укажите химический символ Y и простейшую формулу аргиродита.
Атомные массы связаны со спектроскопическими свойствами. Для определения колебательной частоты \(\tilde{\nu}\), выраженной в волновых числах, для химических связей в ИК-спектрах химики используют закон Гука, описывающий частоту колебаний (обратите внимание на единицы измерения!):
\[ \tilde{\nu}=\frac{1}{2\pi c}\cdot\sqrt{\frac{k}{\mu}} \]
\(\tilde{\nu}\) — колебательная частота связи, выраженная в волновых числах (\(\mathrm{cm^{-1}}\))
\(c\) — скорость света
\(k\) — силовая постоянная, характеризующая прочность связи (\(\mathrm{N\,m^{-1}=kg\,s^{-2}}\))
\(\mu\) — приведённая масса в \(\ce{AB4}\), которая задаётся выражением \[ \mu=\frac{3\,m(A)\,m(B)}{3\,m(A)+4\,m(B)} \]
\(m(A),m(B)\) — массы двух атомов, образующих связь
Известно, что колебательная частота связи \(\ce{C-H}\) в метане составляет 3030.00 \(\mathrm{cm^{-1}}\).
Известно, что колебательная частота Z-аналога метана составляет 2938.45 \(\mathrm{cm^{-1}}\). Энтальпия связи \(\ce{C-H}\) в метане равна 438.4 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\). Известно, что энтальпия связи \(\ce{Z-H}\) в Z-аналоге метана составляет 450.2 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
4.3 Определите силовую постоянную \(k\) связи \(\ce{C-H}\), используя закон Гука.
Оцените силовую постоянную \(k\) связи \(\ce{Z-H}\), предполагая, что между силовой постоянной и энтальпией связи существует прямая пропорциональность.
Определите атомную массу Z на основании этих данных.
Укажите химический символ Z.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 4.1: \(M(X)\approx28.1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\); \(X=\ce{Si}\), кремний. Продукты — силан, \(\ce{SiH4}\), SMILES
[SiH4], с тетраэдрической геометрией, и дисилан, \(\ce{Si2H6}\), SMILES[SiH3][SiH3], с приблизительно тетраэдрической координацией каждого атома кремния и предпочтительной заторможенной конформацией. - 4.2: \(M(Y)\approx72.6\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\); \(Y=\ce{Ge}\), германий. Простейшая формула аргиродита — \(\boxed{\ce{Ag8GeS6}}\).
- 4.3: \(k_{\ce{C-H}}=490.4\ \mathrm{N\,m^{-1}}\); \(k_{\ce{Z-H}}\approx503.6\ \mathrm{N\,m^{-1}}\). Оценка атомной массы даёт \(m(Z)\approx73.4\ \mathrm{u}\), что позволяет определить \(Z=\ce{Ge}\). Его аналог метана — герман, \(\ce{GeH4}\), SMILES
[GeH4].
Решение
В условии задачи не приведена таблица констант. В расчётах используются стандартные справочные молярные массы \[ M(\ce{H})=1.008,\quad M(\ce{C})=12.01,\quad M(\ce{Ag})=107.87,\quad M(\ce{S})=32.06 \quad \mathrm{g\,mol^{-1}}, \] а также \[ R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}},\qquad c=2.99792458\times10^{10}\ \mathrm{cm\,s^{-1}},\qquad 1\ \mathrm{u}=1.66054\times10^{-27}\ \mathrm{kg}. \]
4.1
Стехиометрическими X-аналогами метана, \(\ce{CH4}\), SMILES C, и этана, \(\ce{C2H6}\), SMILES CC, являются \(\ce{XH4}\) и \(\ce{X2H6}\).
