IChO 2008 · Theory problem 6
Clathrate hydrates of chlorine and methane
A feathery, greenish solid precipitate can be observed if chlorine gas is bubbled into water close to its freezing point. Similar precipitates form with other gases such as methane and noble gases. These materials are interesting because vast quantities of the so-called methane-hydrates are supposed to exist in nature (comparable in quantity with other natural gas deposits).
These precipitates all have related structures. The molecules of water just above its freezing point form a hydrogen-bonded structure. The gas molecules stabilize this framework by filling in the rather large cavities in the water structure forming clathrates. The crystals of chlorine and methane clathrates have the same structure. Their main characteristics are dodecahedra formed from 20 water molecules. The unit cell of the crystal can be thought as a body-centered cubic arrangement built from these dodecahedra which are almost spherical objects. The dodecahedra are connected via additional water molecules located on the faces of the unit cell. Two water molecules can be found on each face of the unit cell. The unit cell has an edge dimension of 1.182 nm.
There are two types of cavities in this structure. One is the internal space in the dodecahedra (A). These are somewhat smaller than the other type of voids (B), of which there are 6 for each unit cell.
6.1 How many type A cavities can be found in a unit cell?
6.2 How many water molecules are there in a unit cell?
6.3 If all cavities contain a guest molecule, what is the ratio of the number of water to the number of guest molecules?
6.4 Methane hydrate is formed with the structure in c) at temperatures between 0-10 °C. What is the density of the clathrate?
6.5 The density of chlorine hydrate is \(1.26\ \mathrm{g/cm^3}\). What is the ratio of the number of water and guest molecules in the crystal?
Which cavities are likely to be filled in a perfect chlorine hydrate crystal? Mark one or more.
☐ Some A ☐ Some B ☐ All A ☐ All B
Covalent radii reflect atomic distances when the atoms are covalently bonded. Non-bonded or van der Waals radii give a measure of the atomic size when they are not bonded covalently (modelled as hard spheres).
| Atom | Covalent radius (pm) | Nonbonded radius (pm) |
|---|---|---|
| H | 37 | 120 |
| C | 77 | 185 |
| O | 73 | 140 |
| Cl | 99 | 180 |
6.6 Based on the covalent and non-bonded radii of these atoms estimate lower and upper bounds for the average radii of the cavities where possible. Show your reasoning.
Let us consider the following processes

6.7 What are the signs of the following molar quantities referring to these reactions in the given direction at 4 °C? Mark with a –, 0 or +.
| sign | |
|---|---|
| \(\Delta G_{\mathrm m}(1)\) | |
| \(\Delta G_{\mathrm m}(2)\) | |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(1)\) | |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(2)\) | |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(1)\) | |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(2)\) | |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(2)-\Delta S_{\mathrm m}(1)\) | |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(2)-\Delta H_{\mathrm m}(1)\) |
Official English text of the problem.
Answers
- 6.1: \(2\) type A cavities per unit cell.
- 6.2: \(46\) water molecules per unit cell.
- 6.3: Water : guest \(=46:8=23:4=5.75:1\).
- 6.4: \(\boxed{\rho=0.962\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}\).
- 6.5: Water : chlorine \(=46:6=23:3\approx7.67:1\). Select All B only; the A cavities are empty in the intended ideal structure.
- 6.6: In the spherical fitting approximation, the free-cavity radii satisfy \[ \boxed{234\ \mathrm{pm}\le r_A<279\ \mathrm{pm}},\qquad \boxed{r_B\ge279\ \mathrm{pm}}. \] Guest sizes provide no upper bound for \(r_B\).
- 6.7: In the order listed in the question: \[ \boxed{+,\;-,\;-,\;-,\;-,\;-,\;-,\;-}. \] These signs assume the hydrate-forming conditions described in the problem.
Solution
The molecular species are water, \(\ce{H2O}\), SMILES O; methane, \(\ce{CH4}\), SMILES C; and chlorine, \(\ce{Cl2}\), SMILES ClCl. Methane is tetrahedral, and chlorine is a linear diatomic molecule. Ice consists of water molecules. SMILES does not specify these substances’ physical phases or the extended hydrogen-bonded cage structure of a clathrate.
6.1
A body-centered cubic arrangement has eight corner positions, each shared by eight unit cells, and one position wholly inside the cell. Each dodecahedron contains one A cavity. Therefore,
\[ N_A=8\left(\frac18\right)+1=\boxed{2}. \]
Here \(N_A\) denotes the number of A cavities, not Avogadro’s constant.
6.2
The two dodecahedra contribute
\[ 2(20)=40 \]
water molecules per unit cell.
There are also two additional water molecules on each of the six faces. Each face is shared by two neighboring cells, so these contribute
\[ 6(2)\left(\frac12\right)=6. \]
Consequently,
\[ N_{\mathrm{water}}=40+6=\boxed{46}. \]
6.3
There are two A cavities and six B cavities:
\[ N_{\mathrm{guest}}=2+6=8. \]
With one guest molecule in every cavity,
\[ \boxed{N_{\mathrm{water}}:N_{\mathrm{guest}} =46:8=23:4=5.75:1}. \]
6.4
For full methane occupancy, one unit cell contains 46 water molecules and eight methane molecules.
Use the standard constants
\[ N_{\mathrm{Av}}=6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}, \] \[ M(\ce{H2O})=18.015\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \qquad M(\ce{CH4})=16.043\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
The edge length and unit-cell volume are
\[ a=1.182\ \mathrm{nm}=1.182\times10^{-7}\ \mathrm{cm}, \]
\[ V_{\mathrm{cell}}=a^3 =1.651400568\times10^{-21}\ \mathrm{cm^3}. \]
The mass per cell is
\[ m_{\mathrm{cell}} =\frac{46M(\ce{H2O})+8M(\ce{CH4})}{N_{\mathrm{Av}}} =\frac{957.034\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} {6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}} =1.5892\times10^{-21}\ \mathrm g. \]
Thus,
\[ \rho=\frac{m_{\mathrm{cell}}}{V_{\mathrm{cell}}} =0.96233\ \mathrm{g\,cm^{-3}} \approx\boxed{0.962\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}. \]
6.5
Let \(n\) be the number of chlorine molecules per unit cell. The water framework still contains 46 water molecules. With
\[ M(\ce{Cl2})=70.90\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
the density satisfies
\[ \rho=\frac{46M(\ce{H2O})+nM(\ce{Cl2})} {N_{\mathrm{Av}}a^3}. \]
Therefore,
\[ n= \frac{\rho N_{\mathrm{Av}}a^3-46M(\ce{H2O})} {M(\ce{Cl2})} =5.986\approx6. \]
The small departure from six is consistent with the stated density’s precision: exactly six chlorine molecules would give \(1.261\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\), which rounds to \(1.26\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\).
The ideal composition therefore has
\[ \boxed{N_{\mathrm{water}}:N_{\ce{Cl2}} =46:6=23:3\approx7.67:1}. \]
There are exactly six larger B cavities. The intended size-selective interpretation is that chlorine occupies these larger cavities, leaving the smaller A cavities empty. Thus the answer-sheet selection is:
☐ Some A ☐ Some B ☐ All A ☑ All B
The density determines the guest count; identifying the occupied cavities additionally uses this size-based interpretation.
6.6
Approximate a cavity by a sphere capable of enclosing its guest molecule.
For methane, the carbon–hydrogen bond length is estimated from the covalent radii:
\[ d_{\ce{C-H}}=77+37=114\ \mathrm{pm}. \]
A hydrogen atom’s outer nonbonded surface extends a further \(120\ \mathrm{pm}\). Hence a sphere centered on the carbon atom and enclosing methane has radius
\[ r_{\mathrm{methane}} =\max\left(185,\;114+120\right)\ \mathrm{pm} =\boxed{234\ \mathrm{pm}}. \]
For chlorine, the estimated bond length is
\[ d_{\ce{Cl-Cl}}=2(99)=198\ \mathrm{pm}. \]
Measured from the bond midpoint, the outermost surface is one half-bond length plus one chlorine nonbonded radius away:
\[ r_{\mathrm{chlorine}} =\frac{198}{2}+180 =\boxed{279\ \mathrm{pm}}. \]
Methane fits into both cavity types. Under the size-exclusion interpretation of 6.5, chlorine fits into B but is too large for A. Therefore the effective free-space radii satisfy
\[ \boxed{234\ \mathrm{pm}\le r_A<279\ \mathrm{pm}}, \]
\[ \boxed{r_B\ge279\ \mathrm{pm}}. \]
No larger guest that fails to enter B is specified, so this comparison supplies no upper bound for \(r_B\). These are approximate spherical fitting bounds, since the molecules and cages are not perfect spheres.
6.7
Process (1) is freezing:
\[ \ce{H2O(l) -> H2O(s)}. \tag{1} \]
Process (2), written with integer coefficients, is methane clathrate formation:
\[ \ce{8 CH4(g) + 46 H2O(l) -> (CH4)8 * 46H2O(s)}. \tag{2, scaled} \]
The solid product denotes the clathrate’s composition. Dividing this equation by 46 gives the normalization used in the question, with
\[ x=\frac{8}{46}=\frac4{23}. \]
Thus both processes are compared per mole of water.
At \(4\,^\circ\mathrm C\), liquid water is stable relative to ordinary ice, so freezing is unfavorable:
\[ \Delta G_{\mathrm m}(1)>0. \]
Freezing releases heat and produces a more ordered phase:
\[ \Delta H_{\mathrm m}(1)<0, \qquad \Delta S_{\mathrm m}(1)<0. \]
Under the hydrate-forming conditions assumed in the question, process (2) is favorable:
\[ \Delta G_{\mathrm m}(2)<0. \]
It orders the water framework and confines methane that was initially gaseous. The intended qualitative entropy comparison is therefore
\[ \Delta S_{\mathrm m}(2)<\Delta S_{\mathrm m}(1)<0. \]
Using
\[ \Delta H_{\mathrm m}=\Delta G_{\mathrm m}+T\Delta S_{\mathrm m}, \]
both terms on the right are negative for process (2), so
\[ \Delta H_{\mathrm m}(2)<0. \]
Furthermore,
\[ \begin{aligned} \Delta H_{\mathrm m}(2)-\Delta H_{\mathrm m}(1) ={}&\bigl[\Delta G_{\mathrm m}(2)-\Delta G_{\mathrm m}(1)\bigr]\\ &+T\bigl[\Delta S_{\mathrm m}(2)-\Delta S_{\mathrm m}(1)\bigr]<0, \end{aligned} \]
because both bracketed differences are negative.
The completed table is:
| Quantity | Sign |
|---|---|
| \(\Delta G_{\mathrm m}(1)\) | \(+\) |
| \(\Delta G_{\mathrm m}(2)\) | \(-\) |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(1)\) | \(-\) |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(2)\) | \(-\) |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(1)\) | \(-\) |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(2)\) | \(-\) |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(2)-\Delta S_{\mathrm m}(1)\) | \(-\) |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(2)-\Delta H_{\mathrm m}(1)\) | \(-\) |
The solution was checked against the official solution.
IChO 2008 · Theorieaufgabe 6
Clathrathydrate von Chlor und Methan
Ein federartiger, grünlicher Feststoffniederschlag lässt sich beobachten, wenn Chlorgas in Wasser nahe seinem Gefrierpunkt eingeleitet wird. Ähnliche Niederschläge bilden sich mit anderen Gasen wie Methan und Edelgasen. Diese Stoffe sind von Interesse, weil in der Natur vermutlich gewaltige Mengen der sogenannten Methanhydrate vorkommen (in einer Größenordnung, die mit anderen Erdgasvorkommen vergleichbar ist).
