IChO 2006 · Theory problem 3
Interstellar chemistry
Early interstellar chemistry is thought to have been a prelude to life on Earth. Molecules can be formed in space via heterogeneous reactions at the surface of dust particles, often called the interstellar ice grains (IIGs). Imagine the reaction between \(\ce{H}\) and \(\ce{C}\) atoms on the IIG surface that forms \(\ce{CH}\). The \(\ce{CH}\) product can either be desorbed from the surface or further react through surface migration with adsorbed \(\ce{H}\) atoms to form \(\ce{CH2}\), \(\ce{CH3}\), etc.
Depending on how energetically a molecule “jumps” from its anchored site, it either leaves the surface permanently (desorption) or returns to a new position at the surface (migration). The rates of desorption and migratory jump follow the Arrhenius formula, \(k = A\exp(-E/RT)\), where \(k\) is the rate constant for desorption or migratory jump, \(A\) the jumping frequency, and \(E\) the activation energy for the respective event.
3.1 Desorption of \(\ce{CH}\) from the IIG surface follows first-order kinetics. Calculate the average residence time of \(\ce{CH}\) on the surface at \(20\ \mathrm{K}\). Assume that \(A = 1\times10^{12}\ \mathrm{s^{-1}}\) and \(E_{\mathrm{des}} = 12\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
3.2 Consider the shortest time it would take for one \(\ce{CH}\) unit to move from its initial position to the opposite side of an IIG by successive migratory jumps. Assume that the activation energy for migration (\(E_{\mathrm{mig}}\)) is \(6\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\), and the IIG is a sphere with a \(0.1\ \mathrm{\mu m}\) radius. Each migratory jump laterally advances the molecule by \(0.3\ \mathrm{nm}\). Show work and choose your answer from (a) – (e) below.
(a) \(t \leq 1\ \text{day}\)
(b) \(10\ \text{days} \leq t \leq 10^2\ \mathrm{yr}\)
c) \(10^3\ \mathrm{yr} \leq t \leq 10^6\ \mathrm{yr}\)
(d) \(10^7\ \mathrm{yrs} \leq t \leq 10^{10}\ \mathrm{yr}\)
(e) \(t \geq 10^{11}\ \mathrm{yr}\)
3.3 Consider the reaction of \(\ce{CO}\) with \(\ce{H2}\) to form \(\ce{H2CO}\). The activation energy on a metal catalyst is \(20\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) that is produced by formaldehyde at a rate of 1 molecule/s per site at \(300\ \mathrm{K}\). Estimate the rate of formaldehyde formation per site if the reaction takes place at \(20\ \mathrm{K}\).
3.4 Which is a set of all true statements? Circle one.
(a) Most \(\ce{CH}\) species are desorbed from the IIG surface before encountering other reactants by surface migration.
(b) IIGs can assist transformation of simple molecules to more complex ones in interstellar space.
(c) For a reaction on the IIG to occur at an appreciable speed during the age of the Universe (\(1\times10^{10}\ \mathrm{yr}\)), the reaction energy barrier must be absent or negligible.
\(\square\) (a) \(\square\) (b) \(\square\) (c) \(\square\) (a, b) \(\square\) (a, c) \(\square\) (b, c) \(\square\) (a, b, c)
Official English text of the problem.
Answers
- 3.1: \(\boxed{\tau \approx 2.2\times10^{19}\ \mathrm{s} \approx 7.0\times10^{11}\ \mathrm{yr}}\).
- 3.2: \(\boxed{t \approx 4.9\times10^6\ \mathrm{s} \approx 57\ \text{days}}\); choose (b).
- 3.3: Formaldehyde (
C=O) formation rate: \(\boxed{r_{20}\approx1.8\times10^{-49}\ \text{molecules}\,\mathrm{s^{-1}\,site^{-1}}}\). - 3.4: Circle (b, c), within the problem’s thermal Arrhenius model.
Solution
Use \(R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}\) and \(1\ \mathrm{yr}\approx3.156\times10^7\ \mathrm{s}\).
3.1 — Average residence time
The adsorbed species is methylidyne, \(\ce{CH}\), SMILES [CH]. Its attachment to the grain is not represented by this SMILES.
For first-order desorption, the probability that a molecule remains adsorbed after time \(t\) is \[ P(t)=e^{-k_{\mathrm{des}}t}. \] Therefore its mean residence time is \[ \tau=\int_0^\infty P(t)\,dt=\frac{1}{k_{\mathrm{des}}}. \]
The desorption rate constant is \[ \begin{aligned} k_{\mathrm{des}} &=A\exp\left(-\frac{E_{\mathrm{des}}}{RT}\right)\\ &=(1.0\times10^{12}\ \mathrm{s^{-1}}) \exp\left[-\frac{12000\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} {(8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}})(20\ \mathrm{K})}\right]\\ &=4.55\times10^{-20}\ \mathrm{s^{-1}}. \end{aligned} \]
Thus \[ \boxed{\tau=\frac{1}{k_{\mathrm{des}}} \approx2.2\times10^{19}\ \mathrm{s} \approx7.0\times10^{11}\ \mathrm{yr}}. \]
This is the mean lifetime; the half-life would instead be \((\ln 2)/k_{\mathrm{des}}\).
3.2 — Shortest migration time
Use the same temperature and jumping frequency as in 3.1. The migration rate constant is \[ \begin{aligned} k_{\mathrm{mig}} &=(1.0\times10^{12}\ \mathrm{s^{-1}}) \exp\left[-\frac{6000}{8.314\times20}\right]\\ &=2.13\times10^{-4}\ \mathrm{s^{-1}}. \end{aligned} \] The mean waiting time per jump is consequently \[ \tau_{\mathrm{jump}}=\frac{1}{k_{\mathrm{mig}}} =4.69\times10^3\ \mathrm{s}. \]
The shortest surface path between opposite points of a sphere is half a great circle: \[ L=\pi r=\pi(0.1\times10^{-6}\ \mathrm{m}) =3.14\times10^{-7}\ \mathrm{m}. \]
If every jump advances along this path, the required number of jumps is \[ N\approx\frac{L}{\ell} =\frac{3.14\times10^{-7}\ \mathrm{m}} {0.3\times10^{-9}\ \mathrm{m}} =1.05\times10^3. \]
Hence the shortest-path travel-time estimate is \[ \begin{aligned} t&=N\tau_{\mathrm{jump}}=\frac{N}{k_{\mathrm{mig}}}\\ &\approx4.91\times10^6\ \mathrm{s}\\ &\approx56.8\ \text{days}\approx0.156\ \mathrm{yr}. \end{aligned} \]
Thus \[ \boxed{\text{Choose (b): }10\ \text{days}\leq t\leq10^2\ \mathrm{yr}.} \]
This estimate assumes that all jumps advance toward the opposite point. Random migration generally requires more jumps.
3.3 — Formaldehyde formation at \(20\ \mathrm{K}\)
The balanced reaction is \[ \ce{CO + H2 -> H2CO}. \]
The species are carbon monoxide, \(\ce{CO}\), [C-]#[O+]; molecular hydrogen, \(\ce{H2}\), [H][H]; and formaldehyde (methanal), \(\ce{H2CO}\), C=O.
Assuming the same activation energy and effective rate prefactor at both temperatures, the Arrhenius rate ratio is \[ \frac{r_{20}}{r_{300}} =\exp\left[-\frac{E_a}{R} \left(\frac{1}{20\ \mathrm{K}}-\frac{1}{300\ \mathrm{K}}\right)\right]. \]
Substituting \(E_a=20000\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\), \[ \frac{r_{20}}{r_{300}} =\exp\left[-\frac{20000}{8.314} \left(\frac{1}{20}-\frac{1}{300}\right)\right] =e^{-112.26} =1.76\times10^{-49}. \]
Since \(r_{300}=1\ \text{molecule}\,\mathrm{s^{-1}\,site^{-1}}\), \[ \boxed{r_{20}\approx1.8\times10^{-49}\ \text{molecules}\,\mathrm{s^{-1}\,site^{-1}}}. \]
3.4 — Evaluation of the statements
(a) False. Migration is enormously faster than desorption: \[ \frac{k_{\mathrm{mig}}}{k_{\mathrm{des}}} =\exp\left(\frac{E_{\mathrm{des}}-E_{\mathrm{mig}}}{RT}\right) =\exp\left(\frac{6000}{8.314\times20}\right) \approx4.7\times10^{15}. \] Thus, in the absence of reaction, a methylidyne species can make approximately \(4.7\times10^{15}\) migratory jumps on average before desorbing. Migration provides extensive opportunity to encounter other adsorbed reactants.
(b) True. The grains retain reactants and permit encounters through surface migration. Successive hydrogen additions can build more complex species:
\[
\ce{C + H -> CH},
\]
\[
\ce{CH + H -> CH2},
\]
\[
\ce{CH2 + H -> CH3}.
\]
Here carbon and hydrogen atoms have SMILES [C] and [H]; methylene, \(\ce{CH2}\), has SMILES [CH2]; and the methyl radical, \(\ce{CH3}\), has SMILES [CH3]. These equations describe species on the surface. The SMILES do not specify their surface bonding or spin multiplicities.
(c) True in the intended thermal-activation model. At \(20\ \mathrm{K}\), even the \(20\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) barrier in 3.3 makes the reaction negligible over the stated age of the Universe. The expected number of formaldehyde molecules formed per site in that time is \[ \begin{aligned} r_{20}t_{\mathrm{Universe}} &=(1.76\times10^{-49}\ \mathrm{s^{-1}\,site^{-1}}) (10^{10}\times3.156\times10^7\ \mathrm{s})\\ &\approx5.6\times10^{-32}\ \mathrm{site^{-1}}. \end{aligned} \] Appreciable thermally activated chemistry therefore requires an absent or sufficiently small reaction barrier.
Consequently, circle \[ \boxed{(b,\ c)}. \]
The solution was checked against the official solution.