Пусть их количества вещества равны \(2t\) и \(t\) соответственно. Следовательно, смесь содержит \[ n(X)=2t+2t=4t,\qquad n(\ce{H}\text{ атомов})=4(2t)+6t=14t. \]
Прирост массы равен массе водорода: \[ m(\ce{H})=5.628-5.000=0.628\ \mathrm{g}. \] Следовательно, \[ t=\frac{0.628\ \mathrm{g}} {14(1.008\ \mathrm{g\,mol^{-1}})} =0.04450\ \mathrm{mol}, \] и \[ M(X)=\frac{5.000\ \mathrm{g}}{4t} =28.09\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \approx\boxed{28.1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}. \]
Это позволяет определить элемент: кремний, \(\boxed{\ce{Si}}\).
Уравнения образования продуктов с расставленными коэффициентами, в которых водород представлен как \(\ce{H2}\), SMILES [H][H], имеют вид
\[
\ce{Si + 2H2 -> SiH4},
\]
\[
\ce{2Si + 3H2 -> Si2H6}.
\]
Для указанной смеси суммарная стехиометрия этих реакций имеет вид
\[
\ce{4Si + 7H2 -> 2SiH4 + Si2H6}.
\]
Требуемые пространственные структуры:
- Силан, \(\ce{SiH4}\), SMILES
[SiH4]: атом кремния находится в центре правильного тетраэдра, а четыре атома водорода — в его вершинах. Валентные углы составляют приблизительно \(109.5^\circ\). - Дисилан, \(\ce{Si2H6}\), SMILES
[SiH3][SiH3]: одинарная связь кремний–кремний соединяет две группы, в каждой из которых атом кремния связан с тремя атомами водорода. Каждый атом кремния имеет приблизительно тетраэдрическую координацию. В предпочтительной заторможенной конформации при взгляде вдоль связи кремний–кремний три задних атома водорода повёрнуты на \(60^\circ\) относительно трёх передних атомов водорода.
Записи SMILES задают порядок соединения атомов; тетраэдрическая геометрия и заторможенная конформация указаны в этих описаниях.
4.2
Y восстанавливается из степени окисления \(+4\) до \(+2\), для чего требуется два электрона на каждый атом Y. Окисление одной молекулы водорода даёт эти два электрона. Таким образом, \[ n(Y)=n(\ce{H2}). \]
Используя уравнение состояния идеального газа и учитывая, что \(1\ \mathrm{kPa\,dm^3}=1\ \mathrm{J}\), получаем \[ n(\ce{H2}) =\frac{pV}{RT} =\frac{(100\ \mathrm{kPa})(0.295\ \mathrm{dm^3})} {(8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}})(400\ \mathrm{K})} =8.8706\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Пусть \(n=n(Y)\) и \(M=M(Y)\). Из соотношения масс следует \[ m(Y)=nM,\qquad m(\ce{Ag})=11.88nM, \] поэтому \[ n(\ce{Ag})=\frac{11.88nM}{M(\ce{Ag})}. \]
С учётом указанных степеней окисления условие электронейтральности требует, чтобы количества вещества атомов в минерале удовлетворяли соотношению \[ n(\ce{Ag})+4n(Y)=2n(\ce{S}). \] Отсюда \[ n(\ce{S}) =n\left(\frac{11.88M}{2M(\ce{Ag})}+2\right). \]
Суммируя массы всех трёх элементов, получаем \[ 10.0\ \mathrm{g} =nM+11.88nM+ n\left(\frac{11.88M}{2M(\ce{Ag})}+2\right)M(\ce{S}). \] Следовательно, \[ M= \frac{\dfrac{10.0\ \mathrm{g}}{n}-2M(\ce{S})} {12.88+\dfrac{11.88M(\ce{S})}{2M(\ce{Ag})}} \approx\boxed{72.6\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}. \]
Это позволяет определить элемент: германий, \(\boxed{\ce{Ge}}\). Красновато-коричневый низший сульфид — сульфид германия(II), \(\ce{GeS}\), а белый высший сульфид — сульфид германия(IV), \(\ce{GeS2}\).