Alle diese Niederschläge haben verwandte Strukturen. Die Wassermoleküle bilden knapp oberhalb des Gefrierpunkts eine durch Wasserstoffbrücken zusammengehaltene Struktur. Die Gasmoleküle stabilisieren dieses Gerüst, indem sie die relativ großen Hohlräume in der Wasserstruktur besetzen und so Clathrate bilden. Die Kristalle der Chlor- und Methanclathrate haben dieselbe Struktur. Ihre wesentlichen Strukturmerkmale sind Dodekaeder aus 20 Wassermolekülen. Die Elementarzelle des Kristalls lässt sich als kubisch-raumzentrierte Anordnung dieser Dodekaeder auffassen, die nahezu kugelförmige Gebilde sind. Die Dodekaeder sind über zusätzliche Wassermoleküle miteinander verbunden, die auf den Flächen der Elementarzelle liegen. Auf jeder Fläche der Elementarzelle befinden sich zwei Wassermoleküle. Die Kantenlänge der Elementarzelle beträgt 1.182 nm.
In dieser Struktur gibt es zwei Arten von Hohlräumen. Die eine ist der Innenraum der Dodekaeder (A). Diese Hohlräume sind etwas kleiner als die Hohlräume des anderen Typs (B), von denen es 6 pro Elementarzelle gibt.
6.1 Wie viele Hohlräume des Typs A befinden sich in einer Elementarzelle?
6.2 Wie viele Wassermoleküle befinden sich in einer Elementarzelle?
6.3 Wenn alle Hohlräume ein Gastmolekül enthalten, wie groß ist dann das Verhältnis der Anzahl der Wassermoleküle zur Anzahl der Gastmoleküle?
6.4 Methanhydrat bildet sich bei Temperaturen zwischen 0-10 °C mit der Struktur aus c). Wie groß ist die Dichte des Clathrats?
6.5 Die Dichte von Chlorhydrat beträgt \(1.26\ \mathrm{g/cm^3}\). Wie groß ist das Verhältnis der Anzahl der Wassermoleküle zur Anzahl der Gastmoleküle im Kristall?
Welche Hohlräume sind in einem perfekten Chlorhydratkristall wahrscheinlich besetzt? Kreuzen Sie eine oder mehrere Antworten an.
☐ Einige A ☐ Einige B ☐ Alle A ☐ Alle B
Kovalenzradien spiegeln die Atomabstände wider, wenn die Atome kovalent gebunden sind. Nichtbindungsradien oder Van-der-Waals-Radien geben ein Maß für die Größe von Atomen an, wenn diese nicht kovalent gebunden sind (modelliert als harte Kugeln).
| Atom | Kovalenzradius (pm) | Nichtbindungsradius (pm) |
|---|---|---|
| H | 37 | 120 |
| C | 77 | 185 |
| O | 73 | 140 |
| Cl | 99 | 180 |
6.6 Schätzen Sie anhand der Kovalenz- und Nichtbindungsradien dieser Atome, soweit möglich, untere und obere Grenzen für die mittleren Radien der Hohlräume ab. Begründen Sie Ihre Überlegungen.
Betrachten wir die folgenden Vorgänge

6.7 Welche Vorzeichen haben die folgenden molaren Größen für diese Reaktionen in der angegebenen Richtung bei 4 °C? Tragen Sie –, 0 oder + ein.
| Vorzeichen | |
|---|---|
| \(\Delta G_{\mathrm m}(1)\) | |
| \(\Delta G_{\mathrm m}(2)\) | |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(1)\) | |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(2)\) | |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(1)\) | |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(2)\) | |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(2)-\Delta S_{\mathrm m}(1)\) | |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(2)-\Delta H_{\mathrm m}(1)\) |
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 6.1: \(2\) Hohlräume des Typs A pro Elementarzelle.
- 6.2: \(46\) Wassermoleküle pro Elementarzelle.
- 6.3: Wasser : Gast \(=46:8=23:4=5.75:1\).
- 6.4: \(\boxed{\rho=0.962\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}\).
- 6.5: Wasser : Chlor \(=46:6=23:3\approx7.67:1\). Nur Alle B ankreuzen; die A-Hohlräume sind in der hier angenommenen idealen Struktur leer.
- 6.6: In der Näherung, bei der die Gastmoleküle in kugelförmige Hohlräume eingepasst werden, erfüllen die Radien der freien Hohlräume die Bedingungen \[ \boxed{234\ \mathrm{pm}\le r_A<279\ \mathrm{pm}},\qquad \boxed{r_B\ge279\ \mathrm{pm}}. \] Die Größen der Gastmoleküle liefern keine obere Grenze für \(r_B\).
- 6.7: In der in der Frage angegebenen Reihenfolge: \[ \boxed{+,\;-,\;-,\;-,\;-,\;-,\;-,\;-}. \] Diese Vorzeichen setzen die in der Aufgabe beschriebenen Bedingungen für die Hydratbildung voraus.
Lösung
Die molekularen Spezies sind Wasser, \(\ce{H2O}\), SMILES O; Methan, \(\ce{CH4}\), SMILES C; und Chlor, \(\ce{Cl2}\), SMILES ClCl. Methan ist tetraedrisch, und Chlor ist ein lineares zweiatomiges Molekül. Eis besteht aus Wassermolekülen. SMILES gibt weder die Aggregatzustände dieser Stoffe noch die ausgedehnte, durch Wasserstoffbrücken zusammengehaltene Käfigstruktur eines Clathrats an.
6.1
Eine kubisch-raumzentrierte Anordnung besitzt acht Eckpositionen, die jeweils von acht Elementarzellen geteilt werden, sowie eine Position vollständig im Inneren der Zelle. Jedes Dodekaeder enthält einen A-Hohlraum. Daher gilt
\[ N_A=8\left(\frac18\right)+1=\boxed{2}. \]
Hier bezeichnet \(N_A\) die Anzahl der A-Hohlräume, nicht die Avogadro-Konstante.
6.2
Die beiden Dodekaeder liefern
\[ 2(20)=40 \]
Wassermoleküle pro Elementarzelle.
Außerdem befinden sich auf jeder der sechs Flächen zwei zusätzliche Wassermoleküle. Jede Fläche wird von zwei benachbarten Zellen geteilt, sodass diese Moleküle folgenden Beitrag liefern:
\[ 6(2)\left(\frac12\right)=6. \]
Somit gilt
\[ N_{\mathrm{water}}=40+6=\boxed{46}. \]
6.3
Es gibt zwei A-Hohlräume und sechs B-Hohlräume:
\[ N_{\mathrm{guest}}=2+6=8. \]
Mit einem Gastmolekül in jedem Hohlraum ergibt sich
\[ \boxed{N_{\mathrm{water}}:N_{\mathrm{guest}} =46:8=23:4=5.75:1}. \]
6.4
Bei vollständiger Besetzung mit Methan enthält eine Elementarzelle 46 Wassermoleküle und acht Methanmoleküle.
Wir verwenden die üblichen Konstanten
\[ N_{\mathrm{Av}}=6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}, \] \[ M(\ce{H2O})=18.015\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \qquad M(\ce{CH4})=16.043\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Die Kantenlänge und das Volumen der Elementarzelle betragen
\[ a=1.182\ \mathrm{nm}=1.182\times10^{-7}\ \mathrm{cm}, \]
\[ V_{\mathrm{cell}}=a^3 =1.651400568\times10^{-21}\ \mathrm{cm^3}. \]
Die Masse pro Zelle ist
\[ m_{\mathrm{cell}} =\frac{46M(\ce{H2O})+8M(\ce{CH4})}{N_{\mathrm{Av}}} =\frac{957.034\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} {6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}} =1.5892\times10^{-21}\ \mathrm g. \]
Damit folgt
\[ \rho=\frac{m_{\mathrm{cell}}}{V_{\mathrm{cell}}} =0.96233\ \mathrm{g\,cm^{-3}} \approx\boxed{0.962\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}. \]
6.5
Sei \(n\) die Anzahl der Chlormoleküle pro Elementarzelle. Das Wassergerüst enthält weiterhin 46 Wassermoleküle. Mit
\[ M(\ce{Cl2})=70.90\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
gilt für die Dichte
\[ \rho=\frac{46M(\ce{H2O})+nM(\ce{Cl2})} {N_{\mathrm{Av}}a^3}. \]
Daraus folgt
\[ n= \frac{\rho N_{\mathrm{Av}}a^3-46M(\ce{H2O})} {M(\ce{Cl2})} =5.986\approx6. \]
Die geringe Abweichung von sechs ist mit der Genauigkeit der angegebenen Dichte vereinbar: Genau sechs Chlormoleküle würden eine Dichte von \(1.261\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\) ergeben, die auf \(1.26\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\) gerundet wird.
Die ideale Zusammensetzung weist daher folgendes Verhältnis auf:
\[ \boxed{N_{\mathrm{water}}:N_{\ce{Cl2}} =46:6=23:3\approx7.67:1}. \]
Es gibt genau sechs größere B-Hohlräume. Die beabsichtigte größenselektive Deutung ist, dass Chlor diese größeren Hohlräume besetzt, während die kleineren A-Hohlräume leer bleiben. Auf dem Antwortbogen ist daher Folgendes anzukreuzen:
☐ Einige A ☐ Einige B ☐ Alle A ☑ Alle B
Die Dichte bestimmt die Anzahl der Gastmoleküle; um die besetzten Hohlräume zu identifizieren, wird zusätzlich diese größenbasierte Deutung herangezogen.
6.6
Wir nähern einen Hohlraum durch eine Kugel an, die sein Gastmolekül umschließen kann.
Für Methan wird die Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungslänge aus den Kovalenzradien abgeschätzt:
\[ d_{\ce{C-H}}=77+37=114\ \mathrm{pm}. \]
Die durch den Nichtbindungsradius bestimmte äußere Oberfläche eines Wasserstoffatoms reicht weitere \(120\ \mathrm{pm}\) nach außen. Eine Kugel, deren Mittelpunkt auf dem Kohlenstoffatom liegt und die das Methanmolekül umschließt, hat somit den Radius
\[ r_{\mathrm{methane}} =\max\left(185,\;114+120\right)\ \mathrm{pm} =\boxed{234\ \mathrm{pm}}. \]
Für Chlor beträgt die geschätzte Bindungslänge
\[ d_{\ce{Cl-Cl}}=2(99)=198\ \mathrm{pm}. \]
Vom Mittelpunkt der Bindung aus gemessen ist die äußerste Oberfläche um eine halbe Bindungslänge zuzüglich eines Nichtbindungsradius von Chlor entfernt:
\[ r_{\mathrm{chlorine}} =\frac{198}{2}+180 =\boxed{279\ \mathrm{pm}}. \]
Methan passt in beide Hohlraumtypen. Bei der auf Größenausschluss beruhenden Deutung von 6.5 passt Chlor in B, ist aber für A zu groß. Daher erfüllen die effektiven Radien des freien Raums die Bedingungen
\[ \boxed{234\ \mathrm{pm}\le r_A<279\ \mathrm{pm}}, \]
\[ \boxed{r_B\ge279\ \mathrm{pm}}. \]
Es ist kein größeres Gastmolekül angegeben, das nicht in B passt; daher liefert dieser Vergleich keine obere Grenze für \(r_B\). Dies sind näherungsweise Grenzen für die Einpassung in kugelförmige Hohlräume, da die Moleküle und Käfige keine perfekten Kugeln sind.
