IChO 2005 · Theory problem 4
Gold Capital of Asia
A
Gold Capital of Asia
Chiufen, the old mining town located within the hills in the northeast Taiwan, is a place where you can really experience Taiwan's historical legacy. It was the site of one of the largest gold mines In Asia. Accordingly, Chiufen is often referred to as the Gold Capital of Asia. The compound \(\ce{KCN}\) is traditionally used to extract gold from ore. Gold dissolves in cyanide (\(\ce{CN^-}\)) solutions in the presence of air to form \(\ce{Au(CN)2^-}\), which is stable in aqueous solution.

4.A-1 Draw a structure for \(\ce{Au(CN)2^-}\) showing the spatial arrangements of the atoms.
4.A-2 How many grams of \(\ce{KCN}\) are needed to extract 20 g of gold from ore? Show your work.
Aqua regia, a 3 : 1 mixture (by volume) of concentrated hydrochloric acid and nitric acid, was developed by the alchemists as a means to “dissolve” gold. The process is actually a redox reaction with the following simplified chemical equation:

4.A-3 Write down the half reactions, and use them to obtain a balanced redox reaction for this process.
4.A-4 What are the oxidizing and reducing agents for 4.A-3 process?
Gold is too noble to react with nitric acid. However, gold does react with aqua regia because the complex ion \(\ce{AuCl4^-}\) forms. Consider the following half-reactions:

An electrochemical cell can be formed from these two redox couples.
4.A-5 Calculate the formation constant for \(\ce{AuCl4^-}\) at \(25\,^\circ\mathrm{C}\):
\[ K=\frac{[\ce{AuCl4^-}]}{[\ce{Au^3+}][\ce{Cl^-}]^4} \]
4.A-6 The function of \(\ce{HCl}\) is to provide \(\ce{Cl^-}\). What is the purpose of the \(\ce{Cl^-}\) for the above reaction. Select your answer from the following choices.
(a) \(\ce{Cl^-}\) is an oxidizing agent
(b) \(\ce{Cl^-}\) is a reducing agent
(c) \(\ce{Cl^-}\) is a complexing agent
(d) \(\ce{Cl^-}\) is a catalyst
B
Gold Nanoparticles
The synthesis and characterization of gold nanoparticles is currently an active research area. The Brust-Schiffrin method for the synthesis of gold nanoparticle (AuNP) allows the facile preparation of thermally stable and air-stable AuNPs of reduced polydispersity with a controlled size distribution ranging in diameter between 1.5 and 5.2 nm. The preparative procedure is briefly described as follows. An aqueous solution of \(\ce{HAuCl4}\) is mixed with a toluene solution of tetra-n-octylammonium bromide. The solution is mixed with dodecanethiol and is treated with an excess of \(\ce{NaBH4}\). Formation of the AuNPs is evidenced by the immediate, pronounced darkening of the toluene phase. After ca. 24 h, the toluene solvent is removed with a rotary evaporator and the resulting solid washed on a frit with ethanol and hexane to remove excess thiol. These AuNPs can be repeatedly isolated and re-dissolved in common organic solvents without irreversible aggregation or decomposition.
4.B-1 Is the methodology for this fabrication referred to a top-down or a bottom-up approach? Select your answer from the following choices.
(a) top-down approach, which entails reducing the size of the smallest structures to the nanoscale
(b) bottom-up approach, which involves manipulating individual atoms and molecules into nanostructures
4.B-2 The trimethyl-n-octylammonium bromide can also be used as a phase-transfer reagent. It can carry \(\ce{AlCl4^-}\) from an aqueous phase to an organic phase. Which property does trimethyl-n-octylammonium bromide possess to function as an efficient phase-transfer reagent? Select your answer from the following choices.
(a) one side of the molecule is electropositive, the other side is electronegative.
(b) one side of the molecule is hydrophilic, the other side is hydrophobic.
(c) one side of the molecule is acidic, the other side is basic.
4.B-3 What is the function of \(\ce{NaBH4}\) in this preparation? Select your answer from the following choices.
(a) reducing agent
(b) oxidizing agent
(c) neutralization agent
(d) complexing agent
4.B-4 If the average diameter of a gold nanoparticle is 3 nm, what is the estimated number of \(\ce{Au}\) atoms in each nanoparticle? (the atomic radius of \(\ce{Au}\) is 0.144 nm). Select your answer from the following choices and show your work.
(a) \(10^2\)
(b) \(10^3\)
(c) \(10^4\)
(d) \(10^5\)
4.B-5 What is the estimated percentage of \(\ce{Au}\) atoms on the surface of a nanoparticle? Select your answer from the following choices and show your work.
(a) 20 – 30 %
(b) 40 – 50 %
(c) 60 – 70 %
(d) 80 – 90 %
Official English text of the problem.
Answers
-
4.A-1: Dicyanidoaurate(I), \(\ce{Au(CN)2^-}\), SMILES
N#C[Au-]C#N. All five atoms lie on a straight line in the order nitrogen–carbon–gold–carbon–nitrogen; the carbon–gold–carbon angle is \(180^\circ\). -
4.A-2: \(13.2\ \mathrm{g}\) of potassium cyanide, \(\ce{KCN}\),
[K+].[C-]#N; approximately \(13\ \mathrm{g}\) to two significant figures. -
4.A-3: The half-reactions are \[ \ce{Au + 4Cl^- -> AuCl4^- + 3e^-} \] \[ \ce{NO3^- + 2H+ + e^- -> NO2 + H2O}. \] Their balanced sum is \[ \boxed{\ce{Au + 3NO3^- + 4Cl^- + 6H+ -> AuCl4^- + 3NO2 + 3H2O}}. \]
-
4.A-4: Oxidizing agent: nitrate ion, \(\ce{NO3^-}\),
[O-][N+](=O)[O-]. Reducing agent: elemental gold, \(\ce{Au(s)}\);[Au]represents an individual gold atom. -
4.A-5: \(\boxed{K\approx2.3\times10^{25}}\) for formation of tetrachloridoaurate(III), \(\ce{AuCl4^-}\),
[Au-](Cl)(Cl)(Cl)Cl. -
4.A-6: (c) — chloride ion, \(\ce{Cl^-}\),
[Cl-], is a complexing agent. -
4.B-1: (b) — bottom-up approach.
-
4.B-2: (b) — a hydrophilic charged head and a hydrophobic hydrocarbon tail.
-
4.B-3: (a) — sodium borohydride, \(\ce{NaBH4}\),
[Na+].[BH4-], is a reducing agent. -
4.B-4: (b) — approximately \(10^3\) gold atoms per nanoparticle.
-
4.B-5: (b) — \(40\text{–}50\%\); the outer-layer estimate gives approximately \(47\%\).
Solution
The SMILES below specify connectivity and formal charge. Formal charges assigned to metals in these covalent SMILES representations are not their oxidation states; coordination geometries are stated separately.
4.A-1
Each cyanide ion, \(\ce{CN^-}\), [C-]#N, has charge \(-1\). Therefore the oxidation state \(x\) of gold satisfies
\[ x+2(-1)=-1, \qquad x=+1. \]
The two-coordinate gold(I) center has a \(d^{10}\) electron configuration and linear coordination. Both cyanide ligands bind through their carbon atoms.
The drawing should therefore show the dicyanidoaurate(I) ion, N#C[Au-]C#N, as
\[ \boxed{\ce{[N#C-Au-C#N]^-}}. \]
Draw all five atoms on one straight line, with two carbon–nitrogen triple bonds and two gold–carbon bonds. Enclose the complete structure in brackets with an overall \(-1\) charge.
4.A-2
The given dissolution equation is
\[ \ce{4Au(s) + 8CN^-(aq) + O2(g) + 2H2O(l) <=> 4Au(CN)2^-(aq) + 4OH^-(aq)}. \]
Thus each mole of gold requires two moles of cyanide, supplied by two moles of potassium cyanide, [K+].[C-]#N.
Using standard molar masses,
\[ M(\ce{Au})=196.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \qquad M(\ce{KCN})=39.10+12.01+14.01 =65.12\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Hence
\[ n(\ce{Au}) =\frac{20\ \mathrm{g}}{196.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.10154\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce{KCN})=2(0.10154)=0.20308\ \mathrm{mol}, \]
and
\[ m(\ce{KCN}) =(0.20308\ \mathrm{mol})(65.12\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =\boxed{13.2\ \mathrm{g}}. \]
This is the theoretical stoichiometric requirement, approximately \(13\ \mathrm{g}\) to two significant figures.
The other molecular or ionic species in the dissolution equation are dioxygen O=O, water O, and hydroxide [OH-].
4.A-3
Gold changes from oxidation state \(0\) to \(+3\), losing three electrons. Including coordination by chloride, the oxidation half-reaction is
\[ \boxed{\ce{Au(s) + 4Cl^-(aq) -> AuCl4^-(aq) + 3e^-}}. \]
Nitrogen changes from \(+5\) in nitrate to \(+4\) in nitrogen dioxide, gaining one electron. Balancing oxygen with water and hydrogen with hydrogen ions gives
\[ \boxed{\ce{NO3^-(aq) + 2H+(aq) + e^- -> NO2(g) + H2O(l)}}. \]
Multiplying the reduction half-reaction by three and adding cancels all electrons:
\[ \boxed{ \ce{Au(s) + 3NO3^-(aq) + 4Cl^-(aq) + 6H+(aq) -> AuCl4^-(aq) + 3NO2(g) + 3H2O(l)} }. \]
The total charge is \(-1\) on each side, and all atoms balance.
The species are tetrachloridoaurate(III), \(\ce{AuCl4^-}\), [Au-](Cl)(Cl)(Cl)Cl; nitrate, [O-][N+](=O)[O-]; chloride, [Cl-]; hydrogen ion, [H+]; nitrogen dioxide, [O-][N+]=O; and water, O. The gold complex is square planar. Nitrogen dioxide is a bent radical molecule.
4.A-4
The oxidizing agent is nitrate, \(\ce{NO3^-}\), [O-][N+](=O)[O-], because it accepts electrons and is reduced: nitrogen changes from \(+5\) to \(+4\).
The reducing agent is elemental gold, \(\ce{Au(s)}\), because it supplies electrons and is oxidized from \(0\) to \(+3\). Its atomic SMILES is [Au]; this does not represent the extended metallic lattice.
4.A-5
The required formation equilibrium is
\[ \ce{Au^3+(aq) + 4Cl^-(aq) <=> AuCl4^-(aq)}. \]
Here the gold(III) ion is [Au+3], and tetrachloridoaurate(III) is [Au-](Cl)(Cl)(Cl)Cl.
Use the first given half-reaction in the reduction direction:
\[ \ce{Au^3+(aq) + 3e^- -> Au(s)}, \qquad E^\circ_{\mathrm{red}}=+1.50\ \mathrm{V}. \]
Reverse the second half-reaction:
\[ \ce{Au(s) + 4Cl^-(aq) -> AuCl4^-(aq) + 3e^-}, \qquad E^\circ_{\mathrm{ox}}=-1.00\ \mathrm{V}. \]
Their sum is the desired formation reaction, with
\[ E^\circ_{\mathrm{cell}}=1.50-1.00=0.50\ \mathrm{V}. \]
Three electrons are transferred in the electrochemical cycle. Therefore,
\[ \Delta_rG^\circ=-3FE^\circ_{\mathrm{cell}} =-RT\ln K, \]
so
\[ \ln K=\frac{3FE^\circ_{\mathrm{cell}}}{RT}. \]
Using \(F=96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\), \(R=8.31446\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}\), and \(T=298.15\ \mathrm{K}\),
\[ \log_{10}K =\frac{3(96485)(0.50)} {(8.31446)(298.15)\ln 10} =25.355. \]
Thus
\[ \boxed{K=10^{25.355}\approx2.3\times10^{25}}. \]
The thermodynamic equilibrium constant is dimensionless; the printed concentration expression implicitly refers concentrations to the standard concentration.
4.A-6
Chloride, [Cl-], binds gold(III) to form the strongly stabilized tetrachloridoaurate(III) complex:
\[ \ce{Au^3+ + 4Cl^- <=> AuCl4^-}. \]
This greatly decreases the concentration of free gold(III) ions and favors dissolution of gold into the complexed form. Chloride remains in oxidation state \(-1\).
Therefore the answer is (c), complexing agent.
4.B-1
The nanoparticles form by reduction of ionic gold precursors, followed by nucleation and growth into particles containing many gold atoms. The nanostructures are assembled from atomic or molecular starting species.
Therefore this is (b), a bottom-up approach.
4.B-2
Trimethyl-n-octylammonium bromide has SMILES CCCCCCCC[N+](C)(C)C.[Br-].
Its quaternary ammonium head is charged and hydrophilic, whereas its eight-carbon alkyl chain is hydrophobic and compatible with the organic phase. The ammonium cation can associate with an anion, allowing the resulting ion pair to enter the organic phase.
The transferred anion printed in the question is tetrachloridoaluminate(III), \(\ce{AlCl4^-}\), [Al-](Cl)(Cl)(Cl)Cl, which has tetrahedral coordination.
The required property is therefore (b): one side is hydrophilic and the other is hydrophobic.
4.B-3
Sodium borohydride, \(\ce{NaBH4}\), [Na+].[BH4-], supplies reducing equivalents that convert ionic gold into metallic gold. Its borohydride ion, [BH4-], has tetrahedral geometry.
For the gold(III) precursor, the net gold reduction can be represented as
\[ \ce{AuCl4^- + 3e^- -> Au + 4Cl^-}. \]
Therefore sodium borohydride acts as (a), a reducing agent.
4.B-4
Approximate both the nanoparticle and an individual gold atom as spheres. Their radii are
\[ R=\frac{3\ \mathrm{nm}}{2}=1.5\ \mathrm{nm}, \qquad r=0.144\ \mathrm{nm}. \]
Ignoring the spaces between packed atoms for this order-of-magnitude estimate,
\[ N\approx \frac{V_{\mathrm{particle}}}{V_{\mathrm{atom}}} = \frac{\frac43\pi R^3}{\frac43\pi r^3} = \left(\frac{R}{r}\right)^3. \]
Thus
\[ N\approx \left(\frac{1.5}{0.144}\right)^3 =1.13\times10^3. \]
Accounting for packing voids changes the numerical prefactor but not the order of magnitude. Hence the answer is
\[ \boxed{\text{(b), }10^3\text{ atoms per nanoparticle}}. \]
4.B-5
Approximate the surface atoms as an outer shell one atomic diameter thick:
\[ t=2r=2(0.144)=0.288\ \mathrm{nm}. \]
The interior radius is then
\[ R_{\mathrm{interior}}=R-t=1.5-0.288=1.212\ \mathrm{nm}. \]
Using the same average atomic number density in the surface shell and the interior, the fraction of atoms in the shell equals its fraction of the particle volume:
\[ f_{\mathrm{surface}} \approx \frac{R^3-(R-t)^3}{R^3} = 1-\left(\frac{R-t}{R}\right)^3. \]
Therefore,
\[ f_{\mathrm{surface}} \approx 1-\left(\frac{1.212}{1.5}\right)^3 =0.4725. \]
Thus approximately \(47\%\) of the atoms are in the outer atomic layer, giving
\[ \boxed{\text{(b), }40\text{–}50\%}. \]
The solution was checked against the official solution.
IChO 2005 · Theorieaufgabe 4
Goldhauptstadt Asiens
A
Goldhauptstadt Asiens
Chiufen, die alte Bergbaustadt in den Hügeln im Nordosten Taiwans, ist ein Ort, an dem man Taiwans historisches Erbe hautnah erleben kann. Hier befand sich eine der größten Goldminen Asiens. Daher wird Chiufen häufig als Goldhauptstadt Asiens bezeichnet. Die Verbindung \(\ce{KCN}\) wird traditionell zur Gewinnung von Gold aus Erz verwendet. In Gegenwart von Luft löst sich Gold in Cyanidlösungen (\(\ce{CN^-}\)) unter Bildung von \(\ce{Au(CN)2^-}\), das in wässriger Lösung stabil ist.