Отношение числа атомов серебра к числу атомов германия равно \[ \frac{n(\ce{Ag})}{n(\ce{Ge})} =\frac{11.88M(\ce{Ge})}{M(\ce{Ag})} \approx\frac{11.88(72.6)}{107.87} \approx8. \] Тогда из условия электронейтральности следует \[ \frac{n(\ce{S})}{n(\ce{Ge})}=\frac{8+4}{2}=6. \] Таким образом, простейшая формула имеет вид \[ \boxed{\ce{Ag8GeS6}}. \]
Уравнение превращения с расставленными коэффициентами: \[ \boxed{\ce{Ag8GeS6 + H2 -> 4Ag2S + GeS + H2S}}. \]
Здесь \(\ce{Ag2S}\) — сульфид серебра(I), а \(\ce{H2S}\) — сероводород, SMILES S. Твёрдые сульфиды и аргиродит имеют протяжённые структуры, поэтому запись SMILES для отдельной молекулы не описывала бы их строение в твёрдом состоянии.
4.3
Для метана используем приведённое в условии выражение для приведённой массы в \(\ce{AB4}\): \[ \mu_{\ce{CH4}} =\frac{3m(\ce{C})m(\ce{H})} {3m(\ce{C})+4m(\ce{H})}. \] Подставляя атомные массы, получаем \[ \mu_{\ce{CH4}} =\frac{3(12.01)(1.008)} {3(12.01)+4(1.008)}\ \mathrm{u} =0.9065508\ \mathrm{u} =1.50536\times10^{-27}\ \mathrm{kg}. \]
Преобразуя закон Гука, получаем \[ k=4\pi^2c^2\tilde{\nu}^{\,2}\mu. \] Поскольку волновое число выражено в \(\mathrm{cm^{-1}}\), используем \(c\) в \(\mathrm{cm\,s^{-1}}\): \[ k_{\ce{C-H}} = 4\pi^2 (2.99792458\times10^{10}\ \mathrm{cm\,s^{-1}})^2 (3030.00\ \mathrm{cm^{-1}})^2 (1.50536\times10^{-27}\ \mathrm{kg}). \] Таким образом, \[ \boxed{k_{\ce{C-H}}=490.4\ \mathrm{N\,m^{-1}}}. \]
При принятом предположении о пропорциональности силовой постоянной и энтальпии связи \[ \frac{k_{\ce{Z-H}}}{k_{\ce{C-H}}} =\frac{450.2}{438.4}. \] Используя неокруглённый результат первого расчёта, получаем \[ \boxed{k_{\ce{Z-H}}\approx503.6\ \mathrm{N\,m^{-1}}}. \]
Приведённая масса Z-аналога следует из соотношения \[ \frac{\mu_{\ce{ZH4}}}{\mu_{\ce{CH4}}} = \frac{k_{\ce{Z-H}}}{k_{\ce{C-H}}} \left(\frac{\tilde{\nu}_{\ce{C-H}}} {\tilde{\nu}_{\ce{Z-H}}}\right)^2. \] Следовательно, \[ \mu_{\ce{ZH4}} = 0.9065508 \left(\frac{450.2}{438.4}\right) \left(\frac{3030.00}{2938.45}\right)^2 \mathrm{u} =0.9898645\ \mathrm{u}. \]
Обозначив \(m_Z=m(Z)\) и \(m_H=m(\ce{H})\), получаем \[ \mu_{\ce{ZH4}}=\frac{3m_Zm_H}{3m_Z+4m_H}. \] Решая относительно \(m_Z\), находим \[ m_Z=\frac{4\mu_{\ce{ZH4}}m_H} {3(m_H-\mu_{\ce{ZH4}})}. \] Сохраняя дополнительные значащие цифры, поскольку знаменатель содержит малую разность, получаем \[ m_Z= \frac{4(0.9898645)(1.008)} {3(1.008-0.9898645)}\ \mathrm{u} \approx\boxed{73.4\ \mathrm{u}}. \]
Эта оценка массы позволяет определить \(\boxed{Z=\ce{Ge}}\), что согласуется с массой германия, найденной в 4.2. Аналог метана — герман, \(\ce{GeH4}\), SMILES [GeH4], с тетраэдрической геометрией.
