IChO 2021 · Theory problem 2
Isotope Time Capsule

Molecular entities that differ only in isotopic composition, such as \(\ce{CH4}\) and \(\ce{CH3D}\), are called isotopologues. Isotopologues are considered to have the same chemical characteristics. In nature, however, there exists a slight difference.
Assume that all of the substances shown in this Question are in a gas phase.
Let us consider the following equilibrium:

The entropy, \(S\), increases with increasing the number of possible microscopic states of a system, \(W\):
\[ S=k_{\mathrm B}\ln W \tag{2} \]
\(W=1\) for \(\ce{^{12}C^{16}O2}\) and \(\ce{^{12}C^{18}O2}\). In contrast, \(W=2\) for a \(\ce{^{12}C^{16}O^{18}O}\) molecule because the oxygen atoms are distinguishable in this molecule. As the right-hand side of the equilibrium shown in eq. 1 has two \(\ce{^{12}C^{16}O^{18}O}\) molecules, \(W=2^2=4\).
2.1 The enthalpy change, \(\Delta H\), of eq. 3 is positive regardless of the temperature.

Calculate the equilibrium constants, \(K\), for eq. 3 at very low (think of \(T\to0\)) and very high (think of \(T\to+\infty\)) temperatures. Assume that the reaction remains unchanged at these temperatures and that \(\Delta H\) converges to a constant value for high temperatures.
The \(\Delta H\) of the following process can be explained by molecular vibrations.

At \(T=0\ \mathrm K\), the vibrational energy of a diatomic molecule whose vibration frequency is \(\nu\ [\mathrm{s^{-1}}]\) is expressed as:
\[ E=\frac12h\nu \tag{5} \]
\[ \nu=\frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{\mu}} \tag{6} \]
Wherein \(k\) is the force constant and \(\mu\) the reduced mass, which is expressed in terms of the mass of the two atoms in the diatomic molecule, \(m_1\) and \(m_2\), according to:
\[ \mu=\frac{m_1m_2}{m_1+m_2} \tag{7} \]
2.2 The vibration of \(\ce{H2}\) is at \(4161.0\ \mathrm{cm^{-1}}\) when reported as a wavenumber.
Calculate the \(\Delta H\) of the following equation at \(T=0\ \mathrm K\) in units of \(\mathrm{J\,mol^{-1}}\).

Assume that:
- only the vibrational energy contributes to the \(\Delta H\).
- the \(k\) values for \(\ce{H2}\), \(\ce{HD}\), and \(\ce{D2}\) are identical.
- the mass of \(\ce{H}\) to be \(1\ \mathrm{Da}\) and the mass of \(\ce{D}\) to be \(2\ \mathrm{Da}\).
The molar ratio of \(\ce{H2}\), \(\ce{HD}\), and \(\ce{D2}\) depends on the temperature in a system in equilibrium. Here, \(\Delta_{\ce{D2}}\) is defined as the change of the molar ratio of \(\ce{D2}\).
\[ \Delta_{\ce{D2}}=\frac{R_{\ce{D2}}}{R_{\ce{D2}}^*}-1 \tag{9} \]
Here, \(R_{\ce{D2}}\) refers to \(\dfrac{[\ce{D2}]}{[\ce{H2}]}\) in the sample and \(R_{\ce{D2}}^*\) to \(\dfrac{[\ce{D2}]}{[\ce{H2}]}\) at \(T\to+\infty\). It should be noted here that the distribution of isotopes becomes random at \(T\to+\infty\).
2.3 Calculate \(\Delta_{\ce{D2}}\) with natural \(\ce{D}\) abundance when the isotopic exchange is in equilibrium at the temperature where \(K\) in eq. 4 is \(0.300\). Assume that the natural abundance ratios of \(\ce{D}\) and \(\ce{H}\) are \(1.5576\times10^{-4}\) and \(1-1.5576\times10^{-4}\), respectively.
In general, the molar ratio of the doubly substituted isotopologue, which contains two heavy isotope atoms in one molecule, increases with decreasing temperature. Let us consider the molar ratio of \(\ce{CO2}\) molecules with molecular weights of 44 and 47, which are described as \(\ce{CO2}[44]\) and \(\ce{CO2}[47]\) below. The quantity \(\Delta_{47}\) is defined as:
\[ \Delta_{47}=\frac{R_{47}}{R_{47}^*}-1 \tag{10} \]
\(R_{47}\) refers to \(\dfrac{[\ce{CO2}[47]]}{[\ce{CO2}[44]]}\) in the sample and \(R_{47}^*\) to \(\dfrac{[\ce{CO2}[47]]}{[\ce{CO2}[44]]}\) at \(T\to+\infty\). The natural abundances of carbon and oxygen atoms are shown below; ignore isotopes that are not shown here.
| \(\ce{^{12}C}\) | \(\ce{^{13}O}\) | |
|---|---|---|
| natural abundance | 0.988888 | 0.011112 |
| \(\ce{^{16}O}\) | \(\ce{^{17}O}\) | \(\ce{^{18}O}\) | |
|---|---|---|---|
| natural abundance | 0.997621 | 0.0003790 | 0.0020000 |
The temperature dependence of \(\Delta_{47}\) is determined as follows, where \(T\) is given as the absolute temperature in units of K:
\[ \Delta_{47}=\frac{36.2}{T^2}+2.920\times10^{-4} \tag{11} \]
2.4 The \(\Delta_{47}\) of fossil plankton obtained from the Antarctic seabed was \(4.50865\times10^{-5}\).
Estimate the temperature using this \(R_{47}\). This temperature is interpreted as the air temperature during the era in which the plankton lived. Consider only the most common isotopologue of \(\ce{CO2}[47]\) for the calculation.
Official English text of the problem.
Answers
- 2.1: \(\displaystyle \lim_{T\to0}K=0,\qquad \lim_{T\to+\infty}K=2.\)
- 2.2: \(\displaystyle \Delta H(0)=-6.208\times10^2\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\), per mole of reaction as written.
- 2.3: \(\displaystyle \Delta_{\ce{D2}}=0.199925\ldots\approx0.200\), corresponding to a \(20.0\%\) increase in the ratio relative to its random-distribution value.
- 2.4: With the intended reading \(R_{47}=4.50865\times10^{-5}\), \(\displaystyle T\approx295.3\ \mathrm K\approx22.2\,^\circ\mathrm C\). If the number is read literally as \(\Delta_{47}\), there is no real temperature satisfying eq. 11.
Solution
2.1
The balanced isotope-exchange reaction is
\[ \ce{H2 + DI <=> HD + HI}, \qquad K=\frac{[\ce{HD}][\ce{HI}]}{[\ce{H2}][\ce{DI}]}. \]
The species are dihydrogen \(\ce{H2}\), [1H][1H]; deuterium iodide \(\ce{DI}\), [2H]I; hydrogen deuteride \(\ce{HD}\), [1H][2H]; and hydrogen iodide \(\ce{HI}\), [1H]I.
The thermodynamic relation is
\[ \ln K=-\frac{\Delta G^\circ}{RT} =\frac{\Delta S^\circ}{R}-\frac{\Delta H^\circ}{RT}. \]
At very low temperature, the positive reaction enthalpy makes the products energetically unfavorable. The enthalpy term dominates, so
\[ \boxed{\lim_{T\to0}K=0}. \]
At very high temperature, the stipulated finite limiting enthalpy gives \(\Delta H^\circ/(RT)\to0\), and the isotope distribution becomes random.
Let \(r\) denote the atomic \(\ce{D}/\ce{H}\) ratio. Random substitution gives
\[ \frac{[\ce{HD}]}{[\ce{H2}]}=2r, \qquad \frac{[\ce{DI}]}{[\ce{HI}]}=r. \]
The factor of two in the first ratio arises because either of the two hydrogen positions can contain deuterium. Therefore,
\[ \boxed{ \lim_{T\to+\infty}K =\frac{2r}{r}=2 }. \]
This statistical factor corresponds to an entropy contribution \(R\ln2\).
2.2
The balanced reaction is
\[ \ce{2HD -> H2 + D2}. \]
Deuterium gas, \(\ce{D2}\), has SMILES [2H][2H].
Using the prescribed atomic masses,
\[ \mu_{\ce{H2}}=\frac{1\times1}{1+1}=\frac12\ \mathrm{Da}, \]
\[ \mu_{\ce{HD}}=\frac{1\times2}{1+2}=\frac23\ \mathrm{Da}, \qquad \mu_{\ce{D2}}=\frac{2\times2}{2+2}=1\ \mathrm{Da}. \]
Since the force constants are identical, both frequency and wavenumber are proportional to \(\mu^{-1/2}\). Consequently,
\[ \widetilde\nu_{\ce{HD}} =4161.0\sqrt{\frac{1/2}{2/3}} =4161.0\frac{\sqrt3}{2} =3603.53\ \mathrm{cm^{-1}}, \]
\[ \widetilde\nu_{\ce{D2}} =4161.0\sqrt{\frac{1/2}{1}} =\frac{4161.0}{\sqrt2} =2942.27\ \mathrm{cm^{-1}}. \]
At \(0\ \mathrm K\), each molecule contributes its zero-point vibrational energy, \(E=\tfrac12hc\widetilde\nu\). Thus,
\[ \begin{aligned} \Delta H(0) &=\frac{N_{\mathrm A}hc}{2} \left( \widetilde\nu_{\ce{H2}} +\widetilde\nu_{\ce{D2}} -2\widetilde\nu_{\ce{HD}} \right)\\ &=\frac{N_{\mathrm A}hc}{2} (4.1610\times10^5\ \mathrm{m^{-1}}) \left(1+\frac{1}{\sqrt2}-\sqrt3\right). \end{aligned} \]
Using the standard constants
\[ h=6.62607015\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s},\qquad c=2.99792458\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}, \]
\[ N_{\mathrm A}=6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}, \]
gives
\[ \boxed{\Delta H(0)=-620.8\ \mathrm{J\,mol^{-1}}}. \]
This is per mole of reaction as written, consuming \(2\ \mathrm{mol}\) of \(\ce{HD}\). The products have the lower total zero-point energy.
2.3
For
\[ \ce{2HD <=> H2 + D2}, \qquad K=\frac{[\ce{H2}][\ce{D2}]}{[\ce{HD}]^2}=0.300, \]
write the atomic fractions as
\[ p=1.5576\times10^{-4}\quad(\ce{D}), \qquad q=1-p\quad(\ce{H}). \]
In a random distribution, the molecular fractions of \(\ce{H2}\), \(\ce{HD}\), and \(\ce{D2}\) are \(q^2\), \(2pq\), and \(p^2\), respectively. Hence,
\[ R_{\ce{D2}}^* =\frac{p^2}{q^2} =2.42687372\times10^{-8}. \]
To account exactly for isotope conservation at \(K=0.300\), let \(x\) be the equilibrium mole fraction of \(\ce{D2}\), normalizing the total number of molecules to one. Deuterium conservation and normalization give
\[ x_{\ce{HD}}=2(p-x), \qquad x_{\ce{H2}}=1-2p+x. \]
Substitution into the equilibrium expression gives
\[ 0.300=\frac{x(1-2p+x)}{4(p-x)^2}. \]
Equivalently,
\[ (1-4K)x^2+(1-2p+8Kp)x-4Kp^2=0. \]
The physically admissible root, \(0\le x\le p\), gives
\[ x_{\ce{D2}}=2.91115995\times10^{-8}, \]
\[ x_{\ce{HD}}=3.11461777\times10^{-4}, \qquad x_{\ce{H2}}=0.9996885091. \]
Therefore,
\[ R_{\ce{D2}} =\frac{x_{\ce{D2}}}{x_{\ce{H2}}} =2.91206703\times10^{-8}, \]
and
\[ \boxed{ \Delta_{\ce{D2}} =\frac{2.91206703\times10^{-8}} {2.42687372\times10^{-8}}-1 =0.199925\ldots\approx0.200 }. \]
The dilute-deuterium approximation gives the same answer to the appropriate precision:
\[ R_{\ce{D2}}\approx K\left(\frac{2p}{q}\right)^2 =4K R_{\ce{D2}}^*, \qquad \Delta_{\ce{D2}}\approx4K-1=0.200. \]
2.4
Two printed labels require interpretation. The second carbon-table heading must be \(\ce{^{13}C}\), rather than \(\ce{^{13}O}\). Also, the measured value must be interpreted as \(R_{47}=4.50865\times10^{-5}\), consistent with the instruction “using this \(R_{47}\).” The literal alternative is checked below.
Let \(c_{12},c_{13}\) denote the carbon isotope abundances and \(o_{16},o_{17},o_{18}\) the oxygen isotope abundances.
Carbon dioxide-44 is \(\ce{^{12}C^{16}O2}\), with SMILES [16O]=[12C]=[16O]. Its random abundance is
\[ P_{44}=c_{12}o_{16}^2. \]
The possible mass-47 carbon dioxide isotopologues are:
| Carbon dioxide isotopologue | SMILES | Random abundance |
|---|---|---|
| \(\ce{^{13}C^{16}O^{18}O}\), containing carbon-13, oxygen-16, and oxygen-18 | [16O]=[13C]=[18O] |
\(2c_{13}o_{16}o_{18}=4.43423\times10^{-5}\) |
| \(\ce{^{12}C^{17}O^{18}O}\), containing carbon-12, oxygen-17, and oxygen-18 | [17O]=[12C]=[18O] |
\(2c_{12}o_{17}o_{18}=1.49915\times10^{-6}\) |
| \(\ce{^{13}C^{17}O2}\), containing carbon-13 and two oxygen-17 atoms | [17O]=[13C]=[17O] |
\(c_{13}o_{17}^2=1.59614\times10^{-9}\) |
These molecules are linear. For different oxygen isotopes, the factor of two counts the two possible assignments to the oxygen positions.
Thus, the most common mass-47 isotopologue is \(\ce{^{13}C^{16}O^{18}O}\). Retaining only this species as instructed,
\[ \begin{aligned} R_{47}^* &=\frac{2c_{13}o_{16}o_{18}}{c_{12}o_{16}^2}\\ &=2\frac{0.011112}{0.988888} \frac{0.0020000}{0.997621}\\ &=4.505464112\times10^{-5}. \end{aligned} \]
The sample therefore has
\[ \Delta_{47} =\frac{4.50865\times10^{-5}} {4.505464112\times10^{-5}}-1 =7.07116413\times10^{-4}. \]
Rearranging eq. 11,
\[ T= \sqrt{ \frac{36.2\ \mathrm{K^2}} {\Delta_{47}-2.920\times10^{-4}} }. \]
Hence,
\[ T= \sqrt{ \frac{36.2} {7.07116413\times10^{-4}-2.920\times10^{-4}} }\ \mathrm K =295.304\ \mathrm K. \]
Thus the estimated air temperature is
\[ \boxed{T\approx295.3\ \mathrm K\approx22.2\,^\circ\mathrm C}. \]
If the printed number were instead literally \(\Delta_{47}=4.50865\times10^{-5}\), then
\[ \Delta_{47}<2.920\times10^{-4}, \]
whereas eq. 11 requires \(\Delta_{47}>2.920\times10^{-4}\) at every finite positive temperature. That reading therefore yields no real temperature.
The solution was checked against the official solution.
IChO 2021 · Theorieaufgabe 2
Isotopen-Zeitkapsel

Molekulare Einheiten, die sich nur in ihrer Isotopenzusammensetzung unterscheiden, wie etwa \(\ce{CH4}\) und \(\ce{CH3D}\), werden als Isotopologe bezeichnet. Man geht davon aus, dass Isotopologe dieselben chemischen Eigenschaften besitzen. In der Natur besteht jedoch ein geringfügiger Unterschied.
Nehmen Sie an, dass alle in dieser Aufgabe dargestellten Stoffe gasförmig vorliegen.
Betrachten wir das folgende Gleichgewicht:

Die Entropie \(S\) nimmt mit zunehmender Anzahl möglicher mikroskopischer Zustände eines Systems \(W\) zu:
\[ S=k_{\mathrm B}\ln W \tag{2} \]
Für \(\ce{^{12}C^{16}O2}\) und \(\ce{^{12}C^{18}O2}\) gilt \(W=1\). Dagegen gilt für ein \(\ce{^{12}C^{16}O^{18}O}\)-Molekül \(W=2\), da die Sauerstoffatome in diesem Molekül unterscheidbar sind. Da auf der rechten Seite des in Gl. 1 dargestellten Gleichgewichts zwei \(\ce{^{12}C^{16}O^{18}O}\)-Moleküle stehen, gilt \(W=2^2=4\).
2.1 Die Enthalpieänderung \(\Delta H\) von Gl. 3 ist unabhängig von der Temperatur positiv.