6.7
Vorgang (1) ist das Gefrieren:
\[ \ce{H2O(l) -> H2O(s)}. \tag{1} \]
Vorgang (2), mit ganzzahligen Koeffizienten geschrieben, ist die Bildung von Methanclathrat:
\[ \ce{8 CH4(g) + 46 H2O(l) -> (CH4)8 * 46H2O(s)}. \tag{2, scaled} \]
Das feste Produkt gibt die Zusammensetzung des Clathrats an. Division dieser Gleichung durch 46 ergibt die in der Frage verwendete Normierung mit
\[ x=\frac{8}{46}=\frac4{23}. \]
Somit werden beide Vorgänge pro Mol Wasser verglichen.
Bei \(4\,^\circ\mathrm C\) ist flüssiges Wasser gegenüber gewöhnlichem Eis stabil, sodass das Gefrieren thermodynamisch ungünstig ist:
\[ \Delta G_{\mathrm m}(1)>0. \]
Beim Gefrieren wird Wärme freigesetzt, und es entsteht eine stärker geordnete Phase:
\[ \Delta H_{\mathrm m}(1)<0, \qquad \Delta S_{\mathrm m}(1)<0. \]
Unter den in der Frage vorausgesetzten Bedingungen für die Hydratbildung ist Vorgang (2) thermodynamisch günstig:
\[ \Delta G_{\mathrm m}(2)<0. \]
Er ordnet das Wassergerüst und schließt das ursprünglich gasförmige Methan räumlich ein. Der beabsichtigte qualitative Entropievergleich lautet daher
\[ \Delta S_{\mathrm m}(2)<\Delta S_{\mathrm m}(1)<0. \]
Mit
\[ \Delta H_{\mathrm m}=\Delta G_{\mathrm m}+T\Delta S_{\mathrm m}, \]
sind für Vorgang (2) beide Terme auf der rechten Seite negativ, sodass
\[ \Delta H_{\mathrm m}(2)<0. \]
Außerdem gilt
\[ \begin{aligned} \Delta H_{\mathrm m}(2)-\Delta H_{\mathrm m}(1) ={}&\bigl[\Delta G_{\mathrm m}(2)-\Delta G_{\mathrm m}(1)\bigr]\\ &+T\bigl[\Delta S_{\mathrm m}(2)-\Delta S_{\mathrm m}(1)\bigr]<0, \end{aligned} \]
weil beide Differenzen in den eckigen Klammern negativ sind.
Die ausgefüllte Tabelle lautet:
| Größe | Vorzeichen |
|---|---|
| \(\Delta G_{\mathrm m}(1)\) | \(+\) |
| \(\Delta G_{\mathrm m}(2)\) | \(-\) |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(1)\) | \(-\) |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(2)\) | \(-\) |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(1)\) | \(-\) |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(2)\) | \(-\) |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(2)-\Delta S_{\mathrm m}(1)\) | \(-\) |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(2)-\Delta H_{\mathrm m}(1)\) | \(-\) |
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 2008 · Teori sorusu 6
Klor ve metanın klatrat hidratları
Donma noktasına yakın sıcaklıktaki suyun içinden klor gazı kabarcıklar hâlinde geçirildiğinde, tüyümsü, yeşilimsi bir katı çökelek gözlenebilir. Metan ve soy gazlar gibi başka gazlarla da benzer çökelekler oluşur. Metan hidratlar olarak adlandırılan maddelerin doğada çok büyük miktarlarda (diğer doğal gaz yataklarıyla karşılaştırılabilir miktarlarda) bulunduğu düşünüldüğünden, bu maddeler ilgi çekicidir.
Bu çökeleklerin tümü birbiriyle ilişkili yapılara sahiptir. Donma noktasının hemen üzerindeki sıcaklıklarda su molekülleri, hidrojen bağlarıyla birbirine bağlı bir yapı oluşturur. Gaz molekülleri, su yapısındaki oldukça büyük boşlukları doldurarak bu iskeleti kararlı hâle getirir ve klatratları oluşturur. Klor ve metan klatratlarının kristalleri aynı yapıya sahiptir. Bu yapıların başlıca özelliği, 20 su molekülünden oluşan on iki yüzlülerdir. Kristalin birim hücresi, neredeyse küresel olan bu on iki yüzlülerden oluşan hacim merkezli kübik bir düzen olarak düşünülebilir. On iki yüzlüler, birim hücrenin yüzlerinde bulunan ek su molekülleri aracılığıyla birbirine bağlanır. Birim hücrenin her yüzünde iki su molekülü bulunur. Birim hücrenin kenar uzunluğu 1.182 nm'dir.
Bu yapıda iki tür boşluk bulunur. Bunlardan biri, on iki yüzlülerin içindeki boşluktur (A). Bunlar, her birim hücrede 6 tane bulunan diğer tür boşluklardan (B) biraz daha küçüktür.
6.1 Bir birim hücrede kaç tane A tipi boşluk bulunur?
6.2 Bir birim hücrede kaç su molekülü vardır?
6.3 Tüm boşluklar birer konuk molekül içeriyorsa, su moleküllerinin sayısının konuk moleküllerin sayısına oranı nedir?
6.4 Metan hidrat, 0-10 °C arasındaki sıcaklıklarda c)'deki yapıyla oluşur. Klatratın yoğunluğu nedir?
6.5 Klor hidratın yoğunluğu \(1.26\ \mathrm{g/cm^3}\)'tür. Kristaldeki su molekülleri ile konuk moleküllerin sayılarının oranı nedir?
Kusursuz bir klor hidrat kristalinde hangi boşlukların dolu olması beklenir? Bir veya daha fazla seçeneği işaretleyiniz.
☐ A'ların bir kısmı ☐ B'lerin bir kısmı ☐ A'ların tümü ☐ B'lerin tümü
Kovalent yarıçaplar, atomlar birbirlerine kovalent bağlarla bağlı olduğunda atomlar arasındaki uzaklıkları yansıtır. Bağ yapmamış atomların yarıçapları ya da van der Waals yarıçapları ise atomlar kovalent bağ yapmadığında atom boyutunun bir ölçüsünü verir (atomlar sert küreler olarak modellenir).
| Atom | Kovalent yarıçap (pm) | Bağ yapmamış atomun yarıçapı (pm) |
|---|---|---|
| H | 37 | 120 |
| C | 77 | 185 |
| O | 73 | 140 |
| Cl | 99 | 180 |
6.6 Bu atomların kovalent ve bağ yapmamış atom yarıçaplarını kullanarak, mümkün olduğu durumlarda boşlukların ortalama yarıçapları için alt ve üst sınırları tahmin ediniz. Gerekçenizi gösteriniz.
Aşağıdaki süreçleri ele alalım

6.7 Bu tepkimeler için verilen yönde, 4 °C'de aşağıdaki molar niceliklerin işaretleri nelerdir? –, 0 veya + ile işaretleyiniz.
| işaret | |
|---|---|
| \(\Delta G_{\mathrm m}(1)\) | |
| \(\Delta G_{\mathrm m}(2)\) | |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(1)\) | |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(2)\) | |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(1)\) | |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(2)\) | |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(2)-\Delta S_{\mathrm m}(1)\) | |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(2)-\Delta H_{\mathrm m}(1)\) |
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 6.1: Birim hücre başına \(2\) tane A tipi boşluk.
- 6.2: Birim hücre başına \(46\) su molekülü.
- 6.3: Su : konuk \(=46:8=23:4=5.75:1\).
- 6.4: \(\boxed{\rho=0.962\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}\).
- 6.5: Su : klor \(=46:6=23:3\approx7.67:1\). Yalnızca B'lerin tümü seçeneğini işaretleyiniz; kastedilen ideal yapıda A boşlukları boştur.
- 6.6: Küresel sığma yaklaşımında, boşlukların serbest hacimlerine ait yarıçaplar şu koşulları sağlar: \[ \boxed{234\ \mathrm{pm}\le r_A<279\ \mathrm{pm}},\qquad \boxed{r_B\ge279\ \mathrm{pm}}. \] Konuk moleküllerin boyutları, \(r_B\) için bir üst sınır vermez.
- 6.7: Soruda verilen sırayla: \[ \boxed{+,\;-,\;-,\;-,\;-,\;-,\;-,\;-}. \] Bu işaretler, soruda açıklanan hidrat oluşum koşullarının geçerli olduğunu varsayar.
Çözüm
Moleküler türler su, \(\ce{H2O}\), SMILES O; metan, \(\ce{CH4}\), SMILES C; ve klor, \(\ce{Cl2}\), SMILES ClCl şeklindedir. Metan tetrahedraldir; klor ise doğrusal, iki atomlu bir moleküldür. Buz, su moleküllerinden oluşur. SMILES, bu maddelerin fiziksel fazlarını ya da bir klatratın hidrojen bağlarıyla birbirine bağlı geniş kafes yapısını belirtmez.
6.1
Hacim merkezli kübik bir düzende, her biri sekiz birim hücre tarafından paylaşılan sekiz köşe konumu ve tümüyle hücrenin içinde bulunan bir konum vardır. Her on iki yüzlü, bir A boşluğu içerir. Dolayısıyla,
\[ N_A=8\left(\frac18\right)+1=\boxed{2}. \]
Burada \(N_A\), Avogadro sabitini değil, A boşluklarının sayısını gösterir.
6.2
İki on iki yüzlü, birim hücre başına
\[ 2(20)=40 \]
su molekülü sağlar.
Ayrıca altı yüzün her birinde iki ek su molekülü vardır. Her yüz, komşu iki hücre tarafından paylaşıldığından, bunların katkısı
\[ 6(2)\left(\frac12\right)=6. \]
Böylece,
\[ N_{\mathrm{water}}=40+6=\boxed{46}. \]
6.3
İki A boşluğu ve altı B boşluğu vardır:
\[ N_{\mathrm{guest}}=2+6=8. \]
Her boşlukta bir konuk molekül bulunduğunda,
\[ \boxed{N_{\mathrm{water}}:N_{\mathrm{guest}} =46:8=23:4=5.75:1}. \]
6.4
Tüm boşluklar metanla dolu olduğunda, bir birim hücre 46 su molekülü ve sekiz metan molekülü içerir.
Şu standart sabitleri kullanalım:
\[ N_{\mathrm{Av}}=6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}, \] \[ M(\ce{H2O})=18.015\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \qquad M(\ce{CH4})=16.043\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Kenar uzunluğu ve birim hücre hacmi şöyledir:
\[ a=1.182\ \mathrm{nm}=1.182\times10^{-7}\ \mathrm{cm}, \]
\[ V_{\mathrm{cell}}=a^3 =1.651400568\times10^{-21}\ \mathrm{cm^3}. \]
Hücre başına kütle
\[ m_{\mathrm{cell}} =\frac{46M(\ce{H2O})+8M(\ce{CH4})}{N_{\mathrm{Av}}} =\frac{957.034\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} {6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}} =1.5892\times10^{-21}\ \mathrm g. \]
Böylece,
\[ \rho=\frac{m_{\mathrm{cell}}}{V_{\mathrm{cell}}} =0.96233\ \mathrm{g\,cm^{-3}} \approx\boxed{0.962\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}. \]
6.5
Birim hücre başına klor molekülü sayısı \(n\) olsun. Su iskeleti yine 46 su molekülü içerir.
\[ M(\ce{Cl2})=70.90\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
olduğundan, yoğunluk şu bağıntıyı sağlar:
\[ \rho=\frac{46M(\ce{H2O})+nM(\ce{Cl2})} {N_{\mathrm{Av}}a^3}. \]
Dolayısıyla,
\[ n= \frac{\rho N_{\mathrm{Av}}a^3-46M(\ce{H2O})} {M(\ce{Cl2})} =5.986\approx6. \]
Altıdan küçük sapma, verilen yoğunluğun hassasiyetiyle uyumludur: tam olarak altı klor molekülü bulunması, \(1.261\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\) yoğunluk verir; bu değer yuvarlandığında \(1.26\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\) olur.
