Olympiad hóa học áo

Olympiad Hóa học Áo
31 tháng Năm, 2018

Olympiad Hóa học các quốc gia trên thế giới 2018 ▪ 64


Bài 1
Việc xác định nồng độ lead(II) ở thập niên 1950
Trong thập niên 1950, một phương pháp thú vị để xác định nồng độ lead(II) ion
trong dung dịch đã được phát triển. Phương pháp này được mô tả như sau:
10.00 mL mẫu để xét nghiệm hàm lượng Pb2+ được chuyển vào phễu chiết 250
mL. Thêm 75.00 mL dung dịch cyanide vào mẫu này để che chắn các ion gây
nhiễu.
Điều chế dung dịch cyanide: Trộn 35.00 mL dung dịch ammonia đặc (35.0 %,
khối lượng riêng 0.880 g/cm3) được trộn với 3.00 mL dung dịch potassium
cyanide (10.00 %, khối lượng riêng 1.07 g/cm3) và pha loãng tới 100 mL.
pH của hỗn hợp trong phễu chiết được hạ xuống còn 9.50 bằng cách bổ sung
thêm hydrochloric acid (6.00 M). Sau đó, thêm 7.50 mL dung dịch tác nhân tạo
phức dithizone trong tetrachloromethane (0.00500%, khối lượng riêng 1.594 g /
cm3) vào, rồi tiếp đó là 17.50 mL carbon tetrachloride ("carbon tetrachloride").
Trong trường hợp này, dithizone tạo thành một phức chất màu đậm với lead(II)
ion, chất này rất dễ tan trong tetrachloromethane. Lắc hỗn hợp để các phase
tách ra. Phức lead-dithizone đi qua phase hữu cơ gần như hoàn toàn. Tiến hành
đo độ hấp thụ của phase hữu cơ (trắc quang) ở bước sóng 515 nm, hệ số tắt
của phức lead-dithizone là 66450 L∙mol-1∙cm-1.
Tác nhân tạo phức dithizone (H2Dz) là phối tử hai càng với cấu trúc như sau:

Phương trình tạo phức: 2 H2Dz + Pb2+ ⇌ Pb(HDz)2 + 2 H+
Phương trình sau được áp dụng với sự chiết:

=

[

(
[

) ]
]

∙[
∙[

]
]

= 5,60

Giá trị pKa
Hydrochloric acid

-6,00

Ammonium-Ion

9,25

Hydrocyanic acid

9,40

1) Tính thể tích hydrochloric acid cần thêm vào để đạt pH 9.50. Trong tính tốn,
bỏ qua ảnh hưởng của potassium cyanide và lead (II) ion.
Olympiad Hóa học các quốc gia trên thế giới 2018 ▪ 65


2) Xác định pH tại đó có sự tạo thành đáng kể hydrocyanic acid (có nghĩa, tại
đó nồng độ hydrocyanic acid vượt q cyanide ion) và do đó khơng nên bỏ
qua.
3) Tính nồng độ cực đại của lead ion trong mẫu (theo mol/L) có thể được xác
định bởi quy trình trên.
4) Tính nồng độ lead ion trong mẫu khi độ hấp thụ trong cuvette 1 cm là 0.328,
giả sử rằng q trình tạo phức và chiết diễn ra hồn tồn.
Ở pH 9.50, lead ion tồn tại ở nhiều dạng. Các cân bằng sau đây cần phải được
xét đến:
Pb2+ + H2O ⇌ PbOH+ + H+

=

Pb2+ + 2 H2O ⇌ Pb(OH)2 + 2 H+

=

Pb2+ + 2 H2O ⇌ HPbO2- + 3 H+

=

[

]∙[
]

[
[

(
[

[

) ]∙[
]
]∙[

[

]

]

]
]

= 3,00 ∙ 10
= 3,00 ∙ 10
= 7,00 ∙ 10

5) Tính phần trăm phân bố của mỗi tiểu phân chứa chì ở pH 9.50.
Với bài tiếp đây: Nếu bạn khơng nhận được bất kì kết quả nào ở ý 1.1 thì hãy giả
định rằng 25 mL hydrochloric đã được thêm vào. Cũng hãy giả định rằng pH của
dung dịch không thay đổi trong quá trình chiết và bỏ qua nồng độ của các tiểu

phân Pb(OH)2 và HPbO2- trong tính tốn. Nếu bạn đưa ra thêm các giả định nữa
thì kết quả phải thể hiện được rằng giả định đó chính xác (sai số < 1 %).
6) Tính tổng nồng độ của mỗi tiểu phân chì riêng biệt trong phase nước sau khi
chiết với lượng dithizone trong carbon tetrachloride được đề cập ở trên, biết
nồng độ ban đầu của chì trong mẫu là 1.00∙10-6 mol/L.