Berechnen Sie die Gleichgewichtskonstanten \(K\) für Gl. 3 bei sehr niedrigen (denken Sie an \(T\to0\)) und sehr hohen (denken Sie an \(T\to+\infty\)) Temperaturen. Nehmen Sie an, dass die Reaktion bei diesen Temperaturen unverändert bleibt und dass \(\Delta H\) bei hohen Temperaturen gegen einen konstanten Wert konvergiert.
Die Enthalpieänderung \(\Delta H\) des folgenden Vorgangs lässt sich durch Molekülschwingungen erklären.

Bei \(T=0\ \mathrm K\) wird die Schwingungsenergie eines zweiatomigen Moleküls mit der Schwingungsfrequenz \(\nu\ [\mathrm{s^{-1}}]\) wie folgt ausgedrückt:
\[ E=\frac12h\nu \tag{5} \]
\[ \nu=\frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{\mu}} \tag{6} \]
Dabei ist \(k\) die Kraftkonstante und \(\mu\) die reduzierte Masse, die sich aus den Massen der beiden Atome im zweiatomigen Molekül, \(m_1\) und \(m_2\), wie folgt ergibt:
\[ \mu=\frac{m_1m_2}{m_1+m_2} \tag{7} \]
2.2 Die Schwingung von \(\ce{H2}\) liegt, als Wellenzahl angegeben, bei \(4161.0\ \mathrm{cm^{-1}}\).
Berechnen Sie \(\Delta H\) für die folgende Gleichung bei \(T=0\ \mathrm K\) in der Einheit \(\mathrm{J\,mol^{-1}}\).

Nehmen Sie an, dass:
- nur die Schwingungsenergie zu \(\Delta H\) beiträgt.
- die \(k\)-Werte für \(\ce{H2}\), \(\ce{HD}\) und \(\ce{D2}\) identisch sind.
- die Masse von \(\ce{H}\) \(1\ \mathrm{Da}\) und die Masse von \(\ce{D}\) \(2\ \mathrm{Da}\) beträgt.
Das Stoffmengenverhältnis von \(\ce{H2}\), \(\ce{HD}\) und \(\ce{D2}\) hängt in einem System im Gleichgewicht von der Temperatur ab. Hier wird \(\Delta_{\ce{D2}}\) als Änderung des Stoffmengenverhältnisses von \(\ce{D2}\) definiert.
\[ \Delta_{\ce{D2}}=\frac{R_{\ce{D2}}}{R_{\ce{D2}}^*}-1 \tag{9} \]
Dabei bezeichnet \(R_{\ce{D2}}\) das Verhältnis \(\dfrac{[\ce{D2}]}{[\ce{H2}]}\) in der Probe und \(R_{\ce{D2}}^*\) das Verhältnis \(\dfrac{[\ce{D2}]}{[\ce{H2}]}\) bei \(T\to+\infty\). Beachten Sie hierbei, dass die Isotopenverteilung bei \(T\to+\infty\) zufällig wird.
2.3 Berechnen Sie \(\Delta_{\ce{D2}}\) bei natürlicher Häufigkeit von \(\ce{D}\), wenn der Isotopenaustausch bei der Temperatur im Gleichgewicht ist, bei der \(K\) in Gl. 4 den Wert \(0.300\) hat. Nehmen Sie an, dass die natürlichen Häufigkeiten von \(\ce{D}\) und \(\ce{H}\) \(1.5576\times10^{-4}\) bzw. \(1-1.5576\times10^{-4}\) betragen.
Im Allgemeinen nimmt das Stoffmengenverhältnis des zweifach substituierten Isotopologs, das zwei schwere Isotopenatome in einem Molekül enthält, mit sinkender Temperatur zu. Betrachten wir das Stoffmengenverhältnis von \(\ce{CO2}\)-Molekülen mit den Molekülmassen 44 und 47, die im Folgenden als \(\ce{CO2}[44]\) und \(\ce{CO2}[47]\) bezeichnet werden. Die Größe \(\Delta_{47}\) ist definiert als:
\[ \Delta_{47}=\frac{R_{47}}{R_{47}^*}-1 \tag{10} \]
\(R_{47}\) bezeichnet das Verhältnis \(\dfrac{[\ce{CO2}[47]]}{[\ce{CO2}[44]]}\) in der Probe und \(R_{47}^*\) das Verhältnis \(\dfrac{[\ce{CO2}[47]]}{[\ce{CO2}[44]]}\) bei \(T\to+\infty\). Die natürlichen Häufigkeiten der Kohlenstoff- und Sauerstoffatome sind unten angegeben; vernachlässigen Sie hier nicht aufgeführte Isotope.
| \(\ce{^{12}C}\) | \(\ce{^{13}O}\) | |
|---|---|---|
| natürliche Häufigkeit | 0.988888 | 0.011112 |
| \(\ce{^{16}O}\) | \(\ce{^{17}O}\) | \(\ce{^{18}O}\) | |
|---|---|---|---|
| natürliche Häufigkeit | 0.997621 | 0.0003790 | 0.0020000 |
Die Temperaturabhängigkeit von \(\Delta_{47}\) wird wie folgt bestimmt, wobei \(T\) die absolute Temperatur in der Einheit K ist:
\[ \Delta_{47}=\frac{36.2}{T^2}+2.920\times10^{-4} \tag{11} \]
2.4 Der Wert von \(\Delta_{47}\) für fossiles Plankton vom antarktischen Meeresboden betrug \(4.50865\times10^{-5}\).
Schätzen Sie die Temperatur mithilfe dieses Wertes von \(R_{47}\) ab. Diese Temperatur wird als die Lufttemperatur in der Epoche interpretiert, in der das Plankton lebte. Berücksichtigen Sie bei der Berechnung nur das häufigste Isotopolog von \(\ce{CO2}[47]\).
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 2.1: \(\displaystyle \lim_{T\to0}K=0,\qquad \lim_{T\to+\infty}K=2.\)
- 2.2: \(\displaystyle \Delta H(0)=-6.208\times10^2\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\), pro Mol Reaktionsumsatz gemäß der angegebenen Reaktionsgleichung.
- 2.3: \(\displaystyle \Delta_{\ce{D2}}=0.199925\ldots\approx0.200\), entsprechend einer Zunahme des Verhältnisses um \(20.0\%\) gegenüber seinem Wert bei zufälliger Verteilung.
- 2.4: Bei der beabsichtigten Lesart \(R_{47}=4.50865\times10^{-5}\) ergibt sich \(\displaystyle T\approx295.3\ \mathrm K\approx22.2\,^\circ\mathrm C\). Wird die Zahl wörtlich als \(\Delta_{47}\) gelesen, gibt es keine reelle Temperatur, die Gl. 11 erfüllt.
Lösung
2.1
Die ausgeglichene Isotopenaustauschreaktion lautet
\[ \ce{H2 + DI <=> HD + HI}, \qquad K=\frac{[\ce{HD}][\ce{HI}]}{[\ce{H2}][\ce{DI}]}. \]
Die Spezies sind molekularer Wasserstoff \(\ce{H2}\), [1H][1H]; Deuteriumiodid \(\ce{DI}\), [2H]I; Wasserstoffdeuterid \(\ce{HD}\), [1H][2H]; und Iodwasserstoff \(\ce{HI}\), [1H]I.
Die thermodynamische Beziehung lautet
\[ \ln K=-\frac{\Delta G^\circ}{RT} =\frac{\Delta S^\circ}{R}-\frac{\Delta H^\circ}{RT}. \]
Bei sehr niedriger Temperatur sind die Produkte aufgrund der positiven Reaktionsenthalpie energetisch ungünstig. Der Enthalpieterm dominiert, sodass
\[ \boxed{\lim_{T\to0}K=0}. \]
Bei sehr hoher Temperatur ergibt der vorausgesetzte endliche Grenzwert der Enthalpie \(\Delta H^\circ/(RT)\to0\), und die Isotopenverteilung wird zufällig.
Sei \(r\) das atomare \(\ce{D}/\ce{H}\)-Verhältnis. Zufällige Substitution ergibt
\[ \frac{[\ce{HD}]}{[\ce{H2}]}=2r, \qquad \frac{[\ce{DI}]}{[\ce{HI}]}=r. \]
Der Faktor zwei im ersten Verhältnis ergibt sich daraus, dass jede der beiden Wasserstoffpositionen mit Deuterium besetzt sein kann. Daher gilt
\[ \boxed{ \lim_{T\to+\infty}K =\frac{2r}{r}=2 }. \]
Dieser statistische Faktor entspricht einem Entropiebeitrag von \(R\ln2\).
2.2
Die ausgeglichene Reaktionsgleichung lautet
\[ \ce{2HD -> H2 + D2}. \]
Deuteriumgas, \(\ce{D2}\), hat die SMILES-Schreibweise [2H][2H].
Mit den vorgegebenen Atommassen gilt
\[ \mu_{\ce{H2}}=\frac{1\times1}{1+1}=\frac12\ \mathrm{Da}, \]
\[ \mu_{\ce{HD}}=\frac{1\times2}{1+2}=\frac23\ \mathrm{Da}, \qquad \mu_{\ce{D2}}=\frac{2\times2}{2+2}=1\ \mathrm{Da}. \]
Da die Kraftkonstanten identisch sind, sind sowohl die Frequenz als auch die Wellenzahl proportional zu \(\mu^{-1/2}\). Folglich gilt
\[ \widetilde\nu_{\ce{HD}} =4161.0\sqrt{\frac{1/2}{2/3}} =4161.0\frac{\sqrt3}{2} =3603.53\ \mathrm{cm^{-1}}, \]
\[ \widetilde\nu_{\ce{D2}} =4161.0\sqrt{\frac{1/2}{1}} =\frac{4161.0}{\sqrt2} =2942.27\ \mathrm{cm^{-1}}. \]
Bei \(0\ \mathrm K\) trägt jedes Molekül seine Nullpunktsschwingungsenergie \(E=\tfrac12hc\widetilde\nu\) bei. Somit gilt
\[ \begin{aligned} \Delta H(0) &=\frac{N_{\mathrm A}hc}{2} \left( \widetilde\nu_{\ce{H2}} +\widetilde\nu_{\ce{D2}} -2\widetilde\nu_{\ce{HD}} \right)\\ &=\frac{N_{\mathrm A}hc}{2} (4.1610\times10^5\ \mathrm{m^{-1}}) \left(1+\frac{1}{\sqrt2}-\sqrt3\right). \end{aligned} \]
Unter Verwendung der Standardkonstanten
\[ h=6.62607015\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s},\qquad c=2.99792458\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}, \]
\[ N_{\mathrm A}=6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}, \]
ergibt sich
\[ \boxed{\Delta H(0)=-620.8\ \mathrm{J\,mol^{-1}}}. \]
Dies gilt pro Mol Reaktionsumsatz gemäß der angegebenen Reaktionsgleichung, wobei \(2\ \mathrm{mol}\) \(\ce{HD}\) verbraucht werden. Die Produkte haben die niedrigere gesamte Nullpunktsenergie.
2.3
Für
\[ \ce{2HD <=> H2 + D2}, \qquad K=\frac{[\ce{H2}][\ce{D2}]}{[\ce{HD}]^2}=0.300, \]
schreiben wir die Atomanteile als
\[ p=1.5576\times10^{-4}\quad(\ce{D}), \qquad q=1-p\quad(\ce{H}). \]
Bei einer zufälligen Verteilung betragen die Molekülanteile von \(\ce{H2}\), \(\ce{HD}\) und \(\ce{D2}\) jeweils \(q^2\), \(2pq\) und \(p^2\). Daher gilt
\[ R_{\ce{D2}}^* =\frac{p^2}{q^2} =2.42687372\times10^{-8}. \]
Um die Isotopenerhaltung bei \(K=0.300\) exakt zu berücksichtigen, sei \(x\) der Stoffmengenanteil von \(\ce{D2}\) im Gleichgewicht, wobei die Gesamtzahl der Moleküle auf eins normiert wird. Aus der Deuteriumerhaltung und der Normierung folgt
\[ x_{\ce{HD}}=2(p-x), \qquad x_{\ce{H2}}=1-2p+x. \]
Einsetzen in den Ausdruck für die Gleichgewichtskonstante ergibt
\[ 0.300=\frac{x(1-2p+x)}{4(p-x)^2}. \]
Äquivalent dazu gilt
\[ (1-4K)x^2+(1-2p+8Kp)x-4Kp^2=0. \]
Die physikalisch zulässige Wurzel, \(0\le x\le p\), ergibt
\[ x_{\ce{D2}}=2.91115995\times10^{-8}, \]
\[ x_{\ce{HD}}=3.11461777\times10^{-4}, \qquad x_{\ce{H2}}=0.9996885091. \]
Daher gilt
\[ R_{\ce{D2}} =\frac{x_{\ce{D2}}}{x_{\ce{H2}}} =2.91206703\times10^{-8}, \]
und
\[ \boxed{ \Delta_{\ce{D2}} =\frac{2.91206703\times10^{-8}} {2.42687372\times10^{-8}}-1 =0.199925\ldots\approx0.200 }. \]
Die Näherung für einen geringen Deuteriumanteil ergibt bei angemessener Genauigkeit dieselbe Antwort:
\[ R_{\ce{D2}}\approx K\left(\frac{2p}{q}\right)^2 =4K R_{\ce{D2}}^*, \qquad \Delta_{\ce{D2}}\approx4K-1=0.200. \]
2.4
Zwei gedruckte Bezeichnungen erfordern eine Interpretation. Die zweite Überschrift der Kohlenstofftabelle muss \(\ce{^{13}C}\) statt \(\ce{^{13}O}\) lauten. Außerdem muss der Messwert als \(R_{47}=4.50865\times10^{-5}\) interpretiert werden, entsprechend der Anweisung „mithilfe dieses Wertes von \(R_{47}\)“. Die wörtliche Alternative wird weiter unten geprüft.
Seien \(c_{12},c_{13}\) die Häufigkeiten der Kohlenstoffisotope und \(o_{16},o_{17},o_{18}\) die Häufigkeiten der Sauerstoffisotope.
Kohlenstoffdioxid-44 ist \(\ce{^{12}C^{16}O2}\) mit der SMILES-Schreibweise [16O]=[12C]=[16O]. Seine Häufigkeit bei zufälliger Verteilung beträgt
\[ P_{44}=c_{12}o_{16}^2. \]
Die möglichen Kohlenstoffdioxid-Isotopologe mit der Masse 47 sind:
| Kohlenstoffdioxid-Isotopolog | SMILES | Häufigkeit bei zufälliger Verteilung |
|---|---|---|
| \(\ce{^{13}C^{16}O^{18}O}\), enthält Kohlenstoff-13, Sauerstoff-16 und Sauerstoff-18 | [16O]=[13C]=[18O] |
\(2c_{13}o_{16}o_{18}=4.43423\times10^{-5}\) |
| \(\ce{^{12}C^{17}O^{18}O}\), enthält Kohlenstoff-12, Sauerstoff-17 und Sauerstoff-18 | [17O]=[12C]=[18O] |
\(2c_{12}o_{17}o_{18}=1.49915\times10^{-6}\) |
| \(\ce{^{13}C^{17}O2}\), enthält Kohlenstoff-13 und zwei Sauerstoff-17-Atome | [17O]=[13C]=[17O] |
\(c_{13}o_{17}^2=1.59614\times10^{-9}\) |
Diese Moleküle sind linear. Bei unterschiedlichen Sauerstoffisotopen berücksichtigt der Faktor zwei die beiden möglichen Zuordnungen zu den Sauerstoffpositionen.
Somit ist \(\ce{^{13}C^{16}O^{18}O}\) das häufigste Isotopolog mit der Masse 47. Wird wie vorgeschrieben nur diese Spezies berücksichtigt, ergibt sich
\[ \begin{aligned} R_{47}^* &=\frac{2c_{13}o_{16}o_{18}}{c_{12}o_{16}^2}\\ &=2\frac{0.011112}{0.988888} \frac{0.0020000}{0.997621}\\ &=4.505464112\times10^{-5}. \end{aligned} \]
Für die Probe gilt daher
\[ \Delta_{47} =\frac{4.50865\times10^{-5}} {4.505464112\times10^{-5}}-1 =7.07116413\times10^{-4}. \]
Umstellen von Gl. 11 ergibt
\[ T= \sqrt{ \frac{36.2\ \mathrm{K^2}} {\Delta_{47}-2.920\times10^{-4}} }. \]
Daraus folgt
\[ T= \sqrt{ \frac{36.2} {7.07116413\times10^{-4}-2.920\times10^{-4}} }\ \mathrm K =295.304\ \mathrm K. \]
Die geschätzte Lufttemperatur beträgt somit
\[ \boxed{T\approx295.3\ \mathrm K\approx22.2\,^\circ\mathrm C}. \]
Wäre die gedruckte Zahl stattdessen wörtlich als \(\Delta_{47}=4.50865\times10^{-5}\) zu verstehen, dann gälte
\[ \Delta_{47}<2.920\times10^{-4}, \]
während Gl. 11 bei jeder endlichen positiven Temperatur \(\Delta_{47}>2.920\times10^{-4}\) verlangt. Diese Lesart ergibt daher keine reelle Temperatur.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 2021 · Teori sorusu 2
İzotop Zaman Kapsülü