Полученное значение \(73.4\ \mathrm{u}\) является оценочным: предполагаемая пропорциональность между энтальпией связи и силовой постоянной выполняется лишь приближённо.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 2004 · مسألة نظرية 4
تعيين الكتل الذرية
يؤدي تفاعل العنصر X مع الهيدروجين إلى فئة من المركبات المماثلة للهيدروكربونات. تكوّن 5.000 g من X مزيجًا كتلته 5.628 g من النظيرين الستوكيومتريين للميثان والإيثان اللذين يحل فيهما X محل الكربون، بنسبة مولية 2 : 1، على الترتيب.
4.1 عيّن الكتلة المولية للعنصر X باستخدام هذه المعلومات. اذكر الرمز الكيميائي للعنصر X، والبنية ثلاثية الأبعاد لكل من الناتجين.
تمثل الحالة التالية، وهي أكثر تعقيدًا، أهمية تاريخية كبيرة.
معدن الأرغيروديت مركب ستوكيومتري يحتوي على الفضة (حالة الأكسدة +1)، والكبريت (حالة الأكسدة -2)، وعنصر مجهول Y (حالة الأكسدة +4). نسبة كتلة الفضة إلى كتلة Y في الأرغيروديت هي \(m(\ce{Ag}) : m(\ce{Y}) = 11.88 : 1\). يكوّن Y كبريتيدًا أدنى ذا لون بني محمر (حالة أكسدة Y فيه +2)، وكبريتيدًا أعلى أبيض اللون (حالة أكسدة Y فيه +4). والكبريتيد الأدنى الملون هو ناتج التسامي الذي يُحصل عليه بتسخين الأرغيروديت في تيار من الهيدروجين. أما النواتج المتبقية فهي \(\ce{Ag2S}\) و\(\ce{H2S}\). ولتحويل 10.0 g من الأرغيروديت تحويلًا كاملًا، يلزم 0.295 \(\mathrm{dm^3}\) من الهيدروجين عند 400 K و100 kPa.
4.2 عيّن الكتلة المولية للعنصر Y باستخدام هذه المعلومات. اذكر الرمز الكيميائي للعنصر Y، والصيغة الأولية للأرغيروديت.
ترتبط الكتل الذرية بالخواص الطيفية. ولتعيين التردد الاهتزازي \(\tilde{\nu}\) للروابط الكيميائية في أطياف الأشعة تحت الحمراء، معبّرًا عنه بالأعداد الموجية، يستخدم الكيميائيون قانون هوك الذي يتناول تردد الاهتزاز (انتبه إلى الوحدات!):
\[ \tilde{\nu}=\frac{1}{2\pi c}\cdot\sqrt{\frac{k}{\mu}} \]
\(\tilde{\nu}\) - التردد الاهتزازي للرابطة، معبّرًا عنه بالعدد الموجي (\(\mathrm{cm^{-1}}\))
\(c\) - سرعة الضوء
\(k\) - ثابت القوة، الذي يدل على قوة الرابطة (\(\mathrm{N\,m^{-1}=kg\,s^{-2}}\))
\(\mu\) الكتلة المختزلة في \(\ce{AB4}\)، وتُعطى بالعلاقة \[ \mu=\frac{3\,m(A)\,m(B)}{3\,m(A)+4\,m(B)} \]
\(m(A),m(B)\) - كتلتا الذرتين المكوّنتين للرابطة
من المعروف أن التردد الاهتزازي لرابطة \(\ce{C-H}\) في الميثان يساوي 3030.00 \(\mathrm{cm^{-1}}\).
من المعروف أن التردد الاهتزازي لنظير الميثان الذي يحل فيه Z محل الكربون يساوي 2938.45 \(\mathrm{cm^{-1}}\). إنثالبي رابطة \(\ce{C-H}\) في الميثان هو 438.4 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\). ومن المعروف أن إنثالبي رابطة \(\ce{Z-H}\) في نظير الميثان الذي يحل فيه Z محل الكربون يساوي 450.2 \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
4.3 عيّن ثابت القوة \(k\) لرابطة \(\ce{C-H}\) باستخدام قانون هوك.