4.A-1 Zeichnen Sie eine Struktur von \(\ce{Au(CN)2^-}\), aus der die räumliche Anordnung der Atome hervorgeht.
4.A-2 Wie viele Gramm \(\ce{KCN}\) werden benötigt, um 20 g Gold aus Erz zu gewinnen? Geben Sie Ihren Rechenweg an.
Königswasser, eine Mischung aus konzentrierter Salzsäure und Salpetersäure im Volumenverhältnis 3 : 1, wurde von den Alchemisten als Mittel zum „Auflösen“ von Gold entwickelt. Tatsächlich handelt es sich dabei um eine Redoxreaktion mit der folgenden vereinfachten Reaktionsgleichung:

4.A-3 Schreiben Sie die Teilreaktionen auf und leiten Sie daraus eine ausgeglichene Redoxgleichung für diesen Vorgang ab.
4.A-4 Welche Stoffe sind bei dem Vorgang in 4.A-3 das Oxidationsmittel und das Reduktionsmittel?
Gold ist zu edel, um mit Salpetersäure zu reagieren. Mit Königswasser reagiert Gold jedoch, weil sich das Komplexion \(\ce{AuCl4^-}\) bildet. Betrachten Sie die folgenden Teilreaktionen:

Aus diesen beiden Redoxpaaren lässt sich eine elektrochemische Zelle aufbauen.
4.A-5 Berechnen Sie die Bildungskonstante von \(\ce{AuCl4^-}\) bei \(25\,^\circ\mathrm{C}\):
\[ K=\frac{[\ce{AuCl4^-}]}{[\ce{Au^3+}][\ce{Cl^-}]^4} \]
4.A-6 Die Funktion von \(\ce{HCl}\) besteht darin, \(\ce{Cl^-}\) bereitzustellen. Welche Aufgabe hat \(\ce{Cl^-}\) bei der obigen Reaktion? Wählen Sie Ihre Antwort aus den folgenden Möglichkeiten.
(a) \(\ce{Cl^-}\) ist ein Oxidationsmittel
(b) \(\ce{Cl^-}\) ist ein Reduktionsmittel
(c) \(\ce{Cl^-}\) ist ein Komplexbildner
(d) \(\ce{Cl^-}\) ist ein Katalysator
B
Goldnanopartikel
Die Synthese und Charakterisierung von Goldnanopartikeln ist derzeit ein aktives Forschungsgebiet. Die Brust-Schiffrin-Methode zur Synthese von Goldnanopartikeln (AuNP) ermöglicht die einfache Herstellung thermisch stabiler und luftstabiler AuNP mit verringerter Polydispersität und einer kontrollierten Größenverteilung mit Durchmessern zwischen 1.5 und 5.2 nm. Das präparative Verfahren lässt sich kurz wie folgt beschreiben. Eine wässrige Lösung von \(\ce{HAuCl4}\) wird mit einer Lösung von Tetra-n-octylammoniumbromid in Toluol gemischt. Die Lösung wird mit Dodecanthiol versetzt und mit einem Überschuss an \(\ce{NaBH4}\) behandelt. Die Bildung der AuNP zeigt sich an der sofortigen, ausgeprägten Dunkelfärbung der Toluolphase. Nach ca. 24 h wird das Lösungsmittel Toluol mit einem Rotationsverdampfer entfernt und der erhaltene Feststoff auf einer Fritte mit Ethanol und Hexan gewaschen, um überschüssiges Thiol zu entfernen. Diese AuNP lassen sich wiederholt isolieren und in gängigen organischen Lösungsmitteln wieder lösen, ohne dass es zu irreversibler Aggregation oder Zersetzung kommt.
4.B-1 Wird die Methodik dieses Herstellungsverfahrens als Top-down- oder als Bottom-up-Ansatz bezeichnet? Wählen Sie Ihre Antwort aus den folgenden Möglichkeiten.
(a) Top-down-Ansatz, bei dem die kleinsten Strukturen bis auf die Nanoskala verkleinert werden
(b) Bottom-up-Ansatz, bei dem einzelne Atome und Moleküle gezielt zu Nanostrukturen zusammengefügt werden
4.B-2 Trimethyl-n-octylammoniumbromid kann ebenfalls als Phasentransferreagenz verwendet werden. Es kann \(\ce{AlCl4^-}\) aus einer wässrigen Phase in eine organische Phase transportieren. Welche Eigenschaft besitzt Trimethyl-n-octylammoniumbromid, die es zu einem wirksamen Phasentransferreagenz macht? Wählen Sie Ihre Antwort aus den folgenden Möglichkeiten.
(a) Eine Seite des Moleküls ist elektropositiv, die andere Seite ist elektronegativ.
(b) Eine Seite des Moleküls ist hydrophil, die andere Seite ist hydrophob.
(c) Eine Seite des Moleküls ist sauer, die andere Seite ist basisch.
4.B-3 Welche Funktion hat \(\ce{NaBH4}\) bei dieser Herstellung? Wählen Sie Ihre Antwort aus den folgenden Möglichkeiten.
(a) Reduktionsmittel
(b) Oxidationsmittel
(c) Neutralisationsmittel
(d) Komplexbildner
4.B-4 Wenn der mittlere Durchmesser eines Goldnanopartikels 3 nm beträgt, wie groß ist dann schätzungsweise die Anzahl der \(\ce{Au}\)-Atome in jedem Nanopartikel? (Der Atomradius von \(\ce{Au}\) beträgt 0.144 nm.) Wählen Sie Ihre Antwort aus den folgenden Möglichkeiten und geben Sie Ihren Rechenweg an.
(a) \(10^2\)
(b) \(10^3\)
(c) \(10^4\)
(d) \(10^5\)
4.B-5 Wie groß ist schätzungsweise der prozentuale Anteil der \(\ce{Au}\)-Atome an der Oberfläche eines Nanopartikels? Wählen Sie Ihre Antwort aus den folgenden Möglichkeiten und geben Sie Ihren Rechenweg an.
(a) 20 – 30 %
(b) 40 – 50 %
(c) 60 – 70 %
(d) 80 – 90 %
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
-
4.A-1: Dicyanidoaurat(I), \(\ce{Au(CN)2^-}\), SMILES
N#C[Au-]C#N. Alle fünf Atome liegen auf einer Geraden in der Reihenfolge Stickstoff–Kohlenstoff–Gold–Kohlenstoff–Stickstoff; der Kohlenstoff–Gold–Kohlenstoff-Winkel beträgt \(180^\circ\). -
4.A-2: \(13.2\ \mathrm{g}\) Kaliumcyanid, \(\ce{KCN}\),
[K+].[C-]#N; auf zwei signifikante Stellen gerundet etwa \(13\ \mathrm{g}\). -
4.A-3: Die Teilreaktionen lauten \[ \ce{Au + 4Cl^- -> AuCl4^- + 3e^-} \] \[ \ce{NO3^- + 2H+ + e^- -> NO2 + H2O}. \] Ihre ausgeglichene Summe lautet \[ \boxed{\ce{Au + 3NO3^- + 4Cl^- + 6H+ -> AuCl4^- + 3NO2 + 3H2O}}. \]
-
4.A-4: Oxidationsmittel: Nitration, \(\ce{NO3^-}\),
[O-][N+](=O)[O-]. Reduktionsmittel: elementares Gold, \(\ce{Au(s)}\);[Au]stellt ein einzelnes Goldatom dar. -
4.A-5: \(\boxed{K\approx2.3\times10^{25}}\) für die Bildung von Tetrachloridoaurat(III), \(\ce{AuCl4^-}\),
[Au-](Cl)(Cl)(Cl)Cl. -
4.A-6: (c) — Das Chloridion, \(\ce{Cl^-}\),
[Cl-], ist ein Komplexbildner. -
4.B-1: (b) — Bottom-up-Ansatz.
-
4.B-2: (b) — Ein hydrophiler geladener Kopf und ein hydrophober Kohlenwasserstoffschwanz.
-
4.B-3: (a) — Natriumborhydrid, \(\ce{NaBH4}\),
[Na+].[BH4-], ist ein Reduktionsmittel. -
4.B-4: (b) — Etwa \(10^3\) Goldatome pro Nanopartikel.
-
4.B-5: (b) — \(40\text{–}50\%\); die Abschätzung anhand der äußeren Schicht ergibt etwa \(47\%\).
Lösung
Die nachstehenden SMILES geben die Bindungsverknüpfung und die Formalladung an. Die den Metallen in diesen kovalenten SMILES-Darstellungen zugewiesenen Formalladungen sind nicht ihre Oxidationsstufen; die Koordinationsgeometrien werden gesondert angegeben.
4.A-1
Jedes Cyanidion, \(\ce{CN^-}\), [C-]#N, hat die Ladung \(-1\). Daher erfüllt die Oxidationsstufe \(x\) des Goldes die Gleichung
\[ x+2(-1)=-1, \qquad x=+1. \]
Das zweifach koordinierte Gold(I)-Zentrum hat eine \(d^{10}\)-Elektronenkonfiguration und eine lineare Koordination. Beide Cyanidliganden binden über ihre Kohlenstoffatome.
Die Zeichnung sollte daher das Dicyanidoaurat(I)-Ion, N#C[Au-]C#N, wie folgt zeigen:
\[ \boxed{\ce{[N#C-Au-C#N]^-}}. \]
Zeichnen Sie alle fünf Atome auf einer Geraden, mit zwei Kohlenstoff–Stickstoff-Dreifachbindungen und zwei Gold–Kohlenstoff-Bindungen. Setzen Sie die gesamte Struktur in Klammern und geben Sie die Gesamtladung \(-1\) an.
4.A-2
Die angegebene Gleichung für den Lösungsvorgang lautet
\[ \ce{4Au(s) + 8CN^-(aq) + O2(g) + 2H2O(l) <=> 4Au(CN)2^-(aq) + 4OH^-(aq)}. \]
Somit werden pro Mol Gold zwei Mol Cyanid benötigt, die durch zwei Mol Kaliumcyanid, [K+].[C-]#N, bereitgestellt werden.
Mit den üblichen molaren Massen gilt
\[ M(\ce{Au})=196.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \qquad M(\ce{KCN})=39.10+12.01+14.01 =65.12\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Daraus folgt