Bu nedenle ideal bileşimde
\[ \boxed{N_{\mathrm{water}}:N_{\ce{Cl2}} =46:6=23:3\approx7.67:1}. \]
Daha büyük olan B boşluklarından tam olarak altı tane vardır. Boyut seçiciliğine dayanan, soruda kastedilen yoruma göre klor bu büyük boşlukları doldurur ve daha küçük A boşluklarını boş bırakır. Dolayısıyla cevap kâğıdında işaretlenecek seçenek şöyledir:
☐ A'ların bir kısmı ☐ B'lerin bir kısmı ☐ A'ların tümü ☑ B'lerin tümü
Yoğunluk, konuk molekül sayısını belirler; hangi boşlukların dolu olduğunu belirlemek için ayrıca boyuta dayalı bu yorum kullanılır.
6.6
Bir boşluğu, konuk molekülünü içine alabilen bir küre olarak yaklaşıklayalım.
Metan için karbon–hidrojen bağ uzunluğu, kovalent yarıçaplardan tahmin edilir:
\[ d_{\ce{C-H}}=77+37=114\ \mathrm{pm}. \]
Hidrojen atomunun van der Waals dış yüzeyi, bunun \(120\ \mathrm{pm}\) ötesine kadar uzanır. Bu nedenle, merkezi karbon atomunda olan ve metanı içine alan bir kürenin yarıçapı
\[ r_{\mathrm{methane}} =\max\left(185,\;114+120\right)\ \mathrm{pm} =\boxed{234\ \mathrm{pm}}. \]
Klor için tahmini bağ uzunluğu
\[ d_{\ce{Cl-Cl}}=2(99)=198\ \mathrm{pm}. \]
Bağın orta noktasından ölçüldüğünde, en dış yüzeyin uzaklığı, bağ uzunluğunun yarısı ile bir klor atomunun van der Waals yarıçapının toplamıdır:
\[ r_{\mathrm{chlorine}} =\frac{198}{2}+180 =\boxed{279\ \mathrm{pm}}. \]
Metan, her iki boşluk türüne de sığar. 6.5'teki boyuta göre dışlanma yorumuna göre klor B'ye sığar, ancak A için fazla büyüktür. Dolayısıyla etkin serbest boşluk yarıçapları şu koşulları sağlar:
\[ \boxed{234\ \mathrm{pm}\le r_A<279\ \mathrm{pm}}, \]
\[ \boxed{r_B\ge279\ \mathrm{pm}}. \]
B'ye giremeyen daha büyük bir konuk molekül belirtilmediğinden, bu karşılaştırma \(r_B\) için bir üst sınır vermez. Moleküller ve kafesler kusursuz küreler olmadığından, bunlar küresel sığmaya dayalı yaklaşık sınırlardır.
6.7
Süreç (1), donmadır:
\[ \ce{H2O(l) -> H2O(s)}. \tag{1} \]
Tam sayı katsayılarla yazılan süreç (2), metan klatrat oluşumudur:
\[ \ce{8 CH4(g) + 46 H2O(l) -> (CH4)8 * 46H2O(s)}. \tag{2, scaled} \]
Katı ürün, klatratın bileşimini gösterir. Bu denklemin 46'ya bölünmesi, soruda kullanılan normalizasyonu verir; burada
\[ x=\frac{8}{46}=\frac4{23}. \]
Böylece her iki süreç, bir mol su başına karşılaştırılır.
\(4\,^\circ\mathrm C\)'de sıvı su, normal buza göre kararlıdır; dolayısıyla donma termodinamik olarak elverişsizdir:
\[ \Delta G_{\mathrm m}(1)>0. \]
Donma sırasında ısı açığa çıkar ve daha düzenli bir faz oluşur:
\[ \Delta H_{\mathrm m}(1)<0, \qquad \Delta S_{\mathrm m}(1)<0. \]
Soruda varsayılan hidrat oluşum koşullarında süreç (2) termodinamik olarak elverişlidir:
\[ \Delta G_{\mathrm m}(2)<0. \]
Bu süreç, su iskeletini düzenler ve başlangıçta gaz hâlinde bulunan metanı hapseder. Dolayısıyla soruda kastedilen nitel entropi karşılaştırması şöyledir:
\[ \Delta S_{\mathrm m}(2)<\Delta S_{\mathrm m}(1)<0. \]
Şu bağıntıyı kullanalım:
\[ \Delta H_{\mathrm m}=\Delta G_{\mathrm m}+T\Delta S_{\mathrm m}, \]
Süreç (2) için sağ taraftaki her iki terim de negatiftir; dolayısıyla
\[ \Delta H_{\mathrm m}(2)<0. \]
Ayrıca,
\[ \begin{aligned} \Delta H_{\mathrm m}(2)-\Delta H_{\mathrm m}(1) ={}&\bigl[\Delta G_{\mathrm m}(2)-\Delta G_{\mathrm m}(1)\bigr]\\ &+T\bigl[\Delta S_{\mathrm m}(2)-\Delta S_{\mathrm m}(1)\bigr]<0, \end{aligned} \]
çünkü köşeli parantezler içindeki her iki fark da negatiftir.
Tamamlanmış tablo şöyledir:
| Nicelik | İşaret |
|---|---|
| \(\Delta G_{\mathrm m}(1)\) | \(+\) |
| \(\Delta G_{\mathrm m}(2)\) | \(-\) |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(1)\) | \(-\) |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(2)\) | \(-\) |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(1)\) | \(-\) |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(2)\) | \(-\) |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(2)-\Delta S_{\mathrm m}(1)\) | \(-\) |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(2)-\Delta H_{\mathrm m}(1)\) | \(-\) |
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 2008 · Problema teórico 6
Hidratos de clatrato de cloro y metano
Se puede observar un precipitado sólido verdoso de aspecto plumoso si se hace burbujear cloro gaseoso en agua a una temperatura próxima a su punto de congelación. Se forman precipitados similares con otros gases, como el metano y los gases nobles. Estos materiales son interesantes porque se supone que existen enormes cantidades de los llamados hidratos de metano en la naturaleza (comparables en cantidad a otros yacimientos de gas natural).
Todos estos precipitados tienen estructuras relacionadas. Las moléculas de agua, a una temperatura ligeramente superior a su punto de congelación, forman una estructura unida por enlaces de hidrógeno. Las moléculas de gas estabilizan este armazón al ocupar las cavidades relativamente grandes de la estructura del agua, formando clatratos. Los cristales de los clatratos de cloro y metano tienen la misma estructura. Sus principales elementos característicos son dodecaedros formados por 20 moléculas de agua. La celda unidad del cristal puede concebirse como una disposición cúbica centrada en el cuerpo constituida por estos dodecaedros, que son objetos casi esféricos. Los dodecaedros están conectados mediante moléculas de agua adicionales situadas en las caras de la celda unidad. En cada cara de la celda unidad se encuentran dos moléculas de agua. La arista de la celda unidad mide 1.182 nm.
En esta estructura hay dos tipos de cavidades. Uno corresponde al espacio interior de los dodecaedros (A). Estas cavidades son algo más pequeñas que el otro tipo de huecos (B), de los que hay 6 por cada celda unidad.
6.1 ¿Cuántas cavidades de tipo A hay en una celda unidad?
6.2 ¿Cuántas moléculas de agua hay en una celda unidad?
6.3 Si todas las cavidades contienen una molécula huésped, ¿cuál es la relación entre el número de moléculas de agua y el de moléculas huésped?
6.4 El hidrato de metano se forma con la estructura de c) a temperaturas entre 0-10 °C. ¿Cuál es la densidad del clatrato?
6.5 La densidad del hidrato de cloro es \(1.26\ \mathrm{g/cm^3}\). ¿Cuál es la relación entre el número de moléculas de agua y el de moléculas huésped en el cristal?
¿Qué cavidades es probable que estén ocupadas en un cristal perfecto de hidrato de cloro? Marque una o más opciones.
☐ Algunas A ☐ Algunas B ☐ Todas las A ☐ Todas las B
Los radios covalentes reflejan las distancias atómicas cuando los átomos están unidos mediante enlaces covalentes. Los radios no enlazantes o de van der Waals proporcionan una medida del tamaño atómico cuando los átomos no están unidos mediante enlaces covalentes (modelados como esferas rígidas).
| Átomo | Radio covalente (pm) | Radio no enlazante (pm) |
|---|---|---|
| H | 37 | 120 |
| C | 77 | 185 |
| O | 73 | 140 |
| Cl | 99 | 180 |
6.6 A partir de los radios covalentes y no enlazantes de estos átomos, estime límites inferiores y superiores para los radios medios de las cavidades, siempre que sea posible. Justifique su razonamiento.
Consideremos los siguientes procesos

6.7 ¿Cuáles son los signos de las siguientes magnitudes molares correspondientes a estas reacciones en el sentido indicado a 4 °C? Indíquelos con –, 0 o +.
| signo | |
|---|---|
| \(\Delta G_{\mathrm m}(1)\) | |
| \(\Delta G_{\mathrm m}(2)\) | |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(1)\) | |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(2)\) | |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(1)\) | |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(2)\) | |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(2)-\Delta S_{\mathrm m}(1)\) | |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(2)-\Delta H_{\mathrm m}(1)\) |
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 6.1: \(2\) cavidades de tipo A por celda unidad.
- 6.2: \(46\) moléculas de agua por celda unidad.
- 6.3: Agua : huésped \(=46:8=23:4=5.75:1\).
- 6.4: \(\boxed{\rho=0.962\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}\).
- 6.5: Agua : cloro \(=46:6=23:3\approx7.67:1\). Seleccione únicamente Todas las B; las cavidades A están vacías en la estructura ideal prevista.
- 6.6: En la aproximación de alojamiento esférico, los radios libres de las cavidades satisfacen \[ \boxed{234\ \mathrm{pm}\le r_A<279\ \mathrm{pm}},\qquad \boxed{r_B\ge279\ \mathrm{pm}}. \] Los tamaños de las moléculas huésped no proporcionan ningún límite superior para \(r_B\).
- 6.7: En el orden indicado en la pregunta: \[ \boxed{+,\;-,\;-,\;-,\;-,\;-,\;-,\;-}. \] Estos signos presuponen las condiciones de formación del hidrato descritas en el problema.
Solución
Las especies moleculares son agua, \(\ce{H2O}\), SMILES O; metano, \(\ce{CH4}\), SMILES C; y cloro, \(\ce{Cl2}\), SMILES ClCl. El metano es tetraédrico y el cloro es una molécula diatómica lineal. El hielo está constituido por moléculas de agua. SMILES no especifica las fases físicas de estas sustancias ni la estructura extendida de jaulas unidas por enlaces de hidrógeno de un clatrato.
6.1
Una disposición cúbica centrada en el cuerpo tiene ocho posiciones en los vértices, cada una compartida por ocho celdas unidad, y una posición completamente dentro de la celda. Cada dodecaedro contiene una cavidad A. Por tanto,
\[ N_A=8\left(\frac18\right)+1=\boxed{2}. \]
Aquí \(N_A\) denota el número de cavidades A, no la constante de Avogadro.
6.2
Los dos dodecaedros aportan
\[ 2(20)=40 \]
moléculas de agua por celda unidad.
También hay dos moléculas de agua adicionales en cada una de las seis caras. Cada cara es compartida por dos celdas vecinas, de modo que estas aportan
\[ 6(2)\left(\frac12\right)=6. \]
En consecuencia,
\[ N_{\mathrm{water}}=40+6=\boxed{46}. \]
6.3
Hay dos cavidades A y seis cavidades B:
\[ N_{\mathrm{guest}}=2+6=8. \]
Con una molécula huésped en cada cavidad,
\[ \boxed{N_{\mathrm{water}}:N_{\mathrm{guest}} =46:8=23:4=5.75:1}. \]
6.4
Cuando todas las cavidades están ocupadas por metano, una celda unidad contiene 46 moléculas de agua y ocho moléculas de metano.