\(\ce{CH4}\) ve \(\ce{CH3D}\) gibi yalnızca izotop bileşimleri bakımından farklılık gösteren moleküler türlere izotopolog denir. İzotopologların aynı kimyasal özelliklere sahip olduğu kabul edilir. Ancak doğada küçük bir farklılık vardır.
Bu soruda gösterilen tüm maddelerin gaz fazında olduğunu varsayın.
Aşağıdaki dengeyi ele alalım:

Bir sistemin olası mikroskobik durumlarının sayısı, \(W\), arttıkça entropisi, \(S\), artar:
\[ S=k_{\mathrm B}\ln W \tag{2} \]
\(\ce{^{12}C^{16}O2}\) ve \(\ce{^{12}C^{18}O2}\) için \(W=1\)'dir. Buna karşılık, bir \(\ce{^{12}C^{16}O^{18}O}\) molekülü için \(W=2\)'dir; çünkü bu moleküldeki oksijen atomları birbirinden ayırt edilebilir. Denklem 1'de gösterilen dengenin sağ tarafında iki \(\ce{^{12}C^{16}O^{18}O}\) molekülü bulunduğundan, \(W=2^2=4\)'tür.
2.1 Denklem 3'ün entalpi değişimi, \(\Delta H\), sıcaklıktan bağımsız olarak pozitiftir.

Denklem 3 için çok düşük (\(T\to0\) durumunu düşünün) ve çok yüksek (\(T\to+\infty\) durumunu düşünün) sıcaklıklardaki denge sabitlerini, \(K\), hesaplayın. Tepkimenin bu sıcaklıklarda değişmeden kaldığını ve yüksek sıcaklıklarda \(\Delta H\)'nin sabit bir değere yakınsadığını varsayın.
Aşağıdaki sürecin \(\Delta H\) değeri moleküler titreşimlerle açıklanabilir.

\(T=0\ \mathrm K\)'de, titreşim frekansı \(\nu\ [\mathrm{s^{-1}}]\) olan iki atomlu bir molekülün titreşim enerjisi şöyle ifade edilir:
\[ E=\frac12h\nu \tag{5} \]
\[ \nu=\frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{\mu}} \tag{6} \]
Burada \(k\) kuvvet sabiti, \(\mu\) ise indirgenmiş kütledir. İndirgenmiş kütle, iki atomlu moleküldeki iki atomun kütleleri olan \(m_1\) ve \(m_2\) cinsinden şöyle ifade edilir:
\[ \mu=\frac{m_1m_2}{m_1+m_2} \tag{7} \]
2.2 \(\ce{H2}\)'nin titreşimi dalga sayısı cinsinden ifade edildiğinde \(4161.0\ \mathrm{cm^{-1}}\)'dir.
Aşağıdaki denklemin \(T=0\ \mathrm K\)'deki \(\Delta H\) değerini \(\mathrm{J\,mol^{-1}}\) biriminde hesaplayın.

Şunları varsayın:
- \(\Delta H\)'ye yalnızca titreşim enerjisi katkıda bulunur.
- \(\ce{H2}\), \(\ce{HD}\) ve \(\ce{D2}\) için \(k\) değerleri aynıdır.
- \(\ce{H}\)'nin kütlesi \(1\ \mathrm{Da}\), \(\ce{D}\)'nin kütlesi ise \(2\ \mathrm{Da}\)'dır.
Dengedeki bir sistemde \(\ce{H2}\), \(\ce{HD}\) ve \(\ce{D2}\)'nin mol oranları sıcaklığa bağlıdır. Burada \(\Delta_{\ce{D2}}\), \(\ce{D2}\)'nin mol oranındaki değişim olarak tanımlanır.
\[ \Delta_{\ce{D2}}=\frac{R_{\ce{D2}}}{R_{\ce{D2}}^*}-1 \tag{9} \]
Burada \(R_{\ce{D2}}\), numunedeki \(\dfrac{[\ce{D2}]}{[\ce{H2}]}\) oranını; \(R_{\ce{D2}}^*\) ise \(T\to+\infty\) durumundaki \(\dfrac{[\ce{D2}]}{[\ce{H2}]}\) oranını ifade eder. \(T\to+\infty\) durumunda izotop dağılımının rastgele hâle geldiğine dikkat edilmelidir.
2.3 İzotop değişimi, denklem 4'teki \(K\)'nın \(0.300\) olduğu sıcaklıkta dengedeyken, doğal \(\ce{D}\) bolluğu için \(\Delta_{\ce{D2}}\)'yi hesaplayın. \(\ce{D}\) ve \(\ce{H}\)'nin doğal bolluk oranlarının sırasıyla \(1.5576\times10^{-4}\) ve \(1-1.5576\times10^{-4}\) olduğunu varsayın.
Genel olarak, bir molekülde iki ağır izotop atomu içeren, iki kez izotopik olarak sübstitüe olmuş izotopoloğun mol oranı sıcaklık azaldıkça artar. Aşağıda \(\ce{CO2}[44]\) ve \(\ce{CO2}[47]\) olarak gösterilen, molekül ağırlıkları 44 ve 47 olan \(\ce{CO2}\) moleküllerinin mol oranını ele alalım. \(\Delta_{47}\) niceliği şöyle tanımlanır:
\[ \Delta_{47}=\frac{R_{47}}{R_{47}^*}-1 \tag{10} \]
\(R_{47}\), numunedeki \(\dfrac{[\ce{CO2}[47]]}{[\ce{CO2}[44]]}\) oranını; \(R_{47}^*\) ise \(T\to+\infty\) durumundaki \(\dfrac{[\ce{CO2}[47]]}{[\ce{CO2}[44]]}\) oranını ifade eder. Karbon ve oksijen atomlarının doğal bollukları aşağıda gösterilmiştir; burada gösterilmeyen izotopları ihmal edin.
| \(\ce{^{12}C}\) | \(\ce{^{13}O}\) | |
|---|---|---|
| doğal bolluk | 0.988888 | 0.011112 |
| \(\ce{^{16}O}\) | \(\ce{^{17}O}\) | \(\ce{^{18}O}\) | |
|---|---|---|---|
| doğal bolluk | 0.997621 | 0.0003790 | 0.0020000 |
\(\Delta_{47}\)'nin sıcaklığa bağlılığı aşağıdaki gibi belirlenmiştir; burada \(T\), K biriminde mutlak sıcaklıktır:
\[ \Delta_{47}=\frac{36.2}{T^2}+2.920\times10^{-4} \tag{11} \]
2.4 Antarktika deniz tabanından elde edilen fosil planktonun \(\Delta_{47}\) değeri \(4.50865\times10^{-5}\) bulunmuştur.
Bu \(R_{47}\) değerini kullanarak sıcaklığı tahmin edin. Bu sıcaklık, planktonun yaşadığı dönemdeki hava sıcaklığı olarak yorumlanır. Hesaplamada yalnızca \(\ce{CO2}[47]\)'nin en yaygın izotopoloğunu dikkate alın.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 2.1: \(\displaystyle \lim_{T\to0}K=0,\qquad \lim_{T\to+\infty}K=2.\)
- 2.2: Tepkimenin yazıldığı biçimiyle molü başına \(\displaystyle \Delta H(0)=-6.208\times10^2\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\).
- 2.3: \(\displaystyle \Delta_{\ce{D2}}=0.199925\ldots\approx0.200\); bu, oranın rastgele dağılımdaki değerine göre \(20.0\%\) artmasına karşılık gelir.
- 2.4: Kastedilen \(R_{47}=4.50865\times10^{-5}\) okumasıyla, \(\displaystyle T\approx295.3\ \mathrm K\approx22.2\,^\circ\mathrm C\). Sayı doğrudan \(\Delta_{47}\) olarak okunursa, denklem 11'i sağlayan gerçek bir sıcaklık yoktur.
Çözüm
2.1
Denkleştirilmiş izotop değişim tepkimesi şöyledir:
\[ \ce{H2 + DI <=> HD + HI}, \qquad K=\frac{[\ce{HD}][\ce{HI}]}{[\ce{H2}][\ce{DI}]}. \]
Türler; dihidrojen \(\ce{H2}\), [1H][1H]; döteryum iyodür \(\ce{DI}\), [2H]I; hidrojen döterür \(\ce{HD}\), [1H][2H]; ve hidrojen iyodür \(\ce{HI}\), [1H]I şeklindedir.
Termodinamik bağıntı şöyledir:
\[ \ln K=-\frac{\Delta G^\circ}{RT} =\frac{\Delta S^\circ}{R}-\frac{\Delta H^\circ}{RT}. \]
Çok düşük sıcaklıkta, pozitif tepkime entalpisi ürünleri enerji bakımından elverişsiz kılar. Entalpi terimi baskındır; dolayısıyla
\[ \boxed{\lim_{T\to0}K=0}. \]
Çok yüksek sıcaklıkta, entalpinin varsayılan sonlu limit değeri \(\Delta H^\circ/(RT)\to0\) sonucunu verir ve izotop dağılımı rastgele hâle gelir.
Atomik \(\ce{D}/\ce{H}\) oranını \(r\) ile gösterelim. Rastgele sübstitüsyon şu sonucu verir:
\[ \frac{[\ce{HD}]}{[\ce{H2}]}=2r, \qquad \frac{[\ce{DI}]}{[\ce{HI}]}=r. \]
İlk orandaki iki çarpanı, iki hidrojen konumundan herhangi birinde döteryum bulunabilmesinden kaynaklanır. Bu nedenle,
\[ \boxed{ \lim_{T\to+\infty}K =\frac{2r}{r}=2 }. \]
Bu istatistiksel çarpan, \(R\ln2\) büyüklüğünde bir entropi katkısına karşılık gelir.
2.2
Denkleştirilmiş tepkime şöyledir:
\[ \ce{2HD -> H2 + D2}. \]
Döteryum gazının, \(\ce{D2}\), SMILES gösterimi [2H][2H] şeklindedir.
Verilen atom kütleleri kullanıldığında,
\[ \mu_{\ce{H2}}=\frac{1\times1}{1+1}=\frac12\ \mathrm{Da}, \]
\[ \mu_{\ce{HD}}=\frac{1\times2}{1+2}=\frac23\ \mathrm{Da}, \qquad \mu_{\ce{D2}}=\frac{2\times2}{2+2}=1\ \mathrm{Da}. \]
Kuvvet sabitleri aynı olduğundan, hem frekans hem de dalga sayısı \(\mu^{-1/2}\) ile orantılıdır. Dolayısıyla,
\[ \widetilde\nu_{\ce{HD}} =4161.0\sqrt{\frac{1/2}{2/3}} =4161.0\frac{\sqrt3}{2} =3603.53\ \mathrm{cm^{-1}}, \]
\[ \widetilde\nu_{\ce{D2}} =4161.0\sqrt{\frac{1/2}{1}} =\frac{4161.0}{\sqrt2} =2942.27\ \mathrm{cm^{-1}}. \]
\(0\ \mathrm K\)'de her molekül, sıfır noktası titreşim enerjisi olan \(E=\tfrac12hc\widetilde\nu\) kadar katkıda bulunur. Böylece,
\[ \begin{aligned} \Delta H(0) &=\frac{N_{\mathrm A}hc}{2} \left( \widetilde\nu_{\ce{H2}} +\widetilde\nu_{\ce{D2}} -2\widetilde\nu_{\ce{HD}} \right)\\ &=\frac{N_{\mathrm A}hc}{2} (4.1610\times10^5\ \mathrm{m^{-1}}) \left(1+\frac{1}{\sqrt2}-\sqrt3\right). \end{aligned} \]
Standart sabitler olan
\[ h=6.62607015\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s},\qquad c=2.99792458\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}, \]
\[ N_{\mathrm A}=6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}, \]
kullanıldığında şu sonuç elde edilir:
\[ \boxed{\Delta H(0)=-620.8\ \mathrm{J\,mol^{-1}}}. \]
Bu değer, yazıldığı biçimiyle \(2\ \mathrm{mol}\) \(\ce{HD}\) tüketen tepkimenin molü başınadır. Ürünlerin toplam sıfır noktası enerjisi daha düşüktür.
2.3
Şu denge için
\[ \ce{2HD <=> H2 + D2}, \qquad K=\frac{[\ce{H2}][\ce{D2}]}{[\ce{HD}]^2}=0.300, \]
atom kesirlerini şöyle yazalım:
\[ p=1.5576\times10^{-4}\quad(\ce{D}), \qquad q=1-p\quad(\ce{H}). \]
Rastgele bir dağılımda \(\ce{H2}\), \(\ce{HD}\) ve \(\ce{D2}\)'nin molekül kesirleri sırasıyla \(q^2\), \(2pq\) ve \(p^2\)'dir. Dolayısıyla,
\[ R_{\ce{D2}}^* =\frac{p^2}{q^2} =2.42687372\times10^{-8}. \]
\(K=0.300\)'de izotop korunumunu tam olarak hesaba katmak için, toplam molekül sayısını bire normalize ederek \(\ce{D2}\)'nin dengedeki mol kesrini \(x\) ile gösterelim. Döteryumun korunumu ve normalizasyon şu bağıntıları verir:
\[ x_{\ce{HD}}=2(p-x), \qquad x_{\ce{H2}}=1-2p+x. \]
Denge ifadesinde yerine konulduğunda,
\[ 0.300=\frac{x(1-2p+x)}{4(p-x)^2}. \]
Eşdeğer olarak,
\[ (1-4K)x^2+(1-2p+8Kp)x-4Kp^2=0. \]
Fiziksel olarak kabul edilebilir olan \(0\le x\le p\) aralığındaki kök şu değerleri verir:
\[ x_{\ce{D2}}=2.91115995\times10^{-8}, \]
\[ x_{\ce{HD}}=3.11461777\times10^{-4}, \qquad x_{\ce{H2}}=0.9996885091. \]
Bu nedenle,
\[ R_{\ce{D2}} =\frac{x_{\ce{D2}}}{x_{\ce{H2}}} =2.91206703\times10^{-8}, \]
ve
\[ \boxed{ \Delta_{\ce{D2}} =\frac{2.91206703\times10^{-8}} {2.42687372\times10^{-8}}-1 =0.199925\ldots\approx0.200 }. \]
Seyreltik döteryum yaklaşımı, uygun hassasiyette aynı sonucu verir:
\[ R_{\ce{D2}}\approx K\left(\frac{2p}{q}\right)^2 =4K R_{\ce{D2}}^*, \qquad \Delta_{\ce{D2}}\approx4K-1=0.200. \]
2.4
Basılı metindeki iki etiketin yorumlanması gerekir. Karbon tablosunun ikinci başlığı \(\ce{^{13}O}\) yerine \(\ce{^{13}C}\) olmalıdır. Ayrıca ölçülen değer, “bu \(R_{47}\) değerini kullanarak” yönergesiyle tutarlı olacak şekilde \(R_{47}=4.50865\times10^{-5}\) olarak yorumlanmalıdır. Metni doğrudan okumanın verdiği diğer olasılık aşağıda kontrol edilmiştir.
Karbon izotoplarının bolluklarını \(c_{12},c_{13}\), oksijen izotoplarının bolluklarını ise \(o_{16},o_{17},o_{18}\) ile gösterelim.
Karbondioksit-44, SMILES gösterimi [16O]=[12C]=[16O] olan \(\ce{^{12}C^{16}O2}\)'dir. Rastgele dağılımdaki bolluğu şöyledir:
\[ P_{44}=c_{12}o_{16}^2. \]
Kütlesi 47 olan olası karbondioksit izotopologları şunlardır:
| Karbondioksit izotopoloğu | SMILES | Rastgele dağılımdaki bolluk |
|---|---|---|
| Karbon-13, oksijen-16 ve oksijen-18 içeren \(\ce{^{13}C^{16}O^{18}O}\) | [16O]=[13C]=[18O] |
\(2c_{13}o_{16}o_{18}=4.43423\times10^{-5}\) |
| Karbon-12, oksijen-17 ve oksijen-18 içeren \(\ce{^{12}C^{17}O^{18}O}\) | [17O]=[12C]=[18O] |
\(2c_{12}o_{17}o_{18}=1.49915\times10^{-6}\) |
| Karbon-13 ve iki oksijen-17 atomu içeren \(\ce{^{13}C^{17}O2}\) | [17O]=[13C]=[17O] |
\(c_{13}o_{17}^2=1.59614\times10^{-9}\) |
Bu moleküller doğrusaldır. Farklı oksijen izotopları için iki çarpanı, izotopların oksijen konumlarına yerleşebileceği iki olası düzeni hesaba katar.
Dolayısıyla, kütlesi 47 olan en yaygın izotopolog \(\ce{^{13}C^{16}O^{18}O}\)'dur. Yönergede belirtildiği gibi yalnızca bu tür dikkate alındığında,
\[ \begin{aligned} R_{47}^* &=\frac{2c_{13}o_{16}o_{18}}{c_{12}o_{16}^2}\\ &=2\frac{0.011112}{0.988888} \frac{0.0020000}{0.997621}\\ &=4.505464112\times10^{-5}. \end{aligned} \]
Buna göre numune için
\[ \Delta_{47} =\frac{4.50865\times10^{-5}} {4.505464112\times10^{-5}}-1 =7.07116413\times10^{-4}. \]
Denklem 11 yeniden düzenlendiğinde,
\[ T= \sqrt{ \frac{36.2\ \mathrm{K^2}} {\Delta_{47}-2.920\times10^{-4}} }. \]
Dolayısıyla,
\[ T= \sqrt{ \frac{36.2} {7.07116413\times10^{-4}-2.920\times10^{-4}} }\ \mathrm K =295.304\ \mathrm K. \]
Böylece tahmin edilen hava sıcaklığı şöyledir:
\[ \boxed{T\approx295.3\ \mathrm K\approx22.2\,^\circ\mathrm C}. \]
Basılı sayı bunun yerine doğrudan \(\Delta_{47}=4.50865\times10^{-5}\) olarak alınsaydı,
\[ \Delta_{47}<2.920\times10^{-4}, \]
olurdu; oysa denklem 11, sonlu ve pozitif her sıcaklıkta \(\Delta_{47}>2.920\times10^{-4}\) olmasını gerektirir. Dolayısıyla bu okumada gerçek bir sıcaklık yoktur.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 2021 · Problema teórico 2
Cápsula del tiempo isotópica