Olympiad Hóa học các quốc gia trên thế giới 2018 ▪ 66


Hướng dẫn
1)
9.50 = 9.25 −
+

=
∙ .

=

∙ ,

∙

.

= 0.5623

= 0.4745 mol

= 0.5623

.
.

=

∙ .
.

=

= 0.171 mol

= 0.171 mol

=

=

0.171

= 0.02846 L

6
2) 9.40
= 0.00005 ∙ 7.5

3)
=

=

=
=
4)

(

(

)

)

=

=

=

.

=

∙

∙

∙

)

)

mol

mol/L
= 4.936 ∙ 10
= 4.936 ∙ 10

= 1.234 ∙ 10

0.01

= 5.98 ∙ 10

= 2.33 ∙ 10

256.36

= 1.17 ∙ 10

(
(

5.98 ∙ 10

= 1.17 ∙ 10

2

0.01

∙ 1.594

mol
∙ 0,025
L

= 1.234 ∙ 10 mol

mol/L

5)
[Pb2+] = b

[PbOH+] = b1

[Pb(OH)2] = b2

[HPbO2–] = b3

(I)
(II)
⇒
(III)

b + b1 + b2 + b3 = c(Pb2+)ges
∙

.

= 3 ∙ 10

b1 = b∙949
∙

.

= 3 ∙ 10

Olympiad Hóa học các quốc gia trên thế giới 2018 ▪ 67


⇒

b2 = b∙30.0
.

∙

(IV)
⇒

= 7 ∙ 10

b3 = b∙2.21

(Ia) b + b∙949 + b∙30.0 + b∙2.21 = c(Pb2+)ges
b∙ 982.21 = c(Pb2+)ges
Pb2+:

∙ 100 = 0.10%

.

PbOH+:

∙ 100 = 96.62%

.

Pb(OH)2:

∙ 100 = 3.05%

.
.

HPbO2-:

∙ 100 = 0.23%

.

6) [Pb2+] = b

[PbOH+] = b1

[H2DZ]org = d

[Pb(HDz)2]org = k1
.

=

c(H2Dz)ges=
c(Pb2+)ges = 1 ∙ 10

∙

∙

= 8.81 ∙ 10

,

c(H2Dz)ges ≫ c(Pb2+)ges ⇒

d + 2k1 = 9,33∙10-5

⇒

d ≈ 9,33∙10-5
+

+
.

∙

(III)
⇒

∙

/

mol/L

d ≫ k1

(I)
(II)

= 9.33 ∙ 10

.

,
,

= 8.81 ∙ 10

= 3 ∙ 10

b1 = b∙949

⇒

.

∙

(IV)

∙

=

∙

.

(IIa)

∙ .
(

∙
.

)

= 5.60
=

b + b∙949 +

∙ 4.87 ∙ 10
∙ 4.87 ∙ 10

∙

.
.

= 8.81 ∙ 10

b = 8.21∙10-19 mol/L
b1 = b∙949 = 7.79∙10-16 mol/L
b + b1 = 7,80∙10-16 mol/L
= 8,21 ∙ 10

∙ 4,87 ∙ 10

= 4,00 ∙ 10

Olympiad Hóa học các quốc gia trên thế giới 2018 ▪ 68


d = 9,33∙10-5 – 2k1= 9,247∙10-5 ≈ 9,33∙10-5
⇒ Giả định chính xác !