IChO 2006 · Theorieaufgabe 3
Interstellare Chemie
Die frühe interstellare Chemie wird als eine Vorstufe des Lebens auf der Erde angesehen. Moleküle können im Weltraum durch heterogene Reaktionen an der Oberfläche von Staubteilchen entstehen, die häufig als interstellare Eiskörner (IIGs) bezeichnet werden. Betrachten Sie die Reaktion zwischen \(\ce{H}\)- und \(\ce{C}\)-Atomen auf der IIG-Oberfläche, bei der \(\ce{CH}\) entsteht. Das Produkt \(\ce{CH}\) kann entweder von der Oberfläche desorbieren oder durch Oberflächenmigration mit adsorbierten \(\ce{H}\)-Atomen weiterreagieren und dabei \(\ce{CH2}\), \(\ce{CH3}\) usw. bilden.
Je nachdem, mit welcher Energie ein Molekül von seinem Bindungsplatz „springt“, verlässt es die Oberfläche entweder dauerhaft (Desorption) oder kehrt an eine neue Position auf der Oberfläche zurück (Migration). Die Geschwindigkeiten der Desorption und der Migrationssprünge folgen der Arrhenius-Gleichung, \(k = A\exp(-E/RT)\), wobei \(k\) die Geschwindigkeitskonstante für die Desorption oder den Migrationssprung, \(A\) die Sprungfrequenz und \(E\) die Aktivierungsenergie für den jeweiligen Vorgang ist.
3.1 Die Desorption von \(\ce{CH}\) von der IIG-Oberfläche folgt einer Kinetik erster Ordnung. Berechnen Sie die mittlere Verweilzeit von \(\ce{CH}\) auf der Oberfläche bei \(20\ \mathrm{K}\). Nehmen Sie an, dass \(A = 1\times10^{12}\ \mathrm{s^{-1}}\) und \(E_{\mathrm{des}} = 12\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) gelten.
3.2 Betrachten Sie die kürzeste Zeit, die eine \(\ce{CH}\)-Einheit benötigt, um sich durch aufeinanderfolgende Migrationssprünge von ihrer Ausgangsposition auf die gegenüberliegende Seite eines IIG zu bewegen. Nehmen Sie an, dass die Aktivierungsenergie für die Migration (\(E_{\mathrm{mig}}\)) \(6\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) beträgt und das IIG eine Kugel mit einem Radius von \(0.1\ \mathrm{\mu m}\) ist. Jeder Migrationssprung bewegt das Molekül seitlich um \(0.3\ \mathrm{nm}\) weiter. Geben Sie Ihren Rechenweg an und wählen Sie Ihre Antwort aus den folgenden Möglichkeiten (a) – (e).
(a) \(t \leq 1\ \text{Tag}\)
(b) \(10\ \text{Tage} \leq t \leq 10^2\ \mathrm{yr}\)
c) \(10^3\ \mathrm{yr} \leq t \leq 10^6\ \mathrm{yr}\)
(d) \(10^7\ \mathrm{yrs} \leq t \leq 10^{10}\ \mathrm{yr}\)
(e) \(t \geq 10^{11}\ \mathrm{yr}\)
3.3 Betrachten Sie die Reaktion von \(\ce{CO}\) mit \(\ce{H2}\) zu \(\ce{H2CO}\). Die Aktivierungsenergie an einem Metallkatalysator beträgt \(20\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\); bei \(300\ \mathrm{K}\) wird Formaldehyd mit einer Geschwindigkeit von 1 Molekül/s pro aktivem Zentrum gebildet. Schätzen Sie die Geschwindigkeit der Formaldehydbildung pro aktivem Zentrum ab, wenn die Reaktion bei \(20\ \mathrm{K}\) stattfindet.
3.4 Welche Auswahl umfasst alle zutreffenden Aussagen? Kreisen Sie eine Auswahl ein.
(a) Die meisten \(\ce{CH}\)-Spezies desorbieren von der IIG-Oberfläche, bevor sie durch Oberflächenmigration auf andere Reaktanten treffen.
(b) IIGs können die Umwandlung einfacher Moleküle in komplexere Moleküle im interstellaren Raum unterstützen.
(c) Damit eine Reaktion auf dem IIG während des Alters des Universums (\(1\times10^{10}\ \mathrm{yr}\)) mit einer nennenswerten Geschwindigkeit abläuft, darf die Reaktion keine oder nur eine vernachlässigbare Energiebarriere aufweisen.
\(\square\) (a) \(\square\) (b) \(\square\) (c) \(\square\) (a, b) \(\square\) (a, c) \(\square\) (b, c) \(\square\) (a, b, c)
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 3.1: \(\boxed{\tau \approx 2.2\times10^{19}\ \mathrm{s} \approx 7.0\times10^{11}\ \mathrm{yr}}\).
- 3.2: \(\boxed{t \approx 4.9\times10^6\ \mathrm{s} \approx 57\ \text{Tage}}\); wählen Sie (b).
- 3.3: Bildungsgeschwindigkeit von Formaldehyd (
C=O): \(\boxed{r_{20}\approx1.8\times10^{-49}\ \text{Moleküle}\,\mathrm{s^{-1}\,site^{-1}}}\). - 3.4: Kreisen Sie (b, c) ein, im Rahmen des thermischen Arrhenius-Modells der Aufgabe.
Lösung
Verwenden Sie \(R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}\) und \(1\ \mathrm{yr}\approx3.156\times10^7\ \mathrm{s}\).
3.1 — Mittlere Verweilzeit
Die adsorbierte Spezies ist Methylidin, \(\ce{CH}\), mit dem SMILES [CH]. Seine Bindung an das Eiskorn wird durch diesen SMILES nicht dargestellt.
Bei einer Desorption erster Ordnung ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Molekül nach der Zeit \(t\) noch adsorbiert ist, \[ P(t)=e^{-k_{\mathrm{des}}t}. \] Daher beträgt seine mittlere Verweilzeit \[ \tau=\int_0^\infty P(t)\,dt=\frac{1}{k_{\mathrm{des}}}. \]
Die Geschwindigkeitskonstante der Desorption ist \[ \begin{aligned} k_{\mathrm{des}} &=A\exp\left(-\frac{E_{\mathrm{des}}}{RT}\right)\\ &=(1.0\times10^{12}\ \mathrm{s^{-1}}) \exp\left[-\frac{12000\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} {(8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}})(20\ \mathrm{K})}\right]\\ &=4.55\times10^{-20}\ \mathrm{s^{-1}}. \end{aligned} \]
Somit gilt \[ \boxed{\tau=\frac{1}{k_{\mathrm{des}}} \approx2.2\times10^{19}\ \mathrm{s} \approx7.0\times10^{11}\ \mathrm{yr}}. \]
Dies ist die mittlere Lebensdauer; die Halbwertszeit wäre hingegen \((\ln 2)/k_{\mathrm{des}}\).
3.2 — Kürzeste Migrationszeit
Verwenden Sie dieselbe Temperatur und Sprungfrequenz wie in 3.1. Die Geschwindigkeitskonstante der Migration ist \[ \begin{aligned} k_{\mathrm{mig}} &=(1.0\times10^{12}\ \mathrm{s^{-1}}) \exp\left[-\frac{6000}{8.314\times20}\right]\\ &=2.13\times10^{-4}\ \mathrm{s^{-1}}. \end{aligned} \] Die mittlere Wartezeit pro Sprung beträgt folglich \[ \tau_{\mathrm{jump}}=\frac{1}{k_{\mathrm{mig}}} =4.69\times10^3\ \mathrm{s}. \]
Der kürzeste Weg auf der Oberfläche zwischen gegenüberliegenden Punkten einer Kugel ist ein halber Großkreis: \[ L=\pi r=\pi(0.1\times10^{-6}\ \mathrm{m}) =3.14\times10^{-7}\ \mathrm{m}. \]
Wenn jeder Sprung entlang dieses Weges vorwärtsführt, beträgt die erforderliche Anzahl an Sprüngen \[ N\approx\frac{L}{\ell} =\frac{3.14\times10^{-7}\ \mathrm{m}} {0.3\times10^{-9}\ \mathrm{m}} =1.05\times10^3. \]
Damit ergibt sich für die benötigte Zeit entlang des kürzesten Weges die Abschätzung \[ \begin{aligned} t&=N\tau_{\mathrm{jump}}=\frac{N}{k_{\mathrm{mig}}}\\ &\approx4.91\times10^6\ \mathrm{s}\\ &\approx56.8\ \text{Tage}\approx0.156\ \mathrm{yr}. \end{aligned} \]
Somit gilt \[ \boxed{\text{Wählen Sie (b): }10\ \text{Tage}\leq t\leq10^2\ \mathrm{yr}.} \]
Diese Abschätzung setzt voraus, dass alle Sprünge zum gegenüberliegenden Punkt hin führen. Eine zufällige Migration erfordert im Allgemeinen mehr Sprünge.
3.3 — Formaldehydbildung bei \(20\ \mathrm{K}\)
Die ausgeglichene Reaktionsgleichung lautet \[ \ce{CO + H2 -> H2CO}. \]
Die Spezies sind Kohlenstoffmonoxid, \(\ce{CO}\), [C-]#[O+]; molekularer Wasserstoff, \(\ce{H2}\), [H][H]; und Formaldehyd (Methanal), \(\ce{H2CO}\), C=O.
Unter der Annahme derselben Aktivierungsenergie und desselben effektiven präexponentiellen Faktors bei beiden Temperaturen ergibt sich nach Arrhenius das Verhältnis der Reaktionsgeschwindigkeiten zu \[ \frac{r_{20}}{r_{300}} =\exp\left[-\frac{E_a}{R} \left(\frac{1}{20\ \mathrm{K}}-\frac{1}{300\ \mathrm{K}}\right)\right]. \]
Durch Einsetzen von \(E_a=20000\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\) erhält man \[ \frac{r_{20}}{r_{300}} =\exp\left[-\frac{20000}{8.314} \left(\frac{1}{20}-\frac{1}{300}\right)\right] =e^{-112.26} =1.76\times10^{-49}. \]
Da \(r_{300}=1\ \text{Molekül}\,\mathrm{s^{-1}\,site^{-1}}\) gilt, folgt \[ \boxed{r_{20}\approx1.8\times10^{-49}\ \text{Moleküle}\,\mathrm{s^{-1}\,site^{-1}}}. \]
3.4 — Bewertung der Aussagen
(a) Falsch. Die Migration ist enorm viel schneller als die Desorption: \[ \frac{k_{\mathrm{mig}}}{k_{\mathrm{des}}} =\exp\left(\frac{E_{\mathrm{des}}-E_{\mathrm{mig}}}{RT}\right) =\exp\left(\frac{6000}{8.314\times20}\right) \approx4.7\times10^{15}. \] Wenn keine Reaktion stattfindet, kann eine Methylidin-Spezies somit im Mittel etwa \(4.7\times10^{15}\) Migrationssprünge ausführen, bevor sie desorbiert. Die Migration bietet zahlreiche Gelegenheiten, auf andere adsorbierte Reaktanten zu treffen.