Utilizamos las constantes estándar
\[ N_{\mathrm{Av}}=6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}, \] \[ M(\ce{H2O})=18.015\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \qquad M(\ce{CH4})=16.043\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
La longitud de la arista y el volumen de la celda unidad son
\[ a=1.182\ \mathrm{nm}=1.182\times10^{-7}\ \mathrm{cm}, \]
\[ V_{\mathrm{cell}}=a^3 =1.651400568\times10^{-21}\ \mathrm{cm^3}. \]
La masa por celda es
\[ m_{\mathrm{cell}} =\frac{46M(\ce{H2O})+8M(\ce{CH4})}{N_{\mathrm{Av}}} =\frac{957.034\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} {6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}} =1.5892\times10^{-21}\ \mathrm g. \]
Así,
\[ \rho=\frac{m_{\mathrm{cell}}}{V_{\mathrm{cell}}} =0.96233\ \mathrm{g\,cm^{-3}} \approx\boxed{0.962\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}. \]
6.5
Sea \(n\) el número de moléculas de cloro por celda unidad. El armazón de agua sigue conteniendo 46 moléculas de agua. Con
\[ M(\ce{Cl2})=70.90\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
la densidad satisface
\[ \rho=\frac{46M(\ce{H2O})+nM(\ce{Cl2})} {N_{\mathrm{Av}}a^3}. \]
Por tanto,
\[ n= \frac{\rho N_{\mathrm{Av}}a^3-46M(\ce{H2O})} {M(\ce{Cl2})} =5.986\approx6. \]
La pequeña desviación respecto a seis es compatible con la precisión de la densidad indicada: exactamente seis moléculas de cloro darían \(1.261\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\), que se redondea a \(1.26\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\).
Por tanto, la composición ideal cumple
\[ \boxed{N_{\mathrm{water}}:N_{\ce{Cl2}} =46:6=23:3\approx7.67:1}. \]
Hay exactamente seis cavidades B de mayor tamaño. La interpretación prevista, basada en la selectividad por tamaño, es que el cloro ocupa estas cavidades mayores y deja vacías las cavidades A, más pequeñas. Así, la selección en la hoja de respuestas es:
☐ Algunas A ☐ Algunas B ☐ Todas las A ☑ Todas las B
La densidad determina el número de moléculas huésped; para identificar las cavidades ocupadas se utiliza, además, esta interpretación basada en el tamaño.
6.6
Aproximamos una cavidad mediante una esfera capaz de contener su molécula huésped.
Para el metano, la longitud del enlace carbono–hidrógeno se estima a partir de los radios covalentes:
\[ d_{\ce{C-H}}=77+37=114\ \mathrm{pm}. \]
La superficie exterior no enlazante de un átomo de hidrógeno se extiende otros \(120\ \mathrm{pm}\). Por ello, una esfera centrada en el átomo de carbono y que contiene el metano tiene un radio
\[ r_{\mathrm{methane}} =\max\left(185,\;114+120\right)\ \mathrm{pm} =\boxed{234\ \mathrm{pm}}. \]
Para el cloro, la longitud estimada del enlace es
\[ d_{\ce{Cl-Cl}}=2(99)=198\ \mathrm{pm}. \]
Medida desde el punto medio del enlace, la superficie más alejada se encuentra a una distancia igual a la mitad de la longitud del enlace más un radio no enlazante del cloro:
\[ r_{\mathrm{chlorine}} =\frac{198}{2}+180 =\boxed{279\ \mathrm{pm}}. \]
El metano cabe en ambos tipos de cavidades. Según la interpretación de exclusión por tamaño de 6.5, el cloro cabe en B, pero es demasiado grande para A. Por tanto, los radios efectivos del espacio libre satisfacen
\[ \boxed{234\ \mathrm{pm}\le r_A<279\ \mathrm{pm}}, \]
\[ \boxed{r_B\ge279\ \mathrm{pm}}. \]
No se especifica ninguna molécula huésped mayor que no pueda entrar en B, por lo que esta comparación no proporciona ningún límite superior para \(r_B\). Estos son límites aproximados basados en el alojamiento esférico, ya que las moléculas y las jaulas no son esferas perfectas.
6.7
El proceso (1) es la congelación:
\[ \ce{H2O(l) -> H2O(s)}. \tag{1} \]
El proceso (2), escrito con coeficientes enteros, es la formación del clatrato de metano:
\[ \ce{8 CH4(g) + 46 H2O(l) -> (CH4)8 * 46H2O(s)}. \tag{2, scaled} \]
El producto sólido representa la composición del clatrato. Al dividir esta ecuación entre 46 se obtiene la normalización utilizada en la pregunta, con
\[ x=\frac{8}{46}=\frac4{23}. \]
Así, ambos procesos se comparan por mol de agua.
A \(4\,^\circ\mathrm C\), el agua líquida es estable respecto al hielo ordinario, por lo que la congelación es desfavorable:
\[ \Delta G_{\mathrm m}(1)>0. \]
La congelación libera calor y produce una fase más ordenada:
\[ \Delta H_{\mathrm m}(1)<0, \qquad \Delta S_{\mathrm m}(1)<0. \]
En las condiciones de formación del hidrato supuestas en la pregunta, el proceso (2) es favorable:
\[ \Delta G_{\mathrm m}(2)<0. \]
Este proceso ordena el armazón de agua y confina el metano, que inicialmente era gaseoso. Por tanto, la comparación cualitativa de entropías prevista es
\[ \Delta S_{\mathrm m}(2)<\Delta S_{\mathrm m}(1)<0. \]
Utilizando
\[ \Delta H_{\mathrm m}=\Delta G_{\mathrm m}+T\Delta S_{\mathrm m}, \]
ambos términos del segundo miembro son negativos para el proceso (2), por lo que
\[ \Delta H_{\mathrm m}(2)<0. \]
Además,
\[ \begin{aligned} \Delta H_{\mathrm m}(2)-\Delta H_{\mathrm m}(1) ={}&\bigl[\Delta G_{\mathrm m}(2)-\Delta G_{\mathrm m}(1)\bigr]\\ &+T\bigl[\Delta S_{\mathrm m}(2)-\Delta S_{\mathrm m}(1)\bigr]<0, \end{aligned} \]
porque ambas diferencias entre corchetes son negativas.
La tabla completa es:
| Magnitud | Signo |
|---|---|
| \(\Delta G_{\mathrm m}(1)\) | \(+\) |
| \(\Delta G_{\mathrm m}(2)\) | \(-\) |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(1)\) | \(-\) |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(2)\) | \(-\) |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(1)\) | \(-\) |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(2)\) | \(-\) |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(2)-\Delta S_{\mathrm m}(1)\) | \(-\) |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(2)-\Delta H_{\mathrm m}(1)\) | \(-\) |
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 2008 · 理论题 6
氯气和甲烷的笼形水合物
如果将氯气通入温度接近凝固点的水中,可以观察到羽毛状的浅绿色固体沉淀。甲烷和稀有气体等其他气体也会形成类似的沉淀。这些物质引人关注,因为人们认为自然界中存在大量所谓的甲烷水合物(其储量可与其他天然气矿藏相比)。
这些沉淀的结构都彼此相似。在略高于凝固点的温度下,水分子形成由氢键连接的结构。气体分子填入水结构中较大的空腔,使这一骨架稳定下来,从而形成笼形包合物。氯气和甲烷的笼形包合物晶体具有相同的结构。其主要结构特征是由 20 个水分子形成的十二面体。可以将晶体的晶胞看作由这些近似球形的十二面体按体心立方方式排列而成。十二面体通过位于晶胞各面上的额外水分子相互连接。晶胞的每个面上有两个水分子。晶胞的边长为 1.182 nm。
这种结构中有两类空腔。一类是十二面体的内部空间(A)。它们比另一类空腔(B)略小,每个晶胞中有 6 个 B 类空腔。
6.1 一个晶胞中有多少个 A 类空腔?
6.2 一个晶胞中有多少个水分子?
6.3 如果所有空腔中都含有一个客体分子,水分子数与客体分子数之比是多少?
6.4 在 0-10 °C 的温度下,甲烷水合物形成 c) 中所述的结构。该笼形包合物的密度是多少?
6.5 氯气水合物的密度为 \(1.26\ \mathrm{g/cm^3}\)。晶体中水分子数与客体分子数之比是多少?