Las entidades moleculares que difieren únicamente en su composición isotópica, como \(\ce{CH4}\) y \(\ce{CH3D}\), se denominan isotopólogos. Se considera que los isotopólogos tienen las mismas características químicas. Sin embargo, en la naturaleza existe una ligera diferencia.
Suponga que todas las sustancias que se muestran en este problema se encuentran en fase gaseosa.
Consideremos el siguiente equilibrio:

La entropía, \(S\), aumenta al aumentar el número de estados microscópicos posibles de un sistema, \(W\):
\[ S=k_{\mathrm B}\ln W \tag{2} \]
\(W=1\) para \(\ce{^{12}C^{16}O2}\) y \(\ce{^{12}C^{18}O2}\). En cambio, \(W=2\) para una molécula de \(\ce{^{12}C^{16}O^{18}O}\), porque los átomos de oxígeno son distinguibles en esta molécula. Como el lado derecho del equilibrio mostrado en la ec. 1 tiene dos moléculas de \(\ce{^{12}C^{16}O^{18}O}\), \(W=2^2=4\).
2.1 La variación de entalpía, \(\Delta H\), de la ec. 3 es positiva independientemente de la temperatura.

Calcule las constantes de equilibrio, \(K\), de la ec. 3 a temperaturas muy bajas (considere \(T\to0\)) y muy altas (considere \(T\to+\infty\)). Suponga que la reacción no cambia a estas temperaturas y que \(\Delta H\) converge a un valor constante a temperaturas altas.
La \(\Delta H\) del siguiente proceso puede explicarse mediante las vibraciones moleculares.

A \(T=0\ \mathrm K\), la energía vibracional de una molécula diatómica cuya frecuencia de vibración es \(\nu\ [\mathrm{s^{-1}}]\) se expresa como:
\[ E=\frac12h\nu \tag{5} \]
\[ \nu=\frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{\mu}} \tag{6} \]
Aquí, \(k\) es la constante de fuerza y \(\mu\) la masa reducida, que se expresa en función de las masas de los dos átomos de la molécula diatómica, \(m_1\) y \(m_2\), según:
\[ \mu=\frac{m_1m_2}{m_1+m_2} \tag{7} \]
2.2 La vibración de \(\ce{H2}\), expresada como número de onda, se encuentra a \(4161.0\ \mathrm{cm^{-1}}\).
Calcule la \(\Delta H\) de la siguiente ecuación a \(T=0\ \mathrm K\) en unidades de \(\mathrm{J\,mol^{-1}}\).