(b) Richtig. Die Eiskörner halten Reaktanten fest und ermöglichen durch Oberflächenmigration deren Zusammentreffen. Durch aufeinanderfolgende Additionen von Wasserstoff können komplexere Spezies aufgebaut werden:
\[
\ce{C + H -> CH},
\]
\[
\ce{CH + H -> CH2},
\]
\[
\ce{CH2 + H -> CH3}.
\]
Hier haben Kohlenstoff- und Wasserstoffatome die SMILES [C] bzw. [H]; Methylen, \(\ce{CH2}\), hat den SMILES [CH2]; und das Methylradikal, \(\ce{CH3}\), hat den SMILES [CH3]. Diese Gleichungen beschreiben Spezies auf der Oberfläche. Die SMILES geben weder ihre Bindung an die Oberfläche noch ihre Spinmultiplizitäten an.
(c) Richtig im zugrunde gelegten Modell der thermischen Aktivierung. Bei \(20\ \mathrm{K}\) macht bereits die Barriere von \(20\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) in 3.3 die Reaktion über das angegebene Alter des Universums hinweg vernachlässigbar. Die erwartete Anzahl der in dieser Zeit pro aktivem Zentrum gebildeten Formaldehydmoleküle beträgt \[ \begin{aligned} r_{20}t_{\mathrm{Universe}} &=(1.76\times10^{-49}\ \mathrm{s^{-1}\,site^{-1}}) (10^{10}\times3.156\times10^7\ \mathrm{s})\\ &\approx5.6\times10^{-32}\ \mathrm{site^{-1}}. \end{aligned} \] Damit thermisch aktivierte chemische Reaktionen in nennenswertem Umfang ablaufen, muss die Reaktionsbarriere daher fehlen oder hinreichend klein sein.
Folglich ist folgende Auswahl einzukreisen: \[ \boxed{(b,\ c)}. \]
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 2006 · Teori sorusu 3
Yıldızlararası kimya
Yıldızlararası ortamda gerçekleşen erken dönem kimyasal süreçlerin, Dünya'daki yaşamın öncülü olduğu düşünülmektedir. Uzayda moleküller, genellikle yıldızlararası buz tanecikleri (IIG'ler) olarak adlandırılan toz parçacıklarının yüzeyindeki heterojen tepkimeler yoluyla oluşabilir. IIG yüzeyinde \(\ce{H}\) ve \(\ce{C}\) atomları arasında gerçekleşerek \(\ce{CH}\) oluşturan tepkimeyi düşünün. \(\ce{CH}\) ürünü yüzeyden desorbe olabilir veya yüzey göçü yoluyla adsorplanmış \(\ce{H}\) atomlarıyla tepkimeye girmeye devam ederek \(\ce{CH2}\), \(\ce{CH3}\) vb. oluşturabilir.
Bir molekül, tutunduğu konumdan ne kadar enerjiyle “sıçradığına” bağlı olarak ya yüzeyi kalıcı olarak terk eder (desorpsiyon) ya da yüzeyde yeni bir konuma geri döner (göç). Desorpsiyon ve göç sıçraması hızları, \(k = A\exp(-E/RT)\) Arrhenius formülüne uyar; burada \(k\), desorpsiyon veya göç sıçraması için hız sabiti, \(A\) sıçrama frekansı ve \(E\) ilgili olayın aktivasyon enerjisidir.
3.1 \(\ce{CH}\)'nin IIG yüzeyinden desorpsiyonu birinci dereceden kinetiğe uyar. \(20\ \mathrm{K}\) sıcaklıkta \(\ce{CH}\)'nin yüzeyde ortalama kalış süresini hesaplayın. \(A = 1\times10^{12}\ \mathrm{s^{-1}}\) ve \(E_{\mathrm{des}} = 12\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) olduğunu varsayın.
3.2 Bir \(\ce{CH}\) biriminin art arda göç sıçramaları yaparak başlangıç konumundan bir IIG'nin karşı tarafına ulaşması için gereken en kısa süreyi ele alın. Göç için aktivasyon enerjisinin (\(E_{\mathrm{mig}}\)) \(6\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) ve IIG'nin \(0.1\ \mathrm{\mu m}\) yarıçaplı bir küre olduğunu varsayın. Her göç sıçraması molekülü yüzey boyunca \(0.3\ \mathrm{nm}\) ilerletir. İşlemlerinizi gösterin ve yanıtınızı aşağıdaki (a) – (e) seçeneklerinden seçin.
(a) \(t \leq 1\ \text{gün}\)
(b) \(10\ \text{gün} \leq t \leq 10^2\ \mathrm{yr}\)
c) \(10^3\ \mathrm{yr} \leq t \leq 10^6\ \mathrm{yr}\)
(d) \(10^7\ \mathrm{yrs} \leq t \leq 10^{10}\ \mathrm{yr}\)
(e) \(t \geq 10^{11}\ \mathrm{yr}\)
3.3 \(\ce{CO}\)'nun \(\ce{H2}\) ile tepkimeye girerek \(\ce{H2CO}\) oluşturmasını ele alın. Bir metal katalizör üzerindeki aktivasyon enerjisi \(20\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) olup \(300\ \mathrm{K}\) sıcaklıkta aktif merkez başına 1 molekül/s hızla formaldehit üretilmektedir. Tepkimenin \(20\ \mathrm{K}\) sıcaklıkta gerçekleşmesi durumunda aktif merkez başına formaldehit oluşum hızını tahmin edin.
3.4 Doğru ifadelerin tümünü içeren küme hangisidir? Birini daire içine alın.
(a) \(\ce{CH}\) türlerinin çoğu, yüzey göçü yoluyla diğer reaktanlarla karşılaşmadan önce IIG yüzeyinden desorbe olur.
(b) IIG'ler, yıldızlararası uzayda basit moleküllerin daha karmaşık moleküllere dönüşmesine yardımcı olabilir.
(c) IIG üzerindeki bir tepkimenin Evren'in yaşı (\(1\times10^{10}\ \mathrm{yr}\)) boyunca kayda değer bir hızda gerçekleşebilmesi için tepkimenin enerji engeli bulunmamalı veya ihmal edilebilir düzeyde olmalıdır.
\(\square\) (a) \(\square\) (b) \(\square\) (c) \(\square\) (a, b) \(\square\) (a, c) \(\square\) (b, c) \(\square\) (a, b, c)
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 3.1: \(\boxed{\tau \approx 2.2\times10^{19}\ \mathrm{s} \approx 7.0\times10^{11}\ \mathrm{yr}}\).
- 3.2: \(\boxed{t \approx 4.9\times10^6\ \mathrm{s} \approx 57\ \text{gün}}\); (b) seçeneğini seçin.
- 3.3: Formaldehit (
C=O) oluşum hızı: \(\boxed{r_{20}\approx1.8\times10^{-49}\ \text{molekül}\,\mathrm{s^{-1}\,site^{-1}}}\). - 3.4: Sorunun ısıl Arrhenius modeli çerçevesinde (b, c) seçeneğini daire içine alın.
Çözüm
\(R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}\) ve \(1\ \mathrm{yr}\approx3.156\times10^7\ \mathrm{s}\) değerlerini kullanın.
3.1 — Ortalama kalış süresi
Adsorplanmış tür, SMILES gösterimi [CH] olan metilidin, \(\ce{CH}\)'dir. Taneciğe bağlanması bu SMILES gösteriminde belirtilmemiştir.
Birinci dereceden desorpsiyonda, bir molekülün \(t\) süresinin sonunda adsorplanmış durumda kalma olasılığı \[ P(t)=e^{-k_{\mathrm{des}}t} \] şeklindedir. Dolayısıyla ortalama kalış süresi \[ \tau=\int_0^\infty P(t)\,dt=\frac{1}{k_{\mathrm{des}}} \] olur.
Desorpsiyon hız sabiti \[ \begin{aligned} k_{\mathrm{des}} &=A\exp\left(-\frac{E_{\mathrm{des}}}{RT}\right)\\ &=(1.0\times10^{12}\ \mathrm{s^{-1}}) \exp\left[-\frac{12000\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} {(8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}})(20\ \mathrm{K})}\right]\\ &=4.55\times10^{-20}\ \mathrm{s^{-1}}. \end{aligned} \] olarak bulunur.
Böylece \[ \boxed{\tau=\frac{1}{k_{\mathrm{des}}} \approx2.2\times10^{19}\ \mathrm{s} \approx7.0\times10^{11}\ \mathrm{yr}}. \]
Bu, ortalama ömürdür; yarı ömür ise \((\ln 2)/k_{\mathrm{des}}\) olurdu.
3.2 — En kısa göç süresi
3.1'deki sıcaklık ve sıçrama frekansını kullanın. Göç hız sabiti \[ \begin{aligned} k_{\mathrm{mig}} &=(1.0\times10^{12}\ \mathrm{s^{-1}}) \exp\left[-\frac{6000}{8.314\times20}\right]\\ &=2.13\times10^{-4}\ \mathrm{s^{-1}}. \end{aligned} \] olarak bulunur. Dolayısıyla sıçrama başına ortalama bekleme süresi \[ \tau_{\mathrm{jump}}=\frac{1}{k_{\mathrm{mig}}} =4.69\times10^3\ \mathrm{s} \] olur.
Bir kürenin karşıt noktaları arasındaki en kısa yüzey yolu, bir büyük çemberin yarısıdır: \[ L=\pi r=\pi(0.1\times10^{-6}\ \mathrm{m}) =3.14\times10^{-7}\ \mathrm{m}. \]
Her sıçrama bu yol boyunca ilerliyorsa gereken sıçrama sayısı \[ N\approx\frac{L}{\ell} =\frac{3.14\times10^{-7}\ \mathrm{m}} {0.3\times10^{-9}\ \mathrm{m}} =1.05\times10^3 \] olur.