Olympiad Hóa học các quốc gia trên thế giới 2018 ▪ 69


Câu 2
Chromium và hợp chất chromium: Điện hóa học và động học
A. Mạ điện chromium
Việc phủ kim loại bằng chromium có thể được thực hiện bằng cách điện phân

dung dịch chromic acid (H2CrO4). Q trình điện phân có thể được thực hiện với
dòng điện 1500 A trong 7.00 giờ. Anode trơ khơng thay đổi. Ở cathode thì tạo
thành sản phẩm phụ là 4.15 m3 hydrogen được tạo thành ở trạng thái chuẩn (25
o
C, 1.00 bar), làm giảm hiệu suất dòng điện của q trình mạ chromium. Ở anode
cũng có một khí.
1)
2)
3)
4)

Viết các phương trình tương ứng với mỗi điện cực.
Tính hiệu suất dịng (%) của q trình mạ chromium ở cathode.
Tính khối lượng chromium được mạ lên.
Tính thể tích khí được tạo thành ở anode tại trạng thái chuẩn (25 oC, 1.00
bar).

B. Điện hóa học của chromium và các hợp chất
Tên gọi chromium (tiếng Hi Lạp nghĩa là “màu sắc”) bắt nguồn từ tính đa
dạng và màu sắc của các hợp chất, ion của nó. Dưới đây là giản đồ Latimer cho
một số ion có màu ở pH = 0. Tất cả các giá trị thế được tính theo đơn vị volt.

5) Tính các giá trị thế x, y cịn thiếu.
6) Chứng minh bằng tính tốn rằng Cr(VI) có thể dị phân (tự oxid hóa-khử)
thành Cr(III) và Cr(VI).
7) Tính hằng số cân bằng của phản ứng dị phân này ở 25 oC.
8) Cr(II) có xu hướng dị phân thành Cr(III) và Cr(0) khơng? Minh họa qua giản
đồ Frost.

Olympiad Hóa học các quốc gia trên thế giới 2018 ▪ 70

Bằng cách đồ thị hóa các giá trị thế oxid hóa-khử của tất cả các tiểu phân
chromium theo pH, chúng ta có giản đồ Pourbaix dưới đây. Giản đồ này dựa vào
giả định rằng hoạt độ của tất cả các tiểu phân tham gia vào một cân bằng với
H+(H3O+) lên tới a = 1.

9) Xác định hai tiểu phân từ giản đồ mà giữa chúng xảy ra một phản ứng oxid
hóa khử khơng phụ thuộc pH, ít nhất là trong một khoảng pH xác định.

Olympiad Hóa học các quốc gia trên thế giới 2018 ▪ 71


10) Xác định hai tiểu phân từ giản đồ mà giữa chúng xảy ra một phản ứng chuyển
proton không phụ thuộc vào thế.
Hệ oxid hóa-khử dichromate/chromium (III) thường được sử dụng trong hóa
phân tích. Thế chuẩn của cặp này là E0(Cr2O72-/Cr3+) = +1.33 V.

11) Trong khoảng pH nào Cr2O72- bị chuyển thành Cr3+?
12) Viết bán phản ứng của cặp oxid hóa-khử Cr2O72-/Cr3+.
13) Dẫn ra phương trình E = f(pH) cho đường giữa các tiểu phân Cr2O72và Cr3+ ở 298 K. (Giả sử: Hoạt độ của tất cả các tiểu phân chromium
vẫn khơng thay đổi.)
14) Sử dụng phương trình đã dẫn ra, tính giá trị E ở pH = 2.
C. Động học - Chromium với ethanol
Trước đây, phản ứng oxid hóa ethanol bởi chromium(VI) là cơ sơ cho phép đo
nồng độ cồn trong hơi thở và cũng được sử dụng trong hóa phân tích. Một dung
dịch K2Cr2O7 trong mơi trường acid mạnh (ở đây là HCl 3.6 M) cung cấp ion
HCrO4- là tác nhân oxid hóa trong phản ứng.