\[ n(\ce{Au}) =\frac{20\ \mathrm{g}}{196.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.10154\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce{KCN})=2(0.10154)=0.20308\ \mathrm{mol}, \]
und
\[ m(\ce{KCN}) =(0.20308\ \mathrm{mol})(65.12\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =\boxed{13.2\ \mathrm{g}}. \]
Dies ist der theoretische stöchiometrische Bedarf, auf zwei signifikante Stellen gerundet etwa \(13\ \mathrm{g}\).
Die übrigen molekularen oder ionischen Spezies in der Gleichung für den Lösungsvorgang sind Disauerstoff O=O, Wasser O und Hydroxid [OH-].
4.A-3
Gold geht von der Oxidationsstufe \(0\) in die Oxidationsstufe \(+3\) über und gibt dabei drei Elektronen ab. Unter Einbeziehung der Koordination durch Chlorid lautet die Oxidationsteilreaktion
\[ \boxed{\ce{Au(s) + 4Cl^-(aq) -> AuCl4^-(aq) + 3e^-}}. \]
Stickstoff geht von \(+5\) im Nitrat zu \(+4\) im Stickstoffdioxid über und nimmt dabei ein Elektron auf. Durch Ausgleichen des Sauerstoffs mit Wasser und des Wasserstoffs mit Wasserstoffionen erhält man
\[ \boxed{\ce{NO3^-(aq) + 2H+(aq) + e^- -> NO2(g) + H2O(l)}}. \]
Multipliziert man die Reduktionsteilreaktion mit drei und addiert die Teilreaktionen, fallen alle Elektronen weg:
\[ \boxed{ \ce{Au(s) + 3NO3^-(aq) + 4Cl^-(aq) + 6H+(aq) -> AuCl4^-(aq) + 3NO2(g) + 3H2O(l)} }. \]
Die Gesamtladung beträgt auf jeder Seite \(-1\), und die Atombilanz ist ausgeglichen.
Die Spezies sind Tetrachloridoaurat(III), \(\ce{AuCl4^-}\), [Au-](Cl)(Cl)(Cl)Cl; Nitrat, [O-][N+](=O)[O-]; Chlorid, [Cl-]; das Wasserstoffion, [H+]; Stickstoffdioxid, [O-][N+]=O; und Wasser, O. Der Goldkomplex ist quadratisch-planar. Stickstoffdioxid ist ein gewinkeltes Radikalmolekül.
4.A-4
Das Oxidationsmittel ist Nitrat, \(\ce{NO3^-}\), [O-][N+](=O)[O-], da es Elektronen aufnimmt und reduziert wird: Die Oxidationsstufe des Stickstoffs ändert sich von \(+5\) zu \(+4\).
Das Reduktionsmittel ist elementares Gold, \(\ce{Au(s)}\), da es Elektronen abgibt und von \(0\) zu \(+3\) oxidiert wird. Sein atomares SMILES lautet [Au]; dieses stellt nicht das ausgedehnte Metallgitter dar.
4.A-5
Das gesuchte Bildungsgleichgewicht lautet
\[ \ce{Au^3+(aq) + 4Cl^-(aq) <=> AuCl4^-(aq)}. \]
Hier ist das Gold(III)-Ion [Au+3] und Tetrachloridoaurat(III) [Au-](Cl)(Cl)(Cl)Cl.
Die erste angegebene Teilreaktion wird in Reduktionsrichtung verwendet:
\[ \ce{Au^3+(aq) + 3e^- -> Au(s)}, \qquad E^\circ_{\mathrm{red}}=+1.50\ \mathrm{V}. \]
Die zweite Teilreaktion wird umgekehrt:
\[ \ce{Au(s) + 4Cl^-(aq) -> AuCl4^-(aq) + 3e^-}, \qquad E^\circ_{\mathrm{ox}}=-1.00\ \mathrm{V}. \]
Ihre Summe ist die gewünschte Bildungsreaktion, wobei gilt
\[ E^\circ_{\mathrm{cell}}=1.50-1.00=0.50\ \mathrm{V}. \]
Im elektrochemischen Kreisprozess werden drei Elektronen übertragen. Daher gilt
\[ \Delta_rG^\circ=-3FE^\circ_{\mathrm{cell}} =-RT\ln K, \]
also
\[ \ln K=\frac{3FE^\circ_{\mathrm{cell}}}{RT}. \]
Mit \(F=96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\), \(R=8.31446\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}\) und \(T=298.15\ \mathrm{K}\) ergibt sich
\[ \log_{10}K =\frac{3(96485)(0.50)} {(8.31446)(298.15)\ln 10} =25.355. \]
Somit gilt
\[ \boxed{K=10^{25.355}\approx2.3\times10^{25}}. \]
Die thermodynamische Gleichgewichtskonstante ist dimensionslos; im abgedruckten Konzentrationsausdruck werden die Konzentrationen implizit auf die Standardkonzentration bezogen.
4.A-6
Chlorid, [Cl-], bindet an Gold(III) und bildet den stark stabilisierten Tetrachloridoaurat(III)-Komplex:
\[ \ce{Au^3+ + 4Cl^- <=> AuCl4^-}. \]
Dadurch wird die Konzentration freier Gold(III)-Ionen stark verringert und die Auflösung von Gold unter Bildung der komplexierten Form begünstigt. Chlorid behält die Oxidationsstufe \(-1\).
Die Antwort lautet daher (c), Komplexbildner.
4.B-1
Die Nanopartikel entstehen durch Reduktion ionischer Goldvorstufen, gefolgt von Keimbildung und Wachstum zu Partikeln, die viele Goldatome enthalten. Die Nanostrukturen werden aus atomaren oder molekularen Ausgangsspezies aufgebaut.
Daher handelt es sich um (b), einen Bottom-up-Ansatz.
4.B-2
Trimethyl-n-octylammoniumbromid hat das SMILES CCCCCCCC[N+](C)(C)C.[Br-].
Sein quartärer Ammoniumkopf ist geladen und hydrophil, während seine Alkylkette mit acht Kohlenstoffatomen hydrophob und mit der organischen Phase verträglich ist. Das Ammoniumkation kann sich mit einem Anion assoziieren, sodass das entstehende Ionenpaar in die organische Phase übertreten kann.
Das in der Aufgabenstellung angegebene übertragene Anion ist Tetrachloridoaluminat(III), \(\ce{AlCl4^-}\), [Al-](Cl)(Cl)(Cl)Cl, das eine tetraedrische Koordination aufweist.
Die erforderliche Eigenschaft ist daher (b): Eine Seite ist hydrophil und die andere hydrophob.
4.B-3
Natriumborhydrid, \(\ce{NaBH4}\), [Na+].[BH4-], liefert Reduktionsäquivalente, die ionisches Gold in metallisches Gold umwandeln. Sein Borhydridion, [BH4-], hat eine tetraedrische Geometrie.
Für die Gold(III)-Vorstufe lässt sich die Nettoreduktion des Goldes wie folgt darstellen:
\[ \ce{AuCl4^- + 3e^- -> Au + 4Cl^-}. \]
Natriumborhydrid wirkt daher als (a), Reduktionsmittel.
4.B-4
Sowohl der Nanopartikel als auch ein einzelnes Goldatom werden näherungsweise als Kugeln betrachtet. Ihre Radien betragen
\[ R=\frac{3\ \mathrm{nm}}{2}=1.5\ \mathrm{nm}, \qquad r=0.144\ \mathrm{nm}. \]
Vernachlässigt man für diese Abschätzung der Größenordnung die Zwischenräume zwischen den gepackten Atomen, so gilt
\[ N\approx \frac{V_{\mathrm{particle}}}{V_{\mathrm{atom}}} = \frac{\frac43\pi R^3}{\frac43\pi r^3} = \left(\frac{R}{r}\right)^3. \]
Somit ergibt sich
\[ N\approx \left(\frac{1.5}{0.144}\right)^3 =1.13\times10^3. \]
Die Berücksichtigung der Packungslücken verändert den numerischen Vorfaktor, jedoch nicht die Größenordnung. Daher lautet die Antwort
\[ \boxed{\text{(b), }10^3\text{ Atome pro Nanopartikel}}. \]
4.B-5
Die Oberflächenatome werden näherungsweise als äußere Schale mit einer Dicke von einem Atomdurchmesser betrachtet:
\[ t=2r=2(0.144)=0.288\ \mathrm{nm}. \]
Der Radius des Inneren beträgt dann
\[ R_{\mathrm{interior}}=R-t=1.5-0.288=1.212\ \mathrm{nm}. \]
Nimmt man in der Oberflächenschale und im Inneren dieselbe mittlere Anzahldichte der Atome an, entspricht der Anteil der Atome in der Schale ihrem Anteil am Partikelvolumen:
\[ f_{\mathrm{surface}} \approx \frac{R^3-(R-t)^3}{R^3} = 1-\left(\frac{R-t}{R}\right)^3. \]
Daher gilt
\[ f_{\mathrm{surface}} \approx 1-\left(\frac{1.212}{1.5}\right)^3 =0.4725. \]
Somit befinden sich etwa \(47\%\) der Atome in der äußeren Atomschicht, woraus sich ergibt
\[ \boxed{\text{(b), }40\text{–}50\%}. \]
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 2005 · Teori sorusu 4
Asya'nın Altın Başkenti
A
Asya'nın Altın Başkenti
Tayvan'ın kuzeydoğusundaki tepeler arasında yer alan eski madencilik kasabası Chiufen, Tayvan'ın tarihî mirasını gerçekten deneyimleyebileceğiniz bir yerdir. Asya'nın en büyük altın madenlerinden biri burada bulunuyordu. Bu nedenle Chiufen sıklıkla Asya'nın Altın Başkenti olarak anılır. Cevherden altın elde etmek için geleneksel olarak \(\ce{KCN}\) bileşiği kullanılır. Altın, hava varlığında siyanür (\(\ce{CN^-}\)) çözeltilerinde çözünerek sulu çözeltide kararlı olan \(\ce{Au(CN)2^-}\) oluşturur.