Suponga que:
- solo la energía vibracional contribuye a la \(\Delta H\).
- los valores de \(k\) para \(\ce{H2}\), \(\ce{HD}\) y \(\ce{D2}\) son idénticos.
- la masa de \(\ce{H}\) es \(1\ \mathrm{Da}\) y la masa de \(\ce{D}\) es \(2\ \mathrm{Da}\).
La proporción molar de \(\ce{H2}\), \(\ce{HD}\) y \(\ce{D2}\) depende de la temperatura en un sistema en equilibrio. Aquí, \(\Delta_{\ce{D2}}\) se define como la variación de la proporción molar de \(\ce{D2}\).
\[ \Delta_{\ce{D2}}=\frac{R_{\ce{D2}}}{R_{\ce{D2}}^*}-1 \tag{9} \]
Aquí, \(R_{\ce{D2}}\) se refiere a \(\dfrac{[\ce{D2}]}{[\ce{H2}]}\) en la muestra y \(R_{\ce{D2}}^*\) a \(\dfrac{[\ce{D2}]}{[\ce{H2}]}\) cuando \(T\to+\infty\). Cabe señalar que la distribución de los isótopos se vuelve aleatoria cuando \(T\to+\infty\).
2.3 Calcule \(\Delta_{\ce{D2}}\) con la abundancia natural de \(\ce{D}\) cuando el intercambio isotópico está en equilibrio a la temperatura a la que \(K\) en la ec. 4 es \(0.300\). Suponga que las abundancias naturales de \(\ce{D}\) y \(\ce{H}\) son \(1.5576\times10^{-4}\) y \(1-1.5576\times10^{-4}\), respectivamente.
En general, la proporción molar del isotopólogo doblemente sustituido, que contiene dos átomos de isótopos pesados en una misma molécula, aumenta al disminuir la temperatura. Consideremos la proporción molar de las moléculas de \(\ce{CO2}\) con pesos moleculares de 44 y 47, que a continuación se designan como \(\ce{CO2}[44]\) y \(\ce{CO2}[47]\). La magnitud \(\Delta_{47}\) se define como:
\[ \Delta_{47}=\frac{R_{47}}{R_{47}^*}-1 \tag{10} \]
\(R_{47}\) se refiere a \(\dfrac{[\ce{CO2}[47]]}{[\ce{CO2}[44]]}\) en la muestra y \(R_{47}^*\) a \(\dfrac{[\ce{CO2}[47]]}{[\ce{CO2}[44]]}\) cuando \(T\to+\infty\). A continuación se muestran las abundancias naturales de los átomos de carbono y oxígeno; ignore los isótopos que no se muestran aquí.
| \(\ce{^{12}C}\) | \(\ce{^{13}O}\) | |
|---|---|---|
| abundancia natural | 0.988888 | 0.011112 |
| \(\ce{^{16}O}\) | \(\ce{^{17}O}\) | \(\ce{^{18}O}\) | |
|---|---|---|---|
| abundancia natural | 0.997621 | 0.0003790 | 0.0020000 |
La dependencia de \(\Delta_{47}\) con la temperatura viene dada por la siguiente expresión, donde \(T\) es la temperatura absoluta en unidades de K:
\[ \Delta_{47}=\frac{36.2}{T^2}+2.920\times10^{-4} \tag{11} \]
2.4 La \(\Delta_{47}\) del plancton fósil obtenido del fondo marino antártico fue de \(4.50865\times10^{-5}\).
Estime la temperatura utilizando este \(R_{47}\). Esta temperatura se interpreta como la temperatura del aire durante la época en que vivió el plancton. Considere únicamente el isotopólogo más común de \(\ce{CO2}[47]\) para el cálculo.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 2.1: \(\displaystyle \lim_{T\to0}K=0,\qquad \lim_{T\to+\infty}K=2.\)
- 2.2: \(\displaystyle \Delta H(0)=-6.208\times10^2\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\), por mol de reacción tal como está escrita.
- 2.3: \(\displaystyle \Delta_{\ce{D2}}=0.199925\ldots\approx0.200\), lo que corresponde a un aumento del \(20.0\%\) en la proporción respecto a su valor para una distribución aleatoria.
- 2.4: Con la interpretación prevista de \(R_{47}=4.50865\times10^{-5}\), \(\displaystyle T\approx295.3\ \mathrm K\approx22.2\,^\circ\mathrm C\). Si el número se interpreta literalmente como \(\Delta_{47}\), no existe ninguna temperatura real que satisfaga la ec. 11.
Solución
2.1
La reacción ajustada de intercambio isotópico es
\[ \ce{H2 + DI <=> HD + HI}, \qquad K=\frac{[\ce{HD}][\ce{HI}]}{[\ce{H2}][\ce{DI}]}. \]
Las especies son dihidrógeno \(\ce{H2}\), [1H][1H]; yoduro de deuterio \(\ce{DI}\), [2H]I; deuteruro de hidrógeno \(\ce{HD}\), [1H][2H]; y yoduro de hidrógeno \(\ce{HI}\), [1H]I.
La relación termodinámica es
\[ \ln K=-\frac{\Delta G^\circ}{RT} =\frac{\Delta S^\circ}{R}-\frac{\Delta H^\circ}{RT}. \]
A temperaturas muy bajas, la entalpía de reacción positiva hace que los productos sean energéticamente desfavorables. El término entálpico domina, por lo que
\[ \boxed{\lim_{T\to0}K=0}. \]
A temperaturas muy altas, el valor límite finito de la entalpía estipulado implica que \(\Delta H^\circ/(RT)\to0\), y la distribución isotópica se vuelve aleatoria.
Sea \(r\) la proporción atómica \(\ce{D}/\ce{H}\). La sustitución aleatoria da
\[ \frac{[\ce{HD}]}{[\ce{H2}]}=2r, \qquad \frac{[\ce{DI}]}{[\ce{HI}]}=r. \]
El factor dos de la primera proporción surge porque cualquiera de las dos posiciones de hidrógeno puede contener deuterio. Por tanto,
\[ \boxed{ \lim_{T\to+\infty}K =\frac{2r}{r}=2 }. \]
Este factor estadístico corresponde a una contribución entrópica de \(R\ln2\).
2.2
La reacción ajustada es
\[ \ce{2HD -> H2 + D2}. \]
El deuterio gaseoso, \(\ce{D2}\), tiene la representación SMILES [2H][2H].
Utilizando las masas atómicas indicadas,
\[ \mu_{\ce{H2}}=\frac{1\times1}{1+1}=\frac12\ \mathrm{Da}, \]
\[ \mu_{\ce{HD}}=\frac{1\times2}{1+2}=\frac23\ \mathrm{Da}, \qquad \mu_{\ce{D2}}=\frac{2\times2}{2+2}=1\ \mathrm{Da}. \]
Como las constantes de fuerza son idénticas, tanto la frecuencia como el número de onda son proporcionales a \(\mu^{-1/2}\). En consecuencia,
\[ \widetilde\nu_{\ce{HD}} =4161.0\sqrt{\frac{1/2}{2/3}} =4161.0\frac{\sqrt3}{2} =3603.53\ \mathrm{cm^{-1}}, \]
\[ \widetilde\nu_{\ce{D2}} =4161.0\sqrt{\frac{1/2}{1}} =\frac{4161.0}{\sqrt2} =2942.27\ \mathrm{cm^{-1}}. \]
A \(0\ \mathrm K\), cada molécula contribuye con su energía vibracional de punto cero, \(E=\tfrac12hc\widetilde\nu\). Así,
\[ \begin{aligned} \Delta H(0) &=\frac{N_{\mathrm A}hc}{2} \left( \widetilde\nu_{\ce{H2}} +\widetilde\nu_{\ce{D2}} -2\widetilde\nu_{\ce{HD}} \right)\\ &=\frac{N_{\mathrm A}hc}{2} (4.1610\times10^5\ \mathrm{m^{-1}}) \left(1+\frac{1}{\sqrt2}-\sqrt3\right). \end{aligned} \]
Utilizando las constantes estándar
\[ h=6.62607015\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s},\qquad c=2.99792458\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}, \]
\[ N_{\mathrm A}=6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}, \]
se obtiene
\[ \boxed{\Delta H(0)=-620.8\ \mathrm{J\,mol^{-1}}}. \]
Este valor corresponde a un mol de reacción tal como está escrita, que consume \(2\ \mathrm{mol}\) de \(\ce{HD}\). Los productos tienen una energía total de punto cero menor.
2.3
Para
\[ \ce{2HD <=> H2 + D2}, \qquad K=\frac{[\ce{H2}][\ce{D2}]}{[\ce{HD}]^2}=0.300, \]
escribimos las fracciones atómicas como
\[ p=1.5576\times10^{-4}\quad(\ce{D}), \qquad q=1-p\quad(\ce{H}). \]
En una distribución aleatoria, las fracciones moleculares de \(\ce{H2}\), \(\ce{HD}\) y \(\ce{D2}\) son \(q^2\), \(2pq\) y \(p^2\), respectivamente. Por tanto,
\[ R_{\ce{D2}}^* =\frac{p^2}{q^2} =2.42687372\times10^{-8}. \]
Para tener en cuenta de forma exacta la conservación de los isótopos a \(K=0.300\), sea \(x\) la fracción molar de \(\ce{D2}\) en el equilibrio, normalizando el número total de moléculas a uno. La conservación del deuterio y la normalización dan
\[ x_{\ce{HD}}=2(p-x), \qquad x_{\ce{H2}}=1-2p+x. \]
Al sustituir en la expresión del equilibrio se obtiene
\[ 0.300=\frac{x(1-2p+x)}{4(p-x)^2}. \]
De forma equivalente,
\[ (1-4K)x^2+(1-2p+8Kp)x-4Kp^2=0. \]
La raíz físicamente admisible, \(0\le x\le p\), da
\[ x_{\ce{D2}}=2.91115995\times10^{-8}, \]
\[ x_{\ce{HD}}=3.11461777\times10^{-4}, \qquad x_{\ce{H2}}=0.9996885091. \]
Por tanto,
\[ R_{\ce{D2}} =\frac{x_{\ce{D2}}}{x_{\ce{H2}}} =2.91206703\times10^{-8}, \]
y
\[ \boxed{ \Delta_{\ce{D2}} =\frac{2.91206703\times10^{-8}} {2.42687372\times10^{-8}}-1 =0.199925\ldots\approx0.200 }. \]
La aproximación de deuterio diluido da la misma respuesta con la precisión adecuada:
\[ R_{\ce{D2}}\approx K\left(\frac{2p}{q}\right)^2 =4K R_{\ce{D2}}^*, \qquad \Delta_{\ce{D2}}\approx4K-1=0.200. \]
2.4
Dos indicaciones impresas requieren una interpretación. El segundo encabezado de la tabla del carbono debe ser \(\ce{^{13}C}\), en lugar de \(\ce{^{13}O}\). Además, el valor medido debe interpretarse como \(R_{47}=4.50865\times10^{-5}\), de acuerdo con la instrucción «utilizando este \(R_{47}\)». La interpretación literal alternativa se comprueba a continuación.
Sean \(c_{12},c_{13}\) las abundancias de los isótopos de carbono y \(o_{16},o_{17},o_{18}\) las abundancias de los isótopos de oxígeno.
El dióxido de carbono-44 es \(\ce{^{12}C^{16}O2}\), con la representación SMILES [16O]=[12C]=[16O]. Su abundancia para una distribución aleatoria es
\[ P_{44}=c_{12}o_{16}^2. \]
Los posibles isotopólogos de dióxido de carbono de masa 47 son:
| Isotopólogo de dióxido de carbono | SMILES | Abundancia para una distribución aleatoria |
|---|---|---|
| \(\ce{^{13}C^{16}O^{18}O}\), que contiene carbono-13, oxígeno-16 y oxígeno-18 | [16O]=[13C]=[18O] |
\(2c_{13}o_{16}o_{18}=4.43423\times10^{-5}\) |
| \(\ce{^{12}C^{17}O^{18}O}\), que contiene carbono-12, oxígeno-17 y oxígeno-18 | [17O]=[12C]=[18O] |
\(2c_{12}o_{17}o_{18}=1.49915\times10^{-6}\) |
| \(\ce{^{13}C^{17}O2}\), que contiene carbono-13 y dos átomos de oxígeno-17 | [17O]=[13C]=[17O] |
\(c_{13}o_{17}^2=1.59614\times10^{-9}\) |
Estas moléculas son lineales. Para isótopos de oxígeno diferentes, el factor dos cuenta las dos asignaciones posibles a las posiciones del oxígeno.
Así, el isotopólogo de masa 47 más común es \(\ce{^{13}C^{16}O^{18}O}\). Conservando únicamente esta especie, tal como se indica,
\[ \begin{aligned} R_{47}^* &=\frac{2c_{13}o_{16}o_{18}}{c_{12}o_{16}^2}\\ &=2\frac{0.011112}{0.988888} \frac{0.0020000}{0.997621}\\ &=4.505464112\times10^{-5}. \end{aligned} \]
Por tanto, la muestra tiene
\[ \Delta_{47} =\frac{4.50865\times10^{-5}} {4.505464112\times10^{-5}}-1 =7.07116413\times10^{-4}. \]
Despejando en la ec. 11,
\[ T= \sqrt{ \frac{36.2\ \mathrm{K^2}} {\Delta_{47}-2.920\times10^{-4}} }. \]
Por tanto,
\[ T= \sqrt{ \frac{36.2} {7.07116413\times10^{-4}-2.920\times10^{-4}} }\ \mathrm K =295.304\ \mathrm K. \]
Así, la temperatura estimada del aire es
\[ \boxed{T\approx295.3\ \mathrm K\approx22.2\,^\circ\mathrm C}. \]
Si, en cambio, el número impreso fuera literalmente \(\Delta_{47}=4.50865\times10^{-5}\), entonces
\[ \Delta_{47}<2.920\times10^{-4}, \]
mientras que la ec. 11 exige \(\Delta_{47}>2.920\times10^{-4}\) a cualquier temperatura positiva finita. Por tanto, esa interpretación no da ninguna temperatura real.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 2021 · 理论题 2
同位素时间胶囊

仅在同位素组成上存在差异的分子实体,例如 \(\ce{CH4}\) 和 \(\ce{CH3D}\),称为同位素体。通常认为,同位素体具有相同的化学性质。然而,在自然界中,它们之间仍存在细微差异。
假设本题中所涉及的所有物质均处于气相。
考虑以下平衡:

熵 \(S\) 随体系可能的微观状态数 \(W\) 的增加而增大:
\[ S=k_{\mathrm B}\ln W \tag{2} \]
对于 \(\ce{^{12}C^{16}O2}\) 和 \(\ce{^{12}C^{18}O2}\),\(W=1\)。相比之下,对于一个 \(\ce{^{12}C^{16}O^{18}O}\) 分子,\(W=2\),因为该分子中的两个氧原子可以区分。由于式 1 所示平衡的右侧有两个 \(\ce{^{12}C^{16}O^{18}O}\) 分子,因此 \(W=2^2=4\)。
2.1 无论温度如何,式 3 的焓变 \(\Delta H\) 均为正值。

计算式 3 在极低温度(考虑 \(T\to0\))和极高温度(考虑 \(T\to+\infty\))下的平衡常数 \(K\)。假设在这些温度下反应保持不变,且在高温下 \(\Delta H\) 趋于一个常数。
以下过程的 \(\Delta H\) 可以通过分子振动来解释。

在 \(T=0\ \mathrm K\) 时,振动频率为 \(\nu\ [\mathrm{s^{-1}}]\) 的双原子分子的振动能可表示为:
\[ E=\frac12h\nu \tag{5} \]
\[ \nu=\frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{\mu}} \tag{6} \]
其中,\(k\) 为力常数,\(\mu\) 为约化质量;约化质量可用双原子分子中两个原子的质量 \(m_1\) 和 \(m_2\) 表示如下:
\[ \mu=\frac{m_1m_2}{m_1+m_2} \tag{7} \]
2.2 以波数表示时,\(\ce{H2}\) 的振动波数为 \(4161.0\ \mathrm{cm^{-1}}\)。
计算以下反应式在 \(T=0\ \mathrm K\) 时的 \(\Delta H\),单位为 \(\mathrm{J\,mol^{-1}}\)。