15) Viết phương trình phản ứng giữa HCrO4- với ethanol tạo thành Cr3+

và ethanoic acid.
Dưới những điều kiện đã đề cập, biểu thức động học của phản ứng tổng có dạng
vi phân là (với số nguyên x là bậc phản ứng):
=−

[

]

=

∙[

]

Sau các thời gian phản ứng t khác nhau, [HCrO4-]t đã được đo bởi chuẩn độ
iodine. Iodine phản ứng với thiosulfate (c = 0.020 mol/L) theo 2S2O32- + I2  2I+ S4O62-, trong đó điểm cuối được xác định rõ bởi chỉ thị hồ tinh bột. Trước đó,
iodine được tạo thành bởi phản ứng giữa HCrO4- dư với iodide. Từ lượng sodium
thiosulfate dùng cho chuẩn độ, có thể tính được [HCrO4-]t.
Mỗi thí nghiệm dùng 10.0 mL dung dịch. Các giá trị đã được đo lường hoặc tính
tốn được cho trong bảng sau:
Thời gian t / phút

0

10

20

30

40

Thể tích chất chuẩn
V(S₂O₃2-) / mL

-

11.7

9.10

7.15

5.60

0.0100

0.0078

0.0061

0.0048

0.0037

- 4.61

-4.85

-5.10

-5,35

-5.59

[HCrO₄-]t / mol/L
ln[HCrO₄-]t

Olympiad Hóa học các quốc gia trên thế giới 2018 ▪ 72


1
[HCrO₄ ]

100

128

165

210

268

16) Lấy ví dụ thể tích chất chuẩn V(S2O32-) = 10.3 mL, hãy tính nồng độ [HCrO4-]t
tương ứng.
17) Xác định bậc phản ứng x bằng cách vẽ đồ thị nồng độ-thời gian.
18) Tính hằng số tốc độ k và xác định đơn vị chính xác.

Olympiad Hóa học các quốc gia trên thế giới 2018 ▪ 73


Hướng dẫn
1) Cathode:
2 H3O+ + 2 e-  2 H2O + H2
CrO42- + 8 H+ + 6 e-  Cr +4 H2O
Anode:
6 H2O  4 H3O+ + 4 e- + O2
2) (

∙
∙

)=
∙ ∙
∙

=

∙

=

167.5
∙ 2 ∙ 96485
1500 ∙ 7ℎ ∙ 3600 ℎ

=

∙ ∙

)=

≈ 167.5

∙

∙

=

∙

≈ 0,855 ⇒ 85.5%

= 0.145 => 14,5%

Hiệu suất dòng:
3) (

∙ .

.

∙

∙ ,

≈ 9.5

∙

Khối lượng Cr: m = n ∙ M = 9.5 mol ∙ 52gmol
4) (
(

∙ ∙
∙

)=
∙

)=

∙

=
∙

∙

∙

∙

97.9

=

= 492 g

≈ 97.9

∙ 8.314
1 ∙ 10

∙ 298

≈ 2.43

5)

x=
y=

∙(

.

)

) (

.

)

∙ .
∙(

.

.

.

= 2.10 V

= −0.90 V

6) Cr(IV) bị dị phân

(

(

) = 2,10 >

(

)

(

) = 0,945

1 bp

0,55 + 1,34

= 0,945
2
= 2,10 − 0,945 = 1,155 V

(
7) ∆

)

)

∆

=− ∙

⇒

=

(

) =

∙∆

∙

∙ ,
,

∙

=− ∙

∙

= 89,96 ⇒

= 1,2 ∙ 10

8)

Olympiad Hóa học các quốc gia trên thế giới 2018 ▪ 74


Cr

0V

Cr2+

-0.90  2 = -1.80 V

Cr3+

-0.741  3 = -2.223 V

9) Ví dụ Cr2+|Cr3+
10) Ví dụ Cr2O72-|CrO4211) 0 đến 4.
12) Cr2O72- + 14 H+ + 6 e-  2 Cr3+ +7 H2O

13) Thế thay đổi theo pH:
= °+
= °+
và ln[H

Cr O
6

[
Cr O
[
]

6
]

=

[

[H
]
−
]

]

6

(− [H

] )

= 14 ∙ 2.3026 ⋅ log[H

]

∙ 14 ∙ 2.3026
])
(−log[H
6
∙ 14 ∙ 2.3026
= °−
6
∙ 14 ∙ 2.3026
8.314 ∙ 298 ∙ 14 ∙ 2.3026
−
=−
= −0.138
6
6 ∙ 96485
= ° − 0.138
= °−

14)