在完整无缺的氯气水合物晶体中,哪些空腔可能被填充?请勾选一项或多项。
☐ 部分 A ☐ 部分 B ☐ 全部 A ☐ 全部 B
共价半径反映原子以共价键结合时的原子间距离。非键合半径或范德华半径则用来衡量原子未以共价键结合时的大小(将原子视为硬球)。
| 原子 | 共价半径 (pm) | 非键合半径 (pm) |
|---|---|---|
| H | 37 | 120 |
| C | 77 | 185 |
| O | 73 | 140 |
| Cl | 99 | 180 |
6.6 根据这些原子的共价半径和非键合半径,在可能的情况下估算空腔平均半径的下限和上限。说明你的推理过程。
考虑以下过程

6.7 在 4 °C 下,对于这些沿所示方向进行的反应,下列摩尔量的符号分别是什么?请用 –、0 或 + 标出。
| 符号 | |
|---|---|
| \(\Delta G_{\mathrm m}(1)\) | |
| \(\Delta G_{\mathrm m}(2)\) | |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(1)\) | |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(2)\) | |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(1)\) | |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(2)\) | |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(2)-\Delta S_{\mathrm m}(1)\) | |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(2)-\Delta H_{\mathrm m}(1)\) |
题目译自官方英文原文。
答案
- 6.1: 每个晶胞中有 \(2\) 个 A 类空腔。
- 6.2: 每个晶胞中有 \(46\) 个水分子。
- 6.3: 水分子数 : 客体分子数 \(=46:8=23:4=5.75:1\)。
- 6.4: \(\boxed{\rho=0.962\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}\)。
- 6.5: 水分子数 : 氯气分子数 \(=46:6=23:3\approx7.67:1\)。仅选择全部 B;在题目所设想的理想结构中,A 类空腔为空。
- 6.6: 在球形容纳近似下,空腔的自由空间半径满足 \[ \boxed{234\ \mathrm{pm}\le r_A<279\ \mathrm{pm}},\qquad \boxed{r_B\ge279\ \mathrm{pm}}. \] 客体分子的大小无法给出 \(r_B\) 的上限。
- 6.7: 按题目所列顺序: \[ \boxed{+,\;-,\;-,\;-,\;-,\;-,\;-,\;-}. \] 这些符号以题目所述的水合物形成条件为前提。
解答
涉及的分子物种为水,\(\ce{H2O}\),SMILES 为 O;甲烷,\(\ce{CH4}\),SMILES 为 C;以及氯气,\(\ce{Cl2}\),SMILES 为 ClCl。甲烷呈四面体形,氯气是直线形双原子分子。冰由水分子组成。SMILES 不表明这些物质的物态,也不表明笼形包合物中延展的氢键笼状结构。
6.1
体心立方排列有八个顶点位置,每个位置由八个晶胞共有,另有一个位置完全位于晶胞内部。每个十二面体包含一个 A 类空腔。因此,
\[ N_A=8\left(\frac18\right)+1=\boxed{2}. \]
这里的 \(N_A\) 表示 A 类空腔的数目,而不是阿伏伽德罗常数。
6.2
两个十二面体为每个晶胞贡献
\[ 2(20)=40 \]
个水分子。
六个面中的每个面上还各有两个额外的水分子。每个面由两个相邻晶胞共有,因此这些水分子的贡献为
\[ 6(2)\left(\frac12\right)=6. \]
因此,
\[ N_{\mathrm{water}}=40+6=\boxed{46}. \]
6.3
有两个 A 类空腔和六个 B 类空腔:
\[ N_{\mathrm{guest}}=2+6=8. \]
每个空腔中各有一个客体分子时,
\[ \boxed{N_{\mathrm{water}}:N_{\mathrm{guest}} =46:8=23:4=5.75:1}. \]
6.4
当所有空腔都被甲烷占据时,一个晶胞含有 46 个水分子和八个甲烷分子。
采用以下标准常数
\[ N_{\mathrm{Av}}=6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}, \] \[ M(\ce{H2O})=18.015\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \qquad M(\ce{CH4})=16.043\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
晶胞边长和晶胞体积为
\[ a=1.182\ \mathrm{nm}=1.182\times10^{-7}\ \mathrm{cm}, \]
\[ V_{\mathrm{cell}}=a^3 =1.651400568\times10^{-21}\ \mathrm{cm^3}. \]
每个晶胞的质量为
\[ m_{\mathrm{cell}} =\frac{46M(\ce{H2O})+8M(\ce{CH4})}{N_{\mathrm{Av}}} =\frac{957.034\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} {6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}} =1.5892\times10^{-21}\ \mathrm g. \]
于是,
\[ \rho=\frac{m_{\mathrm{cell}}}{V_{\mathrm{cell}}} =0.96233\ \mathrm{g\,cm^{-3}} \approx\boxed{0.962\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}. \]
6.5
设每个晶胞中的氯气分子数为 \(n\)。水分子骨架仍含有 46 个水分子。由
\[ M(\ce{Cl2})=70.90\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
可知密度满足
\[ \rho=\frac{46M(\ce{H2O})+nM(\ce{Cl2})} {N_{\mathrm{Av}}a^3}. \]
因此,
\[ n= \frac{\rho N_{\mathrm{Av}}a^3-46M(\ce{H2O})} {M(\ce{Cl2})} =5.986\approx6. \]
与六之间的微小偏差符合所给密度的精度:恰好有六个氯气分子时,密度为 \(1.261\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\),四舍五入后为 \(1.26\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\)。
因此,理想组成满足
\[ \boxed{N_{\mathrm{water}}:N_{\ce{Cl2}} =46:6=23:3\approx7.67:1}. \]
较大的 B 类空腔恰好有六个。题目预期的基于尺寸选择性的解释是:氯气占据这些较大的空腔,而较小的 A 类空腔保持为空。因此,答题纸上应选择:
☐ 部分 A ☐ 部分 B ☐ 全部 A ☑ 全部 B
密度确定了客体分子的数目;要确定被占据的是哪些空腔,还需采用这种基于尺寸的解释。
6.6
将空腔近似为能够容纳其客体分子的球体。
对于甲烷,根据共价半径估算碳—氢键的键长:
\[ d_{\ce{C-H}}=77+37=114\ \mathrm{pm}. \]
氢原子的非键合外表面还向外延伸 \(120\ \mathrm{pm}\)。因此,以碳原子为中心并包住甲烷分子的球体半径为
\[ r_{\mathrm{methane}} =\max\left(185,\;114+120\right)\ \mathrm{pm} =\boxed{234\ \mathrm{pm}}. \]
对于氯气,估算的键长为
\[ d_{\ce{Cl-Cl}}=2(99)=198\ \mathrm{pm}. \]
从键的中点量起,最外侧表面的距离等于半个键长加上一个氯原子的非键合半径:
\[ r_{\mathrm{chlorine}} =\frac{198}{2}+180 =\boxed{279\ \mathrm{pm}}. \]
甲烷能够进入两类空腔。按照 6.5 中基于尺寸排阻的解释,氯气能够进入 B 类空腔,但对于 A 类空腔而言过大。因此,有效自由空间半径满足
\[ \boxed{234\ \mathrm{pm}\le r_A<279\ \mathrm{pm}}, \]
\[ \boxed{r_B\ge279\ \mathrm{pm}}. \]
题目未给出无法进入 B 类空腔的更大客体分子,因此这一比较无法给出 \(r_B\) 的上限。由于分子和笼状结构都不是完美的球体,这些界限是在球形容纳近似下得到的。
6.7
过程 (1) 是凝固:
\[ \ce{H2O(l) -> H2O(s)}. \tag{1} \]
过程 (2) 是甲烷笼形水合物的形成,以整数系数写为:
\[ \ce{8 CH4(g) + 46 H2O(l) -> (CH4)8 * 46H2O(s)}. \tag{2, scaled} \]
固态产物表示该笼形包合物的组成。将这一方程式除以 46,便得到题目中采用的归一化形式,其中
\[ x=\frac{8}{46}=\frac4{23}. \]
因此,两个过程均以每摩尔水为基准进行比较。
在 \(4\,^\circ\mathrm C\) 下,相对于普通冰,液态水更稳定,因此凝固在热力学上是不利的:
\[ \Delta G_{\mathrm m}(1)>0. \]
凝固释放热量,并产生更有序的相:
\[ \Delta H_{\mathrm m}(1)<0, \qquad \Delta S_{\mathrm m}(1)<0. \]
在题目假定的水合物形成条件下,过程 (2) 在热力学上是有利的:
\[ \Delta G_{\mathrm m}(2)<0. \]
该过程使水分子骨架有序化,并将最初处于气态的甲烷限制在空腔中。因此,题目预期的定性熵比较为
\[ \Delta S_{\mathrm m}(2)<\Delta S_{\mathrm m}(1)<0. \]
利用
\[ \Delta H_{\mathrm m}=\Delta G_{\mathrm m}+T\Delta S_{\mathrm m}, \]
对于过程 (2),右侧两项均为负,因此
\[ \Delta H_{\mathrm m}(2)<0. \]
此外,
\[ \begin{aligned} \Delta H_{\mathrm m}(2)-\Delta H_{\mathrm m}(1) ={}&\bigl[\Delta G_{\mathrm m}(2)-\Delta G_{\mathrm m}(1)\bigr]\\ &+T\bigl[\Delta S_{\mathrm m}(2)-\Delta S_{\mathrm m}(1)\bigr]<0, \end{aligned} \]
因为两个方括号内的差值均为负。
填写完整的表格如下:
| 物理量 | 符号 |
|---|---|
| \(\Delta G_{\mathrm m}(1)\) | \(+\) |
| \(\Delta G_{\mathrm m}(2)\) | \(-\) |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(1)\) | \(-\) |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(2)\) | \(-\) |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(1)\) | \(-\) |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(2)\) | \(-\) |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(2)-\Delta S_{\mathrm m}(1)\) | \(-\) |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(2)-\Delta H_{\mathrm m}(1)\) | \(-\) |
解答已与官方解答核对。
IChO 2008 · Теоретическая задача 6
Клатратные гидраты хлора и метана
Если пропускать газообразный хлор через воду при температуре, близкой к температуре её замерзания, можно наблюдать образование зеленоватого твёрдого осадка с перистой структурой. Подобные осадки образуются и с другими газами, например метаном и благородными газами. Эти вещества представляют интерес, поскольку предполагается, что в природе существуют огромные количества так называемых гидратов метана (сопоставимые по объёму с другими месторождениями природного газа).
Все эти осадки имеют родственные структуры. При температуре немного выше температуры замерзания молекулы воды образуют структуру, связанную водородными связями. Молекулы газа стабилизируют этот каркас, заполняя довольно крупные полости в структуре воды и образуя клатраты. Кристаллы клатратов хлора и метана имеют одинаковую структуру. Их основными структурными элементами являются додекаэдры, образованные 20 молекулами воды. Элементарную ячейку кристалла можно представить как объёмно-центрированную кубическую структуру, построенную из этих додекаэдров, имеющих почти сферическую форму. Додекаэдры соединены дополнительными молекулами воды, расположенными на гранях элементарной ячейки. На каждой грани элементарной ячейки находятся две молекулы воды. Длина ребра элементарной ячейки составляет 1.182 нм.
В этой структуре имеются полости двух типов. Один тип — внутреннее пространство додекаэдров (A). Эти полости несколько меньше полостей другого типа (B), которых в каждой элементарной ячейке имеется 6.
6.1 Сколько полостей типа A содержится в элементарной ячейке?
6.2 Сколько молекул воды содержится в элементарной ячейке?
6.3 Если каждая полость содержит гостевую молекулу, каково отношение числа молекул воды к числу гостевых молекул?
6.4 Гидрат метана со структурой, описанной в c), образуется при температурах 0-10 °C. Какова плотность клатрата?
6.5 Плотность гидрата хлора составляет \(1.26\ \mathrm{g/cm^3}\). Каково отношение числа молекул воды к числу гостевых молекул в кристалле?
Какие полости, вероятнее всего, заполнены в идеальном кристалле гидрата хлора? Отметьте один или несколько вариантов.
☐ Некоторые A ☐ Некоторые B ☐ Все A ☐ Все B
Ковалентные радиусы отражают межатомные расстояния, когда атомы связаны ковалентной связью. Нековалентные, или ван-дер-ваальсовы, радиусы характеризуют размеры атомов, не связанных ковалентной связью (в модели твёрдых сфер).
| Атом | Ковалентный радиус (пм) | Нековалентный радиус (пм) |
|---|---|---|
| H | 37 | 120 |
| C | 77 | 185 |
| O | 73 | 140 |
| Cl | 99 | 180 |
6.6 На основании ковалентных и нековалентных радиусов этих атомов оцените, где это возможно, нижние и верхние границы средних радиусов полостей. Обоснуйте свой ответ.
Рассмотрим следующие процессы

6.7 Каковы знаки следующих молярных величин для этих реакций в указанном направлении при 4 °C? Укажите –, 0 или +.
| знак | |
|---|---|
| \(\Delta G_{\mathrm m}(1)\) | |
| \(\Delta G_{\mathrm m}(2)\) | |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(1)\) | |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(2)\) | |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(1)\) | |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(2)\) | |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(2)-\Delta S_{\mathrm m}(1)\) | |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(2)-\Delta H_{\mathrm m}(1)\) |
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 6.1: \(2\) полости типа A на элементарную ячейку.
- 6.2: \(46\) молекул воды на элементарную ячейку.
- 6.3: Вода : гостевые молекулы \(=46:8=23:4=5.75:1\).
- 6.4: \(\boxed{\rho=0.962\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}\).
- 6.5: Вода : хлор \(=46:6=23:3\approx7.67:1\). Выберите только Все B; в предполагаемой идеальной структуре полости A пусты.
- 6.6: В приближении вписывания молекул в сферические полости радиусы свободного пространства полостей удовлетворяют условиям \[ \boxed{234\ \mathrm{pm}\le r_A<279\ \mathrm{pm}},\qquad \boxed{r_B\ge279\ \mathrm{pm}}. \] Размеры гостевых молекул не позволяют установить верхнюю границу для \(r_B\).
- 6.7: В порядке, приведённом в вопросе: \[ \boxed{+,\;-,\;-,\;-,\;-,\;-,\;-,\;-}. \] Эти знаки соответствуют условиям образования гидрата, описанным в задаче.
Решение
Рассматриваемые молекулярные вещества — вода, \(\ce{H2O}\), SMILES O; метан, \(\ce{CH4}\), SMILES C; и хлор, \(\ce{Cl2}\), SMILES ClCl. Молекула метана имеет тетраэдрическую форму, а хлор представляет собой линейную двухатомную молекулу. Лёд состоит из молекул воды. Запись SMILES не указывает агрегатные состояния этих веществ или протяжённую клеточную структуру клатрата, образованную водородными связями.