Buna göre en kısa yol boyunca hareket süresinin tahmini \[ \begin{aligned} t&=N\tau_{\mathrm{jump}}=\frac{N}{k_{\mathrm{mig}}}\\ &\approx4.91\times10^6\ \mathrm{s}\\ &\approx56.8\ \text{gün}\approx0.156\ \mathrm{yr}. \end{aligned} \] olarak bulunur.
Böylece \[ \boxed{\text{(b) seçeneğini seçin: }10\ \text{gün}\leq t\leq10^2\ \mathrm{yr}.} \]
Bu tahmin, tüm sıçramaların karşıt noktaya doğru ilerlediğini varsayar. Rastgele göç genellikle daha fazla sıçrama gerektirir.
3.3 — \(20\ \mathrm{K}\) sıcaklıkta formaldehit oluşumu
Denkleştirilmiş tepkime \[ \ce{CO + H2 -> H2CO} \] şeklindedir.
Türler; karbon monoksit, \(\ce{CO}\), [C-]#[O+]; moleküler hidrojen, \(\ce{H2}\), [H][H]; ve formaldehit (metanal), \(\ce{H2CO}\), C=O'dur.
Her iki sıcaklıkta da aktivasyon enerjisinin ve etkin hız ön çarpanının aynı olduğu varsayılırsa Arrhenius hız oranı \[ \frac{r_{20}}{r_{300}} =\exp\left[-\frac{E_a}{R} \left(\frac{1}{20\ \mathrm{K}}-\frac{1}{300\ \mathrm{K}}\right)\right] \] olur.
\(E_a=20000\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\) yerine konulduğunda, \[ \frac{r_{20}}{r_{300}} =\exp\left[-\frac{20000}{8.314} \left(\frac{1}{20}-\frac{1}{300}\right)\right] =e^{-112.26} =1.76\times10^{-49}. \]
\(r_{300}=1\ \text{molekül}\,\mathrm{s^{-1}\,site^{-1}}\) olduğundan, \[ \boxed{r_{20}\approx1.8\times10^{-49}\ \text{molekül}\,\mathrm{s^{-1}\,site^{-1}}}. \]
3.4 — İfadelerin değerlendirilmesi
(a) Yanlış. Göç, desorpsiyondan çok büyük ölçüde daha hızlıdır: \[ \frac{k_{\mathrm{mig}}}{k_{\mathrm{des}}} =\exp\left(\frac{E_{\mathrm{des}}-E_{\mathrm{mig}}}{RT}\right) =\exp\left(\frac{6000}{8.314\times20}\right) \approx4.7\times10^{15}. \] Dolayısıyla, tepkime gerçekleşmediğinde bir metilidin türü desorbe olmadan önce ortalama olarak yaklaşık \(4.7\times10^{15}\) göç sıçraması yapabilir. Göç, adsorplanmış diğer reaktanlarla karşılaşmak için çok sayıda fırsat sağlar.
(b) Doğru. Tanecikler reaktanları tutar ve yüzey göçü yoluyla karşılaşmalarına olanak tanır. Art arda hidrojen katılmaları daha karmaşık türler oluşturabilir:
\[
\ce{C + H -> CH},
\]
\[
\ce{CH + H -> CH2},
\]
\[
\ce{CH2 + H -> CH3}.
\]
Burada karbon ve hidrojen atomlarının SMILES gösterimleri sırasıyla [C] ve [H]; metilenin, \(\ce{CH2}\), SMILES gösterimi [CH2]; metil radikalinin, \(\ce{CH3}\), SMILES gösterimi ise [CH3]'tür. Bu denklemler yüzeydeki türleri betimler. SMILES gösterimleri, bu türlerin yüzeye bağlanma biçimlerini veya spin çokluklarını belirtmez.
(c) Amaçlanan ısıl aktivasyon modelinde doğru. \(20\ \mathrm{K}\) sıcaklıkta, 3.3'teki \(20\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) büyüklüğündeki engel bile tepkimeyi Evren'in belirtilen yaşı boyunca ihmal edilebilir hâle getirir. Bu süre içinde aktif merkez başına oluşması beklenen formaldehit molekülü sayısı \[ \begin{aligned} r_{20}t_{\mathrm{Universe}} &=(1.76\times10^{-49}\ \mathrm{s^{-1}\,site^{-1}}) (10^{10}\times3.156\times10^7\ \mathrm{s})\\ &\approx5.6\times10^{-32}\ \mathrm{site^{-1}}. \end{aligned} \] olur. Bu nedenle ısıl olarak etkinleşen kimyasal süreçlerin kayda değer ölçüde gerçekleşmesi için tepkime engelinin bulunmaması veya yeterince küçük olması gerekir.
Sonuç olarak, \[ \boxed{(b,\ c)} \] seçeneğini daire içine alın.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 2006 · Problema teórico 3
Química interestelar
Se cree que la química interestelar primitiva fue un preludio de la vida en la Tierra. Las moléculas pueden formarse en el espacio mediante reacciones heterogéneas en la superficie de partículas de polvo, a menudo llamadas granos de hielo interestelar (IIGs). Imagine la reacción entre átomos de \(\ce{H}\) y \(\ce{C}\) en la superficie de un IIG que da lugar a \(\ce{CH}\). El producto \(\ce{CH}\) puede desorberse de la superficie o seguir reaccionando, mediante migración superficial, con átomos de \(\ce{H}\) adsorbidos para formar \(\ce{CH2}\), \(\ce{CH3}\), etc.
Dependiendo de la energía con la que una molécula «salta» desde el sitio al que está anclada, abandona la superficie de forma permanente (desorción) o regresa a una nueva posición en ella (migración). Las velocidades de desorción y de salto migratorio siguen la fórmula de Arrhenius, \(k = A\exp(-E/RT)\), donde \(k\) es la constante de velocidad de desorción o de salto migratorio, \(A\) es la frecuencia de salto y \(E\) es la energía de activación del proceso correspondiente.
3.1 La desorción de \(\ce{CH}\) de la superficie del IIG sigue una cinética de primer orden. Calcule el tiempo medio de residencia de \(\ce{CH}\) en la superficie a \(20\ \mathrm{K}\). Suponga que \(A = 1\times10^{12}\ \mathrm{s^{-1}}\) y \(E_{\mathrm{des}} = 12\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
3.2 Considere el tiempo mínimo que tardaría una unidad de \(\ce{CH}\) en desplazarse desde su posición inicial hasta el lado opuesto de un IIG mediante saltos migratorios sucesivos. Suponga que la energía de activación de la migración (\(E_{\mathrm{mig}}\)) es \(6\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) y que el IIG es una esfera de radio \(0.1\ \mathrm{\mu m}\). Cada salto migratorio hace avanzar lateralmente la molécula \(0.3\ \mathrm{nm}\). Muestre los cálculos y elija su respuesta entre las opciones (a) – (e) siguientes.
(a) \(t \leq 1\ \text{día}\)
(b) \(10\ \text{días} \leq t \leq 10^2\ \mathrm{yr}\)
c) \(10^3\ \mathrm{yr} \leq t \leq 10^6\ \mathrm{yr}\)
(d) \(10^7\ \mathrm{yrs} \leq t \leq 10^{10}\ \mathrm{yr}\)
(e) \(t \geq 10^{11}\ \mathrm{yr}\)
3.3 Considere la reacción de \(\ce{CO}\) con \(\ce{H2}\) para formar \(\ce{H2CO}\). La energía de activación sobre un catalizador metálico es \(20\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\), y el formaldehído se produce a una velocidad de 1 molécula/s por sitio a \(300\ \mathrm{K}\). Estime la velocidad de formación de formaldehído por sitio si la reacción tiene lugar a \(20\ \mathrm{K}\).
3.4 ¿Qué conjunto contiene todas las afirmaciones verdaderas? Rodee una opción con un círculo.
(a) La mayoría de las especies \(\ce{CH}\) se desorben de la superficie del IIG antes de encontrarse con otros reactivos mediante migración superficial.
(b) Los IIGs pueden facilitar la transformación de moléculas simples en otras más complejas en el espacio interestelar.
(c) Para que una reacción en el IIG transcurra a una velocidad apreciable durante la edad del Universo (\(1\times10^{10}\ \mathrm{yr}\)), la barrera energética de la reacción debe ser inexistente o despreciable.
\(\square\) (a) \(\square\) (b) \(\square\) (c) \(\square\) (a, b) \(\square\) (a, c) \(\square\) (b, c) \(\square\) (a, b, c)
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 3.1: \(\boxed{\tau \approx 2.2\times10^{19}\ \mathrm{s} \approx 7.0\times10^{11}\ \mathrm{yr}}\).
- 3.2: \(\boxed{t \approx 4.9\times10^6\ \mathrm{s} \approx 57\ \text{días}}\); elija (b).
- 3.3: Velocidad de formación de formaldehído (
C=O): \(\boxed{r_{20}\approx1.8\times10^{-49}\ \text{moléculas}\,\mathrm{s^{-1}\,site^{-1}}}\). - 3.4: Rodee (b, c) con un círculo, dentro del modelo térmico de Arrhenius del problema.
Solución
Utilice \(R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}\) y \(1\ \mathrm{yr}\approx3.156\times10^7\ \mathrm{s}\).
3.1 — Tiempo medio de residencia
La especie adsorbida es el metilidino, \(\ce{CH}\), cuyo SMILES es [CH]. Su unión al grano no está representada por este SMILES.
Para una desorción de primer orden, la probabilidad de que una molécula permanezca adsorbida tras un tiempo \(t\) es \[ P(t)=e^{-k_{\mathrm{des}}t}. \] Por tanto, su tiempo medio de residencia es \[ \tau=\int_0^\infty P(t)\,dt=\frac{1}{k_{\mathrm{des}}}. \]
La constante de velocidad de desorción es \[ \begin{aligned} k_{\mathrm{des}} &=A\exp\left(-\frac{E_{\mathrm{des}}}{RT}\right)\\ &=(1.0\times10^{12}\ \mathrm{s^{-1}}) \exp\left[-\frac{12000\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} {(8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}})(20\ \mathrm{K})}\right]\\ &=4.55\times10^{-20}\ \mathrm{s^{-1}}. \end{aligned} \]
Así, \[ \boxed{\tau=\frac{1}{k_{\mathrm{des}}} \approx2.2\times10^{19}\ \mathrm{s} \approx7.0\times10^{11}\ \mathrm{yr}}. \]
Esta es la vida media; el período de semidesorción sería, en cambio, \((\ln 2)/k_{\mathrm{des}}\).