= 1.33 − 0.1380 ∙ 2 = 1.05

15)
HCrO4- + 7 H+ + 3 e-  Cr3+ +4 H2O

|4

CH3CH2OH + H2O  CH3COOH + 4 H+ + 4 e-

+

|3

3+

4 HCrO4 + 3 CH3CH2OH + 16 H  4 Cr + 3 CH3COOH +13 H2O
16)

=

∙

= 10.3 mL ∙ 0.02 mol L

= 0.206 mmol

( )=

Olympiad Hóa học các quốc gia trên thế giới 2018 ▪ 75


(

)=

(

)=

( )=
(
(

= 0.0687 mmol
) 0.0687
=
= 0.00687 mol L
)
10

17)

18)

ln[HCrO₄-]t = ln[HCrO₄-]0 – k t
=

[
[

₄ ]
₄ ]

,

=

,

= 0,025 min

Olympiad Hóa học các quốc gia trên thế giới 2018 ▪ 76


Câu 3
Tổng hợp hữu cơ
A. Trùng hợp
Các polylactides, viết gọn là PLA, là những polymer có thể được tạo thành bởi
ROP (ring opening polymerization - phản ứng trùng hợp mở vịng). Các
polylactide đã được mơ tả lần đầu tiên vào năm 1845 bởi Théophile-Jules
Pelouze, người đã quan sát được sự tạo thành oligo- và polymer trong q trình
cơ lập lactic acid. Các loại nhựa nhiệt dẻo được chế tạo từ PLA ngày càng được
ưa thích bởi khả năng phân hủy sinh học của chúng. Ví dụ, màng phủ PLA đang
cạnh tranh mạnh mẽ với màng phủ PE truyền thống trong lĩnh vực nơng nghiệp
và làm vườn. Một q trình sản xuất PLA từ lactide đã được phát triển từ năm
1932 và được DuPont chuyển thành giải pháp sáng chế vào năm 1954.

1) Vẽ công thức cấu dạng của tất cả các đồng phân lập thể có thể có của
lactide và xác định cấu hình tuyệt đối của tất cả các tâm bất đối.
2) Vẽ cơ chế cho các quá trình khơi mào (1), phát triển mạch (2, với n(LA) = 1)
và tắt mạch (3) của phản ứng trùng hợp mở vịng lactide (LA). Nhớ chú ý vào
hóa lập thể.

3) Phản ứng trùng hợp này dẫn đến sự tạo thành

A. Một polyamide.
B. Một polyester.
C. Một polyanhydride.
D. Một polycarboxylic acid.
4) Gọi tên IUPAC (các) sản phẩm thủy phân acid của lactide LA, kèm theo các
mơ tả lập thể.

Olympiad Hóa học các quốc gia trên thế giới 2018 ▪ 77


B. Tổng hợp dẫn xuất caffeic acid
Phần này liên quan đến tổng hợp một dẫn xuất caffeic acid I, đã được nghiên
cứu cùng với 20 ester khác của caffeic acid về tính chất chống lại độc tính gây
ngộ độc tế bào bởi H2O2.

Để hồn thành bài tập này, có một số lưu ý sau:
-

Chất A có tên là 3,4-dihydroxybenzene carbaldehyde.
E và E’ là đồng phân quang học.
F và F’ là đồng phân quang học.
Chất F có thể chuyển thành F’ bởi phản ứng đồng phân hóa.
Olympiad Hóa học các quốc gia trên thế giới 2018 ▪ 78


-

F và F’ có thành phần nguyên tố (w/w) như sau: 60.00% C, 4.48% H,
35.52% O.
Các kí hiệu sau được sử dụng:

Ph = phenyl,
Bn = benzyl (phenylmethyl),
MOMCl = CH3OCH2Cl,
PDC = pyridinium dichromate.