6.1
В объёмно-центрированной кубической структуре имеются восемь позиций в вершинах, каждая из которых принадлежит восьми элементарным ячейкам, и одна позиция, целиком находящаяся внутри ячейки. Каждый додекаэдр содержит одну полость A. Следовательно,
\[ N_A=8\left(\frac18\right)+1=\boxed{2}. \]
Здесь \(N_A\) обозначает число полостей A, а не постоянную Авогадро.
6.2
Два додекаэдра дают
\[ 2(20)=40 \]
молекул воды на элементарную ячейку.
Кроме того, на каждой из шести граней находятся две дополнительные молекулы воды. Каждая грань принадлежит двум соседним ячейкам, поэтому их вклад составляет
\[ 6(2)\left(\frac12\right)=6. \]
Таким образом,
\[ N_{\mathrm{water}}=40+6=\boxed{46}. \]
6.3
Имеются две полости A и шесть полостей B:
\[ N_{\mathrm{guest}}=2+6=8. \]
Если в каждой полости находится одна гостевая молекула,
\[ \boxed{N_{\mathrm{water}}:N_{\mathrm{guest}} =46:8=23:4=5.75:1}. \]
6.4
При полном заполнении метаном одна элементарная ячейка содержит 46 молекул воды и восемь молекул метана.
Используем стандартные значения констант
\[ N_{\mathrm{Av}}=6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}, \] \[ M(\ce{H2O})=18.015\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \qquad M(\ce{CH4})=16.043\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Длина ребра и объём элементарной ячейки равны
\[ a=1.182\ \mathrm{nm}=1.182\times10^{-7}\ \mathrm{cm}, \]
\[ V_{\mathrm{cell}}=a^3 =1.651400568\times10^{-21}\ \mathrm{cm^3}. \]
Масса одной ячейки составляет
\[ m_{\mathrm{cell}} =\frac{46M(\ce{H2O})+8M(\ce{CH4})}{N_{\mathrm{Av}}} =\frac{957.034\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} {6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}} =1.5892\times10^{-21}\ \mathrm g. \]
Следовательно,
\[ \rho=\frac{m_{\mathrm{cell}}}{V_{\mathrm{cell}}} =0.96233\ \mathrm{g\,cm^{-3}} \approx\boxed{0.962\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}. \]
6.5
Пусть \(n\) — число молекул хлора в элементарной ячейке. Водный каркас по-прежнему содержит 46 молекул воды. При
\[ M(\ce{Cl2})=70.90\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
плотность удовлетворяет соотношению
\[ \rho=\frac{46M(\ce{H2O})+nM(\ce{Cl2})} {N_{\mathrm{Av}}a^3}. \]
Следовательно,
\[ n= \frac{\rho N_{\mathrm{Av}}a^3-46M(\ce{H2O})} {M(\ce{Cl2})} =5.986\approx6. \]
Небольшое отклонение от шести согласуется с точностью указанного значения плотности: ровно шесть молекул хлора дали бы \(1.261\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\), что округляется до \(1.26\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\).
Таким образом, идеальному составу соответствует
\[ \boxed{N_{\mathrm{water}}:N_{\ce{Cl2}} =46:6=23:3\approx7.67:1}. \]
Более крупных полостей B имеется ровно шесть. Предполагаемая интерпретация, основанная на избирательном заполнении по размеру, состоит в том, что хлор занимает эти более крупные полости, оставляя меньшие полости A пустыми. Поэтому в листе ответов следует отметить:
☐ Некоторые A ☐ Некоторые B ☐ Все A ☑ Все B
Плотность определяет число гостевых молекул; для определения того, какие полости заняты, дополнительно используется эта интерпретация, основанная на размерах.
6.6
Приближённо представим полость как сферу, способную вместить гостевую молекулу.
Для метана длину связи углерод–водород оцениваем по ковалентным радиусам:
\[ d_{\ce{C-H}}=77+37=114\ \mathrm{pm}. \]
Внешняя нековалентная поверхность атома водорода простирается ещё на \(120\ \mathrm{pm}\). Поэтому сфера с центром на атоме углерода, вмещающая молекулу метана, имеет радиус
\[ r_{\mathrm{methane}} =\max\left(185,\;114+120\right)\ \mathrm{pm} =\boxed{234\ \mathrm{pm}}. \]
Для хлора оценочная длина связи равна
\[ d_{\ce{Cl-Cl}}=2(99)=198\ \mathrm{pm}. \]
Расстояние от середины связи до самой удалённой точки внешней поверхности равно сумме половины длины связи и одного нековалентного радиуса хлора:
\[ r_{\mathrm{chlorine}} =\frac{198}{2}+180 =\boxed{279\ \mathrm{pm}}. \]
Метан помещается в полостях обоих типов. Согласно интерпретации 6.5, основанной на исключении по размеру, хлор помещается в B, но слишком велик для A. Поэтому эффективные радиусы свободного пространства удовлетворяют условиям
\[ \boxed{234\ \mathrm{pm}\le r_A<279\ \mathrm{pm}}, \]
\[ \boxed{r_B\ge279\ \mathrm{pm}}. \]
Более крупная гостевая молекула, которая не помещалась бы в B, не указана, поэтому это сравнение не даёт верхней границы для \(r_B\). Эти границы являются приближёнными и основаны на вписывании в сферу, поскольку молекулы и клетки не имеют идеальной сферической формы.
6.7
Процесс (1) — замерзание:
\[ \ce{H2O(l) -> H2O(s)}. \tag{1} \]
Процесс (2), записанный с целочисленными коэффициентами, — образование клатрата метана:
\[ \ce{8 CH4(g) + 46 H2O(l) -> (CH4)8 * 46H2O(s)}. \tag{2, scaled} \]
Запись твёрдого продукта обозначает состав клатрата. Деление этого уравнения на 46 даёт нормировку, использованную в вопросе, при которой
\[ x=\frac{8}{46}=\frac4{23}. \]
Таким образом, оба процесса сравниваются в расчёте на моль воды.
При \(4\,^\circ\mathrm C\) жидкая вода устойчива по отношению к обычному льду, поэтому замерзание термодинамически невыгодно:
\[ \Delta G_{\mathrm m}(1)>0. \]
Замерзание сопровождается выделением теплоты и образованием более упорядоченной фазы:
\[ \Delta H_{\mathrm m}(1)<0, \qquad \Delta S_{\mathrm m}(1)<0. \]
В предполагаемых в задаче условиях образования гидрата процесс (2) термодинамически выгоден:
\[ \Delta G_{\mathrm m}(2)<0. \]
Он упорядочивает водный каркас и ограничивает движение метана, который первоначально находился в газообразном состоянии. Поэтому предполагаемое качественное сравнение изменений энтропии имеет вид
\[ \Delta S_{\mathrm m}(2)<\Delta S_{\mathrm m}(1)<0. \]
Используем соотношение
\[ \Delta H_{\mathrm m}=\Delta G_{\mathrm m}+T\Delta S_{\mathrm m}, \]
в котором оба слагаемых справа отрицательны для процесса (2), поэтому
\[ \Delta H_{\mathrm m}(2)<0. \]
Кроме того,
\[ \begin{aligned} \Delta H_{\mathrm m}(2)-\Delta H_{\mathrm m}(1) ={}&\bigl[\Delta G_{\mathrm m}(2)-\Delta G_{\mathrm m}(1)\bigr]\\ &+T\bigl[\Delta S_{\mathrm m}(2)-\Delta S_{\mathrm m}(1)\bigr]<0, \end{aligned} \]
поскольку обе разности в квадратных скобках отрицательны.
Заполненная таблица:
| Величина | Знак |
|---|---|
| \(\Delta G_{\mathrm m}(1)\) | \(+\) |
| \(\Delta G_{\mathrm m}(2)\) | \(-\) |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(1)\) | \(-\) |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(2)\) | \(-\) |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(1)\) | \(-\) |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(2)\) | \(-\) |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(2)-\Delta S_{\mathrm m}(1)\) | \(-\) |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(2)-\Delta H_{\mathrm m}(1)\) | \(-\) |
Решение проверено по официальному решению.
IChO 2008 · مسألة نظرية 6
هيدرات الكلاثرات للكلور والميثان
يمكن ملاحظة راسب صلب ريشي الشكل مائل إلى الخضرة عند تمرير فقاعات غاز الكلور في ماء قريب من درجة تجمده. وتتكون رواسب مماثلة مع غازات أخرى مثل الميثان والغازات النبيلة. وتثير هذه المواد الاهتمام لأن من المفترض وجود كميات هائلة مما يسمى هيدرات الميثان في الطبيعة (تضاهي في كميتها مكامن الغاز الطبيعي الأخرى).
لهذه الرواسب جميعها بُنى مترابطة. إذ تشكل جزيئات الماء، عند درجة حرارة أعلى بقليل من درجة تجمده، بنية مترابطة بروابط هيدروجينية. وتثبّت جزيئات الغاز هذا الهيكل بملء التجاويف الكبيرة نسبيًا في بنية الماء، فتتشكل الكلاثرات. ولبلورات كلاثرات الكلور والميثان البنية نفسها. وتتمثل سماتها الرئيسية في مجسمات اثني عشرية الأوجه تتكون من 20 جزيئًا من الماء. ويمكن تصور خلية الوحدة في البلورة على أنها ترتيب مكعب متمركز الجسم، مبني من هذه المجسمات الاثني عشرية الأوجه التي تكاد تكون كروية. وترتبط هذه المجسمات بعضها ببعض بواسطة جزيئات ماء إضافية تقع على أوجه خلية الوحدة. ويوجد جزيئان من الماء على كل وجه من أوجه خلية الوحدة. ويبلغ طول حرف خلية الوحدة 1.182 nm.
يوجد نوعان من التجاويف في هذه البنية. أحدهما هو الحيز الداخلي في المجسمات الاثني عشرية الأوجه (A). وهذه التجاويف أصغر قليلًا من النوع الآخر من الفراغات (B)، التي يوجد منها 6 في كل خلية وحدة.
6.1 كم تجويفًا من النوع A يوجد في خلية الوحدة؟
6.2 كم جزيئًا من الماء يوجد في خلية الوحدة؟
6.3 إذا احتوت جميع التجاويف على جزيء ضيف، فما نسبة عدد جزيئات الماء إلى عدد الجزيئات الضيفة؟
6.4 تتكون هيدرات الميثان بالبنية الواردة في c) عند درجات حرارة تتراوح بين 0-10 °C. ما كثافة الكلاثرات؟
6.5 تبلغ كثافة هيدرات الكلور \(1.26\ \mathrm{g/cm^3}\). ما نسبة عدد جزيئات الماء إلى عدد الجزيئات الضيفة في البلورة؟
أي التجاويف يُرجح أن تكون ممتلئة في بلورة مثالية من هيدرات الكلور؟ حدّد خيارًا واحدًا أو أكثر.
☐ بعض A ☐ بعض B ☐ جميع A ☐ جميع B
تعكس أنصاف الأقطار التساهمية المسافات بين الذرات عندما ترتبط تساهميًا. أما أنصاف الأقطار غير الترابطية، أو أنصاف أقطار فان دير فالس، فتعطي مقياسًا لحجم الذرات عندما لا تكون مرتبطة تساهميًا (مع تمثيلها بكرات صلبة).
| الذرة | نصف القطر التساهمي (pm) | نصف القطر غير الترابطي (pm) |
|---|---|---|
| H | 37 | 120 |
| C | 77 | 185 |
| O | 73 | 140 |
| Cl | 99 | 180 |
6.6 استنادًا إلى أنصاف الأقطار التساهمية وغير الترابطية لهذه الذرات، قدّر حدودًا دنيا وعليا لمتوسط أنصاف أقطار التجاويف حيثما أمكن. وضّح استدلالك.