4.A-1 \(\ce{Au(CN)2^-}\) için atomların uzaysal düzenini gösteren bir yapı çiziniz.
4.A-2 Cevherden 20 g altın elde etmek için kaç gram \(\ce{KCN}\) gerekir? İşlemlerinizi gösteriniz.
Hacimce 3 : 1 oranında derişik hidroklorik asit ve nitrik asit karışımı olan kral suyu, simyacılar tarafından altını “çözmek” amacıyla geliştirilmiştir. Bu işlem aslında aşağıdaki basitleştirilmiş kimyasal denklemle gösterilen bir redoks tepkimesidir:

4.A-3 Yarı tepkimeleri yazınız ve bunları kullanarak bu işlem için denkleştirilmiş bir redoks tepkimesi elde ediniz.
4.A-4 4.A-3 işlemindeki yükseltgen ve indirgen maddeler nelerdir?
Altın, nitrik asitle tepkimeye giremeyecek kadar soy bir metaldir. Ancak \(\ce{AuCl4^-}\) kompleks iyonu oluştuğundan kral suyuyla tepkimeye girer. Aşağıdaki yarı tepkimeleri ele alınız:

Bu iki redoks çiftinden bir elektrokimyasal hücre oluşturulabilir.
4.A-5 \(25\,^\circ\mathrm{C}\) sıcaklıkta \(\ce{AuCl4^-}\) için oluşum sabitini hesaplayınız:
\[ K=\frac{[\ce{AuCl4^-}]}{[\ce{Au^3+}][\ce{Cl^-}]^4} \]
4.A-6 \(\ce{HCl}\)'nin işlevi \(\ce{Cl^-}\) sağlamaktır. Yukarıdaki tepkimede \(\ce{Cl^-}\)'nin rolü nedir? Yanıtınızı aşağıdaki seçeneklerden seçiniz.
(a) \(\ce{Cl^-}\) bir yükseltgen maddedir
(b) \(\ce{Cl^-}\) bir indirgen maddedir
(c) \(\ce{Cl^-}\) bir kompleksleştirici maddedir
(d) \(\ce{Cl^-}\) bir katalizördür
B
Altın Nanoparçacıklar
Altın nanoparçacıkların sentezi ve karakterizasyonu günümüzde etkin bir araştırma alanıdır. Altın nanoparçacık (AuNP) sentezi için kullanılan Brust-Schiffrin yöntemi, çapları 1.5 ile 5.2 nm arasında değişen kontrollü bir boyut dağılımına ve düşük polidispersiteye sahip, ısıl olarak ve havada kararlı AuNP'lerin kolayca hazırlanmasını sağlar. Hazırlama işlemi kısaca şöyledir. Sulu bir \(\ce{HAuCl4}\) çözeltisi, tetra-n-oktilamonyum bromürün toluendeki çözeltisiyle karıştırılır. Çözelti dodekantiyol ile karıştırılır ve fazla miktarda \(\ce{NaBH4}\) ile muamele edilir. Toluen fazının anında ve belirgin biçimde koyulaşması, AuNP'lerin oluştuğunu gösterir. Yaklaşık 24 saat sonra toluen çözücüsü bir döner buharlaştırıcıyla uzaklaştırılır ve elde edilen katı, fazla tiyolü uzaklaştırmak için gözenekli cam filtre üzerinde etanol ve heksanla yıkanır. Bu AuNP'ler, geri dönüşümsüz agregasyon veya bozunma olmadan tekrar tekrar izole edilebilir ve yaygın organik çözücülerde yeniden çözülebilir.
4.B-1 Bu üretimde kullanılan yöntem yukarıdan aşağıya mı, yoksa aşağıdan yukarıya bir yaklaşım olarak mı adlandırılır? Yanıtınızı aşağıdaki seçeneklerden seçiniz.
(a) en küçük yapıların boyutlarının nano ölçeğe indirilmesini içeren yukarıdan aşağıya yaklaşım
(b) tek tek atom ve moleküllerin düzenlenerek nanoyapılar oluşturulmasını içeren aşağıdan yukarıya yaklaşım
4.B-2 Trimetil-n-oktilamonyum bromür de faz transfer reaktifi olarak kullanılabilir. \(\ce{AlCl4^-}\) iyonunu sulu fazdan organik faza taşıyabilir. Trimetil-n-oktilamonyum bromürün etkili bir faz transfer reaktifi olarak işlev görmesini sağlayan özelliği hangisidir? Yanıtınızı aşağıdaki seçeneklerden seçiniz.
(a) molekülün bir tarafı elektropozitif, diğer tarafı elektronegatiftir.
(b) molekülün bir tarafı hidrofilik, diğer tarafı hidrofobiktir.
(c) molekülün bir tarafı asidik, diğer tarafı baziktir.
4.B-3 Bu hazırlama işleminde \(\ce{NaBH4}\)'ün işlevi nedir? Yanıtınızı aşağıdaki seçeneklerden seçiniz.
(a) indirgen madde
(b) yükseltgen madde
(c) nötrleştirici madde
(d) kompleksleştirici madde
4.B-4 Bir altın nanoparçacığın ortalama çapı 3 nm ise her bir nanoparçacıktaki tahminî \(\ce{Au}\) atomu sayısı nedir? (\(\ce{Au}\)'nun atom yarıçapı 0.144 nm'dir). Yanıtınızı aşağıdaki seçeneklerden seçiniz ve işlemlerinizi gösteriniz.
(a) \(10^2\)
(b) \(10^3\)
(c) \(10^4\)
(d) \(10^5\)
4.B-5 Bir nanoparçacığın yüzeyindeki \(\ce{Au}\) atomlarının tahminî yüzdesi nedir? Yanıtınızı aşağıdaki seçeneklerden seçiniz ve işlemlerinizi gösteriniz.
(a) 20 – 30 %
(b) 40 – 50 %
(c) 60 – 70 %
(d) 80 – 90 %
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
-
4.A-1: Disiyanidoaurat(I), \(\ce{Au(CN)2^-}\), SMILES
N#C[Au-]C#N. Beş atomun tümü azot–karbon–altın–karbon–azot sırasıyla bir doğru üzerinde yer alır; karbon–altın–karbon açısı \(180^\circ\)'dir. -
4.A-2: \(13.2\ \mathrm{g}\) potasyum siyanür, \(\ce{KCN}\),
[K+].[C-]#N; iki anlamlı rakamla yaklaşık \(13\ \mathrm{g}\). -
4.A-3: Yarı tepkimeler şöyledir: \[ \ce{Au + 4Cl^- -> AuCl4^- + 3e^-} \] \[ \ce{NO3^- + 2H+ + e^- -> NO2 + H2O}. \] Bunların denkleştirilmiş toplamı şöyledir: \[ \boxed{\ce{Au + 3NO3^- + 4Cl^- + 6H+ -> AuCl4^- + 3NO2 + 3H2O}}. \]
-
4.A-4: Yükseltgen madde: nitrat iyonu, \(\ce{NO3^-}\),
[O-][N+](=O)[O-]. İndirgen madde: elementel altın, \(\ce{Au(s)}\);[Au]tek bir altın atomunu temsil eder. -
4.A-5: Tetrakloridoaurat(III), \(\ce{AuCl4^-}\),
[Au-](Cl)(Cl)(Cl)Cloluşumu için \(\boxed{K\approx2.3\times10^{25}}\). -
4.A-6: (c) — klorür iyonu, \(\ce{Cl^-}\),
[Cl-], bir kompleksleştirici maddedir. -
4.B-1: (b) — aşağıdan yukarıya yaklaşım.
-
4.B-2: (b) — hidrofilik, yüklü bir baş ve hidrofobik bir hidrokarbon kuyruğu.
-
4.B-3: (a) — sodyum borohidrür, \(\ce{NaBH4}\),
[Na+].[BH4-], bir indirgen maddedir. -
4.B-4: (b) — nanoparçacık başına yaklaşık \(10^3\) altın atomu.
-
4.B-5: (b) — \(40\text{–}50\%\); dış tabaka tahmini yaklaşık \(47\%\) verir.
Çözüm
Aşağıdaki SMILES gösterimleri bağlanma düzenini ve formal yükü belirtir. Bu kovalent SMILES gösterimlerinde metallere atanan formal yükler, metallerin yükseltgenme basamakları değildir; koordinasyon geometrileri ayrıca belirtilmiştir.
4.A-1
Her siyanür iyonunun, \(\ce{CN^-}\), [C-]#N, yükü \(-1\)'dir. Dolayısıyla altının yükseltgenme basamağı \(x\), şu eşitliği sağlar:
\[ x+2(-1)=-1, \qquad x=+1. \]
Koordinasyon sayısı iki olan altın(I) merkezi, \(d^{10}\) elektron dizilimine ve doğrusal koordinasyona sahiptir. Her iki siyanür ligandı da karbon atomları üzerinden bağlanır.
Bu nedenle çizim, disiyanidoaurat(I) iyonunu, N#C[Au-]C#N, şu şekilde göstermelidir:
\[ \boxed{\ce{[N#C-Au-C#N]^-}}. \]
Beş atomun tümünü, iki karbon–azot üçlü bağı ve iki altın–karbon bağı içerecek şekilde tek bir doğru üzerinde çiziniz. Yapının tamamını köşeli parantez içine alarak toplam \(-1\) yükünü belirtiniz.
4.A-2
Verilen çözünme denklemi şöyledir:
\[ \ce{4Au(s) + 8CN^-(aq) + O2(g) + 2H2O(l) <=> 4Au(CN)2^-(aq) + 4OH^-(aq)}. \]
Dolayısıyla her bir mol altın için, iki mol potasyum siyanürden, [K+].[C-]#N, sağlanan iki mol siyanür gerekir.
Standart molar kütleler kullanıldığında,
\[ M(\ce{Au})=196.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \qquad M(\ce{KCN})=39.10+12.01+14.01 =65.12\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Buna göre
\[ n(\ce{Au}) =\frac{20\ \mathrm{g}}{196.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.10154\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce{KCN})=2(0.10154)=0.20308\ \mathrm{mol}, \]
ve
\[ m(\ce{KCN}) =(0.20308\ \mathrm{mol})(65.12\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =\boxed{13.2\ \mathrm{g}}. \]
Bu, teorik stokiyometrik gereksinimdir; iki anlamlı rakamla yaklaşık \(13\ \mathrm{g}\)'dır.
Çözünme denklemindeki diğer moleküler veya iyonik türler dioksijen O=O, su O ve hidroksit [OH-]'tir.
4.A-3
Altının yükseltgenme basamağı, üç elektron kaybetmesiyle \(0\)'dan \(+3\)'e değişir. Klorürün koordinasyonu da dahil edildiğinde yükseltgenme yarı tepkimesi şöyledir:
\[ \boxed{\ce{Au(s) + 4Cl^-(aq) -> AuCl4^-(aq) + 3e^-}}. \]
Azotun yükseltgenme basamağı, bir elektron kazanmasıyla nitrattaki \(+5\)'ten azot dioksitteki \(+4\)'e değişir. Oksijen suyla, hidrojen ise hidrojen iyonlarıyla denkleştirildiğinde şu elde edilir:
\[ \boxed{\ce{NO3^-(aq) + 2H+(aq) + e^- -> NO2(g) + H2O(l)}}. \]
İndirgenme yarı tepkimesi üçle çarpılıp diğer yarı tepkimeyle toplandığında tüm elektronlar sadeleşir:
\[ \boxed{ \ce{Au(s) + 3NO3^-(aq) + 4Cl^-(aq) + 6H+(aq) -> AuCl4^-(aq) + 3NO2(g) + 3H2O(l)} }. \]
Toplam yük her iki tarafta da \(-1\)'dir ve tüm atomlar denktir.
Türler şunlardır: tetrakloridoaurat(III), \(\ce{AuCl4^-}\), [Au-](Cl)(Cl)(Cl)Cl; nitrat, [O-][N+](=O)[O-]; klorür, [Cl-]; hidrojen iyonu, [H+]; azot dioksit, [O-][N+]=O; ve su, O. Altın kompleksi kare düzlemseldir. Azot dioksit açısal bir radikal moleküldür.
4.A-4
Yükseltgen madde nitrattır, \(\ce{NO3^-}\), [O-][N+](=O)[O-], çünkü elektron alır ve indirgenir: azotun yükseltgenme basamağı \(+5\)'ten \(+4\)'e değişir.
İndirgen madde elementel altındır, \(\ce{Au(s)}\), çünkü elektron verir ve \(0\)'dan \(+3\)'e yükseltgenir. Atomik SMILES gösterimi [Au]'dur; bu gösterim, uzanımlı metalik örgüyü temsil etmez.
4.A-5
İstenen oluşum dengesi şöyledir:
\[ \ce{Au^3+(aq) + 4Cl^-(aq) <=> AuCl4^-(aq)}. \]
Burada altın(III) iyonu [Au+3], tetrakloridoaurat(III) ise [Au-](Cl)(Cl)(Cl)Cl olarak gösterilir.
Verilen ilk yarı tepkimeyi indirgenme yönünde kullanınız:
\[ \ce{Au^3+(aq) + 3e^- -> Au(s)}, \qquad E^\circ_{\mathrm{red}}=+1.50\ \mathrm{V}. \]
İkinci yarı tepkimeyi ters çeviriniz:
\[ \ce{Au(s) + 4Cl^-(aq) -> AuCl4^-(aq) + 3e^-}, \qquad E^\circ_{\mathrm{ox}}=-1.00\ \mathrm{V}. \]
Bunların toplamı istenen oluşum tepkimesidir ve
\[ E^\circ_{\mathrm{cell}}=1.50-1.00=0.50\ \mathrm{V}. \]
Elektrokimyasal çevrimde üç elektron aktarılır. Dolayısıyla,
\[ \Delta_rG^\circ=-3FE^\circ_{\mathrm{cell}} =-RT\ln K, \]
buradan
\[ \ln K=\frac{3FE^\circ_{\mathrm{cell}}}{RT}. \]
\(F=96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\), \(R=8.31446\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}\) ve \(T=298.15\ \mathrm{K}\) kullanıldığında,
\[ \log_{10}K =\frac{3(96485)(0.50)} {(8.31446)(298.15)\ln 10} =25.355. \]
Böylece
\[ \boxed{K=10^{25.355}\approx2.3\times10^{25}}. \]
Termodinamik denge sabiti boyutsuzdur; metinde verilen derişim ifadesinde derişimlerin standart derişime oranlandığı örtük olarak kabul edilir.
4.A-6
Klorür, [Cl-], altın(III)'e bağlanarak kuvvetle kararlılaşmış tetrakloridoaurat(III) kompleksini oluşturur:
\[ \ce{Au^3+ + 4Cl^- <=> AuCl4^-}. \]
Bu, serbest altın(III) iyonlarının derişimini büyük ölçüde azaltır ve altının kompleksleşmiş biçimde çözünmesini destekler. Klorürün yükseltgenme basamağı \(-1\) olarak kalır.
Dolayısıyla yanıt (c), kompleksleştirici madde seçeneğidir.
4.B-1
Nanoparçacıklar, iyonik altın öncüllerinin indirgenmesini izleyen çekirdeklenme ve büyüme süreçleriyle, çok sayıda altın atomu içeren parçacıklar hâlinde oluşur. Nanoyapılar, atomik veya moleküler başlangıç türlerinden bir araya getirilir.
Dolayısıyla bu, (b), aşağıdan yukarıya bir yaklaşım seçeneğidir.
4.B-2
Trimetil-n-oktilamonyum bromürün SMILES gösterimi CCCCCCCC[N+](C)(C)C.[Br-]'dir.
Kuaterner amonyum başı yüklü ve hidrofilikken sekiz karbonlu alkil zinciri hidrofobiktir ve organik fazla uyumludur. Amonyum katyonu bir anyonla eşleşebilir; bu da oluşan iyon çiftinin organik faza geçmesini sağlar.
Soruda belirtilen, transfer edilen anyon; tetrahedral koordinasyona sahip tetrakloridoalüminat(III), \(\ce{AlCl4^-}\), [Al-](Cl)(Cl)(Cl)Cl'dir.
Dolayısıyla gerekli özellik (b): bir tarafının hidrofilik, diğer tarafının hidrofobik olmasıdır.
4.B-3
Sodyum borohidrür, \(\ce{NaBH4}\), [Na+].[BH4-], iyonik altını metalik altına dönüştüren indirgeme eşdeğerlerini sağlar. Borohidrür iyonu, [BH4-], tetrahedral geometriye sahiptir.
Altın(III) öncülü için altının net indirgenmesi şöyle gösterilebilir:
\[ \ce{AuCl4^- + 3e^- -> Au + 4Cl^-}. \]
Dolayısıyla sodyum borohidrür (a), indirgen madde olarak işlev görür.
4.B-4
Hem nanoparçacığı hem de tek bir altın atomunu yaklaşık olarak küre kabul ediniz. Yarıçapları şöyledir:
\[ R=\frac{3\ \mathrm{nm}}{2}=1.5\ \mathrm{nm}, \qquad r=0.144\ \mathrm{nm}. \]
Bu büyüklük mertebesi tahmininde, paketlenmiş atomlar arasındaki boşluklar ihmal edildiğinde,
\[ N\approx \frac{V_{\mathrm{particle}}}{V_{\mathrm{atom}}} = \frac{\frac43\pi R^3}{\frac43\pi r^3} = \left(\frac{R}{r}\right)^3. \]
Böylece
\[ N\approx \left(\frac{1.5}{0.144}\right)^3 =1.13\times10^3. \]
Paketlenmeden kaynaklanan boşlukların hesaba katılması sayısal ön çarpanı değiştirir, ancak büyüklük mertebesini değiştirmez. Dolayısıyla yanıt şöyledir:
\[ \boxed{\text{(b), }10^3\text{ atom/nanoparçacık}}. \]
4.B-5
Yüzey atomlarını yaklaşık olarak bir atom çapı kalınlığında bir dış kabuk olarak kabul ediniz:
\[ t=2r=2(0.144)=0.288\ \mathrm{nm}. \]
Bu durumda iç bölgenin yarıçapı şöyledir:
\[ R_{\mathrm{interior}}=R-t=1.5-0.288=1.212\ \mathrm{nm}. \]
Yüzey kabuğunda ve iç bölgede aynı ortalama atom sayı yoğunluğu kullanıldığında, kabuktaki atomların toplam atom sayısına oranı, kabuk hacminin parçacık hacmine oranına eşittir:
\[ f_{\mathrm{surface}} \approx \frac{R^3-(R-t)^3}{R^3} = 1-\left(\frac{R-t}{R}\right)^3. \]
Dolayısıyla,
\[ f_{\mathrm{surface}} \approx 1-\left(\frac{1.212}{1.5}\right)^3 =0.4725. \]
Böylece atomların yaklaşık \(47\%\)'si en dış atom tabakasında yer alır ve şu sonuç elde edilir:
\[ \boxed{\text{(b), }40\text{–}50\%}. \]
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 2005 · Problema teórico 4
Capital del oro de Asia
A
Capital del oro de Asia
Chiufen, la antigua localidad minera situada entre las colinas del noreste de Taiwán, es un lugar donde se puede experimentar de verdad el legado histórico de Taiwán. Allí se encontraba una de las mayores minas de oro de Asia. Por ello, a Chiufen se la suele llamar la capital del oro de Asia. El compuesto \(\ce{KCN}\) se utiliza tradicionalmente para extraer oro del mineral. El oro se disuelve en disoluciones de cianuro (\(\ce{CN^-}\)) en presencia de aire para formar \(\ce{Au(CN)2^-}\), que es estable en disolución acuosa.