قدّر ثابت القوة \(k\) لرابطة \(\ce{Z-H}\)، بافتراض وجود تناسب خطي بين ثابت القوة وإنثالبي الرابطة.
عيّن الكتلة الذرية للعنصر Z باستخدام هذه المعلومات.
اذكر الرمز الكيميائي للعنصر Z.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 4.1: \(M(X)\approx28.1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)؛ \(X=\ce{Si}\)، السيليكون. الناتجان هما السيلان، \(\ce{SiH4}\)، وصيغة SMILES له
[SiH4]، ذو هندسة رباعية السطوح، وثنائي السيلان، \(\ce{Si2H6}\)، وصيغة SMILES له[SiH3][SiH3]، ذو تناسق رباعي السطوح تقريبًا حول كل ذرة سيليكون، وتشكيل متناوب مفضّل. - 4.2: \(M(Y)\approx72.6\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)؛ \(Y=\ce{Ge}\)، الجرمانيوم. الصيغة الأولية للأرغيروديت هي \(\boxed{\ce{Ag8GeS6}}\).
- 4.3: \(k_{\ce{C-H}}=490.4\ \mathrm{N\,m^{-1}}\)؛ \(k_{\ce{Z-H}}\approx503.6\ \mathrm{N\,m^{-1}}\). الكتلة الذرية المقدّرة هي \(m(Z)\approx73.4\ \mathrm{u}\)، مما يحدد هوية العنصر بأنه \(Z=\ce{Ge}\). ونظيره للميثان هو الجرمان، \(\ce{GeH4}\)، وصيغة SMILES له
[GeH4].
الحل
لا تتضمن المسألة جدولًا للثوابت. تُستخدم في الحسابات الكتل المولية المرجعية القياسية \[ M(\ce{H})=1.008,\quad M(\ce{C})=12.01,\quad M(\ce{Ag})=107.87,\quad M(\ce{S})=32.06 \quad \mathrm{g\,mol^{-1}}, \] إلى جانب \[ R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}},\qquad c=2.99792458\times10^{10}\ \mathrm{cm\,s^{-1}},\qquad 1\ \mathrm{u}=1.66054\times10^{-27}\ \mathrm{kg}. \]
4.1
للميثان، \(\ce{CH4}\)، ذي صيغة SMILES C، وللإيثان، \(\ce{C2H6}\)، ذي صيغة SMILES CC، النظيران الستوكيومتريان \(\ce{XH4}\) و\(\ce{X2H6}\) اللذان يحل فيهما X محل الكربون.
لتكن كميتا مادتيهما \(2t\) و\(t\)، على الترتيب. وبذلك يحتوي المزيج على \[ n(X)=2t+2t=4t,\qquad n(\ce{H}\text{ ذرات})=4(2t)+6t=14t. \]
الزيادة في الكتلة هي كتلة الهيدروجين: \[ m(\ce{H})=5.628-5.000=0.628\ \mathrm{g}. \] ومن ثم، \[ t=\frac{0.628\ \mathrm{g}} {14(1.008\ \mathrm{g\,mol^{-1}})} =0.04450\ \mathrm{mol}, \] و \[ M(X)=\frac{5.000\ \mathrm{g}}{4t} =28.09\ \mathrm{g\,mol^{-1}} \approx\boxed{28.1\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}. \]
وهذا يحدد هوية العنصر بأنه السيليكون، \(\boxed{\ce{Si}}\).
معادلتَا التكوّن الموزونتان، باستخدام الهيدروجين \(\ce{H2}\)، ذي صيغة SMILES [H][H]، هما
\[
\ce{Si + 2H2 -> SiH4},
\]
\[
\ce{2Si + 3H2 -> Si2H6}.
\]
وللمزيج المحدد، تكون المعادلة الستوكيومترية الإجمالية
\[
\ce{4Si + 7H2 -> 2SiH4 + Si2H6}.