لننظر في العمليتين الآتيتين

6.7 ما إشارات الكميات المولية الآتية المتعلقة بهذين التفاعلين في الاتجاه المعطى عند 4 °C؟ ضع إشارة – أو 0 أو +.
| الإشارة | |
|---|---|
| \(\Delta G_{\mathrm m}(1)\) | |
| \(\Delta G_{\mathrm m}(2)\) | |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(1)\) | |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(2)\) | |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(1)\) | |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(2)\) | |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(2)-\Delta S_{\mathrm m}(1)\) | |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(2)-\Delta H_{\mathrm m}(1)\) |
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 6.1: \(2\) من تجاويف النوع A لكل خلية وحدة.
- 6.2: \(46\) جزيئًا من الماء لكل خلية وحدة.
- 6.3: الماء : الضيف \(=46:8=23:4=5.75:1\).
- 6.4: \(\boxed{\rho=0.962\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}\).
- 6.5: الماء : الكلور \(=46:6=23:3\approx7.67:1\). اختر جميع B فقط؛ فتجاويف A فارغة في البنية المثالية المقصودة.
- 6.6: في تقريب احتواء الجزيئات داخل كرات، تحقق أنصاف أقطار الحيز الخالي في التجاويف \[ \boxed{234\ \mathrm{pm}\le r_A<279\ \mathrm{pm}},\qquad \boxed{r_B\ge279\ \mathrm{pm}}. \] لا تتيح أحجام الجزيئات الضيفة تحديد حد أعلى لـ \(r_B\).
- 6.7: بالترتيب الوارد في السؤال: \[ \boxed{+,\;-,\;-,\;-,\;-,\;-,\;-,\;-}. \] تفترض هذه الإشارات شروط تكوّن الهيدرات الموصوفة في المسألة.
الحل
الأنواع الجزيئية هي الماء، \(\ce{H2O}\)، وتمثيله بصيغة SMILES هو O؛ والميثان، \(\ce{CH4}\)، وتمثيله بصيغة SMILES هو C؛ والكلور، \(\ce{Cl2}\)، وتمثيله بصيغة SMILES هو ClCl. للميثان شكل رباعي السطوح، والكلور جزيء خطي ثنائي الذرة. ويتكون الجليد من جزيئات الماء. ولا تحدد صيغة SMILES الأطوار الفيزيائية لهذه المواد أو البنية القفصية الممتدة المترابطة بروابط هيدروجينية في الكلاثرات.
6.1
للترتيب المكعب المتمركز الجسم ثمانية مواضع عند الرؤوس، تشترك في كل منها ثماني خلايا وحدة، وموضع واحد يقع بكامله داخل الخلية. ويحتوي كل مجسم اثني عشري الأوجه على تجويف واحد من النوع A. ومن ثم،
\[ N_A=8\left(\frac18\right)+1=\boxed{2}. \]
يرمز \(N_A\) هنا إلى عدد تجاويف A، وليس إلى ثابت أفوغادرو.
6.2
يسهم المجسمان الاثنا عشريا الأوجه بما مجموعه
\[ 2(20)=40 \]
جزيئًا من الماء لكل خلية وحدة.
ويوجد أيضًا جزيئان إضافيان من الماء على كل وجه من الأوجه الستة. ويشترك في كل وجه خليتان متجاورتان، فتكون مساهمة هذه الجزيئات
\[ 6(2)\left(\frac12\right)=6. \]
وبالتالي،
\[ N_{\mathrm{water}}=40+6=\boxed{46}. \]
6.3
يوجد تجويفان من النوع A وستة تجاويف من النوع B:
\[ N_{\mathrm{guest}}=2+6=8. \]
عند وجود جزيء ضيف واحد في كل تجويف،
\[ \boxed{N_{\mathrm{water}}:N_{\mathrm{guest}} =46:8=23:4=5.75:1}. \]
6.4
عند إشغال جميع التجاويف بالميثان، تحتوي خلية الوحدة الواحدة على 46 جزيئًا من الماء وثمانية جزيئات من الميثان.
نستخدم الثوابت القياسية
\[ N_{\mathrm{Av}}=6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}, \] \[ M(\ce{H2O})=18.015\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \qquad M(\ce{CH4})=16.043\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
طول الحرف وحجم خلية الوحدة هما
\[ a=1.182\ \mathrm{nm}=1.182\times10^{-7}\ \mathrm{cm}, \]
\[ V_{\mathrm{cell}}=a^3 =1.651400568\times10^{-21}\ \mathrm{cm^3}. \]
كتلة الخلية الواحدة هي
\[ m_{\mathrm{cell}} =\frac{46M(\ce{H2O})+8M(\ce{CH4})}{N_{\mathrm{Av}}} =\frac{957.034\ \mathrm{g\,mol^{-1}}} {6.02214\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}} =1.5892\times10^{-21}\ \mathrm g. \]
إذن،
\[ \rho=\frac{m_{\mathrm{cell}}}{V_{\mathrm{cell}}} =0.96233\ \mathrm{g\,cm^{-3}} \approx\boxed{0.962\ \mathrm{g\,cm^{-3}}}. \]
6.5
ليكن \(n\) عدد جزيئات الكلور في خلية الوحدة. يظل هيكل الماء محتويًا على 46 جزيئًا من الماء. وباستخدام
\[ M(\ce{Cl2})=70.90\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \]
تحقق الكثافة العلاقة
\[ \rho=\frac{46M(\ce{H2O})+nM(\ce{Cl2})} {N_{\mathrm{Av}}a^3}. \]
ومن ثم،
\[ n= \frac{\rho N_{\mathrm{Av}}a^3-46M(\ce{H2O})} {M(\ce{Cl2})} =5.986\approx6. \]
يتفق الانحراف الطفيف عن العدد ستة مع دقة الكثافة المعطاة: فوجود ستة جزيئات من الكلور بالضبط يعطي \(1.261\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\)، وهي قيمة تُقرّب إلى \(1.26\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\).
لذلك يكون التركيب المثالي وفق النسبة
\[ \boxed{N_{\mathrm{water}}:N_{\ce{Cl2}} =46:6=23:3\approx7.67:1}. \]
يوجد بالضبط ستة تجاويف أكبر حجمًا من النوع B. والتفسير المقصود للانتقائية بحسب الحجم هو أن الكلور يشغل هذه التجاويف الأكبر، تاركًا تجاويف A الأصغر فارغة. وعليه، يكون الاختيار في ورقة الإجابة:
☐ بعض A ☐ بعض B ☐ جميع A ☑ جميع B
تحدد الكثافة عدد الجزيئات الضيفة؛ أما تحديد التجاويف المشغولة فيستند أيضًا إلى هذا التفسير القائم على الحجم.
6.6
نقرّب التجويف بكرة قادرة على احتواء جزيئه الضيف.
بالنسبة إلى الميثان، يُقدّر طول رابطة الكربون–الهيدروجين من أنصاف الأقطار التساهمية:
\[ d_{\ce{C-H}}=77+37=114\ \mathrm{pm}. \]
يمتد السطح الخارجي غير الترابطي لذرة الهيدروجين مسافة إضافية قدرها \(120\ \mathrm{pm}\). ومن ثم، فإن الكرة التي يقع مركزها عند ذرة الكربون وتحتوي جزيء الميثان يكون نصف قطرها
\[ r_{\mathrm{methane}} =\max\left(185,\;114+120\right)\ \mathrm{pm} =\boxed{234\ \mathrm{pm}}. \]
بالنسبة إلى الكلور، طول الرابطة المقدّر هو
\[ d_{\ce{Cl-Cl}}=2(99)=198\ \mathrm{pm}. \]
عند القياس من منتصف الرابطة، يقع أبعد سطح خارجي على مسافة تساوي نصف طول الرابطة مضافًا إليه نصف القطر غير الترابطي لذرة كلور واحدة:
\[ r_{\mathrm{chlorine}} =\frac{198}{2}+180 =\boxed{279\ \mathrm{pm}}. \]
يتسع كلا نوعي التجاويف للميثان. ووفق تفسير الاستبعاد الحجمي في 6.5، يتسع التجويف B للكلور، لكنه أكبر من أن يدخل التجويف A. ولذلك تحقق أنصاف الأقطار الفعالة للحيز الخالي
\[ \boxed{234\ \mathrm{pm}\le r_A<279\ \mathrm{pm}}, \]
\[ \boxed{r_B\ge279\ \mathrm{pm}}. \]
لم يُذكر جزيء ضيف أكبر يعجز عن دخول B، لذا لا توفر هذه المقارنة حدًا أعلى لـ \(r_B\). وهذه حدود تقريبية مستمدة من احتواء الجزيئات داخل كرات، لأن الجزيئات والأقفاص ليست كرات تامة.
6.7
العملية (1) هي التجمد:
\[ \ce{H2O(l) -> H2O(s)}. \tag{1} \]
العملية (2)، عند كتابتها بمعاملات صحيحة، هي تكوّن كلاثرات الميثان:
\[ \ce{8 CH4(g) + 46 H2O(l) -> (CH4)8 * 46H2O(s)}. \tag{2, scaled} \]
يدل الناتج الصلب على تركيب الكلاثرات. وتعطي قسمة هذه المعادلة على 46 الصيغة المعايرة المستخدمة في السؤال، حيث
\[ x=\frac{8}{46}=\frac4{23}. \]
وهكذا تُقارن العمليتان لكل مول من الماء.
عند \(4\,^\circ\mathrm C\)، يكون الماء السائل مستقرًا مقارنة بالجليد العادي، لذا يكون التجمد غير مفضّل ترموديناميكيًا:
\[ \Delta G_{\mathrm m}(1)>0. \]
يُطلق التجمد حرارة وينتج طورًا أكثر انتظامًا:
\[ \Delta H_{\mathrm m}(1)<0, \qquad \Delta S_{\mathrm m}(1)<0. \]
في شروط تكوّن الهيدرات المفترضة في السؤال، تكون العملية (2) مفضّلة ترموديناميكيًا:
\[ \Delta G_{\mathrm m}(2)<0. \]
تجعل هذه العملية هيكل الماء أكثر انتظامًا، وتحبس الميثان الذي كان غازيًا في البداية. ولذلك تكون المقارنة النوعية المقصودة للإنتروبيا
\[ \Delta S_{\mathrm m}(2)<\Delta S_{\mathrm m}(1)<0. \]
باستخدام
\[ \Delta H_{\mathrm m}=\Delta G_{\mathrm m}+T\Delta S_{\mathrm m}, \]
نجد أن كلا الحدين في الطرف الأيمن سالب في العملية (2)، ومن ثم
\[ \Delta H_{\mathrm m}(2)<0. \]
وعلاوة على ذلك،
\[ \begin{aligned} \Delta H_{\mathrm m}(2)-\Delta H_{\mathrm m}(1) ={}&\bigl[\Delta G_{\mathrm m}(2)-\Delta G_{\mathrm m}(1)\bigr]\\ &+T\bigl[\Delta S_{\mathrm m}(2)-\Delta S_{\mathrm m}(1)\bigr]<0, \end{aligned} \]
لأن كلا الفرقين بين الأقواس سالب.
الجدول المكتمل هو:
| الكمية | الإشارة |
|---|---|
| \(\Delta G_{\mathrm m}(1)\) | \(+\) |
| \(\Delta G_{\mathrm m}(2)\) | \(-\) |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(1)\) | \(-\) |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(2)\) | \(-\) |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(1)\) | \(-\) |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(2)\) | \(-\) |
| \(\Delta S_{\mathrm m}(2)-\Delta S_{\mathrm m}(1)\) | \(-\) |
| \(\Delta H_{\mathrm m}(2)-\Delta H_{\mathrm m}(1)\) | \(-\) |
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.