3.2 — Tiempo mínimo de migración
Utilice la misma temperatura y frecuencia de salto que en 3.1. La constante de velocidad de migración es \[ \begin{aligned} k_{\mathrm{mig}} &=(1.0\times10^{12}\ \mathrm{s^{-1}}) \exp\left[-\frac{6000}{8.314\times20}\right]\\ &=2.13\times10^{-4}\ \mathrm{s^{-1}}. \end{aligned} \] El tiempo medio de espera por salto es, en consecuencia, \[ \tau_{\mathrm{jump}}=\frac{1}{k_{\mathrm{mig}}} =4.69\times10^3\ \mathrm{s}. \]
El camino más corto sobre la superficie entre puntos opuestos de una esfera es la mitad de una circunferencia máxima: \[ L=\pi r=\pi(0.1\times10^{-6}\ \mathrm{m}) =3.14\times10^{-7}\ \mathrm{m}. \]
Si cada salto hace avanzar la molécula a lo largo de este camino, el número de saltos necesario es \[ N\approx\frac{L}{\ell} =\frac{3.14\times10^{-7}\ \mathrm{m}} {0.3\times10^{-9}\ \mathrm{m}} =1.05\times10^3. \]
Por tanto, la estimación del tiempo de recorrido por el camino más corto es \[ \begin{aligned} t&=N\tau_{\mathrm{jump}}=\frac{N}{k_{\mathrm{mig}}}\\ &\approx4.91\times10^6\ \mathrm{s}\\ &\approx56.8\ \text{días}\approx0.156\ \mathrm{yr}. \end{aligned} \]
Así, \[ \boxed{\text{Elija (b): }10\ \text{días}\leq t\leq10^2\ \mathrm{yr}.} \]
Esta estimación supone que todos los saltos hacen avanzar la molécula hacia el punto opuesto. La migración aleatoria requiere, en general, más saltos.
3.3 — Formación de formaldehído a \(20\ \mathrm{K}\)
La reacción ajustada es \[ \ce{CO + H2 -> H2CO}. \]
Las especies son monóxido de carbono, \(\ce{CO}\), [C-]#[O+]; hidrógeno molecular, \(\ce{H2}\), [H][H]; y formaldehído (metanal), \(\ce{H2CO}\), C=O.
Suponiendo la misma energía de activación y el mismo factor preexponencial efectivo de velocidad a ambas temperaturas, la relación entre las velocidades según Arrhenius es \[ \frac{r_{20}}{r_{300}} =\exp\left[-\frac{E_a}{R} \left(\frac{1}{20\ \mathrm{K}}-\frac{1}{300\ \mathrm{K}}\right)\right]. \]
Sustituyendo \(E_a=20000\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\), \[ \frac{r_{20}}{r_{300}} =\exp\left[-\frac{20000}{8.314} \left(\frac{1}{20}-\frac{1}{300}\right)\right] =e^{-112.26} =1.76\times10^{-49}. \]
Puesto que \(r_{300}=1\ \text{molécula}\,\mathrm{s^{-1}\,site^{-1}}\), \[ \boxed{r_{20}\approx1.8\times10^{-49}\ \text{moléculas}\,\mathrm{s^{-1}\,site^{-1}}}. \]
3.4 — Evaluación de las afirmaciones
(a) Falsa. La migración es enormemente más rápida que la desorción: \[ \frac{k_{\mathrm{mig}}}{k_{\mathrm{des}}} =\exp\left(\frac{E_{\mathrm{des}}-E_{\mathrm{mig}}}{RT}\right) =\exp\left(\frac{6000}{8.314\times20}\right) \approx4.7\times10^{15}. \] Así, en ausencia de reacción, una especie de metilidino puede realizar aproximadamente \(4.7\times10^{15}\) saltos migratorios en promedio antes de desorberse. La migración ofrece numerosas oportunidades de encontrarse con otros reactivos adsorbidos.
(b) Verdadera. Los granos retienen los reactivos y permiten que se encuentren mediante migración superficial. Las adiciones sucesivas de hidrógeno pueden dar lugar a especies más complejas:
\[
\ce{C + H -> CH},
\]
\[
\ce{CH + H -> CH2},
\]
\[
\ce{CH2 + H -> CH3}.
\]
Aquí, los átomos de carbono e hidrógeno tienen los SMILES [C] y [H]; el metileno, \(\ce{CH2}\), tiene el SMILES [CH2]; y el radical metilo, \(\ce{CH3}\), tiene el SMILES [CH3]. Estas ecuaciones describen especies en la superficie. Los SMILES no especifican sus enlaces con la superficie ni sus multiplicidades de espín.
(c) Verdadera en el modelo de activación térmica considerado. A \(20\ \mathrm{K}\), incluso la barrera de \(20\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) de 3.3 hace que la reacción sea despreciable a lo largo de la edad del Universo indicada. El número esperado de moléculas de formaldehído formadas por sitio en ese tiempo es \[ \begin{aligned} r_{20}t_{\mathrm{Universe}} &=(1.76\times10^{-49}\ \mathrm{s^{-1}\,site^{-1}}) (10^{10}\times3.156\times10^7\ \mathrm{s})\\ &\approx5.6\times10^{-32}\ \mathrm{site^{-1}}. \end{aligned} \] Por tanto, para que la química activada térmicamente transcurra a una velocidad apreciable, la barrera de reacción debe ser inexistente o suficientemente pequeña.
En consecuencia, rodee con un círculo \[ \boxed{(b,\ c)}. \]
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 2006 · 理论题 3
星际化学
早期的星际化学被认为是地球上生命出现的前奏。分子可以通过尘埃颗粒表面的多相反应在太空中形成,这些颗粒常被称为星际冰粒(IIGs)。设想在 IIG 表面,\(\ce{H}\) 原子与 \(\ce{C}\) 原子反应生成 \(\ce{CH}\)。产物 \(\ce{CH}\) 既可以从表面脱附,也可以通过表面迁移,与吸附的 \(\ce{H}\) 原子进一步反应,生成 \(\ce{CH2}\)、\(\ce{CH3}\) 等。
分子从其固定位置“跃迁”时,所具有的能量决定了它是永久离开表面(脱附),还是返回表面上的新位置(迁移)。脱附和迁移跃迁的速率遵循阿伦尼乌斯公式 \(k = A\exp(-E/RT)\),其中 \(k\) 是脱附或迁移跃迁的速率常数,\(A\) 是跃迁频率,\(E\) 是相应过程的活化能。
3.1 \(\ce{CH}\) 从 IIG 表面脱附的过程遵循一级反应动力学。计算 \(20\ \mathrm{K}\) 时 \(\ce{CH}\) 在表面的平均停留时间。假设 \(A = 1\times10^{12}\ \mathrm{s^{-1}}\),\(E_{\mathrm{des}} = 12\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)。
3.2 考虑一个 \(\ce{CH}\) 单元通过连续的迁移跃迁,从初始位置移动到 IIG 对侧所需的最短时间。假设迁移活化能(\(E_{\mathrm{mig}}\))为 \(6\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\),且 IIG 是半径为 \(0.1\ \mathrm{\mu m}\) 的球体。每次迁移跃迁使分子沿表面前进 \(0.3\ \mathrm{nm}\)。写出计算过程,并从下面的 (a) – (e) 中选择答案。
(a) \(t \leq 1\ \text{天}\)
(b) \(10\ \text{天} \leq t \leq 10^2\ \mathrm{yr}\)
c) \(10^3\ \mathrm{yr} \leq t \leq 10^6\ \mathrm{yr}\)
(d) \(10^7\ \mathrm{yrs} \leq t \leq 10^{10}\ \mathrm{yr}\)
(e) \(t \geq 10^{11}\ \mathrm{yr}\)
3.3 考虑 \(\ce{CO}\) 与 \(\ce{H2}\) 反应生成 \(\ce{H2CO}\) 的过程。在金属催化剂上,该反应的活化能为 \(20\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\),在 \(300\ \mathrm{K}\) 时,每个位点以每秒 1 个分子的速率生成甲醛。估算该反应在 \(20\ \mathrm{K}\) 时每个位点生成甲醛的速率。
3.4 哪个选项包含全部正确的陈述?圈出一个选项。
(a) 大多数 \(\ce{CH}\) 物种在通过表面迁移遇到其他反应物之前,就已经从 IIG 表面脱附。
(b) IIG 可以促进星际空间中的简单分子转化为更复杂的分子。
(c) 要使 IIG 上的反应在宇宙年龄(\(1\times10^{10}\ \mathrm{yr}\))内以可观的速率进行,反应能垒必须不存在或小到可以忽略不计。
\(\square\) (a) \(\square\) (b) \(\square\) (c) \(\square\) (a, b) \(\square\) (a, c) \(\square\) (b, c) \(\square\) (a, b, c)
题目译自官方英文原文。
答案
- 3.1: \(\boxed{\tau \approx 2.2\times10^{19}\ \mathrm{s} \approx 7.0\times10^{11}\ \mathrm{yr}}\)。
- 3.2: \(\boxed{t \approx 4.9\times10^6\ \mathrm{s} \approx 57\ \text{天}}\);选择 (b)。
- 3.3: 甲醛(
C=O)的生成速率:\(\boxed{r_{20}\approx1.8\times10^{-49}\ \text{个分子}\,\mathrm{s^{-1}\,site^{-1}}}\)。 - 3.4: 在本题的热活化阿伦尼乌斯模型下,圈出 (b, c)。
解答
取 \(R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}\) 和 \(1\ \mathrm{yr}\approx3.156\times10^7\ \mathrm{s}\)。
3.1 — 平均停留时间
吸附的物种为次甲基,\(\ce{CH}\),其 SMILES 为 [CH]。该 SMILES 并未表示它与冰粒的连接。
对于一级脱附过程,分子在经过时间 \(t\) 后仍保持吸附状态的概率为 \[ P(t)=e^{-k_{\mathrm{des}}t}. \] 因此,其平均停留时间为 \[ \tau=\int_0^\infty P(t)\,dt=\frac{1}{k_{\mathrm{des}}}. \]