假设:
- 只有振动能对 \(\Delta H\) 有贡献。
- \(\ce{H2}\)、\(\ce{HD}\) 和 \(\ce{D2}\) 的 \(k\) 值相同。
- \(\ce{H}\) 的质量为 \(1\ \mathrm{Da}\),\(\ce{D}\) 的质量为 \(2\ \mathrm{Da}\)。
在处于平衡的体系中,\(\ce{H2}\)、\(\ce{HD}\) 和 \(\ce{D2}\) 的摩尔比取决于温度。这里,将 \(\Delta_{\ce{D2}}\) 定义为 \(\ce{D2}\) 摩尔比的变化。
\[ \Delta_{\ce{D2}}=\frac{R_{\ce{D2}}}{R_{\ce{D2}}^*}-1 \tag{9} \]
这里,\(R_{\ce{D2}}\) 表示样品中的 \(\dfrac{[\ce{D2}]}{[\ce{H2}]}\),而 \(R_{\ce{D2}}^*\) 表示 \(T\to+\infty\) 时的 \(\dfrac{[\ce{D2}]}{[\ce{H2}]}\)。需要注意的是,在 \(T\to+\infty\) 时,同位素呈随机分布。
2.3 当同位素交换在式 4 的 \(K\) 为 \(0.300\) 所对应的温度下达到平衡时,计算具有天然 \(\ce{D}\) 丰度的体系的 \(\Delta_{\ce{D2}}\)。假设 \(\ce{D}\) 和 \(\ce{H}\) 的天然丰度分别为 \(1.5576\times10^{-4}\) 和 \(1-1.5576\times10^{-4}\)。
一般而言,双重取代同位素体(即一个分子中含有两个重同位素原子的同位素体)的摩尔比随温度降低而增大。考虑分子量分别为 44 和 47 的 \(\ce{CO2}\) 分子的摩尔比,下文将这两种分子分别记为 \(\ce{CO2}[44]\) 和 \(\ce{CO2}[47]\)。量 \(\Delta_{47}\) 定义为:
\[ \Delta_{47}=\frac{R_{47}}{R_{47}^*}-1 \tag{10} \]
\(R_{47}\) 表示样品中的 \(\dfrac{[\ce{CO2}[47]]}{[\ce{CO2}[44]]}\),而 \(R_{47}^*\) 表示 \(T\to+\infty\) 时的 \(\dfrac{[\ce{CO2}[47]]}{[\ce{CO2}[44]]}\)。碳原子和氧原子的天然丰度如下表所示;忽略表中未列出的同位素。
| \(\ce{^{12}C}\) | \(\ce{^{13}O}\) | |
|---|---|---|
| 天然丰度 | 0.988888 | 0.011112 |
| \(\ce{^{16}O}\) | \(\ce{^{17}O}\) | \(\ce{^{18}O}\) | |
|---|---|---|---|
| 天然丰度 | 0.997621 | 0.0003790 | 0.0020000 |
\(\Delta_{47}\) 与温度的关系如下,其中 \(T\) 为以 K 为单位的绝对温度:
\[ \Delta_{47}=\frac{36.2}{T^2}+2.920\times10^{-4} \tag{11} \]
2.4 从南极海底获得的浮游生物化石的 \(\Delta_{47}\) 为 \(4.50865\times10^{-5}\)。
利用此 \(R_{47}\) 估算温度。该温度被解释为这些浮游生物生活年代的气温。计算时仅考虑 \(\ce{CO2}[47]\) 中最常见的同位素体。
题目译自官方英文原文。
答案
- 2.1: \(\displaystyle \lim_{T\to0}K=0,\qquad \lim_{T\to+\infty}K=2.\)
- 2.2: \(\displaystyle \Delta H(0)=-6.208\times10^2\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\),以所写反应式进行一摩尔反应计。
- 2.3: \(\displaystyle \Delta_{\ce{D2}}=0.199925\ldots\approx0.200\),对应的比值相对于随机分布时的值增加了 \(20.0\%\)。
- 2.4: 按题目本意将给定值理解为 \(R_{47}=4.50865\times10^{-5}\) 时,\(\displaystyle T\approx295.3\ \mathrm K\approx22.2\,^\circ\mathrm C\)。若按字面将该数值理解为 \(\Delta_{47}\),则不存在实数温度满足式 11。
解答
2.1
配平后的同位素交换反应为
\[ \ce{H2 + DI <=> HD + HI}, \qquad K=\frac{[\ce{HD}][\ce{HI}]}{[\ce{H2}][\ce{DI}]}. \]
这些物种分别为氢气 \(\ce{H2}\),[1H][1H];碘化氘 \(\ce{DI}\),[2H]I;氘化氢 \(\ce{HD}\),[1H][2H];以及碘化氢 \(\ce{HI}\),[1H]I。
热力学关系为
\[ \ln K=-\frac{\Delta G^\circ}{RT} =\frac{\Delta S^\circ}{R}-\frac{\Delta H^\circ}{RT}. \]
在极低温度下,正的反应焓使生成物在能量上处于不利地位。焓项占主导地位,因此
\[ \boxed{\lim_{T\to0}K=0}. \]
在极高温度下,由题设可知焓趋于有限值,因此 \(\Delta H^\circ/(RT)\to0\),且同位素分布变为随机分布。
用 \(r\) 表示 \(\ce{D}/\ce{H}\) 原子数比。随机取代给出
\[ \frac{[\ce{HD}]}{[\ce{H2}]}=2r, \qquad \frac{[\ce{DI}]}{[\ce{HI}]}=r. \]
第一个比值中的因子 2 源于两个氢原子位置中的任一个都可以被氘占据。因此,
\[ \boxed{ \lim_{T\to+\infty}K =\frac{2r}{r}=2 }. \]
这一统计因子对应于熵贡献 \(R\ln2\)。
2.2
配平后的反应为
\[ \ce{2HD -> H2 + D2}. \]
氘气 \(\ce{D2}\) 的 SMILES 为 [2H][2H]。
使用题目规定的原子质量,
\[ \mu_{\ce{H2}}=\frac{1\times1}{1+1}=\frac12\ \mathrm{Da}, \]
\[ \mu_{\ce{HD}}=\frac{1\times2}{1+2}=\frac23\ \mathrm{Da}, \qquad \mu_{\ce{D2}}=\frac{2\times2}{2+2}=1\ \mathrm{Da}. \]
由于力常数相同,频率和波数均与 \(\mu^{-1/2}\) 成正比。因此,
\[ \widetilde\nu_{\ce{HD}} =4161.0\sqrt{\frac{1/2}{2/3}} =4161.0\frac{\sqrt3}{2} =3603.53\ \mathrm{cm^{-1}}, \]
\[ \widetilde\nu_{\ce{D2}} =4161.0\sqrt{\frac{1/2}{1}} =\frac{4161.0}{\sqrt2} =2942.27\ \mathrm{cm^{-1}}. \]
在 \(0\ \mathrm K\) 时,每个分子贡献其零点振动能 \(E=\tfrac12hc\widetilde\nu\)。因此,
\[ \begin{aligned} \Delta H(0) &=\frac{N_{\mathrm A}hc}{2} \left( \widetilde\nu_{\ce{H2}} +\widetilde\nu_{\ce{D2}} -2\widetilde\nu_{\ce{HD}} \right)\\ &=\frac{N_{\mathrm A}hc}{2} (4.1610\times10^5\ \mathrm{m^{-1}}) \left(1+\frac{1}{\sqrt2}-\sqrt3\right). \end{aligned} \]
使用标准常数
\[ h=6.62607015\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s},\qquad c=2.99792458\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}, \]
\[ N_{\mathrm A}=6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}, \]
得到
\[ \boxed{\Delta H(0)=-620.8\ \mathrm{J\,mol^{-1}}}. \]
此值以所写反应式进行一摩尔反应计,即消耗 \(2\ \mathrm{mol}\) 的 \(\ce{HD}\)。生成物的总零点能较低。
2.3
对于
\[ \ce{2HD <=> H2 + D2}, \qquad K=\frac{[\ce{H2}][\ce{D2}]}{[\ce{HD}]^2}=0.300, \]
将原子分数记为
\[ p=1.5576\times10^{-4}\quad(\ce{D}), \qquad q=1-p\quad(\ce{H}). \]
在随机分布中,\(\ce{H2}\)、\(\ce{HD}\) 和 \(\ce{D2}\) 的分子数分数分别为 \(q^2\)、\(2pq\) 和 \(p^2\)。因此,
\[ R_{\ce{D2}}^* =\frac{p^2}{q^2} =2.42687372\times10^{-8}. \]
为在 \(K=0.300\) 时精确计入同位素守恒,将分子总数归一化为 1,并令 \(x\) 为平衡时 \(\ce{D2}\) 的摩尔分数。由氘守恒和归一化条件得到
\[ x_{\ce{HD}}=2(p-x), \qquad x_{\ce{H2}}=1-2p+x. \]
代入平衡常数表达式,得到
\[ 0.300=\frac{x(1-2p+x)}{4(p-x)^2}. \]
等价地,
\[ (1-4K)x^2+(1-2p+8Kp)x-4Kp^2=0. \]
符合物理意义的根满足 \(0\le x\le p\),由此得到
\[ x_{\ce{D2}}=2.91115995\times10^{-8}, \]
\[ x_{\ce{HD}}=3.11461777\times10^{-4}, \qquad x_{\ce{H2}}=0.9996885091. \]
因此,
\[ R_{\ce{D2}} =\frac{x_{\ce{D2}}}{x_{\ce{H2}}} =2.91206703\times10^{-8}, \]
且
\[ \boxed{ \Delta_{\ce{D2}} =\frac{2.91206703\times10^{-8}} {2.42687372\times10^{-8}}-1 =0.199925\ldots\approx0.200 }. \]
采用氘含量很低的近似,在所需精度下可得到相同的答案:
\[ R_{\ce{D2}}\approx K\left(\frac{2p}{q}\right)^2 =4K R_{\ce{D2}}^*, \qquad \Delta_{\ce{D2}}\approx4K-1=0.200. \]
2.4
题面中有两处标注需要作出解释。碳同位素表的第二个同位素列标题应为 \(\ce{^{13}C}\),而非 \(\ce{^{13}O}\)。此外,测量值必须理解为 \(R_{47}=4.50865\times10^{-5}\),这与“利用此 \(R_{47}\)”的要求一致。下文将检验按字面理解时的另一种情况。
用 \(c_{12},c_{13}\) 表示碳同位素的丰度,用 \(o_{16},o_{17},o_{18}\) 表示氧同位素的丰度。
二氧化碳-44 为 \(\ce{^{12}C^{16}O2}\),其 SMILES 为 [16O]=[12C]=[16O]。它在随机分布下的丰度为
\[ P_{44}=c_{12}o_{16}^2. \]
可能的质量为 47 的二氧化碳同位素体如下:
| 二氧化碳同位素体 | SMILES | 随机分布下的丰度 |
|---|---|---|
| \(\ce{^{13}C^{16}O^{18}O}\),含有碳-13、氧-16 和氧-18 | [16O]=[13C]=[18O] |
\(2c_{13}o_{16}o_{18}=4.43423\times10^{-5}\) |
| \(\ce{^{12}C^{17}O^{18}O}\),含有碳-12、氧-17 和氧-18 | [17O]=[12C]=[18O] |
\(2c_{12}o_{17}o_{18}=1.49915\times10^{-6}\) |
| \(\ce{^{13}C^{17}O2}\),含有碳-13 和两个氧-17 原子 | [17O]=[13C]=[17O] |
\(c_{13}o_{17}^2=1.59614\times10^{-9}\) |
这些分子均为直线形。对于不同的氧同位素,因子 2 计入了它们在两个氧原子位置上的两种可能排列。
因此,最常见的质量为 47 的同位素体是 \(\ce{^{13}C^{16}O^{18}O}\)。按题目要求仅保留这一物种,
\[ \begin{aligned} R_{47}^* &=\frac{2c_{13}o_{16}o_{18}}{c_{12}o_{16}^2}\\ &=2\frac{0.011112}{0.988888} \frac{0.0020000}{0.997621}\\ &=4.505464112\times10^{-5}. \end{aligned} \]
因此,该样品有
\[ \Delta_{47} =\frac{4.50865\times10^{-5}} {4.505464112\times10^{-5}}-1 =7.07116413\times10^{-4}. \]
整理式 11,得到
\[ T= \sqrt{ \frac{36.2\ \mathrm{K^2}} {\Delta_{47}-2.920\times10^{-4}} }. \]
因此,
\[ T= \sqrt{ \frac{36.2} {7.07116413\times10^{-4}-2.920\times10^{-4}} }\ \mathrm K =295.304\ \mathrm K. \]
因此,估算的气温为
\[ \boxed{T\approx295.3\ \mathrm K\approx22.2\,^\circ\mathrm C}. \]
若按题面字面将该数值理解为 \(\Delta_{47}=4.50865\times10^{-5}\),则
\[ \Delta_{47}<2.920\times10^{-4}, \]
而式 11 要求在任意有限的正温度下均有 \(\Delta_{47}>2.920\times10^{-4}\)。因此,按这种理解,不存在实数温度。
解答已与官方解答核对。
IChO 2021 · Теоретическая задача 2
Изотопная капсула времени

Молекулярные частицы, различающиеся только изотопным составом, например \(\ce{CH4}\) и \(\ce{CH3D}\), называются изотопологами. Считается, что изотопологи обладают одинаковыми химическими свойствами. Однако в природе между ними существует небольшое различие.
Считайте, что все вещества, приведённые в этой задаче, находятся в газовой фазе.
Рассмотрим следующее равновесие:

Энтропия \(S\) возрастает с увеличением числа возможных микроскопических состояний системы \(W\):
\[ S=k_{\mathrm B}\ln W \tag{2} \]
Для \(\ce{^{12}C^{16}O2}\) и \(\ce{^{12}C^{18}O2}\) \(W=1\). Напротив, для молекулы \(\ce{^{12}C^{16}O^{18}O}\) \(W=2\), поскольку атомы кислорода в этой молекуле различимы. Так как в правой части равновесия, показанного в уравнении 1, находятся две молекулы \(\ce{^{12}C^{16}O^{18}O}\), \(W=2^2=4\).
2.1 Изменение энтальпии \(\Delta H\) для уравнения 3 положительно независимо от температуры.

Рассчитайте константы равновесия \(K\) для уравнения 3 при очень низкой (рассмотрите \(T\to0\)) и очень высокой (рассмотрите \(T\to+\infty\)) температурах. Считайте, что при этих температурах реакция остаётся неизменной, а \(\Delta H\) при высоких температурах стремится к постоянному значению.
Значение \(\Delta H\) для следующего процесса можно объяснить молекулярными колебаниями.

При \(T=0\ \mathrm K\) колебательная энергия двухатомной молекулы с частотой колебаний \(\nu\ [\mathrm{s^{-1}}]\) выражается следующим образом:
\[ E=\frac12h\nu \tag{5} \]
\[ \nu=\frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{\mu}} \tag{6} \]
Здесь \(k\) — силовая постоянная, а \(\mu\) — приведённая масса, которая выражается через массы двух атомов двухатомной молекулы, \(m_1\) и \(m_2\), по формуле:
\[ \mu=\frac{m_1m_2}{m_1+m_2} \tag{7} \]
2.2 Колебанию \(\ce{H2}\) соответствует волновое число \(4161.0\ \mathrm{cm^{-1}}\).
Рассчитайте \(\Delta H\) для следующего уравнения при \(T=0\ \mathrm K\) в единицах \(\mathrm{J\,mol^{-1}}\).