4.A-1 Dibuje una estructura de \(\ce{Au(CN)2^-}\) que muestre la disposición espacial de los átomos.
4.A-2 ¿Cuántos gramos de \(\ce{KCN}\) se necesitan para extraer 20 g de oro del mineral? Muestre los cálculos.
El agua regia, una mezcla 3 : 1 (en volumen) de ácido clorhídrico concentrado y ácido nítrico concentrado, fue desarrollada por los alquimistas como medio para «disolver» el oro. El proceso es, en realidad, una reacción de oxidación-reducción con la siguiente ecuación química simplificada:

4.A-3 Escriba las semirreacciones y utilícelas para obtener una reacción de oxidación-reducción ajustada para este proceso.
4.A-4 ¿Cuáles son los agentes oxidante y reductor del proceso 4.A-3?
El oro es demasiado noble para reaccionar con el ácido nítrico. Sin embargo, el oro sí reacciona con el agua regia porque se forma el ion complejo \(\ce{AuCl4^-}\). Considere las siguientes semirreacciones:

Se puede formar una celda electroquímica a partir de estos dos pares redox.
4.A-5 Calcule la constante de formación de \(\ce{AuCl4^-}\) a \(25\,^\circ\mathrm{C}\):
\[ K=\frac{[\ce{AuCl4^-}]}{[\ce{Au^3+}][\ce{Cl^-}]^4} \]
4.A-6 La función del \(\ce{HCl}\) es proporcionar \(\ce{Cl^-}\). ¿Cuál es la función del \(\ce{Cl^-}\) en la reacción anterior? Seleccione su respuesta entre las siguientes opciones.
(a) El \(\ce{Cl^-}\) es un agente oxidante
(b) El \(\ce{Cl^-}\) es un agente reductor
(c) El \(\ce{Cl^-}\) es un agente complejante
(d) El \(\ce{Cl^-}\) es un catalizador
B
Nanopartículas de oro
La síntesis y la caracterización de nanopartículas de oro constituyen actualmente un campo de investigación activo. El método de Brust-Schiffrin para la síntesis de nanopartículas de oro (AuNP) permite preparar fácilmente AuNP estables térmicamente y al aire, de baja polidispersidad y con una distribución controlada de tamaños cuyos diámetros oscilan entre 1.5 y 5.2 nm. El procedimiento de preparación se describe brevemente a continuación. Se mezcla una disolución acuosa de \(\ce{HAuCl4}\) con una disolución de bromuro de tetra-n-octilamonio en tolueno. La disolución se mezcla con dodecanotiol y se trata con un exceso de \(\ce{NaBH4}\). La formación de las AuNP se manifiesta por el oscurecimiento inmediato y pronunciado de la fase de tolueno. Al cabo de unas 24 h, se elimina el disolvente tolueno con un evaporador rotatorio y se lava el sólido resultante sobre un filtro de vidrio sinterizado con etanol y hexano para eliminar el exceso de tiol. Estas AuNP pueden aislarse y volver a disolverse repetidamente en disolventes orgánicos habituales sin agregación irreversible ni descomposición.
4.B-1 ¿La metodología de esta fabricación se denomina enfoque descendente o ascendente? Seleccione su respuesta entre las siguientes opciones.
(a) enfoque descendente, que consiste en reducir el tamaño de las estructuras más pequeñas hasta la escala nanométrica
(b) enfoque ascendente, que consiste en manipular átomos y moléculas individuales para formar nanoestructuras
4.B-2 El bromuro de trimetil-n-octilamonio también puede utilizarse como reactivo de transferencia de fase. Puede transportar \(\ce{AlCl4^-}\) de una fase acuosa a una fase orgánica. ¿Qué propiedad posee el bromuro de trimetil-n-octilamonio que le permite funcionar como un reactivo eficaz de transferencia de fase? Seleccione su respuesta entre las siguientes opciones.
(a) un extremo de la molécula es electropositivo y el otro es electronegativo.
(b) un extremo de la molécula es hidrófilo y el otro es hidrófobo.
(c) un extremo de la molécula es ácido y el otro es básico.
4.B-3 ¿Cuál es la función del \(\ce{NaBH4}\) en esta preparación? Seleccione su respuesta entre las siguientes opciones.
(a) agente reductor
(b) agente oxidante
(c) agente neutralizante
(d) agente complejante
4.B-4 Si el diámetro medio de una nanopartícula de oro es de 3 nm, ¿cuál es el número estimado de átomos de \(\ce{Au}\) en cada nanopartícula? (El radio atómico del \(\ce{Au}\) es de 0.144 nm). Seleccione su respuesta entre las siguientes opciones y muestre los cálculos.
(a) \(10^2\)
(b) \(10^3\)
(c) \(10^4\)
(d) \(10^5\)
4.B-5 ¿Cuál es el porcentaje estimado de átomos de \(\ce{Au}\) en la superficie de una nanopartícula? Seleccione su respuesta entre las siguientes opciones y muestre los cálculos.
(a) 20 – 30 %
(b) 40 – 50 %
(c) 60 – 70 %
(d) 80 – 90 %
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
-
4.A-1: Dicianidoaurato(I), \(\ce{Au(CN)2^-}\), SMILES
N#C[Au-]C#N. Los cinco átomos se encuentran en una línea recta en el orden nitrógeno–carbono–oro–carbono–nitrógeno; el ángulo carbono–oro–carbono es de \(180^\circ\). -
4.A-2: \(13.2\ \mathrm{g}\) de cianuro de potasio, \(\ce{KCN}\),
[K+].[C-]#N; aproximadamente \(13\ \mathrm{g}\) con dos cifras significativas. -
4.A-3: Las semirreacciones son \[ \ce{Au + 4Cl^- -> AuCl4^- + 3e^-} \] \[ \ce{NO3^- + 2H+ + e^- -> NO2 + H2O}. \] Su suma ajustada es \[ \boxed{\ce{Au + 3NO3^- + 4Cl^- + 6H+ -> AuCl4^- + 3NO2 + 3H2O}}. \]
-
4.A-4: Agente oxidante: ion nitrato, \(\ce{NO3^-}\),
[O-][N+](=O)[O-]. Agente reductor: oro elemental, \(\ce{Au(s)}\);[Au]representa un átomo individual de oro. -
4.A-5: \(\boxed{K\approx2.3\times10^{25}}\) para la formación de tetracloridoaurato(III), \(\ce{AuCl4^-}\),
[Au-](Cl)(Cl)(Cl)Cl. -
4.A-6: (c) — el ion cloruro, \(\ce{Cl^-}\),
[Cl-], es un agente complejante. -
4.B-1: (b) — enfoque ascendente.
-
4.B-2: (b) — una cabeza cargada hidrófila y una cola hidrocarbonada hidrófoba.
-
4.B-3: (a) — el borohidruro de sodio, \(\ce{NaBH4}\),
[Na+].[BH4-], es un agente reductor. -
4.B-4: (b) — aproximadamente \(10^3\) átomos de oro por nanopartícula.
-
4.B-5: (b) — \(40\text{–}50\%\); la estimación de la capa externa da aproximadamente un \(47\%\).
Solución
Los SMILES que aparecen a continuación especifican la conectividad y la carga formal. Las cargas formales asignadas a los metales en estas representaciones SMILES covalentes no son sus estados de oxidación; las geometrías de coordinación se indican por separado.
4.A-1
Cada ion cianuro, \(\ce{CN^-}\), [C-]#N, tiene carga \(-1\). Por tanto, el estado de oxidación \(x\) del oro satisface
\[ x+2(-1)=-1, \qquad x=+1. \]
El centro de oro(I), con número de coordinación dos, tiene una configuración electrónica \(d^{10}\) y una coordinación lineal. Ambos ligandos cianuro se unen a través de sus átomos de carbono.
Por tanto, el dibujo debe mostrar el ion dicianidoaurato(I), N#C[Au-]C#N, como
\[ \boxed{\ce{[N#C-Au-C#N]^-}}. \]
Dibuje los cinco átomos en una misma línea recta, con dos enlaces triples carbono–nitrógeno y dos enlaces oro–carbono. Encierre la estructura completa entre corchetes con una carga global de \(-1\).
4.A-2
La ecuación de disolución dada es
\[ \ce{4Au(s) + 8CN^-(aq) + O2(g) + 2H2O(l) <=> 4Au(CN)2^-(aq) + 4OH^-(aq)}. \]
Así, cada mol de oro requiere dos moles de cianuro, aportados por dos moles de cianuro de potasio, [K+].[C-]#N.
Utilizando las masas molares estándar,
\[ M(\ce{Au})=196.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \qquad M(\ce{KCN})=39.10+12.01+14.01 =65.12\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Por tanto,
\[ n(\ce{Au}) =\frac{20\ \mathrm{g}}{196.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.10154\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce{KCN})=2(0.10154)=0.20308\ \mathrm{mol}, \]
y
\[ m(\ce{KCN}) =(0.20308\ \mathrm{mol})(65.12\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =\boxed{13.2\ \mathrm{g}}. \]
Esta es la cantidad estequiométrica teórica necesaria, aproximadamente \(13\ \mathrm{g}\) con dos cifras significativas.
Las otras especies moleculares o iónicas de la ecuación de disolución son el dioxígeno O=O, el agua O y el hidróxido [OH-].
4.A-3
El oro pasa del estado de oxidación \(0\) al \(+3\), perdiendo tres electrones. Incluyendo la coordinación por cloruro, la semirreacción de oxidación es
\[ \boxed{\ce{Au(s) + 4Cl^-(aq) -> AuCl4^-(aq) + 3e^-}}. \]
El nitrógeno pasa de \(+5\) en el nitrato a \(+4\) en el dióxido de nitrógeno, ganando un electrón. Al ajustar el oxígeno con agua y el hidrógeno con iones hidrógeno, se obtiene
\[ \boxed{\ce{NO3^-(aq) + 2H+(aq) + e^- -> NO2(g) + H2O(l)}}. \]
Al multiplicar la semirreacción de reducción por tres y sumar, se cancelan todos los electrones:
\[ \boxed{ \ce{Au(s) + 3NO3^-(aq) + 4Cl^-(aq) + 6H+(aq) -> AuCl4^-(aq) + 3NO2(g) + 3H2O(l)} }. \]
La carga total es \(-1\) a cada lado, y todos los átomos están ajustados.
Las especies son tetracloridoaurato(III), \(\ce{AuCl4^-}\), [Au-](Cl)(Cl)(Cl)Cl; nitrato, [O-][N+](=O)[O-]; cloruro, [Cl-]; ion hidrógeno, [H+]; dióxido de nitrógeno, [O-][N+]=O; y agua, O. El complejo de oro tiene geometría cuadrada plana. El dióxido de nitrógeno es una molécula radicalaria angular.
4.A-4
El agente oxidante es el nitrato, \(\ce{NO3^-}\), [O-][N+](=O)[O-], porque acepta electrones y se reduce: el nitrógeno pasa de \(+5\) a \(+4\).
El agente reductor es el oro elemental, \(\ce{Au(s)}\), porque cede electrones y se oxida de \(0\) a \(+3\). Su SMILES atómico es [Au]; este no representa la red metálica extendida.
4.A-5
El equilibrio de formación requerido es
\[ \ce{Au^3+(aq) + 4Cl^-(aq) <=> AuCl4^-(aq)}. \]
Aquí, el ion oro(III) es [Au+3], y el tetracloridoaurato(III) es [Au-](Cl)(Cl)(Cl)Cl.
Utilice la primera semirreacción dada en el sentido de reducción:
\[ \ce{Au^3+(aq) + 3e^- -> Au(s)}, \qquad E^\circ_{\mathrm{red}}=+1.50\ \mathrm{V}. \]
Invierta la segunda semirreacción:
\[ \ce{Au(s) + 4Cl^-(aq) -> AuCl4^-(aq) + 3e^-}, \qquad E^\circ_{\mathrm{ox}}=-1.00\ \mathrm{V}. \]
Su suma es la reacción de formación deseada, con
\[ E^\circ_{\mathrm{cell}}=1.50-1.00=0.50\ \mathrm{V}. \]
En el ciclo electroquímico se transfieren tres electrones. Por tanto,
\[ \Delta_rG^\circ=-3FE^\circ_{\mathrm{cell}} =-RT\ln K, \]
de modo que
\[ \ln K=\frac{3FE^\circ_{\mathrm{cell}}}{RT}. \]
Utilizando \(F=96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\), \(R=8.31446\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}\) y \(T=298.15\ \mathrm{K}\),
\[ \log_{10}K =\frac{3(96485)(0.50)} {(8.31446)(298.15)\ln 10} =25.355. \]
Así,
\[ \boxed{K=10^{25.355}\approx2.3\times10^{25}}. \]
La constante de equilibrio termodinámica es adimensional; la expresión en función de las concentraciones que figura en el enunciado refiere implícitamente las concentraciones a la concentración estándar.
4.A-6
El cloruro, [Cl-], se une al oro(III) para formar el complejo tetracloridoaurato(III), fuertemente estabilizado:
\[ \ce{Au^3+ + 4Cl^- <=> AuCl4^-}. \]
Esto disminuye considerablemente la concentración de iones oro(III) libres y favorece la disolución del oro en forma de complejo. El cloruro permanece en el estado de oxidación \(-1\).
Por tanto, la respuesta es (c), agente complejante.
4.B-1
Las nanopartículas se forman mediante la reducción de precursores iónicos de oro, seguida de nucleación y crecimiento hasta formar partículas que contienen muchos átomos de oro. Las nanoestructuras se ensamblan a partir de especies atómicas o moleculares iniciales.
Por tanto, se trata de (b), un enfoque ascendente.
4.B-2
El bromuro de trimetil-n-octilamonio tiene el SMILES CCCCCCCC[N+](C)(C)C.[Br-].
Su cabeza de amonio cuaternario está cargada y es hidrófila, mientras que su cadena alquílica de ocho carbonos es hidrófoba y compatible con la fase orgánica. El catión amonio puede asociarse con un anión, lo que permite que el par iónico resultante pase a la fase orgánica.
El anión transferido que figura en la pregunta es el tetracloridoaluminato(III), \(\ce{AlCl4^-}\), [Al-](Cl)(Cl)(Cl)Cl, que tiene coordinación tetraédrica.
La propiedad requerida es, por tanto, (b): un extremo es hidrófilo y el otro es hidrófobo.
4.B-3
El borohidruro de sodio, \(\ce{NaBH4}\), [Na+].[BH4-], aporta equivalentes reductores que convierten el oro iónico en oro metálico. Su ion borohidruro, [BH4-], tiene geometría tetraédrica.
Para el precursor de oro(III), la reducción neta del oro puede representarse como
\[ \ce{AuCl4^- + 3e^- -> Au + 4Cl^-}. \]
Por tanto, el borohidruro de sodio actúa como (a), un agente reductor.
4.B-4
Aproxime tanto la nanopartícula como un átomo individual de oro mediante esferas. Sus radios son
\[ R=\frac{3\ \mathrm{nm}}{2}=1.5\ \mathrm{nm}, \qquad r=0.144\ \mathrm{nm}. \]
Despreciando los espacios entre los átomos empaquetados para esta estimación del orden de magnitud,
\[ N\approx \frac{V_{\mathrm{particle}}}{V_{\mathrm{atom}}} = \frac{\frac43\pi R^3}{\frac43\pi r^3} = \left(\frac{R}{r}\right)^3. \]
Así,
\[ N\approx \left(\frac{1.5}{0.144}\right)^3 =1.13\times10^3. \]
Tener en cuenta los huecos del empaquetamiento cambia el factor numérico, pero no el orden de magnitud. Por tanto, la respuesta es
\[ \boxed{\text{(b), }10^3\text{ átomos por nanopartícula}}. \]
4.B-5
Aproxime los átomos de la superficie mediante una capa externa de un diámetro atómico de espesor:
\[ t=2r=2(0.144)=0.288\ \mathrm{nm}. \]
El radio interior es entonces
\[ R_{\mathrm{interior}}=R-t=1.5-0.288=1.212\ \mathrm{nm}. \]
Utilizando la misma densidad numérica atómica media en la capa superficial y en el interior, la fracción de átomos de la capa es igual a la fracción del volumen de la partícula que esta ocupa:
\[ f_{\mathrm{surface}} \approx \frac{R^3-(R-t)^3}{R^3} = 1-\left(\frac{R-t}{R}\right)^3. \]
Por tanto,
\[ f_{\mathrm{surface}} \approx 1-\left(\frac{1.212}{1.5}\right)^3 =0.4725. \]
Así, aproximadamente el \(47\%\) de los átomos se encuentra en la capa atómica externa, lo que da
\[ \boxed{\text{(b), }40\text{–}50\%}. \]
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 2005 · 理论题 4
亚洲金都
A
亚洲金都
九份是位于台湾东北部山间的一座古老矿业小镇,在这里,你可以真切地感受到台湾的历史遗产。这里曾是亚洲最大的金矿之一的所在地。因此,九份常被称为亚洲金都。传统上,人们使用化合物 \(\ce{KCN}\) 从矿石中提取金。在空气存在的条件下,金溶解于氰化物(\(\ce{CN^-}\))溶液中,形成在水溶液中稳定的 \(\ce{Au(CN)2^-}\)。

4.A-1 画出 \(\ce{Au(CN)2^-}\) 的结构,表示出各原子的空间排列。
4.A-2 从矿石中提取 20 g 金需要多少克 \(\ce{KCN}\)?写出计算过程。
王水是浓盐酸和浓硝酸按 3 : 1 的体积比混合而成的混合物,是炼金术士为“溶解”金而开发的。该过程实际上是氧化还原反应,其简化的化学方程式如下:

4.A-3 写出半反应,并利用它们得到该过程配平的氧化还原反应方程式。
4.A-4 4.A-3 过程中,氧化剂和还原剂分别是什么?
金的化学性质十分不活泼,不能与硝酸反应。然而,金却能与王水反应,这是因为生成了配离子 \(\ce{AuCl4^-}\)。考虑以下半反应:

这两个氧化还原电对可以组成一个电化学电池。
4.A-5 计算 \(25\,^\circ\mathrm{C}\) 时 \(\ce{AuCl4^-}\) 的生成常数:
\[ K=\frac{[\ce{AuCl4^-}]}{[\ce{Au^3+}][\ce{Cl^-}]^4} \]
4.A-6 \(\ce{HCl}\) 的作用是提供 \(\ce{Cl^-}\)。在上述反应中,\(\ce{Cl^-}\) 的作用是什么?从以下选项中选择答案。
(a) \(\ce{Cl^-}\) 是氧化剂
(b) \(\ce{Cl^-}\) 是还原剂
(c) \(\ce{Cl^-}\) 是配位剂
(d) \(\ce{Cl^-}\) 是催化剂
B
金纳米颗粒
金纳米颗粒的合成与表征是当前活跃的研究领域。用于合成金纳米颗粒(AuNP)的 Brust-Schiffrin 法可以方便地制备出热稳定性和空气稳定性良好、多分散性较低且粒径分布可控的 AuNP,其直径范围为 1.5 至 5.2 nm。制备过程简述如下。将 \(\ce{HAuCl4}\) 水溶液与四正辛基溴化铵的甲苯溶液混合。向该溶液中混入十二烷硫醇,再用过量的 \(\ce{NaBH4}\) 处理。甲苯相立即明显变暗,表明形成了 AuNP。约 24 h 后,用旋转蒸发仪除去甲苯溶剂,并在砂芯滤器上用乙醇和己烷洗涤所得固体,以除去过量的硫醇。这些 AuNP 可以反复分离并重新溶解于常见的有机溶剂中,而不会发生不可逆的聚集或分解。
4.B-1 这种制备方法属于自上而下法还是自下而上法?从以下选项中选择答案。
(a) 自上而下法,即将最小结构的尺寸减小至纳米尺度
(b) 自下而上法,即操纵单个原子和分子,使其组成纳米结构
4.B-2 三甲基正辛基溴化铵也可以用作相转移试剂。它可以将 \(\ce{AlCl4^-}\) 从水相转移至有机相。三甲基正辛基溴化铵具有什么性质,使其能够用作高效的相转移试剂?从以下选项中选择答案。
(a) 分子的一端具有电正性,另一端具有电负性。
(b) 分子的一端具有亲水性,另一端具有疏水性。
(c) 分子的一端呈酸性,另一端呈碱性。
4.B-3 \(\ce{NaBH4}\) 在这一制备过程中的作用是什么?从以下选项中选择答案。
(a) 还原剂
(b) 氧化剂
(c) 中和剂
(d) 配位剂
4.B-4 若金纳米颗粒的平均直径为 3 nm,估算每个纳米颗粒中含有多少个 \(\ce{Au}\) 原子?(\(\ce{Au}\) 的原子半径为 0.144 nm。)从以下选项中选择答案,并写出计算过程。
(a) \(10^2\)
(b) \(10^3\)
(c) \(10^4\)
(d) \(10^5\)
4.B-5 估算纳米颗粒表面上的 \(\ce{Au}\) 原子所占的百分比。从以下选项中选择答案,并写出计算过程。
(a) 20 – 30 %
(b) 40 – 50 %
(c) 60 – 70 %
(d) 80 – 90 %
题目译自官方英文原文。
答案
-
4.A-1: 二氰合金(I)离子,\(\ce{Au(CN)2^-}\),SMILES 为
N#C[Au-]C#N。全部五个原子按氮–碳–金–碳–氮的顺序排列在一条直线上;碳–金–碳键角为 \(180^\circ\)。 -
4.A-2: 需要 \(13.2\ \mathrm{g}\) 氰化钾,\(\ce{KCN}\),
[K+].[C-]#N;保留两位有效数字约为 \(13\ \mathrm{g}\)。 -
4.A-3: 半反应为 \[ \ce{Au + 4Cl^- -> AuCl4^- + 3e^-} \] \[ \ce{NO3^- + 2H+ + e^- -> NO2 + H2O}. \] 将它们相加,得到配平的总反应: \[ \boxed{\ce{Au + 3NO3^- + 4Cl^- + 6H+ -> AuCl4^- + 3NO2 + 3H2O}}. \]
-
4.A-4: 氧化剂:硝酸根离子,\(\ce{NO3^-}\),
[O-][N+](=O)[O-]。还原剂:金单质,\(\ce{Au(s)}\);[Au]表示单个金原子。 -
4.A-5: 四氯合金(III)离子,\(\ce{AuCl4^-}\),
[Au-](Cl)(Cl)(Cl)Cl,的生成常数为 \(\boxed{K\approx2.3\times10^{25}}\)。 -
4.A-6: (c) — 氯离子,\(\ce{Cl^-}\),
[Cl-],是配位剂。 -
4.B-1: (b) — 自下而上法。
-
4.B-2: (b) — 具有亲水性的带电头部和具有疏水性的烃链尾部。
-
4.B-3: (a) — 硼氢化钠,\(\ce{NaBH4}\),
[Na+].[BH4-],是还原剂。 -
4.B-4: (b) — 每个纳米颗粒约含 \(10^3\) 个金原子。
-
4.B-5: (b) — \(40\text{–}50\%\);按外层估算得到约 \(47\%\)。
解答
以下 SMILES 指明原子的连接关系和形式电荷。在这些共价 SMILES 表示中,赋予金属的形式电荷并非其氧化态;配位几何构型另行说明。
4.A-1
每个氰根离子,\(\ce{CN^-}\),[C-]#N,带有 \(-1\) 电荷。因此,金的氧化态 \(x\) 满足
\[ x+2(-1)=-1, \qquad x=+1. \]
二配位的金(I)中心具有 \(d^{10}\) 电子构型,呈直线形配位。两个氰根配体均通过其碳原子与金结合。
因此,应将二氰合金(I)离子,N#C[Au-]C#N,画为
\[ \boxed{\ce{[N#C-Au-C#N]^-}}. \]
将全部五个原子画在同一条直线上,其中有两个碳–氮三键和两个金–碳键。用方括号括起整个结构,并标明总电荷为 \(-1\)。
4.A-2
给定的溶解反应方程式为
\[ \ce{4Au(s) + 8CN^-(aq) + O2(g) + 2H2O(l) <=> 4Au(CN)2^-(aq) + 4OH^-(aq)}. \]
因此,每摩尔金需要两摩尔氰根,由两摩尔氰化钾 [K+].[C-]#N 提供。
采用标准摩尔质量,
\[ M(\ce{Au})=196.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \qquad M(\ce{KCN})=39.10+12.01+14.01 =65.12\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
于是
\[ n(\ce{Au}) =\frac{20\ \mathrm{g}}{196.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.10154\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce{KCN})=2(0.10154)=0.20308\ \mathrm{mol}, \]
且
\[ m(\ce{KCN}) =(0.20308\ \mathrm{mol})(65.12\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =\boxed{13.2\ \mathrm{g}}. \]
这是理论上的化学计量需求量,保留两位有效数字约为 \(13\ \mathrm{g}\)。
溶解反应方程式中的其他分子或离子物种为氧气 O=O、水 O 和氢氧根离子 [OH-]。
4.A-3
金的氧化态由 \(0\) 变为 \(+3\),失去三个电子。计入氯离子的配位作用,氧化半反应为
\[ \boxed{\ce{Au(s) + 4Cl^-(aq) -> AuCl4^-(aq) + 3e^-}}. \]
氮的氧化态由硝酸根中的 \(+5\) 变为二氧化氮中的 \(+4\),得到一个电子。用水配平氧原子,用氢离子配平氢原子,得到
\[ \boxed{\ce{NO3^-(aq) + 2H+(aq) + e^- -> NO2(g) + H2O(l)}}. \]
将还原半反应乘以三后相加,所有电子均被消去:
\[ \boxed{ \ce{Au(s) + 3NO3^-(aq) + 4Cl^-(aq) + 6H+(aq) -> AuCl4^-(aq) + 3NO2(g) + 3H2O(l)} }. \]
两边的总电荷均为 \(-1\),且所有原子均已配平。
各物种为四氯合金(III)离子,\(\ce{AuCl4^-}\),[Au-](Cl)(Cl)(Cl)Cl;硝酸根离子,[O-][N+](=O)[O-];氯离子,[Cl-];氢离子,[H+];二氧化氮,[O-][N+]=O;以及水,O。该金配合物呈平面正方形。二氧化氮是折线形的自由基分子。
4.A-4
氧化剂是硝酸根离子,\(\ce{NO3^-}\),[O-][N+](=O)[O-],因为它接受电子并被还原:氮的氧化态由 \(+5\) 变为 \(+4\)。
还原剂是金单质,\(\ce{Au(s)}\),因为它提供电子,氧化态由 \(0\) 升至 \(+3\),被氧化。其原子的 SMILES 为 [Au];这并不表示延展的金属晶格。
4.A-5
所求的生成平衡为
\[ \ce{Au^3+(aq) + 4Cl^-(aq) <=> AuCl4^-(aq)}. \]
这里,金(III)离子为 [Au+3],四氯合金(III)离子为 [Au-](Cl)(Cl)(Cl)Cl。
将给定的第一个半反应按还原方向使用:
\[ \ce{Au^3+(aq) + 3e^- -> Au(s)}, \qquad E^\circ_{\mathrm{red}}=+1.50\ \mathrm{V}. \]
将第二个半反应反向:
\[ \ce{Au(s) + 4Cl^-(aq) -> AuCl4^-(aq) + 3e^-}, \qquad E^\circ_{\mathrm{ox}}=-1.00\ \mathrm{V}. \]
两者相加即为所需的生成反应,其中
\[ E^\circ_{\mathrm{cell}}=1.50-1.00=0.50\ \mathrm{V}. \]
该电化学循环中转移了三个电子。因此,
\[ \Delta_rG^\circ=-3FE^\circ_{\mathrm{cell}} =-RT\ln K, \]
所以
\[ \ln K=\frac{3FE^\circ_{\mathrm{cell}}}{RT}. \]
代入 \(F=96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\)、\(R=8.31446\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}\) 和 \(T=298.15\ \mathrm{K}\),
\[ \log_{10}K =\frac{3(96485)(0.50)} {(8.31446)(298.15)\ln 10} =25.355. \]
因此
\[ \boxed{K=10^{25.355}\approx2.3\times10^{25}}. \]
热力学平衡常数是无量纲的;题中给出的浓度表达式隐含地将各浓度除以标准浓度。
4.A-6
氯离子 [Cl-] 与金(III)结合,形成高度稳定的四氯合金(III)配离子:
\[ \ce{Au^3+ + 4Cl^- <=> AuCl4^-}. \]
这大大降低了游离金(III)离子的浓度,有利于金以配合物的形式溶解。氯离子的氧化态仍为 \(-1\)。
因此,答案是 (c),配位剂。
4.B-1
离子态的金前驱体经还原后,再经成核和生长,形成含有许多金原子的纳米颗粒。这些纳米结构由原子或分子形式的起始物种组装而成。
因此,这是 (b),自下而上法。
4.B-2
三甲基正辛基溴化铵的 SMILES 为 CCCCCCCC[N+](C)(C)C.[Br-]。
其季铵头部带电,具有亲水性,而其含八个碳原子的烷基链具有疏水性,与有机相相容。铵阳离子可以与阴离子缔合,使所形成的离子对能够进入有机相。
题目中所写的被转移阴离子为四氯合铝(III)离子,\(\ce{AlCl4^-}\),[Al-](Cl)(Cl)(Cl)Cl,其配位构型为四面体。
因此,所需的性质是 (b):一端具有亲水性,另一端具有疏水性。
4.B-3
硼氢化钠,\(\ce{NaBH4}\),[Na+].[BH4-],提供还原当量,将离子态的金转化为金属金。其中的硼氢根离子 [BH4-] 呈四面体构型。
对于金(III)前驱体,金的净还原反应可表示为
\[ \ce{AuCl4^- + 3e^- -> Au + 4Cl^-}. \]
因此,硼氢化钠起 (a),还原剂的作用。
4.B-4
将纳米颗粒和单个金原子均近似为球体。它们的半径为
\[ R=\frac{3\ \mathrm{nm}}{2}=1.5\ \mathrm{nm}, \qquad r=0.144\ \mathrm{nm}. \]
在这一数量级估算中,忽略堆积原子间的空隙,
\[ N\approx \frac{V_{\mathrm{particle}}}{V_{\mathrm{atom}}} = \frac{\frac43\pi R^3}{\frac43\pi r^3} = \left(\frac{R}{r}\right)^3. \]
因此
\[ N\approx \left(\frac{1.5}{0.144}\right)^3 =1.13\times10^3. \]
考虑堆积空隙会改变数值前因子,但不会改变数量级。因此,答案为
\[ \boxed{\text{(b), }10^3\text{ 个原子/纳米颗粒}}. \]
4.B-5
将表面原子近似视为厚度为一个原子直径的外壳层:
\[ t=2r=2(0.144)=0.288\ \mathrm{nm}. \]
则内部区域的半径为
\[ R_{\mathrm{interior}}=R-t=1.5-0.288=1.212\ \mathrm{nm}. \]
假设表面壳层与内部区域的平均原子数密度相同,则壳层中的原子数占比等于壳层体积占颗粒体积的比例:
\[ f_{\mathrm{surface}} \approx \frac{R^3-(R-t)^3}{R^3} = 1-\left(\frac{R-t}{R}\right)^3. \]
因此,
\[ f_{\mathrm{surface}} \approx 1-\left(\frac{1.212}{1.5}\right)^3 =0.4725. \]
所以,约 \(47\%\) 的原子位于最外原子层,得到
\[ \boxed{\text{(b), }40\text{–}50\%}. \]
解答已与官方解答核对。
IChO 2005 · Теоретическая задача 4
Золотая столица Азии
A
Золотая столица Азии
Цзюфэнь, старый шахтёрский городок, расположенный среди холмов на северо-востоке Тайваня, — место, где можно по-настоящему ощутить историческое наследие Тайваня. Здесь находился один из крупнейших золотых рудников Азии. Поэтому Цзюфэнь часто называют золотой столицей Азии. Соединение \(\ce{KCN}\) традиционно используют для извлечения золота из руды. В присутствии воздуха золото растворяется в растворах цианида (\(\ce{CN^-}\)) с образованием \(\ce{Au(CN)2^-}\), устойчивого в водном растворе.

4.A-1 Изобразите структуру \(\ce{Au(CN)2^-}\), показав пространственное расположение атомов.
4.A-2 Сколько граммов \(\ce{KCN}\) необходимо для извлечения 20 г золота из руды? Приведите расчёты.
Царская водка — смесь концентрированных соляной и азотной кислот в объёмном соотношении 3 : 1 — была создана алхимиками как средство для «растворения» золота. В действительности этот процесс представляет собой окислительно-восстановительную реакцию, описываемую следующим упрощённым химическим уравнением:

4.A-3 Запишите полуреакции и с их помощью составьте уравнение окислительно-восстановительной реакции для этого процесса с расставленными коэффициентами.
4.A-4 Какие вещества являются окислителем и восстановителем в процессе 4.A-3?
Золото — слишком благородный металл, чтобы реагировать с азотной кислотой. Однако оно реагирует с царской водкой благодаря образованию комплексного иона \(\ce{AuCl4^-}\). Рассмотрите следующие полуреакции:

Из этих двух окислительно-восстановительных пар можно составить гальванический элемент.
4.A-5 Рассчитайте константу образования \(\ce{AuCl4^-}\) при \(25\,^\circ\mathrm{C}\):
\[ K=\frac{[\ce{AuCl4^-}]}{[\ce{Au^3+}][\ce{Cl^-}]^4} \]
4.A-6 Функция \(\ce{HCl}\) заключается в обеспечении реакции ионами \(\ce{Cl^-}\). Какова роль \(\ce{Cl^-}\) в приведённой выше реакции? Выберите ответ из следующих вариантов.
(a) \(\ce{Cl^-}\) — окислитель
(b) \(\ce{Cl^-}\) — восстановитель
(c) \(\ce{Cl^-}\) — комплексообразующий реагент
(d) \(\ce{Cl^-}\) — катализатор
B
Наночастицы золота
Синтез и изучение характеристик наночастиц золота в настоящее время являются активно развивающейся областью исследований. Метод Бруста — Шиффрина для синтеза наночастиц золота (AuNP) позволяет легко получать термически устойчивые и устойчивые на воздухе AuNP с пониженной полидисперсностью и контролируемым распределением по размерам в диапазоне диаметров от 1.5 до 5.2 нм. Методика получения кратко описана ниже. Водный раствор \(\ce{HAuCl4}\) смешивают с раствором бромида тетра-н-октиламмония в толуоле. Раствор смешивают с додекантиолом и обрабатывают избытком \(\ce{NaBH4}\). Об образовании AuNP свидетельствует немедленное резкое потемнение толуольной фазы. Примерно через 24 ч толуол удаляют на роторном испарителе, а полученное твёрдое вещество промывают на фильтре из пористого стекла этанолом и гексаном для удаления избытка тиола. Эти AuNP можно многократно выделять и вновь растворять в обычных органических растворителях без необратимой агрегации или разложения.
4.B-1 Относится ли этот метод получения к подходу «сверху вниз» или «снизу вверх»? Выберите ответ из следующих вариантов.
(a) подход «сверху вниз», предполагающий уменьшение размеров мельчайших структур до наномасштаба
(b) подход «снизу вверх», предполагающий создание наноструктур путём манипулирования отдельными атомами и молекулами
4.B-2 Бромид триметил-н-октиламмония также можно использовать в качестве межфазного переносчика. Он может переносить \(\ce{AlCl4^-}\) из водной фазы в органическую. Каким свойством обладает бромид триметил-н-октиламмония, позволяющим ему эффективно выполнять роль межфазного переносчика? Выберите ответ из следующих вариантов.
(a) одна часть молекулы электроположительна, а другая электроотрицательна.
(b) одна часть молекулы гидрофильна, а другая гидрофобна.
(c) одна часть молекулы обладает кислотными свойствами, а другая — основными.
4.B-3 Какова роль \(\ce{NaBH4}\) в этом синтезе? Выберите ответ из следующих вариантов.
(a) восстановитель
(b) окислитель
(c) нейтрализующий реагент
(d) комплексообразующий реагент
4.B-4 Если средний диаметр наночастицы золота равен 3 нм, каково приблизительное число атомов \(\ce{Au}\) в каждой наночастице? (Атомный радиус \(\ce{Au}\) равен 0.144 нм.) Выберите ответ из следующих вариантов и приведите расчёты.
(a) \(10^2\)
(b) \(10^3\)
(c) \(10^4\)
(d) \(10^5\)
4.B-5 Какова приблизительная доля атомов \(\ce{Au}\), находящихся на поверхности наночастицы, в процентах? Выберите ответ из следующих вариантов и приведите расчёты.
(a) 20 – 30 %
(b) 40 – 50 %
(c) 60 – 70 %
(d) 80 – 90 %
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
-
4.A-1: Дицианоаурат(I), \(\ce{Au(CN)2^-}\), SMILES
N#C[Au-]C#N. Все пять атомов лежат на одной прямой в последовательности азот–углерод–золото–углерод–азот; угол углерод–золото–углерод равен \(180^\circ\). -
4.A-2: \(13.2\ \mathrm{g}\) цианида калия, \(\ce{KCN}\),
[K+].[C-]#N; приблизительно \(13\ \mathrm{g}\) при округлении до двух значащих цифр. -
4.A-3: Полуреакции имеют вид \[ \ce{Au + 4Cl^- -> AuCl4^- + 3e^-} \] \[ \ce{NO3^- + 2H+ + e^- -> NO2 + H2O}. \] Их суммарное уравнение с расставленными коэффициентами: \[ \boxed{\ce{Au + 3NO3^- + 4Cl^- + 6H+ -> AuCl4^- + 3NO2 + 3H2O}}. \]
-
4.A-4: Окислитель: нитрат-ион, \(\ce{NO3^-}\),
[O-][N+](=O)[O-]. Восстановитель: простое вещество золото, \(\ce{Au(s)}\);[Au]обозначает отдельный атом золота. -
4.A-5: \(\boxed{K\approx2.3\times10^{25}}\) для образования тетрахлороаурата(III), \(\ce{AuCl4^-}\),
[Au-](Cl)(Cl)(Cl)Cl. -
4.A-6: (c) — хлорид-ион, \(\ce{Cl^-}\),
[Cl-], является комплексообразующим реагентом. -
4.B-1: (b) — подход «снизу вверх».
-
4.B-2: (b) — гидрофильная заряженная головная группа и гидрофобный углеводородный хвост.
-
4.B-3: (a) — борогидрид натрия, \(\ce{NaBH4}\),
[Na+].[BH4-], является восстановителем. -
4.B-4: (b) — приблизительно \(10^3\) атомов золота в каждой наночастице.
-
4.B-5: (b) — \(40\text{–}50\%\); оценка по внешнему слою даёт приблизительно \(47\%\).
Решение
Приведённые ниже SMILES задают порядок соединения атомов и формальный заряд. Формальные заряды, приписанные металлам в этих ковалентных представлениях SMILES, не являются их степенями окисления; координационная геометрия указывается отдельно.
4.A-1
Каждый цианид-ион, \(\ce{CN^-}\), [C-]#N, имеет заряд \(-1\). Следовательно, степень окисления золота \(x\) удовлетворяет уравнению
\[ x+2(-1)=-1, \qquad x=+1. \]
Центральный атом золота(I) с координационным числом два имеет электронную конфигурацию \(d^{10}\) и линейное координационное окружение. Оба цианидных лиганда связываются с ним через атомы углерода.
Таким образом, на рисунке следует изобразить ион дицианоаурата(I), N#C[Au-]C#N, в виде
\[ \boxed{\ce{[N#C-Au-C#N]^-}}. \]
Расположите все пять атомов на одной прямой, изобразив две тройные связи углерод–азот и две связи золото–углерод. Заключите всю структуру в скобки и укажите суммарный заряд \(-1\).
4.A-2
Данное уравнение растворения имеет вид
\[ \ce{4Au(s) + 8CN^-(aq) + O2(g) + 2H2O(l) <=> 4Au(CN)2^-(aq) + 4OH^-(aq)}. \]
Таким образом, на каждый моль золота требуется два моля цианид-ионов, которые поступают из двух молей цианида калия, [K+].[C-]#N.
Используем стандартные молярные массы:
\[ M(\ce{Au})=196.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \qquad M(\ce{KCN})=39.10+12.01+14.01 =65.12\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Следовательно,
\[ n(\ce{Au}) =\frac{20\ \mathrm{g}}{196.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.10154\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce{KCN})=2(0.10154)=0.20308\ \mathrm{mol}, \]
и
\[ m(\ce{KCN}) =(0.20308\ \mathrm{mol})(65.12\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =\boxed{13.2\ \mathrm{g}}. \]
Это теоретически необходимое стехиометрическое количество, приблизительно \(13\ \mathrm{g}\) при округлении до двух значащих цифр.
Другие молекулярные или ионные частицы в уравнении растворения — молекулярный кислород O=O, вода O и гидроксид-ион [OH-].
4.A-3
Степень окисления золота изменяется от \(0\) до \(+3\), при этом оно отдаёт три электрона. С учётом координации хлорид-ионов полуреакция окисления имеет вид
\[ \boxed{\ce{Au(s) + 4Cl^-(aq) -> AuCl4^-(aq) + 3e^-}}. \]
Степень окисления азота изменяется от \(+5\) в нитрат-ионе до \(+4\) в диоксиде азота, при этом он принимает один электрон. Уравнивая число атомов кислорода с помощью воды, а число атомов водорода — с помощью ионов водорода, получаем
\[ \boxed{\ce{NO3^-(aq) + 2H+(aq) + e^- -> NO2(g) + H2O(l)}}. \]
Умножая полуреакцию восстановления на три и складывая полуреакции, сокращаем все электроны:
\[ \boxed{ \ce{Au(s) + 3NO3^-(aq) + 4Cl^-(aq) + 6H+(aq) -> AuCl4^-(aq) + 3NO2(g) + 3H2O(l)} }. \]
Суммарный заряд каждой части уравнения равен \(-1\), и баланс всех атомов соблюдён.
Участвующие частицы: тетрахлороаурат(III), \(\ce{AuCl4^-}\), [Au-](Cl)(Cl)(Cl)Cl; нитрат-ион, [O-][N+](=O)[O-]; хлорид-ион, [Cl-]; ион водорода, [H+]; диоксид азота, [O-][N+]=O; и вода, O. Комплекс золота имеет плоскую квадратную геометрию. Диоксид азота — радикальная молекула углового строения.
4.A-4
Окислителем является нитрат-ион, \(\ce{NO3^-}\), [O-][N+](=O)[O-], поскольку он принимает электроны и восстанавливается: степень окисления азота изменяется от \(+5\) до \(+4\).
Восстановителем является простое вещество золото, \(\ce{Au(s)}\), поскольку оно отдаёт электроны и окисляется от \(0\) до \(+3\). SMILES отдельного атома золота — [Au]; эта запись не описывает протяжённую металлическую решётку.
4.A-5
Искомое равновесие образования комплекса имеет вид
\[ \ce{Au^3+(aq) + 4Cl^-(aq) <=> AuCl4^-(aq)}. \]
Здесь ион золота(III) обозначается [Au+3], а тетрахлороаурат(III) — [Au-](Cl)(Cl)(Cl)Cl.
Используем первую данную полуреакцию в направлении восстановления:
\[ \ce{Au^3+(aq) + 3e^- -> Au(s)}, \qquad E^\circ_{\mathrm{red}}=+1.50\ \mathrm{V}. \]
Обратим вторую полуреакцию:
\[ \ce{Au(s) + 4Cl^-(aq) -> AuCl4^-(aq) + 3e^-}, \qquad E^\circ_{\mathrm{ox}}=-1.00\ \mathrm{V}. \]
Их сумма даёт искомую реакцию образования комплекса, причём
\[ E^\circ_{\mathrm{cell}}=1.50-1.00=0.50\ \mathrm{V}. \]
В этом электрохимическом цикле передаются три электрона. Поэтому
\[ \Delta_rG^\circ=-3FE^\circ_{\mathrm{cell}} =-RT\ln K, \]
откуда
\[ \ln K=\frac{3FE^\circ_{\mathrm{cell}}}{RT}. \]
Используя \(F=96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\), \(R=8.31446\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}\) и \(T=298.15\ \mathrm{K}\), получаем
\[ \log_{10}K =\frac{3(96485)(0.50)} {(8.31446)(298.15)\ln 10} =25.355. \]
Таким образом,
\[ \boxed{K=10^{25.355}\approx2.3\times10^{25}}. \]
Термодинамическая константа равновесия безразмерна; в приведённом выражении через концентрации неявно подразумевается, что концентрации отнесены к стандартной концентрации.
4.A-6
Хлорид-ион, [Cl-], связывает золото(III), образуя очень устойчивый комплекс тетрахлороаурата(III):
\[ \ce{Au^3+ + 4Cl^- <=> AuCl4^-}. \]
Это значительно снижает концентрацию свободных ионов золота(III) и способствует растворению золота с переходом в комплексную форму. Степень окисления хлора в хлорид-ионе остаётся равной \(-1\).
Следовательно, ответ — (c), комплексообразующий реагент.
4.B-1
Наночастицы образуются при восстановлении ионных предшественников золота с последующим зародышеобразованием и ростом частиц, содержащих множество атомов золота. Наноструктуры собираются из исходных атомных или молекулярных частиц.
Следовательно, это (b), подход «снизу вверх».
4.B-2
Бромид триметил-н-октиламмония имеет SMILES CCCCCCCC[N+](C)(C)C.[Br-].
Его четвертичная аммониевая головная группа заряжена и гидрофильна, тогда как алкильная цепь из восьми атомов углерода гидрофобна и совместима с органической фазой. Катион аммония может ассоциироваться с анионом, благодаря чему образующаяся ионная пара способна переходить в органическую фазу.
Указанный в вопросе переносимый анион — тетрахлороалюминат(III), \(\ce{AlCl4^-}\), [Al-](Cl)(Cl)(Cl)Cl, имеющий тетраэдрическое координационное окружение.
Таким образом, необходимое свойство — (b): одна часть гидрофильна, а другая гидрофобна.
4.B-3
Борогидрид натрия, \(\ce{NaBH4}\), [Na+].[BH4-], служит источником восстановительных эквивалентов, обеспечивающих превращение золота в ионной форме в металлическое золото. Его борогидрид-ион, [BH4-], имеет тетраэдрическую геометрию.
Для предшественника, содержащего золото(III), суммарный процесс восстановления золота можно представить как
\[ \ce{AuCl4^- + 3e^- -> Au + 4Cl^-}. \]
Следовательно, борогидрид натрия действует как (a), восстановитель.
4.B-4
Приближённо представим и наночастицу, и отдельный атом золота в виде шаров. Их радиусы равны
\[ R=\frac{3\ \mathrm{nm}}{2}=1.5\ \mathrm{nm}, \qquad r=0.144\ \mathrm{nm}. \]
Для этой оценки порядка величины пренебрежём пустотами между упакованными атомами:
\[ N\approx \frac{V_{\mathrm{particle}}}{V_{\mathrm{atom}}} = \frac{\frac43\pi R^3}{\frac43\pi r^3} = \left(\frac{R}{r}\right)^3. \]
Таким образом,
\[ N\approx \left(\frac{1.5}{0.144}\right)^3 =1.13\times10^3. \]
Учёт пустот в упаковке изменяет числовой множитель, но не порядок величины. Следовательно, ответ:
\[ \boxed{\text{(b), }10^3\text{ атомов в каждой наночастице}}. \]
4.B-5
Приближённо отнесём к поверхностным атомам атомы внешнего слоя толщиной в один атомный диаметр:
\[ t=2r=2(0.144)=0.288\ \mathrm{nm}. \]
Тогда радиус внутренней части равен
\[ R_{\mathrm{interior}}=R-t=1.5-0.288=1.212\ \mathrm{nm}. \]
Считая среднюю концентрацию атомов одинаковой в поверхностном слое и во внутренней части, получаем, что доля атомов в слое равна доле объёма частицы, занимаемой этим слоем:
\[ f_{\mathrm{surface}} \approx \frac{R^3-(R-t)^3}{R^3} = 1-\left(\frac{R-t}{R}\right)^3. \]
Следовательно,
\[ f_{\mathrm{surface}} \approx 1-\left(\frac{1.212}{1.5}\right)^3 =0.4725. \]
Таким образом, приблизительно \(47\%\) атомов находятся во внешнем атомном слое, что даёт
\[ \boxed{\text{(b), }40\text{–}50\%}. \]
Решение проверено по официальному решению.
IChO 2005 · مسألة نظرية 4
عاصمة الذهب في آسيا
A
عاصمة الذهب في آسيا
تشيوفن، بلدة التعدين القديمة الواقعة بين التلال في شمال شرق تايوان، مكان يمكنك فيه أن تعايش حقًا إرث تايوان التاريخي. وقد كانت موقعًا لأحد أكبر مناجم الذهب في آسيا. ولذلك، كثيرًا ما يُشار إلى تشيوفن باسم عاصمة الذهب في آسيا. يُستخدم المركب \(\ce{KCN}\) تقليديًا لاستخلاص الذهب من خامه. يذوب الذهب في محاليل السيانيد (\(\ce{CN^-}\)) بوجود الهواء ليكوّن \(\ce{Au(CN)2^-}\)، الذي يكون مستقرًا في المحلول المائي.

4.A-1 ارسم بنيةً لـ \(\ce{Au(CN)2^-}\) تُظهر الترتيب الفراغي للذرات.
4.A-2 كم غرامًا من \(\ce{KCN}\) يلزم لاستخلاص 20 g من الذهب من خامه؟ بيّن خطوات حسابك.
طوّر الخيميائيون الماء الملكي، وهو مزيج بنسبة 3 : 1 (حجمًا) من حمض الهيدروكلوريك المركّز وحمض النتريك المركّز، وسيلةً «لإذابة» الذهب. وهذه العملية في الواقع تفاعل أكسدة واختزال تمثّله المعادلة الكيميائية المبسّطة الآتية:

4.A-3 اكتب نصفي التفاعل، واستخدمهما للحصول على تفاعل أكسدة واختزال موزون لهذه العملية.
4.A-4 ما العامل المؤكسد والعامل المختزل في العملية 4.A-3؟
الذهب فلز نبيل بدرجة تمنعه من التفاعل مع حمض النتريك. ومع ذلك، يتفاعل الذهب مع الماء الملكي بسبب تكوّن الأيون المعقّد \(\ce{AuCl4^-}\). تأمّل نصفي التفاعل الآتيين:

يمكن تكوين خلية كهروكيميائية من هذين الزوجين من أزواج الأكسدة والاختزال.
4.A-5 احسب ثابت تكوين \(\ce{AuCl4^-}\) عند \(25\,^\circ\mathrm{C}\):
\[ K=\frac{[\ce{AuCl4^-}]}{[\ce{Au^3+}][\ce{Cl^-}]^4} \]
4.A-6 تتمثّل وظيفة \(\ce{HCl}\) في توفير \(\ce{Cl^-}\). ما الغرض من \(\ce{Cl^-}\) في التفاعل أعلاه؟ اختر إجابتك من الخيارات الآتية.
(a) \(\ce{Cl^-}\) عامل مؤكسد
(b) \(\ce{Cl^-}\) عامل مختزل
(c) \(\ce{Cl^-}\) عامل مُعقِّد
(d) \(\ce{Cl^-}\) حفّاز
B
جسيمات الذهب النانوية
يُعدّ تحضير جسيمات الذهب النانوية وتوصيفها حاليًا مجالًا بحثيًا نشطًا. تتيح طريقة بروست–شيفرين لتحضير جسيمات الذهب النانوية (AuNP) تحضيرًا سهلًا لجسيمات AuNP مستقرة حراريًا وفي الهواء، ذات تعدّد تشتّت منخفض وتوزيع حجمي مضبوط تتراوح أقطارها فيه بين 1.5 و5.2 nm. وفيما يأتي وصف موجز لإجراء التحضير. يُمزج محلول مائي من \(\ce{HAuCl4}\) مع محلول بروميد رباعي-n-أوكتيل الأمونيوم في التولوين. ويُمزج المحلول مع الدوديكانثيول ويُعالج بفائض من \(\ce{NaBH4}\). ويُستدلّ على تكوّن جسيمات AuNP من الاسوداد الفوري الواضح لطور التولوين. وبعد نحو 24 h، يُزال مذيب التولوين باستخدام مبخّر دوّار، وتُغسل المادة الصلبة الناتجة على مرشّح زجاجي ملبّد بالإيثانول والهكسان لإزالة الثيول الزائد. ويمكن عزل جسيمات AuNP هذه وإعادة إذابتها مرارًا في المذيبات العضوية الشائعة دون حدوث تجمّع غير عكوس أو تحلّل.
4.B-1 هل تُسمّى منهجية هذا التصنيع نهجًا من أعلى إلى أسفل أم نهجًا من أسفل إلى أعلى؟ اختر إجابتك من الخيارات الآتية.
(a) نهج من أعلى إلى أسفل، يتضمّن تقليل حجم أصغر البنى إلى المقياس النانوي
(b) نهج من أسفل إلى أعلى، يتضمّن ترتيب الذرات والجزيئات المفردة لتكوين بنى نانوية
4.B-2 يمكن أيضًا استخدام بروميد ثلاثي ميثيل-n-أوكتيل الأمونيوم كاشفًا لنقل الطور. ويمكنه نقل \(\ce{AlCl4^-}\) من طور مائي إلى طور عضوي. ما الخاصية التي يمتلكها بروميد ثلاثي ميثيل-n-أوكتيل الأمونيوم وتجعله كاشفًا فعّالًا لنقل الطور؟ اختر إجابتك من الخيارات الآتية.
(a) أحد طرفي الجزيء موجب كهربائيًا، والطرف الآخر سالب كهربائيًا.
(b) أحد طرفي الجزيء محبّ للماء، والطرف الآخر كاره للماء.
(c) أحد طرفي الجزيء حمضي، والطرف الآخر قاعدي.
4.B-3 ما وظيفة \(\ce{NaBH4}\) في هذا التحضير؟ اختر إجابتك من الخيارات الآتية.
(a) عامل مختزل
(b) عامل مؤكسد
(c) عامل تعادل
(d) عامل مُعقِّد
4.B-4 إذا كان متوسط قطر جسيم الذهب النانوي 3 nm، فما العدد التقديري لذرات \(\ce{Au}\) في كل جسيم نانوي؟ (نصف القطر الذري لـ \(\ce{Au}\) هو 0.144 nm). اختر إجابتك من الخيارات الآتية وبيّن خطوات حسابك.
(a) \(10^2\)
(b) \(10^3\)
(c) \(10^4\)
(d) \(10^5\)
4.B-5 ما النسبة المئوية التقديرية لذرات \(\ce{Au}\) الموجودة على سطح جسيم نانوي؟ اختر إجابتك من الخيارات الآتية وبيّن خطوات حسابك.
(a) 20 – 30 %
(b) 40 – 50 %
(c) 60 – 70 %
(d) 80 – 90 %
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
-
4.A-1: ثنائي سيانيدو أورات(I)، \(\ce{Au(CN)2^-}\)، وصيغة SMILES هي
N#C[Au-]C#N. تقع الذرات الخمس جميعها على خط مستقيم بالترتيب نيتروجين–كربون–ذهب–كربون–نيتروجين؛ وتبلغ زاوية كربون–ذهب–كربون \(180^\circ\). -
4.A-2: \(13.2\ \mathrm{g}\) من سيانيد البوتاسيوم، \(\ce{KCN}\)،
[K+].[C-]#N؛ أي نحو \(13\ \mathrm{g}\) بالتقريب إلى رقمين معنويين. -
4.A-3: نصفا التفاعل هما \[ \ce{Au + 4Cl^- -> AuCl4^- + 3e^-} \] \[ \ce{NO3^- + 2H+ + e^- -> NO2 + H2O}. \] ومجموعهما الموزون هو \[ \boxed{\ce{Au + 3NO3^- + 4Cl^- + 6H+ -> AuCl4^- + 3NO2 + 3H2O}}. \]
-
4.A-4: العامل المؤكسد: أيون النترات، \(\ce{NO3^-}\)،
[O-][N+](=O)[O-]. العامل المختزل: الذهب العنصري، \(\ce{Au(s)}\)؛ وتمثّل[Au]ذرة ذهب مفردة. -
4.A-5: \(\boxed{K\approx2.3\times10^{25}}\) لتكوين رباعي كلوريدو أورات(III)، \(\ce{AuCl4^-}\)،
[Au-](Cl)(Cl)(Cl)Cl. -
4.A-6: (c) — أيون الكلوريد، \(\ce{Cl^-}\)،
[Cl-]، عامل مُعقِّد. -
4.B-1: (b) — نهج من أسفل إلى أعلى.
-
4.B-2: (b) — رأس مشحون محبّ للماء وذيل هيدروكربوني كاره للماء.
-
4.B-3: (a) — بوروهيدريد الصوديوم، \(\ce{NaBH4}\)،
[Na+].[BH4-]، عامل مختزل. -
4.B-4: (b) — نحو \(10^3\) ذرة ذهب في كل جسيم نانوي.
-
4.B-5: (b) — \(40\text{–}50\%\)؛ ويعطي تقدير الطبقة الخارجية نحو \(47\%\).
الحل
تحدّد صيغ SMILES أدناه ترابط الذرات والشحنة الشكلية. والشحنات الشكلية المسندة إلى الفلزات في تمثيلات SMILES التساهمية هذه ليست حالات أكسدتها؛ وتُذكر الأشكال الهندسية التناسقية على نحو منفصل.
4.A-1
يحمل كل أيون سيانيد، \(\ce{CN^-}\)، [C-]#N، شحنة مقدارها \(-1\). ولذلك فإن حالة أكسدة الذهب \(x\) تحقّق
\[ x+2(-1)=-1, \qquad x=+1. \]
يمتلك مركز الذهب(I) ثنائي التناسق توزيعًا إلكترونيًا من النوع \(d^{10}\) وتناسقًا خطيًا. وترتبط ربيطتا السيانيد كلتاهما عبر ذرتي الكربون فيهما.
ولذلك ينبغي أن يُظهر الرسم أيون ثنائي سيانيدو أورات(I)، N#C[Au-]C#N، على النحو الآتي
\[ \boxed{\ce{[N#C-Au-C#N]^-}}. \]
ارسم الذرات الخمس جميعها على خط مستقيم واحد، مع رابطتين ثلاثيتين بين الكربون والنيتروجين ورابطتين بين الذهب والكربون. ضع البنية كاملةً بين قوسين مربعين مع شحنة كلية مقدارها \(-1\).
4.A-2
معادلة الذوبان المعطاة هي
\[ \ce{4Au(s) + 8CN^-(aq) + O2(g) + 2H2O(l) <=> 4Au(CN)2^-(aq) + 4OH^-(aq)}. \]
إذًا، يتطلّب كل مول من الذهب مولين من السيانيد، يوفّرهما مولان من سيانيد البوتاسيوم، [K+].[C-]#N.
باستخدام الكتل المولية القياسية،
\[ M(\ce{Au})=196.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \qquad M(\ce{KCN})=39.10+12.01+14.01 =65.12\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
ومن ثمّ
\[ n(\ce{Au}) =\frac{20\ \mathrm{g}}{196.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} =0.10154\ \mathrm{mol}, \]
\[ n(\ce{KCN})=2(0.10154)=0.20308\ \mathrm{mol}, \]
و
\[ m(\ce{KCN}) =(0.20308\ \mathrm{mol})(65.12\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =\boxed{13.2\ \mathrm{g}}. \]
هذه هي الكمية النظرية اللازمة وفق النسبة الستوكيومترية، وتساوي نحو \(13\ \mathrm{g}\) بالتقريب إلى رقمين معنويين.
الأنواع الجزيئية أو الأيونية الأخرى في معادلة الذوبان هي ثنائي الأكسجين O=O، والماء O، والهيدروكسيد [OH-].
4.A-3
ينتقل الذهب من حالة الأكسدة \(0\) إلى \(+3\)، فاقدًا ثلاثة إلكترونات. وبإدراج التناسق مع الكلوريد، يكون نصف تفاعل الأكسدة
\[ \boxed{\ce{Au(s) + 4Cl^-(aq) -> AuCl4^-(aq) + 3e^-}}. \]
ينتقل النيتروجين من \(+5\) في النترات إلى \(+4\) في ثنائي أكسيد النيتروجين، مكتسبًا إلكترونًا واحدًا. وتؤدّي موازنة الأكسجين بالماء والهيدروجين بأيونات الهيدروجين إلى
\[ \boxed{\ce{NO3^-(aq) + 2H+(aq) + e^- -> NO2(g) + H2O(l)}}. \]
بضرب نصف تفاعل الاختزال في ثلاثة ثم جمع نصفي التفاعل، تُختزل الإلكترونات جميعها من طرفي المعادلة:
\[ \boxed{ \ce{Au(s) + 3NO3^-(aq) + 4Cl^-(aq) + 6H+(aq) -> AuCl4^-(aq) + 3NO2(g) + 3H2O(l)} }. \]
الشحنة الكلية هي \(-1\) في كل طرف، وجميع الذرات موزونة.
الأنواع الكيميائية هي رباعي كلوريدو أورات(III)، \(\ce{AuCl4^-}\)، [Au-](Cl)(Cl)(Cl)Cl؛ والنترات، [O-][N+](=O)[O-]؛ والكلوريد، [Cl-]؛ وأيون الهيدروجين، [H+]؛ وثنائي أكسيد النيتروجين، [O-][N+]=O؛ والماء، O. معقّد الذهب مربّع مستوٍ. وثنائي أكسيد النيتروجين جزيء جذري منحنٍ.
4.A-4
العامل المؤكسد هو النترات، \(\ce{NO3^-}\)، [O-][N+](=O)[O-]، لأنه يستقبل الإلكترونات ويُختزل: إذ ينتقل النيتروجين من \(+5\) إلى \(+4\).
العامل المختزل هو الذهب العنصري، \(\ce{Au(s)}\)، لأنه يمنح الإلكترونات ويتأكسد من \(0\) إلى \(+3\). وصيغة SMILES لذرته هي [Au]؛ وهي لا تمثّل الشبكة الفلزية الممتدّة.
4.A-5
اتزان التكوين المطلوب هو
\[ \ce{Au^3+(aq) + 4Cl^-(aq) <=> AuCl4^-(aq)}. \]
هنا، يُمثَّل أيون الذهب(III) بالصيغة [Au+3]، ورباعي كلوريدو أورات(III) بالصيغة [Au-](Cl)(Cl)(Cl)Cl.
استخدم نصف التفاعل الأول المعطى في اتجاه الاختزال:
\[ \ce{Au^3+(aq) + 3e^- -> Au(s)}, \qquad E^\circ_{\mathrm{red}}=+1.50\ \mathrm{V}. \]
اعكس نصف التفاعل الثاني:
\[ \ce{Au(s) + 4Cl^-(aq) -> AuCl4^-(aq) + 3e^-}, \qquad E^\circ_{\mathrm{ox}}=-1.00\ \mathrm{V}. \]
مجموعهما هو تفاعل التكوين المطلوب، حيث
\[ E^\circ_{\mathrm{cell}}=1.50-1.00=0.50\ \mathrm{V}. \]
تنتقل ثلاثة إلكترونات في الدورة الكهروكيميائية. ولذلك،
\[ \Delta_rG^\circ=-3FE^\circ_{\mathrm{cell}} =-RT\ln K, \]
ومن ثمّ
\[ \ln K=\frac{3FE^\circ_{\mathrm{cell}}}{RT}. \]
باستخدام \(F=96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\)، و\(R=8.31446\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}\)، و\(T=298.15\ \mathrm{K}\)،
\[ \log_{10}K =\frac{3(96485)(0.50)} {(8.31446)(298.15)\ln 10} =25.355. \]
إذًا
\[ \boxed{K=10^{25.355}\approx2.3\times10^{25}}. \]
ثابت الاتزان الديناميكي الحراري عديم الأبعاد؛ ويفترض تعبير التراكيز المطبوع ضمنيًا أن التراكيز منسوبة إلى التركيز القياسي.
4.A-6
يرتبط الكلوريد، [Cl-]، بالذهب(III) ليكوّن معقّد رباعي كلوريدو أورات(III) شديد الاستقرار:
\[ \ce{Au^3+ + 4Cl^- <=> AuCl4^-}. \]
يؤدّي ذلك إلى انخفاض كبير في تركيز أيونات الذهب(III) الحرّة، ويُرجّح ذوبان الذهب في الصورة المعقّدة. ويظلّ الكلوريد في حالة الأكسدة \(-1\).
ولذلك فالإجابة هي (c)، عامل مُعقِّد.
4.B-1
تتكوّن الجسيمات النانوية باختزال سلائف الذهب الأيونية، ثم حدوث التنوي والنمو لتكوين جسيمات تحتوي على عدد كبير من ذرات الذهب. وتُجمَّع البنى النانوية من أنواع ابتدائية ذرية أو جزيئية.
ولذلك فهذا (b)، نهج من أسفل إلى أعلى.
4.B-2
صيغة SMILES لبروميد ثلاثي ميثيل-n-أوكتيل الأمونيوم هي CCCCCCCC[N+](C)(C)C.[Br-].
رأس الأمونيوم الرباعي فيه مشحون ومحبّ للماء، في حين أن سلسلة الألكيل المكوّنة من ثماني ذرات كربون كارهة للماء ومتوافقة مع الطور العضوي. ويمكن لكاتيون الأمونيوم أن يقترن بأنيون، ممّا يسمح للزوج الأيوني الناتج بالدخول إلى الطور العضوي.
الأنيون المنقول المطبوع في السؤال هو رباعي كلوريدو ألومينات(III)، \(\ce{AlCl4^-}\)، [Al-](Cl)(Cl)(Cl)Cl، الذي يمتلك تناسقًا رباعي السطوح.
ولذلك فالخاصية المطلوبة هي (b): أحد الطرفين محبّ للماء والآخر كاره للماء.
4.B-3
يوفّر بوروهيدريد الصوديوم، \(\ce{NaBH4}\)، [Na+].[BH4-]، مكافئات اختزالية تحوّل الذهب الأيوني إلى ذهب فلزي. ويمتلك أيون البوروهيدريد فيه، [BH4-]، شكلًا هندسيًا رباعي السطوح.
بالنسبة إلى سليفة الذهب(III)، يمكن تمثيل الاختزال الصافي للذهب كما يأتي
\[ \ce{AuCl4^- + 3e^- -> Au + 4Cl^-}. \]
ولذلك يعمل بوروهيدريد الصوديوم بوصفه (a)، عاملًا مختزلًا.
4.B-4
قرّب شكل كلٍّ من الجسيم النانوي وذرة الذهب المفردة إلى كرة. نصفا قطريهما هما
\[ R=\frac{3\ \mathrm{nm}}{2}=1.5\ \mathrm{nm}, \qquad r=0.144\ \mathrm{nm}. \]
بإهمال الفراغات بين الذرات المتراصّة في هذا التقدير لرتبة المقدار،
\[ N\approx \frac{V_{\mathrm{particle}}}{V_{\mathrm{atom}}} = \frac{\frac43\pi R^3}{\frac43\pi r^3} = \left(\frac{R}{r}\right)^3. \]
إذًا
\[ N\approx \left(\frac{1.5}{0.144}\right)^3 =1.13\times10^3. \]
يغيّر أخذ فراغات التراصّ في الحسبان المعامل العددي، لكنه لا يغيّر رتبة المقدار. ومن ثمّ فالإجابة هي
\[ \boxed{\text{(b), }10^3\text{ ذرة لكل جسيم نانوي}}. \]
4.B-5
قرّب الذرات السطحية إلى غلاف خارجي سماكته قطر ذري واحد:
\[ t=2r=2(0.144)=0.288\ \mathrm{nm}. \]
يكون نصف قطر الجزء الداخلي عندئذٍ
\[ R_{\mathrm{interior}}=R-t=1.5-0.288=1.212\ \mathrm{nm}. \]
باستخدام متوسط الكثافة العددية الذرية نفسه في الغلاف السطحي والجزء الداخلي، فإن نسبة الذرات في الغلاف تساوي نسبته من حجم الجسيم:
\[ f_{\mathrm{surface}} \approx \frac{R^3-(R-t)^3}{R^3} = 1-\left(\frac{R-t}{R}\right)^3. \]
ولذلك،
\[ f_{\mathrm{surface}} \approx 1-\left(\frac{1.212}{1.5}\right)^3 =0.4725. \]
إذًا، توجد نحو \(47\%\) من الذرات في الطبقة الذرية الخارجية، ممّا يعطي
\[ \boxed{\text{(b), }40\text{–}50\%}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.