脱附速率常数为 \[ \begin{aligned} k_{\mathrm{des}} &=A\exp\left(-\frac{E_{\mathrm{des}}}{RT}\right)\\ &=(1.0\times10^{12}\ \mathrm{s^{-1}}) \exp\left[-\frac{12000\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} {(8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}})(20\ \mathrm{K})}\right]\\ &=4.55\times10^{-20}\ \mathrm{s^{-1}}. \end{aligned} \]
因此 \[ \boxed{\tau=\frac{1}{k_{\mathrm{des}}} \approx2.2\times10^{19}\ \mathrm{s} \approx7.0\times10^{11}\ \mathrm{yr}}. \]
这是平均寿命;半衰期则为 \((\ln 2)/k_{\mathrm{des}}\)。
3.2 — 最短迁移时间
采用与 3.1 中相同的温度和跃迁频率。迁移速率常数为 \[ \begin{aligned} k_{\mathrm{mig}} &=(1.0\times10^{12}\ \mathrm{s^{-1}}) \exp\left[-\frac{6000}{8.314\times20}\right]\\ &=2.13\times10^{-4}\ \mathrm{s^{-1}}. \end{aligned} \] 因此,每次跃迁的平均等待时间为 \[ \tau_{\mathrm{jump}}=\frac{1}{k_{\mathrm{mig}}} =4.69\times10^3\ \mathrm{s}. \]
球面上两个对径点之间沿表面的最短路径为半个大圆: \[ L=\pi r=\pi(0.1\times10^{-6}\ \mathrm{m}) =3.14\times10^{-7}\ \mathrm{m}. \]
如果每次跃迁都沿这条路径前进,所需的跃迁次数为 \[ N\approx\frac{L}{\ell} =\frac{3.14\times10^{-7}\ \mathrm{m}} {0.3\times10^{-9}\ \mathrm{m}} =1.05\times10^3. \]
因此,沿最短路径移动所需时间的估计值为 \[ \begin{aligned} t&=N\tau_{\mathrm{jump}}=\frac{N}{k_{\mathrm{mig}}}\\ &\approx4.91\times10^6\ \mathrm{s}\\ &\approx56.8\ \text{天}\approx0.156\ \mathrm{yr}. \end{aligned} \]
因此 \[ \boxed{\text{选择 (b):}10\ \text{天}\leq t\leq10^2\ \mathrm{yr}.} \]
这一估计假设所有跃迁都朝着对径点前进。随机迁移通常需要更多次跃迁。
3.3 — \(20\ \mathrm{K}\) 时甲醛的生成
配平的反应方程式为 \[ \ce{CO + H2 -> H2CO}. \]
各物种分别为一氧化碳,\(\ce{CO}\),[C-]#[O+];氢分子,\(\ce{H2}\),[H][H];以及甲醛(系统名也为甲醛),\(\ce{H2CO}\),C=O。
假设在两个温度下,活化能和有效速率指前因子相同,则由阿伦尼乌斯公式得到的速率比为 \[ \frac{r_{20}}{r_{300}} =\exp\left[-\frac{E_a}{R} \left(\frac{1}{20\ \mathrm{K}}-\frac{1}{300\ \mathrm{K}}\right)\right]. \]
代入 \(E_a=20000\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\), \[ \frac{r_{20}}{r_{300}} =\exp\left[-\frac{20000}{8.314} \left(\frac{1}{20}-\frac{1}{300}\right)\right] =e^{-112.26} =1.76\times10^{-49}. \]
由于 \(r_{300}=1\ \text{个分子}\,\mathrm{s^{-1}\,site^{-1}}\), \[ \boxed{r_{20}\approx1.8\times10^{-49}\ \text{个分子}\,\mathrm{s^{-1}\,site^{-1}}}. \]
3.4 — 判断各项陈述
(a) 错误。 迁移比脱附快得多: \[ \frac{k_{\mathrm{mig}}}{k_{\mathrm{des}}} =\exp\left(\frac{E_{\mathrm{des}}-E_{\mathrm{mig}}}{RT}\right) =\exp\left(\frac{6000}{8.314\times20}\right) \approx4.7\times10^{15}. \] 因此,在不发生反应的情况下,一个次甲基物种在脱附之前,平均可以进行约 \(4.7\times10^{15}\) 次迁移跃迁。迁移提供了大量与其他吸附态反应物相遇的机会。
(b) 正确。 冰粒可以滞留反应物,并使它们通过表面迁移相遇。通过逐次加氢,可以形成更复杂的物种:
\[
\ce{C + H -> CH},
\]
\[
\ce{CH + H -> CH2},
\]
\[
\ce{CH2 + H -> CH3}.
\]
这里,碳原子和氢原子的 SMILES 分别为 [C] 和 [H];亚甲基 \(\ce{CH2}\) 的 SMILES 为 [CH2];甲基自由基 \(\ce{CH3}\) 的 SMILES 为 [CH3]。这些方程式描述的是表面上的物种。这些 SMILES 并未指明它们与表面的成键情况或自旋多重度。
(c) 在题目所采用的热活化模型中正确。 在 \(20\ \mathrm{K}\) 时,即使是 3.3 中 \(20\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) 的能垒,也会使该反应在题目给定的宇宙年龄内可以忽略不计。在这段时间内,每个位点生成的甲醛分子数的期望值为 \[ \begin{aligned} r_{20}t_{\mathrm{Universe}} &=(1.76\times10^{-49}\ \mathrm{s^{-1}\,site^{-1}}) (10^{10}\times3.156\times10^7\ \mathrm{s})\\ &\approx5.6\times10^{-32}\ \mathrm{site^{-1}}. \end{aligned} \] 因此,要使热活化化学反应以可观的速率进行,反应能垒必须不存在或足够小。
所以,圈出 \[ \boxed{(b,\ c)}. \]
解答已与官方解答核对。
IChO 2006 · Теоретическая задача 3
Межзвёздная химия
Считается, что химические процессы в межзвёздной среде на ранних этапах её существования были предвестниками возникновения жизни на Земле. Молекулы могут образовываться в космосе в результате гетерогенных реакций на поверхности частиц пыли, которые часто называют межзвёздными ледяными зёрнами (IIG). Представьте себе реакцию между атомами \(\ce{H}\) и \(\ce{C}\) на поверхности IIG, в результате которой образуется \(\ce{CH}\). Продукт \(\ce{CH}\) может либо десорбироваться с поверхности, либо, перемещаясь по поверхности, вступать в дальнейшие реакции с адсорбированными атомами \(\ce{H}\) с образованием \(\ce{CH2}\), \(\ce{CH3}\) и т. д.
В зависимости от энергии, с которой молекула «прыгает» из места своего закрепления, она либо окончательно покидает поверхность (десорбция), либо возвращается на поверхность в новое положение (миграция). Скорости десорбции и миграционных скачков подчиняются уравнению Аррениуса \(k = A\exp(-E/RT)\), где \(k\) — константа скорости десорбции или миграционного скачка, \(A\) — частота скачков, а \(E\) — энергия активации соответствующего процесса.
3.1 Десорбция \(\ce{CH}\) с поверхности IIG подчиняется кинетике первого порядка. Рассчитайте среднее время пребывания \(\ce{CH}\) на поверхности при \(20\ \mathrm{K}\). Примите, что \(A = 1\times10^{12}\ \mathrm{s^{-1}}\) и \(E_{\mathrm{des}} = 12\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
3.2 Рассмотрите наименьшее время, за которое одна частица \(\ce{CH}\) могла бы переместиться из своего исходного положения на противоположную сторону IIG путём последовательных миграционных скачков. Примите, что энергия активации миграции (\(E_{\mathrm{mig}}\)) составляет \(6\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\), а IIG представляет собой сферу радиусом \(0.1\ \mathrm{\mu m}\). При каждом миграционном скачке молекула смещается вдоль поверхности на \(0.3\ \mathrm{nm}\). Приведите расчёты и выберите ответ из вариантов (a) – (e) ниже.
(a) \(t \leq 1\ \text{сутки}\)
(b) \(10\ \text{суток} \leq t \leq 10^2\ \mathrm{yr}\)
c) \(10^3\ \mathrm{yr} \leq t \leq 10^6\ \mathrm{yr}\)
(d) \(10^7\ \mathrm{yrs} \leq t \leq 10^{10}\ \mathrm{yr}\)
(e) \(t \geq 10^{11}\ \mathrm{yr}\)
3.3 Рассмотрите реакцию \(\ce{CO}\) с \(\ce{H2}\) с образованием \(\ce{H2CO}\). Энергия активации на металлическом катализаторе составляет \(20\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\); при \(300\ \mathrm{K}\) формальдегид образуется со скоростью 1 молекула/с на один активный центр. Оцените скорость образования формальдегида на один активный центр, если реакция протекает при \(20\ \mathrm{K}\).
3.4 Какой набор включает все верные утверждения? Обведите один вариант.
(a) Большинство частиц \(\ce{CH}\) десорбируется с поверхности IIG до того, как встретит другие реагенты в ходе миграции по поверхности.
(b) IIG могут способствовать превращению простых молекул в более сложные в межзвёздном пространстве.
(c) Чтобы реакция на IIG протекала с заметной скоростью за время существования Вселенной (\(1\times10^{10}\ \mathrm{yr}\)), энергетический барьер реакции должен отсутствовать или быть пренебрежимо малым.
\(\square\) (a) \(\square\) (b) \(\square\) (c) \(\square\) (a, b) \(\square\) (a, c) \(\square\) (b, c) \(\square\) (a, b, c)
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 3.1: \(\boxed{\tau \approx 2.2\times10^{19}\ \mathrm{s} \approx 7.0\times10^{11}\ \mathrm{yr}}\).
- 3.2: \(\boxed{t \approx 4.9\times10^6\ \mathrm{s} \approx 57\ \text{суток}}\); выберите (b).