\]
البنيتان ثلاثيتا الأبعاد المطلوبتان هما:
- السيلان، \(\ce{SiH4}\)، وصيغة SMILES له
[SiH4]: تقع ذرة السيليكون في مركز رباعي سطوح منتظم، وتقع ذرات الهيدروجين الأربع عند رؤوسه. زوايا الروابط تساوي تقريبًا \(109.5^\circ\). - ثنائي السيلان، \(\ce{Si2H6}\)، وصيغة SMILES له
[SiH3][SiH3]: تصل رابطة سيليكون–سيليكون أحادية بين مجموعتين، تحتوي كل منهما على ذرة سيليكون مرتبطة بثلاث ذرات هيدروجين. يكون التناسق حول كل ذرة سيليكون رباعي السطوح تقريبًا. وفي التشكيل المتناوب المفضّل، عند النظر على امتداد رابطة السيليكون–السيليكون، تكون ذرات الهيدروجين الخلفية الثلاث مدوّرة بزاوية \(60^\circ\) بالنسبة إلى ذرات الهيدروجين الأمامية الثلاث.
تحدد صيغ SMILES كيفية اتصال الذرات؛ أما الهندسة رباعية السطوح والتشكيل المتناوب فتبيّنهما هذه الأوصاف.
4.2
يُختزل Y من حالة الأكسدة \(+4\) إلى \(+2\)، وهو ما يتطلب إلكترونين لكل ذرة Y. وتوفر أكسدة جزيء هيدروجين واحد هذين الإلكترونين. ومن ثم، \[ n(Y)=n(\ce{H2}). \]
باستخدام معادلة الغاز المثالي، مع \(1\ \mathrm{kPa\,dm^3}=1\ \mathrm{J}\)، \[ n(\ce{H2}) =\frac{pV}{RT} =\frac{(100\ \mathrm{kPa})(0.295\ \mathrm{dm^3})} {(8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}})(400\ \mathrm{K})} =8.8706\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
لتكن \(n=n(Y)\) و\(M=M(Y)\). تعطي نسبة الكتلتين \[ m(Y)=nM,\qquad m(\ce{Ag})=11.88nM, \] ومن ثم \[ n(\ce{Ag})=\frac{11.88nM}{M(\ce{Ag})}. \]
يقتضي التعادل الكهربائي، باستخدام حالات الأكسدة المعطاة، أن تحقق كميات مادة الذرات في المعدن العلاقة \[ n(\ce{Ag})+4n(Y)=2n(\ce{S}). \] وعليه، \[ n(\ce{S}) =n\left(\frac{11.88M}{2M(\ce{Ag})}+2\right). \]
بجمع كتل العناصر الثلاثة جميعها نحصل على \[ 10.0\ \mathrm{g} =nM+11.88nM+ n\left(\frac{11.88M}{2M(\ce{Ag})}+2\right)M(\ce{S}). \] لذلك، \[ M= \frac{\dfrac{10.0\ \mathrm{g}}{n}-2M(\ce{S})} {12.88+\dfrac{11.88M(\ce{S})}{2M(\ce{Ag})}} \approx\boxed{72.6\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}. \]
وهذا يحدد هوية العنصر بأنه الجرمانيوم، \(\boxed{\ce{Ge}}\). الكبريتيد الأدنى ذو اللون البني المحمر هو كبريتيد الجرمانيوم(II)، \(\ce{GeS}\)، والكبريتيد الأعلى الأبيض هو كبريتيد الجرمانيوم(IV)، \(\ce{GeS2}\).
النسبة الذرية للفضة إلى الجرمانيوم هي \[ \frac{n(\ce{Ag})}{n(\ce{Ge})} =\frac{11.88M(\ce{Ge})}{M(\ce{Ag})} \approx\frac{11.88(72.6)}{107.87} \approx8. \] وعندئذ يعطي التعادل الكهربائي \[ \frac{n(\ce{S})}{n(\ce{Ge})}=\frac{8+4}{2}=6. \] إذن الصيغة الأولية هي \[ \boxed{\ce{Ag8GeS6}}. \]
ومعادلة التحويل الموزونة هي \[ \boxed{\ce{Ag8GeS6 + H2 -> 4Ag2S + GeS + H2S}}. \]
هنا \(\ce{Ag2S}\) هو كبريتيد الفضة(I)، و\(\ce{H2S}\) هو كبريتيد الهيدروجين، وصيغة SMILES له S. للكبريتيدات الصلبة والأرغيروديت بُنى ممتدة، لذا فإن صيغة SMILES لجزيء منفرد لا تصف بُناها في الحالة الصلبة.