Примите, что:
- вклад в \(\Delta H\) вносит только колебательная энергия.
- значения \(k\) для \(\ce{H2}\), \(\ce{HD}\) и \(\ce{D2}\) одинаковы.
- масса \(\ce{H}\) равна \(1\ \mathrm{Da}\), а масса \(\ce{D}\) — \(2\ \mathrm{Da}\).
Мольное соотношение \(\ce{H2}\), \(\ce{HD}\) и \(\ce{D2}\) в равновесной системе зависит от температуры. Здесь \(\Delta_{\ce{D2}}\) определяется как изменение мольного отношения для \(\ce{D2}\).
\[ \Delta_{\ce{D2}}=\frac{R_{\ce{D2}}}{R_{\ce{D2}}^*}-1 \tag{9} \]
Здесь \(R_{\ce{D2}}\) обозначает \(\dfrac{[\ce{D2}]}{[\ce{H2}]}\) в образце, а \(R_{\ce{D2}}^*\) — \(\dfrac{[\ce{D2}]}{[\ce{H2}]}\) при \(T\to+\infty\). Следует отметить, что при \(T\to+\infty\) распределение изотопов становится случайным.
2.3 Рассчитайте \(\Delta_{\ce{D2}}\) при природной распространённости \(\ce{D}\), когда изотопный обмен находится в равновесии при температуре, при которой \(K\) в уравнении 4 равна \(0.300\). Считайте, что природные доли \(\ce{D}\) и \(\ce{H}\) равны \(1.5576\times10^{-4}\) и \(1-1.5576\times10^{-4}\) соответственно.
В общем случае мольное отношение для дважды замещённого изотополога, содержащего в одной молекуле два атома тяжёлых изотопов, возрастает с понижением температуры. Рассмотрим мольное отношение молекул \(\ce{CO2}\) с молекулярными массами 44 и 47, которые далее обозначаются как \(\ce{CO2}[44]\) и \(\ce{CO2}[47]\). Величина \(\Delta_{47}\) определяется следующим образом:
\[ \Delta_{47}=\frac{R_{47}}{R_{47}^*}-1 \tag{10} \]
\(R_{47}\) обозначает \(\dfrac{[\ce{CO2}[47]]}{[\ce{CO2}[44]]}\) в образце, а \(R_{47}^*\) — \(\dfrac{[\ce{CO2}[47]]}{[\ce{CO2}[44]]}\) при \(T\to+\infty\). Природные распространённости изотопов углерода и кислорода приведены ниже; изотопами, которые здесь не указаны, пренебрегите.
| \(\ce{^{12}C}\) | \(\ce{^{13}O}\) | |
|---|---|---|
| Природная распространённость | 0.988888 | 0.011112 |
| \(\ce{^{16}O}\) | \(\ce{^{17}O}\) | \(\ce{^{18}O}\) | |
|---|---|---|---|
| Природная распространённость | 0.997621 | 0.0003790 | 0.0020000 |
Температурная зависимость \(\Delta_{47}\) задаётся следующим выражением, где \(T\) — абсолютная температура в единицах K:
\[ \Delta_{47}=\frac{36.2}{T^2}+2.920\times10^{-4} \tag{11} \]
2.4 Значение \(\Delta_{47}\) для ископаемого планктона, полученного со дна моря у Антарктиды, составило \(4.50865\times10^{-5}\).
Оцените температуру, используя это значение \(R_{47}\). Эту температуру интерпретируют как температуру воздуха в эпоху, когда жил планктон. При расчёте учитывайте только наиболее распространённый изотополог \(\ce{CO2}[47]\).
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 2.1: \(\displaystyle \lim_{T\to0}K=0,\qquad \lim_{T\to+\infty}K=2.\)
- 2.2: \(\displaystyle \Delta H(0)=-6.208\times10^2\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\), на один моль реакции в записанном виде.
- 2.3: \(\displaystyle \Delta_{\ce{D2}}=0.199925\ldots\approx0.200\), что соответствует увеличению отношения на \(20.0\%\) по сравнению с его значением при случайном распределении.
- 2.4: При подразумеваемом прочтении \(R_{47}=4.50865\times10^{-5}\), \(\displaystyle T\approx295.3\ \mathrm K\approx22.2\,^\circ\mathrm C\). Если буквально понимать это число как \(\Delta_{47}\), то действительной температуры, удовлетворяющей уравнению 11, не существует.
Решение
2.1
Уравнение реакции изотопного обмена с расставленными коэффициентами имеет вид
\[ \ce{H2 + DI <=> HD + HI}, \qquad K=\frac{[\ce{HD}][\ce{HI}]}{[\ce{H2}][\ce{DI}]}. \]
Участвующие вещества — молекулярный водород \(\ce{H2}\), [1H][1H]; иодид дейтерия \(\ce{DI}\), [2H]I; дейтерид водорода \(\ce{HD}\), [1H][2H]; и иодоводород \(\ce{HI}\), [1H]I.
Термодинамическое соотношение имеет вид
\[ \ln K=-\frac{\Delta G^\circ}{RT} =\frac{\Delta S^\circ}{R}-\frac{\Delta H^\circ}{RT}. \]
При очень низкой температуре положительная энтальпия реакции делает образование продуктов энергетически невыгодным. Энтальпийный член преобладает, поэтому
\[ \boxed{\lim_{T\to0}K=0}. \]
При очень высокой температуре заданное конечное предельное значение энтальпии приводит к \(\Delta H^\circ/(RT)\to0\), и распределение изотопов становится случайным.
Обозначим через \(r\) атомное отношение \(\ce{D}/\ce{H}\). Случайное замещение даёт
\[ \frac{[\ce{HD}]}{[\ce{H2}]}=2r, \qquad \frac{[\ce{DI}]}{[\ce{HI}]}=r. \]
Множитель два в первом отношении возникает потому, что дейтерий может занимать любое из двух положений атомов водорода. Следовательно,
\[ \boxed{ \lim_{T\to+\infty}K =\frac{2r}{r}=2 }. \]
Этому статистическому множителю соответствует вклад в энтропию \(R\ln2\).
2.2
Уравнение реакции с расставленными коэффициентами имеет вид
\[ \ce{2HD -> H2 + D2}. \]
Газообразный дейтерий \(\ce{D2}\) имеет запись SMILES [2H][2H].
Используя заданные атомные массы, получаем
\[ \mu_{\ce{H2}}=\frac{1\times1}{1+1}=\frac12\ \mathrm{Da}, \]
\[ \mu_{\ce{HD}}=\frac{1\times2}{1+2}=\frac23\ \mathrm{Da}, \qquad \mu_{\ce{D2}}=\frac{2\times2}{2+2}=1\ \mathrm{Da}. \]
Поскольку силовые постоянные одинаковы, и частота, и волновое число пропорциональны \(\mu^{-1/2}\). Следовательно,
\[ \widetilde\nu_{\ce{HD}} =4161.0\sqrt{\frac{1/2}{2/3}} =4161.0\frac{\sqrt3}{2} =3603.53\ \mathrm{cm^{-1}}, \]
\[ \widetilde\nu_{\ce{D2}} =4161.0\sqrt{\frac{1/2}{1}} =\frac{4161.0}{\sqrt2} =2942.27\ \mathrm{cm^{-1}}. \]
При \(0\ \mathrm K\) каждая молекула вносит свою энергию нулевых колебаний, \(E=\tfrac12hc\widetilde\nu\). Таким образом,
\[ \begin{aligned} \Delta H(0) &=\frac{N_{\mathrm A}hc}{2} \left( \widetilde\nu_{\ce{H2}} +\widetilde\nu_{\ce{D2}} -2\widetilde\nu_{\ce{HD}} \right)\\ &=\frac{N_{\mathrm A}hc}{2} (4.1610\times10^5\ \mathrm{m^{-1}}) \left(1+\frac{1}{\sqrt2}-\sqrt3\right). \end{aligned} \]
Использование стандартных констант
\[ h=6.62607015\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s},\qquad c=2.99792458\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}, \]
\[ N_{\mathrm A}=6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}, \]
даёт
\[ \boxed{\Delta H(0)=-620.8\ \mathrm{J\,mol^{-1}}}. \]
Это значение относится к одному молю реакции в записанном виде, при которой расходуется \(2\ \mathrm{mol}\) \(\ce{HD}\). Суммарная энергия нулевых колебаний продуктов ниже.
2.3
Для реакции
\[ \ce{2HD <=> H2 + D2}, \qquad K=\frac{[\ce{H2}][\ce{D2}]}{[\ce{HD}]^2}=0.300, \]
запишем атомные доли как
\[ p=1.5576\times10^{-4}\quad(\ce{D}), \qquad q=1-p\quad(\ce{H}). \]
При случайном распределении доли молекул \(\ce{H2}\), \(\ce{HD}\) и \(\ce{D2}\) равны \(q^2\), \(2pq\) и \(p^2\) соответственно. Следовательно,
\[ R_{\ce{D2}}^* =\frac{p^2}{q^2} =2.42687372\times10^{-8}. \]
Чтобы точно учесть сохранение числа атомов каждого изотопа при \(K=0.300\), обозначим через \(x\) равновесную мольную долю \(\ce{D2}\), нормировав общее число молекул на единицу. Сохранение числа атомов дейтерия и условие нормировки дают
\[ x_{\ce{HD}}=2(p-x), \qquad x_{\ce{H2}}=1-2p+x. \]
Подстановка в выражение для константы равновесия даёт
\[ 0.300=\frac{x(1-2p+x)}{4(p-x)^2}. \]
Эквивалентная запись:
\[ (1-4K)x^2+(1-2p+8Kp)x-4Kp^2=0. \]
Физически допустимый корень, \(0\le x\le p\), даёт
\[ x_{\ce{D2}}=2.91115995\times10^{-8}, \]
\[ x_{\ce{HD}}=3.11461777\times10^{-4}, \qquad x_{\ce{H2}}=0.9996885091. \]
Следовательно,
\[ R_{\ce{D2}} =\frac{x_{\ce{D2}}}{x_{\ce{H2}}} =2.91206703\times10^{-8}, \]
и
\[ \boxed{ \Delta_{\ce{D2}} =\frac{2.91206703\times10^{-8}} {2.42687372\times10^{-8}}-1 =0.199925\ldots\approx0.200 }. \]
Приближение малой доли дейтерия даёт тот же ответ с требуемой точностью:
\[ R_{\ce{D2}}\approx K\left(\frac{2p}{q}\right)^2 =4K R_{\ce{D2}}^*, \qquad \Delta_{\ce{D2}}\approx4K-1=0.200. \]
2.4
Два обозначения в напечатанном условии требуют интерпретации. Второй заголовок таблицы изотопов углерода должен быть \(\ce{^{13}C}\), а не \(\ce{^{13}O}\). Кроме того, измеренное значение следует понимать как \(R_{47}=4.50865\times10^{-5}\), что согласуется с указанием «используя это значение \(R_{47}\)». Буквальное прочтение проверяется ниже.
Обозначим через \(c_{12},c_{13}\) распространённости изотопов углерода, а через \(o_{16},o_{17},o_{18}\) — распространённости изотопов кислорода.
Диоксид углерода-44 — это \(\ce{^{12}C^{16}O2}\), с записью SMILES [16O]=[12C]=[16O]. Его доля при случайном распределении равна
\[ P_{44}=c_{12}o_{16}^2. \]
Возможные изотопологи диоксида углерода с массой 47:
| Изотополог диоксида углерода | SMILES | Доля при случайном распределении |
|---|---|---|
| \(\ce{^{13}C^{16}O^{18}O}\), содержащий углерод-13, кислород-16 и кислород-18 | [16O]=[13C]=[18O] |
\(2c_{13}o_{16}o_{18}=4.43423\times10^{-5}\) |
| \(\ce{^{12}C^{17}O^{18}O}\), содержащий углерод-12, кислород-17 и кислород-18 | [17O]=[12C]=[18O] |
\(2c_{12}o_{17}o_{18}=1.49915\times10^{-6}\) |
| \(\ce{^{13}C^{17}O2}\), содержащий углерод-13 и два атома кислорода-17 | [17O]=[13C]=[17O] |
\(c_{13}o_{17}^2=1.59614\times10^{-9}\) |
Эти молекулы линейны. В случае разных изотопов кислорода множитель два учитывает два возможных способа их размещения в положениях атомов кислорода.
Таким образом, наиболее распространённый изотополог с массой 47 — \(\ce{^{13}C^{16}O^{18}O}\). Учитывая только этот изотополог, как указано в условии, получаем
\[ \begin{aligned} R_{47}^* &=\frac{2c_{13}o_{16}o_{18}}{c_{12}o_{16}^2}\\ &=2\frac{0.011112}{0.988888} \frac{0.0020000}{0.997621}\\ &=4.505464112\times10^{-5}. \end{aligned} \]
Следовательно, для образца
\[ \Delta_{47} =\frac{4.50865\times10^{-5}} {4.505464112\times10^{-5}}-1 =7.07116413\times10^{-4}. \]
Преобразуя уравнение 11, получаем
\[ T= \sqrt{ \frac{36.2\ \mathrm{K^2}} {\Delta_{47}-2.920\times10^{-4}} }. \]
Отсюда
\[ T= \sqrt{ \frac{36.2} {7.07116413\times10^{-4}-2.920\times10^{-4}} }\ \mathrm K =295.304\ \mathrm K. \]
Таким образом, оценка температуры воздуха составляет
\[ \boxed{T\approx295.3\ \mathrm K\approx22.2\,^\circ\mathrm C}. \]
Если же буквально понимать напечатанное число как \(\Delta_{47}=4.50865\times10^{-5}\), то
\[ \Delta_{47}<2.920\times10^{-4}, \]
тогда как уравнение 11 требует \(\Delta_{47}>2.920\times10^{-4}\) при любой конечной положительной температуре. Следовательно, при таком прочтении действительной температуры не существует.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 2021 · مسألة نظرية 2
كبسولة الزمن النظيرية

تُسمّى الكيانات الجزيئية التي تختلف فقط في تركيبها النظيري، مثل \(\ce{CH4}\) و\(\ce{CH3D}\)، جزيئات متناظرة نظيريًا. وتُعدّ هذه الجزيئات ذات خصائص كيميائية متماثلة. غير أنّ ثمة اختلافًا طفيفًا بينها في الطبيعة.
افترض أن جميع المواد المذكورة في هذا السؤال في الحالة الغازية.
لننظر في الاتزان الآتي:

تزداد الإنتروبيا، \(S\)، بزيادة عدد الحالات المجهرية الممكنة للنظام، \(W\):
\[ S=k_{\mathrm B}\ln W \tag{2} \]
تكون \(W=1\) لكلٍّ من \(\ce{^{12}C^{16}O2}\) و\(\ce{^{12}C^{18}O2}\). وفي المقابل، تكون \(W=2\) لجزيء \(\ce{^{12}C^{16}O^{18}O}\)، لأن ذرتَي الأكسجين في هذا الجزيء قابلتان للتمييز. وبما أن الطرف الأيمن من الاتزان الموضّح في المعادلة 1 يحتوي على جزيئَين من \(\ce{^{12}C^{16}O^{18}O}\)، فإن \(W=2^2=4\).
2.1 التغيّر في الإنثالبي، \(\Delta H\)، للمعادلة 3 موجب بصرف النظر عن درجة الحرارة.

احسب ثابتَي الاتزان، \(K\)، للمعادلة 3 عند درجات الحرارة المنخفضة جدًا (فكّر في \(T\to0\)) والمرتفعة جدًا (فكّر في \(T\to+\infty\)). افترض أن التفاعل يبقى دون تغيير عند درجات الحرارة هذه، وأن \(\Delta H\) يؤول إلى قيمة ثابتة عند درجات الحرارة المرتفعة.
يمكن تفسير \(\Delta H\) للعملية الآتية بالاهتزازات الجزيئية.

عند \(T=0\ \mathrm K\)، يُعبَّر عن الطاقة الاهتزازية لجزيء ثنائي الذرة تردّد اهتزازه \(\nu\ [\mathrm{s^{-1}}]\) كما يأتي:
\[ E=\frac12h\nu \tag{5} \]
\[ \nu=\frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{\mu}} \tag{6} \]
حيث \(k\) ثابت القوة و\(\mu\) الكتلة المختزلة، التي يُعبَّر عنها بدلالة كتلتَي الذرتين في الجزيء ثنائي الذرة، \(m_1\) و\(m_2\)، وفقًا للعلاقة:
\[ \mu=\frac{m_1m_2}{m_1+m_2} \tag{7} \]
2.2 يقع اهتزاز \(\ce{H2}\) عند \(4161.0\ \mathrm{cm^{-1}}\) عند التعبير عنه بالعدد الموجي.
احسب \(\Delta H\) للمعادلة الآتية عند \(T=0\ \mathrm K\) بوحدة \(\mathrm{J\,mol^{-1}}\).