- 3.3: Скорость образования формальдегида (
C=O): \(\boxed{r_{20}\approx1.8\times10^{-49}\ \text{молекул}\,\mathrm{s^{-1}\,site^{-1}}}\). - 3.4: Обведите (b, c) в рамках используемой в задаче модели термической активации по Аррениусу.
Решение
Используем \(R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}\) и \(1\ \mathrm{yr}\approx3.156\times10^7\ \mathrm{s}\).
3.1 — Среднее время пребывания
Адсорбированная частица — метилидин, \(\ce{CH}\), SMILES [CH]. Её связь с зерном в этой записи SMILES не отражена.
При десорбции первого порядка вероятность того, что молекула остаётся адсорбированной по прошествии времени \(t\), равна \[ P(t)=e^{-k_{\mathrm{des}}t}. \] Следовательно, среднее время её пребывания составляет \[ \tau=\int_0^\infty P(t)\,dt=\frac{1}{k_{\mathrm{des}}}. \]
Константа скорости десорбции равна \[ \begin{aligned} k_{\mathrm{des}} &=A\exp\left(-\frac{E_{\mathrm{des}}}{RT}\right)\\ &=(1.0\times10^{12}\ \mathrm{s^{-1}}) \exp\left[-\frac{12000\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} {(8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}})(20\ \mathrm{K})}\right]\\ &=4.55\times10^{-20}\ \mathrm{s^{-1}}. \end{aligned} \]
Таким образом, \[ \boxed{\tau=\frac{1}{k_{\mathrm{des}}} \approx2.2\times10^{19}\ \mathrm{s} \approx7.0\times10^{11}\ \mathrm{yr}}. \]
Это среднее время жизни; период полупревращения, в отличие от него, составил бы \((\ln 2)/k_{\mathrm{des}}\).
3.2 — Наименьшее время миграции
Используем те же температуру и частоту скачков, что и в 3.1. Константа скорости миграции равна \[ \begin{aligned} k_{\mathrm{mig}} &=(1.0\times10^{12}\ \mathrm{s^{-1}}) \exp\left[-\frac{6000}{8.314\times20}\right]\\ &=2.13\times10^{-4}\ \mathrm{s^{-1}}. \end{aligned} \] Следовательно, среднее время ожидания одного скачка составляет \[ \tau_{\mathrm{jump}}=\frac{1}{k_{\mathrm{mig}}} =4.69\times10^3\ \mathrm{s}. \]
Кратчайший путь по поверхности между противоположными точками сферы — половина большой окружности: \[ L=\pi r=\pi(0.1\times10^{-6}\ \mathrm{m}) =3.14\times10^{-7}\ \mathrm{m}. \]
Если каждый скачок продвигает частицу вдоль этого пути, необходимое число скачков равно \[ N\approx\frac{L}{\ell} =\frac{3.14\times10^{-7}\ \mathrm{m}} {0.3\times10^{-9}\ \mathrm{m}} =1.05\times10^3. \]
Отсюда оценка времени перемещения по кратчайшему пути составляет \[ \begin{aligned} t&=N\tau_{\mathrm{jump}}=\frac{N}{k_{\mathrm{mig}}}\\ &\approx4.91\times10^6\ \mathrm{s}\\ &\approx56.8\ \text{суток}\approx0.156\ \mathrm{yr}. \end{aligned} \]
Таким образом, \[ \boxed{\text{Выберите (b): }10\ \text{суток}\leq t\leq10^2\ \mathrm{yr}.} \]
Эта оценка предполагает, что все скачки направлены к противоположной точке. Случайная миграция, как правило, требует большего числа скачков.
3.3 — Образование формальдегида при \(20\ \mathrm{K}\)
Уравнение реакции с расставленными коэффициентами: \[ \ce{CO + H2 -> H2CO}. \]
Участвующие вещества — монооксид углерода, \(\ce{CO}\), [C-]#[O+]; молекулярный водород, \(\ce{H2}\), [H][H]; и формальдегид (метаналь), \(\ce{H2CO}\), C=O.
Если предположить, что энергия активации и эффективный предэкспоненциальный множитель скорости одинаковы при обеих температурах, то по уравнению Аррениуса отношение скоростей равно \[ \frac{r_{20}}{r_{300}} =\exp\left[-\frac{E_a}{R} \left(\frac{1}{20\ \mathrm{K}}-\frac{1}{300\ \mathrm{K}}\right)\right]. \]
Подставляя \(E_a=20000\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\), получаем \[ \frac{r_{20}}{r_{300}} =\exp\left[-\frac{20000}{8.314} \left(\frac{1}{20}-\frac{1}{300}\right)\right] =e^{-112.26} =1.76\times10^{-49}. \]
Поскольку \(r_{300}=1\ \text{молекула}\,\mathrm{s^{-1}\,site^{-1}}\), \[ \boxed{r_{20}\approx1.8\times10^{-49}\ \text{молекул}\,\mathrm{s^{-1}\,site^{-1}}}. \]
3.4 — Оценка утверждений
(a) Неверно. Миграция происходит во много раз быстрее десорбции: \[ \frac{k_{\mathrm{mig}}}{k_{\mathrm{des}}} =\exp\left(\frac{E_{\mathrm{des}}-E_{\mathrm{mig}}}{RT}\right) =\exp\left(\frac{6000}{8.314\times20}\right) \approx4.7\times10^{15}. \] Таким образом, в отсутствие реакции частица метилидина до десорбции может совершить в среднем приблизительно \(4.7\times10^{15}\) миграционных скачков. Миграция создаёт многочисленные возможности для встречи с другими адсорбированными реагентами.
(b) Верно. Зёрна удерживают реагенты и обеспечивают возможность их встречи благодаря миграции по поверхности. Последовательное присоединение атомов водорода может приводить к образованию более сложных частиц:
\[
\ce{C + H -> CH},
\]
\[
\ce{CH + H -> CH2},
\]
\[
\ce{CH2 + H -> CH3}.
\]
Здесь атомы углерода и водорода имеют записи SMILES [C] и [H]; метилен, \(\ce{CH2}\), имеет запись SMILES [CH2]; а метильный радикал, \(\ce{CH3}\), — запись SMILES [CH3]. Эти уравнения описывают частицы на поверхности. Записи SMILES не указывают характер их связи с поверхностью или их спиновые мультиплетности.
(c) Верно в рамках подразумеваемой модели термической активации. При \(20\ \mathrm{K}\) даже барьер \(20\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) из 3.3 делает протекание реакции пренебрежимо малым за указанное время существования Вселенной. Ожидаемое число молекул формальдегида, образующихся на одном активном центре за это время, равно \[ \begin{aligned} r_{20}t_{\mathrm{Universe}} &=(1.76\times10^{-49}\ \mathrm{s^{-1}\,site^{-1}}) (10^{10}\times3.156\times10^7\ \mathrm{s})\\ &\approx5.6\times10^{-32}\ \mathrm{site^{-1}}. \end{aligned} \] Следовательно, для заметного протекания термически активируемых химических процессов барьер реакции должен отсутствовать или быть достаточно малым.
Таким образом, следует обвести \[ \boxed{(b,\ c)}. \]
Решение проверено по официальному решению.
IChO 2006 · مسألة نظرية 3
الكيمياء بين النجمية
يُعتقد أن الكيمياء بين النجمية في مراحلها المبكرة كانت تمهيدًا للحياة على الأرض. يمكن أن تتكوّن الجزيئات في الفضاء بفعل تفاعلات غير متجانسة على سطح جسيمات الغبار، التي تُسمّى غالبًا حبيبات الجليد بين النجمية (IIGs). تخيّل التفاعل بين ذرات \(\ce{H}\) و\(\ce{C}\) على سطح حبيبة جليد بين نجمية، الذي يُكوِّن \(\ce{CH}\). ويمكن للناتج \(\ce{CH}\) إما أن يُمتزّ عكسيًا من السطح، أو أن يواصل التفاعل، عبر الهجرة السطحية، مع ذرات \(\ce{H}\) الممتزّة لتكوين \(\ce{CH2}\) و\(\ce{CH3}\)، وهكذا.
بحسب مقدار الطاقة التي «يقفز» بها الجزيء من موقع تثبّته، فإنه إما يغادر السطح نهائيًا (الامتزاز العكسي)، أو يعود إلى موضع جديد على السطح (الهجرة). ويتبع معدّلا الامتزاز العكسي والقفز الانتقالي صيغة أرهينيوس، \(k = A\exp(-E/RT)\)، حيث \(k\) هو ثابت سرعة الامتزاز العكسي أو القفز الانتقالي، و\(A\) تواتر القفز، و\(E\) طاقة التنشيط للعملية المعنية.
3.1 يتبع الامتزاز العكسي لـ\(\ce{CH}\) من سطح حبيبات الجليد بين النجمية حركية من الرتبة الأولى. احسب متوسط زمن مكوث \(\ce{CH}\) على السطح عند \(20\ \mathrm{K}\). افترض أن \(A = 1\times10^{12}\ \mathrm{s^{-1}}\) و\(E_{\mathrm{des}} = 12\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
3.2 انظر في أقصر زمن تستغرقه وحدة واحدة من \(\ce{CH}\) للانتقال من موضعها الابتدائي إلى الجانب المقابل من حبيبة جليد بين نجمية بقفزات انتقالية متتالية. افترض أن طاقة تنشيط الهجرة (\(E_{\mathrm{mig}}\)) تساوي \(6\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)، وأن حبيبة الجليد بين النجمية كرة نصف قطرها \(0.1\ \mathrm{\mu m}\). تُقدِّم كل قفزة انتقالية الجزيء جانبيًا بمقدار \(0.3\ \mathrm{nm}\). وضّح خطوات حسابك واختر إجابتك من (a) – (e) أدناه.