4.3
بالنسبة إلى الميثان، نستخدم تعبير الكتلة المختزلة المعطى لـ \(\ce{AB4}\): \[ \mu_{\ce{CH4}} =\frac{3m(\ce{C})m(\ce{H})} {3m(\ce{C})+4m(\ce{H})}. \] بالتعويض بالكتل الذرية، \[ \mu_{\ce{CH4}} =\frac{3(12.01)(1.008)} {3(12.01)+4(1.008)}\ \mathrm{u} =0.9065508\ \mathrm{u} =1.50536\times10^{-27}\ \mathrm{kg}. \]
بإعادة ترتيب قانون هوك، \[ k=4\pi^2c^2\tilde{\nu}^{\,2}\mu. \] بما أن العدد الموجي بوحدة \(\mathrm{cm^{-1}}\)، نستخدم \(c\) بوحدة \(\mathrm{cm\,s^{-1}}\): \[ k_{\ce{C-H}} = 4\pi^2 (2.99792458\times10^{10}\ \mathrm{cm\,s^{-1}})^2 (3030.00\ \mathrm{cm^{-1}})^2 (1.50536\times10^{-27}\ \mathrm{kg}). \] ومن ثم، \[ \boxed{k_{\ce{C-H}}=490.4\ \mathrm{N\,m^{-1}}}. \]
وفقًا للتناسب المفترض بين ثابت القوة وإنثالبي الرابطة، \[ \frac{k_{\ce{Z-H}}}{k_{\ce{C-H}}} =\frac{450.2}{438.4}. \] وباستخدام النتيجة الأولى دون تقريب، \[ \boxed{k_{\ce{Z-H}}\approx503.6\ \mathrm{N\,m^{-1}}}. \]
تُستنتج الكتلة المختزلة للنظير الذي يحتوي على Z من العلاقة \[ \frac{\mu_{\ce{ZH4}}}{\mu_{\ce{CH4}}} = \frac{k_{\ce{Z-H}}}{k_{\ce{C-H}}} \left(\frac{\tilde{\nu}_{\ce{C-H}}} {\tilde{\nu}_{\ce{Z-H}}}\right)^2. \] لذلك، \[ \mu_{\ce{ZH4}} = 0.9065508 \left(\frac{450.2}{438.4}\right) \left(\frac{3030.00}{2938.45}\right)^2 \mathrm{u} =0.9898645\ \mathrm{u}. \]
بكتابة \(m_Z=m(Z)\) و\(m_H=m(\ce{H})\)، \[ \mu_{\ce{ZH4}}=\frac{3m_Zm_H}{3m_Z+4m_H}. \] وبحل المعادلة لإيجاد \(m_Z\)، \[ m_Z=\frac{4\mu_{\ce{ZH4}}m_H} {3(m_H-\mu_{\ce{ZH4}})}. \] مع الاحتفاظ بخانات إضافية لتجنب أخطاء التقريب لأن المقام يحتوي على فرق صغير، \[ m_Z= \frac{4(0.9898645)(1.008)} {3(1.008-0.9898645)}\ \mathrm{u} \approx\boxed{73.4\ \mathrm{u}}. \]
تحدد هذه الكتلة المقدّرة هوية العنصر بأنه \(\boxed{Z=\ce{Ge}}\)، بما يتسق مع كتلة الجرمانيوم المعيّنة في 4.2. ونظير الميثان هو الجرمان، \(\ce{GeH4}\)، وصيغة SMILES له [GeH4]، وله هندسة رباعية السطوح.
القيمة المستنتجة \(73.4\ \mathrm{u}\) تقديرية: فالتناسب المفترض بين إنثالبي الرابطة وثابت القوة تقريبي.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.