افترض ما يأتي:
- الطاقة الاهتزازية وحدها تسهم في \(\Delta H\).
- قيم \(k\) لكلٍّ من \(\ce{H2}\) و\(\ce{HD}\) و\(\ce{D2}\) متطابقة.
- كتلة \(\ce{H}\) تساوي \(1\ \mathrm{Da}\)، وكتلة \(\ce{D}\) تساوي \(2\ \mathrm{Da}\).
تعتمد النسب المولية لكلٍّ من \(\ce{H2}\) و\(\ce{HD}\) و\(\ce{D2}\) على درجة الحرارة في نظام متزن. ويُعرَّف \(\Delta_{\ce{D2}}\) هنا بأنه التغيّر في النسبة المولية لـ\(\ce{D2}\).
\[ \Delta_{\ce{D2}}=\frac{R_{\ce{D2}}}{R_{\ce{D2}}^*}-1 \tag{9} \]
يشير \(R_{\ce{D2}}\) هنا إلى \(\dfrac{[\ce{D2}]}{[\ce{H2}]}\) في العينة، ويشير \(R_{\ce{D2}}^*\) إلى \(\dfrac{[\ce{D2}]}{[\ce{H2}]}\) عند \(T\to+\infty\). وتجدر الإشارة هنا إلى أن توزيع النظائر يصبح عشوائيًا عند \(T\to+\infty\).
2.3 احسب \(\Delta_{\ce{D2}}\) عند الوفرة الطبيعية لـ\(\ce{D}\)، عندما يكون التبادل النظيري في حالة اتزان عند درجة الحرارة التي تكون فيها قيمة \(K\) في المعادلة 4 مساوية لـ\(0.300\). افترض أن نسبتَي الوفرة الطبيعية لـ\(\ce{D}\) و\(\ce{H}\) هما \(1.5576\times10^{-4}\) و\(1-1.5576\times10^{-4}\)، على الترتيب.
بوجه عام، تزداد النسبة المولية للجزيء المتناظر نظيريًا ذي الاستبدال المزدوج، الذي يحتوي على ذرتين من نظائر ثقيلة في جزيء واحد، مع انخفاض درجة الحرارة. لننظر في النسبة المولية لجزيئات \(\ce{CO2}\) ذات الوزنين الجزيئيين 44 و47، التي يُشار إليها فيما يأتي بالرمزين \(\ce{CO2}[44]\) و\(\ce{CO2}[47]\). وتُعرَّف الكمية \(\Delta_{47}\) كما يأتي:
\[ \Delta_{47}=\frac{R_{47}}{R_{47}^*}-1 \tag{10} \]
يشير \(R_{47}\) إلى \(\dfrac{[\ce{CO2}[47]]}{[\ce{CO2}[44]]}\) في العينة، ويشير \(R_{47}^*\) إلى \(\dfrac{[\ce{CO2}[47]]}{[\ce{CO2}[44]]}\) عند \(T\to+\infty\). ترد أدناه الوفرة الطبيعية لذرات الكربون والأكسجين؛ أهمل النظائر غير المذكورة هنا.
| \(\ce{^{12}C}\) | \(\ce{^{13}O}\) | |
|---|---|---|
| الوفرة الطبيعية | 0.988888 | 0.011112 |
| \(\ce{^{16}O}\) | \(\ce{^{17}O}\) | \(\ce{^{18}O}\) | |
|---|---|---|---|
| الوفرة الطبيعية | 0.997621 | 0.0003790 | 0.0020000 |
تُحدَّد علاقة \(\Delta_{47}\) بدرجة الحرارة كما يأتي، حيث \(T\) هي درجة الحرارة المطلقة بوحدة K:
\[ \Delta_{47}=\frac{36.2}{T^2}+2.920\times10^{-4} \tag{11} \]
2.4 بلغت قيمة \(\Delta_{47}\) لعوالق أحفورية مأخوذة من قاع البحر في المنطقة القطبية الجنوبية \(4.50865\times10^{-5}\).
قدِّر درجة الحرارة باستخدام قيمة \(R_{47}\) هذه. تُفسَّر درجة الحرارة هذه على أنها درجة حرارة الهواء خلال العصر الذي عاشت فيه العوالق. اقتصر في الحساب على الجزيء المتناظر نظيريًا الأكثر شيوعًا من \(\ce{CO2}[47]\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 2.1: \(\displaystyle \lim_{T\to0}K=0,\qquad \lim_{T\to+\infty}K=2.\)
- 2.2: \(\displaystyle \Delta H(0)=-6.208\times10^2\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\)، لكل مول من التفاعل كما هو مكتوب.
- 2.3: \(\displaystyle \Delta_{\ce{D2}}=0.199925\ldots\approx0.200\)، وهو ما يقابل زيادة قدرها \(20.0\%\) في النسبة مقارنةً بقيمتها عند التوزيع العشوائي.
- 2.4: وفق القراءة المقصودة \(R_{47}=4.50865\times10^{-5}\)، فإن \(\displaystyle T\approx295.3\ \mathrm K\approx22.2\,^\circ\mathrm C\). أما إذا قُرئ العدد حرفيًا على أنه \(\Delta_{47}\)، فلا توجد درجة حرارة حقيقية تحقق المعادلة 11.
الحل
2.1
تفاعل التبادل النظيري الموزون هو
\[ \ce{H2 + DI <=> HD + HI}, \qquad K=\frac{[\ce{HD}][\ce{HI}]}{[\ce{H2}][\ce{DI}]}. \]
الأنواع الكيميائية هي ثنائي الهيدروجين \(\ce{H2}\)، [1H][1H]؛ ويوديد الديوتيريوم \(\ce{DI}\)، [2H]I؛ وديوتيريد الهيدروجين \(\ce{HD}\)، [1H][2H]؛ ويوديد الهيدروجين \(\ce{HI}\)، [1H]I.
العلاقة الديناميكية الحرارية هي
\[ \ln K=-\frac{\Delta G^\circ}{RT} =\frac{\Delta S^\circ}{R}-\frac{\Delta H^\circ}{RT}. \]
عند درجات الحرارة المنخفضة جدًا، يجعل إنثالبي التفاعل الموجب تكوّن النواتج غير مفضّل من حيث الطاقة. ويسود حدّ الإنثالبي، ومن ثم
\[ \boxed{\lim_{T\to0}K=0}. \]
عند درجات الحرارة المرتفعة جدًا، تؤدي القيمة الحدّية المحدودة المفترضة للإنثالبي إلى \(\Delta H^\circ/(RT)\to0\)، ويصبح توزيع النظائر عشوائيًا.
لنرمز بـ\(r\) إلى النسبة الذرية \(\ce{D}/\ce{H}\). يعطي الاستبدال العشوائي
\[ \frac{[\ce{HD}]}{[\ce{H2}]}=2r, \qquad \frac{[\ce{DI}]}{[\ce{HI}]}=r. \]
ينشأ العامل اثنان في النسبة الأولى لأن أيًّا من موضعَي الهيدروجين يمكن أن يشغله الديوتيريوم. لذلك،
\[ \boxed{ \lim_{T\to+\infty}K =\frac{2r}{r}=2 }. \]
يقابل هذا العامل الإحصائي مساهمة في الإنتروبيا مقدارها \(R\ln2\).
2.2
التفاعل الموزون هو
\[ \ce{2HD -> H2 + D2}. \]
لغاز الديوتيريوم، \(\ce{D2}\)، تمثيل SMILES هو [2H][2H].
باستخدام الكتل الذرية المحددة،
\[ \mu_{\ce{H2}}=\frac{1\times1}{1+1}=\frac12\ \mathrm{Da}, \]
\[ \mu_{\ce{HD}}=\frac{1\times2}{1+2}=\frac23\ \mathrm{Da}, \qquad \mu_{\ce{D2}}=\frac{2\times2}{2+2}=1\ \mathrm{Da}. \]
بما أن ثوابت القوة متطابقة، فإن كلًّا من التردد والعدد الموجي يتناسب طرديًا مع \(\mu^{-1/2}\). وبناءً عليه،
\[ \widetilde\nu_{\ce{HD}} =4161.0\sqrt{\frac{1/2}{2/3}} =4161.0\frac{\sqrt3}{2} =3603.53\ \mathrm{cm^{-1}}, \]
\[ \widetilde\nu_{\ce{D2}} =4161.0\sqrt{\frac{1/2}{1}} =\frac{4161.0}{\sqrt2} =2942.27\ \mathrm{cm^{-1}}. \]
عند \(0\ \mathrm K\)، يسهم كل جزيء بطاقة اهتزازه عند نقطة الصفر، \(E=\tfrac12hc\widetilde\nu\). ومن ثم،
\[ \begin{aligned} \Delta H(0) &=\frac{N_{\mathrm A}hc}{2} \left( \widetilde\nu_{\ce{H2}} +\widetilde\nu_{\ce{D2}} -2\widetilde\nu_{\ce{HD}} \right)\\ &=\frac{N_{\mathrm A}hc}{2} (4.1610\times10^5\ \mathrm{m^{-1}}) \left(1+\frac{1}{\sqrt2}-\sqrt3\right). \end{aligned} \]
وباستخدام الثوابت القياسية
\[ h=6.62607015\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s},\qquad c=2.99792458\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}, \]
\[ N_{\mathrm A}=6.02214076\times10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}, \]
نحصل على
\[ \boxed{\Delta H(0)=-620.8\ \mathrm{J\,mol^{-1}}}. \]
هذه القيمة لكل مول من التفاعل كما هو مكتوب، مع استهلاك \(2\ \mathrm{mol}\) من \(\ce{HD}\). وللنواتج طاقة كلية عند نقطة الصفر أقل من طاقة المتفاعلات.
2.3
بالنسبة إلى
\[ \ce{2HD <=> H2 + D2}, \qquad K=\frac{[\ce{H2}][\ce{D2}]}{[\ce{HD}]^2}=0.300, \]
نكتب الكسور الذرية على الصورة
\[ p=1.5576\times10^{-4}\quad(\ce{D}), \qquad q=1-p\quad(\ce{H}). \]
في التوزيع العشوائي، تكون الكسور الجزيئية لكلٍّ من \(\ce{H2}\) و\(\ce{HD}\) و\(\ce{D2}\) هي \(q^2\) و\(2pq\) و\(p^2\)، على الترتيب. ومن ثم،
\[ R_{\ce{D2}}^* =\frac{p^2}{q^2} =2.42687372\times10^{-8}. \]
لمراعاة انحفاظ النظائر بدقة عند \(K=0.300\)، ليكن \(x\) الكسر المولي لـ\(\ce{D2}\) عند الاتزان، مع تطبيع العدد الكلي للجزيئات إلى واحد. يعطي انحفاظ الديوتيريوم والتطبيع
\[ x_{\ce{HD}}=2(p-x), \qquad x_{\ce{H2}}=1-2p+x. \]
بالتعويض في تعبير الاتزان نحصل على
\[ 0.300=\frac{x(1-2p+x)}{4(p-x)^2}. \]
وبصورة مكافئة،
\[ (1-4K)x^2+(1-2p+8Kp)x-4Kp^2=0. \]
يعطي الجذر المقبول فيزيائيًا، \(0\le x\le p\)،
\[ x_{\ce{D2}}=2.91115995\times10^{-8}, \]
\[ x_{\ce{HD}}=3.11461777\times10^{-4}, \qquad x_{\ce{H2}}=0.9996885091. \]
لذلك،
\[ R_{\ce{D2}} =\frac{x_{\ce{D2}}}{x_{\ce{H2}}} =2.91206703\times10^{-8}, \]
و
\[ \boxed{ \Delta_{\ce{D2}} =\frac{2.91206703\times10^{-8}} {2.42687372\times10^{-8}}-1 =0.199925\ldots\approx0.200 }. \]
يعطي تقريب الديوتيريوم المخفّف الإجابة نفسها بالدقة المناسبة:
\[ R_{\ce{D2}}\approx K\left(\frac{2p}{q}\right)^2 =4K R_{\ce{D2}}^*, \qquad \Delta_{\ce{D2}}\approx4K-1=0.200. \]
2.4
يتطلب رمزان مطبوعان تفسيرًا. يجب أن يكون عنوان العمود الثاني في جدول الكربون \(\ce{^{13}C}\)، بدلًا من \(\ce{^{13}O}\). كذلك يجب تفسير القيمة المقيسة على أنها \(R_{47}=4.50865\times10^{-5}\)، بما يتفق مع التعليمة «باستخدام قيمة \(R_{47}\) هذه». ويُفحَص التفسير الحرفي البديل أدناه.
لتكن \(c_{12},c_{13}\) رمزَي وفرة نظيرَي الكربون، و\(o_{16},o_{17},o_{18}\) رموز وفرة نظائر الأكسجين.
ثاني أكسيد الكربون-44 هو \(\ce{^{12}C^{16}O2}\)، وتمثيله بصيغة SMILES هو [16O]=[12C]=[16O]. ووفرته في التوزيع العشوائي هي
\[ P_{44}=c_{12}o_{16}^2. \]
الجزيئات المتناظرة نظيريًا الممكنة لثاني أكسيد الكربون ذي الكتلة 47 هي:
| الجزيء المتناظر نظيريًا لثاني أكسيد الكربون | SMILES | الوفرة في التوزيع العشوائي |
|---|---|---|
| \(\ce{^{13}C^{16}O^{18}O}\)، ويحتوي على الكربون-13 والأكسجين-16 والأكسجين-18 | [16O]=[13C]=[18O] |
\(2c_{13}o_{16}o_{18}=4.43423\times10^{-5}\) |
| \(\ce{^{12}C^{17}O^{18}O}\)، ويحتوي على الكربون-12 والأكسجين-17 والأكسجين-18 | [17O]=[12C]=[18O] |
\(2c_{12}o_{17}o_{18}=1.49915\times10^{-6}\) |
| \(\ce{^{13}C^{17}O2}\)، ويحتوي على الكربون-13 وذرتين من الأكسجين-17 | [17O]=[13C]=[17O] |
\(c_{13}o_{17}^2=1.59614\times10^{-9}\) |
هذه الجزيئات خطية. وعندما يكون نظيرا الأكسجين مختلفين، يحسب العامل اثنان التوزيعين الممكنين لهما على موضعَي الأكسجين.
إذن، فإن الجزيء المتناظر نظيريًا الأكثر شيوعًا ذا الكتلة 47 هو \(\ce{^{13}C^{16}O^{18}O}\). وبالاقتصار على هذا النوع وفقًا للتعليمة،
\[ \begin{aligned} R_{47}^* &=\frac{2c_{13}o_{16}o_{18}}{c_{12}o_{16}^2}\\ &=2\frac{0.011112}{0.988888} \frac{0.0020000}{0.997621}\\ &=4.505464112\times10^{-5}. \end{aligned} \]
وعليه، تكون قيمة العينة
\[ \Delta_{47} =\frac{4.50865\times10^{-5}} {4.505464112\times10^{-5}}-1 =7.07116413\times10^{-4}. \]
بإعادة ترتيب المعادلة 11،
\[ T= \sqrt{ \frac{36.2\ \mathrm{K^2}} {\Delta_{47}-2.920\times10^{-4}} }. \]
ومن ثم،
\[ T= \sqrt{ \frac{36.2} {7.07116413\times10^{-4}-2.920\times10^{-4}} }\ \mathrm K =295.304\ \mathrm K. \]
إذن، فإن درجة حرارة الهواء المقدّرة هي
\[ \boxed{T\approx295.3\ \mathrm K\approx22.2\,^\circ\mathrm C}. \]
أما إذا اعتُبر العدد المطبوع حرفيًا \(\Delta_{47}=4.50865\times10^{-5}\)، فإن
\[ \Delta_{47}<2.920\times10^{-4}, \]
في حين تشترط المعادلة 11 أن يكون \(\Delta_{47}>2.920\times10^{-4}\) عند كل درجة حرارة موجبة ومحدودة. ولذلك لا توجد درجة حرارة حقيقية وفق هذه القراءة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.