5) Xác định công thức phân tử F và F’.
6) Vẽ cấu trúc (có xét đến hóa lập thể) của các chất A, B, D, E, E', F, F', G, H, I, và
Z và xác định công thức phân tử của X, Y (ghi vào ô trống trong sơ đồ). Kí
hiệu các nhóm chức benzyl, phenyl, MOM là Bn, Ph, MOM.
7) Xác định cơ chế phản ứng P(OBn)3 + Z tạo thành C (giai đoạn thứ nhất).
8) Chỉ rõ mối quan hệ lập thể của E và E’, F và F’.
9) Đề xuất cơ chế phản ứng đồng phân hóa F thành F’ và chỉ rõ điều kiện phản
ứng.
10) Xác định vai trò của NaOEt ở bước đầu tiên tạo thành F từ B và C. Vẽ công
thức cấu tạo của tiểu phân trung gian hoạt động. Cơ chế phản ứng này thuộc
loại nào? Trong trường hợp này phản ứng có tên là gì?
11) Xác định cơ chế tổng qt chi tiết nhất có thể (sử dụng kí hiệu R cho phần
gốc) của phản ứng tạo thành E hoặc E’ từ D và ethanal. Cho biết tên phản
ứng.
12) Cho biết tên phản ứng tạo thành D từ A. Cơ chế phản ứng thuộc loại nào?
C. Tổng hợp colchicine của Woodward
Colchicine, alkaloid chính trong cây bả chó
(Colchicum autumnale), là một trong những sản
phẩm tự nhiên nổi bật nhất. Ngoài việc là lồi thực
vật có độc tố mạnh, nó cịn có tiềm năng dược phẩm
to lớn bởi khả năng ức chế sự phân bào có tơ.
Những quy trình tổng hợp đầu tiên ở thập niên 1950
đã đặt ra những cột mốc lớn trong tổng hợp hợp chất
thiên nhiên. Chỉ có một số ít hợp chất mục tiêu được
tổng hợp theo nhiều phương pháp đa dạng như

colchicine. Chuỗi phản ứng trong bài này đưa chúng
ta quay trở lại với nhà hóa học hữu cơ nổi tiếng
Woodward (1963). Điểm đặc biệt của quy trình tổng
hợp này là chiến lược đưa vào rất sớm nhóm chức
Olympiad Hóa học các quốc gia trên thế giới 2018 ▪ 79


nitrogen ở C-7. [1] Woodward đã dành được giải Nobel Hóa học năm 1965 cho
những thành tựu của mình.
[1] Graening, T. and Schmalz, H. (2004), Colchicin‐Totalsynthesen im Vergleich: Eine Reise durch
50 Jahre Organische Synthesechemie. Angewandte Chemie, 116: 3292-3318.
doi:10.1002/ange.200300615

Một số gợi ý:
Chất A là methyl (E) -3-aminobut-2-enoate.
N2H4/H2O2/Cu2+: tác nhân khử đặc biệt, khơng khử các liên kết đơi của
vịng thơm.
- PCC: pyridinium dichromate.
13) Vẽ cấu trúc của A-R và công thức phân tử của W, X, Y. Với một số chất, một
phần cấu trúc đã được chỉ rõ, bạn chỉ cần bổ sung thêm.
14) Đề xuất tác nhân Z1 và Z2 cho chuyển hóa I thành K.
15) Cho biết tên gọi phản ứng của giai đoạn chuyển H thành I (giai đoạn vịng
hóa). Cơ chế phản ứng thuộc loại nào?
16) Xác định (các) dạng thủ tính (chiral) của colchicine.
17) Xác định (các) mơ tả lập thể của colchicine.
-

Olympiad Hóa học các quốc gia trên thế giới 2018 ▪ 80

Olympiad Hóa học các quốc gia trên thế giới 2018 ▪ 81


Hướng dẫn
1)

2)

3) B. Một polyester
4) (R)-2-hydroxypropanoic acid
5) C9H8O4
6)

Olympiad Hóa học các quốc gia trên thế giới 2018 ▪ 82


7) SN2.
8) Đồng phân dia / Đồng phân hình học
9)

10) Base / AN / HWE-Wittig

11) AN

Olympiad Hóa học các quốc gia trên thế giới 2018 ▪ 83


12) Tổng hợp ether Williamson / SN2

Olympiad Hóa học các quốc gia trên thế giới 2018 ▪ 84

13)

Olympiad Hóa học các quốc gia trên thế giới 2018 ▪ 85


14) Z1 = N2H4, H2O2, Cu2+; Z2 = LDA
15) Phản ứng Friedel-Crafts / SE
16) Một trục thủ tính và một tâm thủ tính.
17) (aR)-, S-