(a) \(t \leq 1\ \text{يوم}\)
(b) \(10\ \text{أيام} \leq t \leq 10^2\ \mathrm{yr}\)
c) \(10^3\ \mathrm{yr} \leq t \leq 10^6\ \mathrm{yr}\)
(d) \(10^7\ \mathrm{yrs} \leq t \leq 10^{10}\ \mathrm{yr}\)
(e) \(t \geq 10^{11}\ \mathrm{yr}\)
3.3 انظر في تفاعل \(\ce{CO}\) مع \(\ce{H2}\) لتكوين \(\ce{H2CO}\). تبلغ طاقة التنشيط على حفّاز فلزي \(20\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)، ويتكوّن الفورمالدهيد بمعدل جزيء واحد/ثانية لكل موقع عند \(300\ \mathrm{K}\). قدّر معدل تكوّن الفورمالدهيد لكل موقع إذا جرى التفاعل عند \(20\ \mathrm{K}\).
3.4 أي مجموعة تضم جميع العبارات الصحيحة؟ ضع دائرة حول اختيار واحد.
(a) تغادر معظم أنواع \(\ce{CH}\) الكيميائية سطح حبيبات الجليد بين النجمية بالامتزاز العكسي قبل أن تصادف متفاعلات أخرى بالهجرة السطحية.
(b) يمكن لحبيبات الجليد بين النجمية أن تساعد في تحوّل الجزيئات البسيطة إلى جزيئات أكثر تعقيدًا في الفضاء بين النجمي.
(c) لكي يجري تفاعل على حبيبة جليد بين نجمية بسرعة ملحوظة خلال عمر الكون (\(1\times10^{10}\ \mathrm{yr}\))، يجب أن يكون حاجز طاقة التفاعل معدومًا أو ضئيلًا إلى حد يمكن إهماله.
\(\square\) (a) \(\square\) (b) \(\square\) (c) \(\square\) (a, b) \(\square\) (a, c) \(\square\) (b, c) \(\square\) (a, b, c)
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 3.1: \(\boxed{\tau \approx 2.2\times10^{19}\ \mathrm{s} \approx 7.0\times10^{11}\ \mathrm{yr}}\).
- 3.2: \(\boxed{t \approx 4.9\times10^6\ \mathrm{s} \approx 57\ \text{يومًا}}\)؛ اختر (b).
- 3.3: معدل تكوّن الفورمالدهيد (
C=O): \(\boxed{r_{20}\approx1.8\times10^{-49}\ \text{جزيئات}\,\mathrm{s^{-1}\,site^{-1}}}\). - 3.4: ضع دائرة حول (b, c)، ضمن نموذج أرهينيوس الحراري المعتمد في المسألة.
الحل
استخدم \(R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}\) و\(1\ \mathrm{yr}\approx3.156\times10^7\ \mathrm{s}\).
3.1 — متوسط زمن المكوث
النوع الكيميائي الممتزّ هو الميثيليدين، \(\ce{CH}\)، وتمثيله بصيغة SMILES هو [CH]. ولا يمثّل هذا الترميز بصيغة SMILES ارتباطه بالحبيبة.
في الامتزاز العكسي من الرتبة الأولى، يُعطى احتمال بقاء الجزيء ممتزًّا بعد زمن \(t\) بالعلاقة \[ P(t)=e^{-k_{\mathrm{des}}t}. \] ومن ثم يكون متوسط زمن مكوثه \[ \tau=\int_0^\infty P(t)\,dt=\frac{1}{k_{\mathrm{des}}}. \]
ثابت سرعة الامتزاز العكسي هو \[ \begin{aligned} k_{\mathrm{des}} &=A\exp\left(-\frac{E_{\mathrm{des}}}{RT}\right)\\ &=(1.0\times10^{12}\ \mathrm{s^{-1}}) \exp\left[-\frac{12000\ \mathrm{J\,mol^{-1}}} {(8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}})(20\ \mathrm{K})}\right]\\ &=4.55\times10^{-20}\ \mathrm{s^{-1}}. \end{aligned} \]
إذًا \[ \boxed{\tau=\frac{1}{k_{\mathrm{des}}} \approx2.2\times10^{19}\ \mathrm{s} \approx7.0\times10^{11}\ \mathrm{yr}}. \]
هذا هو متوسط العمر؛ أما عمر النصف فيكون \((\ln 2)/k_{\mathrm{des}}\).
3.2 — أقصر زمن للهجرة
استخدم درجة الحرارة وتواتر القفز نفسيهما كما في 3.1. ثابت سرعة الهجرة هو \[ \begin{aligned} k_{\mathrm{mig}} &=(1.0\times10^{12}\ \mathrm{s^{-1}}) \exp\left[-\frac{6000}{8.314\times20}\right]\\ &=2.13\times10^{-4}\ \mathrm{s^{-1}}. \end{aligned} \] وعليه، فإن متوسط زمن الانتظار لكل قفزة هو \[ \tau_{\mathrm{jump}}=\frac{1}{k_{\mathrm{mig}}} =4.69\times10^3\ \mathrm{s}. \]
أقصر مسار على السطح بين نقطتين متقابلتين على كرة هو نصف دائرة عظمى: \[ L=\pi r=\pi(0.1\times10^{-6}\ \mathrm{m}) =3.14\times10^{-7}\ \mathrm{m}. \]
إذا كانت كل قفزة تُقدِّم الجزيء على طول هذا المسار، فإن عدد القفزات المطلوب هو \[ N\approx\frac{L}{\ell} =\frac{3.14\times10^{-7}\ \mathrm{m}} {0.3\times10^{-9}\ \mathrm{m}} =1.05\times10^3. \]
ومن ثم فإن تقدير زمن الانتقال على أقصر مسار هو \[ \begin{aligned} t&=N\tau_{\mathrm{jump}}=\frac{N}{k_{\mathrm{mig}}}\\ &\approx4.91\times10^6\ \mathrm{s}\\ &\approx56.8\ \text{يومًا}\approx0.156\ \mathrm{yr}. \end{aligned} \]
إذًا \[ \boxed{\text{اختر (b): }10\ \text{أيام}\leq t\leq10^2\ \mathrm{yr}.} \]
يفترض هذا التقدير أن جميع القفزات تُقدِّم الجزيء نحو النقطة المقابلة. وتتطلب الهجرة العشوائية عمومًا عددًا أكبر من القفزات.
3.3 — تكوّن الفورمالدهيد عند \(20\ \mathrm{K}\)
معادلة التفاعل الموزونة هي \[ \ce{CO + H2 -> H2CO}. \]
الأنواع الكيميائية هي أحادي أكسيد الكربون، \(\ce{CO}\)، [C-]#[O+]؛ والهيدروجين الجزيئي، \(\ce{H2}\)، [H][H]؛ والفورمالدهيد (الميثانال)، \(\ce{H2CO}\)، C=O.
بافتراض ثبات طاقة التنشيط والعامل الفعّال السابق للأُسّ في تعبير السرعة عند درجتي الحرارة، تكون نسبة السرعتين وفق أرهينيوس \[ \frac{r_{20}}{r_{300}} =\exp\left[-\frac{E_a}{R} \left(\frac{1}{20\ \mathrm{K}}-\frac{1}{300\ \mathrm{K}}\right)\right]. \]
بالتعويض بـ\(E_a=20000\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\)، \[ \frac{r_{20}}{r_{300}} =\exp\left[-\frac{20000}{8.314} \left(\frac{1}{20}-\frac{1}{300}\right)\right] =e^{-112.26} =1.76\times10^{-49}. \]
بما أن \(r_{300}=1\ \text{جزيء}\,\mathrm{s^{-1}\,site^{-1}}\)، \[ \boxed{r_{20}\approx1.8\times10^{-49}\ \text{جزيئات}\,\mathrm{s^{-1}\,site^{-1}}}. \]
3.4 — تقييم العبارات
(a) خاطئة. الهجرة أسرع بكثير جدًا من الامتزاز العكسي: \[ \frac{k_{\mathrm{mig}}}{k_{\mathrm{des}}} =\exp\left(\frac{E_{\mathrm{des}}-E_{\mathrm{mig}}}{RT}\right) =\exp\left(\frac{6000}{8.314\times20}\right) \approx4.7\times10^{15}. \] لذلك، في غياب التفاعل، يمكن لنوع الميثيليدين الكيميائي أن يقوم في المتوسط بنحو \(4.7\times10^{15}\) قفزة انتقالية قبل أن يغادر بالامتزاز العكسي. وتتيح الهجرة فرصًا واسعة لمصادفة متفاعلات أخرى ممتزّة.
(b) صحيحة. تحتفظ الحبيبات بالمتفاعلات وتتيح تلاقيها عبر الهجرة السطحية. ويمكن لإضافات الهيدروجين المتتالية أن تُكوِّن أنواعًا كيميائية أكثر تعقيدًا:
\[
\ce{C + H -> CH},
\]
\[
\ce{CH + H -> CH2},
\]
\[
\ce{CH2 + H -> CH3}.
\]
هنا تُمثَّل ذرتا الكربون والهيدروجين بصيغة SMILES بالترميزين [C] و[H]؛ ويُمثَّل الميثيلين، \(\ce{CH2}\)، بصيغة SMILES بالترميز [CH2]؛ ويُمثَّل جذر الميثيل، \(\ce{CH3}\)، بصيغة SMILES بالترميز [CH3]. تصف هذه المعادلات أنواعًا كيميائية على السطح. ولا تحدّد ترميزات SMILES ارتباطها بالسطح أو تعدّديات لفّها المغزلي.
(c) صحيحة ضمن نموذج التنشيط الحراري المقصود. عند \(20\ \mathrm{K}\)، حتى الحاجز البالغ \(20\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) في 3.3 يجعل التفاعل ضئيلًا إلى حد يمكن إهماله على مدى عمر الكون المذكور. ويكون العدد المتوقع لجزيئات الفورمالدهيد المتكوّنة لكل موقع خلال ذلك الزمن \[ \begin{aligned} r_{20}t_{\mathrm{Universe}} &=(1.76\times10^{-49}\ \mathrm{s^{-1}\,site^{-1}}) (10^{10}\times3.156\times10^7\ \mathrm{s})\\ &\approx5.6\times10^{-32}\ \mathrm{site^{-1}}. \end{aligned} \] لذلك، تتطلب التفاعلات الكيميائية المنشطة حراريًا، لكي تجري بمعدل ملحوظ، حاجز تفاعل معدومًا أو صغيرًا بما يكفي.
وعليه، ضع دائرة حول \[ \boxed{(b,\ c)}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.