Olympiad Hóa học các quốc gia trên thế giới 2018 ▪ 86


Câu 4
Nitrogen và hợp chất nitrogen
Bài tập này về nitrogen và một số hợp chất của nó. Tính chất, cấu trúc phân tử
cũng như các khía cạnh nhiệt động và động học sẽ được làm sáng tỏ.
A. Phân tử nitrogen
Không giống như oxygen phân tử, nitrogen phân tử cực kì trơ. Tính trơ này có
thể được giải thích bởi một so sánh về các giản đồ MO. Hình dưới đây biểu diễn
các giản đồ của N2, O2 và NH3 - một trong những hợp chất nitrogen quan trọng
nhất.
1) Điền kí hiệu nguyên tố hoặc công thức phù hợp vào các ô trống dưới đây. Bổ
sung các electron (mũi tên) vào giản đồ.

2) Xác định tính chất từ và bậc liên kết của nitrogen và oxygen phân tử.
B. Ammonia
Ammonia là một trong những hóa chất cơ bản quan trọng nhất với sản lượng

hàng năm trên thế giới là khoảng 180 triệu tấn. Hầu như toàn bộ ammonia được
sản xuất theo phương pháp Haber-Bosch:
N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g) (R 4.1)
Dưới đây là một số dữ kiện nhiệt độ ở 298 K cho các tính tốn:

N2 (g)

∆fH° / kJ/mol

S° / J/molK

Cp° / J/molK

0

191,6

29,1

Olympiad Hóa học các quốc gia trên thế giới 2018 ▪ 87


H2 (g)
NH3

(g)

0

130,7

-45,9

192,8

28,8

3) Tính nhiệt lượng tổng Q1 (theo joule) giải phóng khi sản xuất ammonia dưới
điều kiện đẳng áp ở 298 K.
Những đồn đoán về kế hoạch của bộ film : "Star Wars: Episode XIX - The Power
of Chemistry" cho biết sẽ có một Death Star (Ngơi sao tử thần) mới. Trong vũ
khí khổng lồ này có chứa trên 180 triệu tấn ammonia được chế tạo trong một
bom nhiệt lượng lớn duy nhất và sẽ được sử dụng để tiêu diệt hành tinh mục
tiêu.
4) Tính nhiệt lượng tổng Q2 sẽ giải phóng khi nạp ammonia trong bom nhiệt
lượng kế ở 298 K.
5) Tính khối lượng các nguyên liệu đầu mà Death Star cần hấp thụ cho một lần
nạp ammonia.
Bây giờ hãy trở lại với khoa học phi-viễn tưởng. Quá trình Haber-Bosch thường
được thảo luận trong các giáo trình về cân bằng hóa học.
6) Tính Kp của phản ứng tạo thành ammonia theo phương trình R4.1 ở 298 K.
7) Để tốc độ phản ứng nhanh hơn, tổng hợp ammonia được thực hiện ở nhiệt
độ khoảng 400 oC. Tính Kp của phản ứng tạo thành ammonia ở 400 oC, giả
sử rằng ∆RH và ∆RS giống như ở 298 K.
Thực tế thì enthalpy phản ứng dĩ nhiên phụ thuộc vào nhiệt độ. Các giá trị sau
của hằng số cân bằng được xác định với phản ứng R4.1 ở các nhiệt độ khác
nhau.
T
Kp
500 K

1.14 ⋅ 10-1
600 K
2.11 ⋅ 10-3
700 K
1.12 ⋅ 10-4
8) Sử dụng những giá trị này, hãy tính giá trị có thể có của ∆RH650.
9) Tính Cp của NH3. Giả sử rằng các giá trị Cp của H2, N2, NH3 không phụ thuộc
vào nhiệt độ.
C. Phân cắt liên kết trong nitrogen và hiệu ứng động học đồng vị
Một vấn đề của tổng hợp ammonia - khi khơng có xúc tác - là năng lượng hoạt
hóa cực kì cao. Giá trị này có thể được ước tính qua enthalpy phản ứng phân li
của N2 và H2 trong phase khí:

Olympiad Hóa học các quốc gia trên thế giới 2018 ▪ 88