NOR-2 C-0 C-1

NOR-2 C-0 C
Tina Kalleson

IChO
General instructions
Cover sheet

Please return this cover sheet together with all the related question sheets.

IChO
NOR-2 C-0 G-1

International Chemistry Olympiad 2021 Japan
53rd IChO2021 Japan
25th July – 2nd August, 2021
https://www.icho2021.org

G0-1
English (Official)

IChO

G0-2

NOR-2 C-0 G-2

English (Official)

General Instruction• You are allowed to use only pen to write the answer.
• Your calculator must be non-programmable.
• This examination has 9 problems.
• You can solve the problems in any order.
• You will have 5 hours to solve all problems.
• You can begin working only after the START command is given.
• All results must be written in the appropriate answer boxes with pen on the answer sheets. Use
the back of the question sheets if you need scratch paper. Remember that answers written outside
the answer boxes will not be graded.
• Write relevant calculations in the appropriate boxes when necessary. Full marks will be given forcorrect answers only when your work is shown.
• The invigilator will announce a 30-minute warning before the STOP command.
• You must stop working when the STOP command is given. Failure to stop writing will lead to thenullification of your examination.
• The official English version of this examination is available on request only for clarification.
• You are not allowed to leave your working place without permission. If you need any assistance(broken calculator, need to visit a restroom, etc), raise your hand and wait until an invigilator arrives.
GOOD LUCK!

Problems and Grading Information
Title

Total Score

Percentage

1

Hydrogen at a Metal Surface

24

11

2

Isotope Time Capsule

35

11

3

Lambert–Beer Law?

22

8

4

The Redox Chemistry of Zinc

32

11

5

Mysterious Silicon

60

12

6

The Solid-State Chemistry of Transition Metals

45

13

7

Playing with Non-benzenoid Aromaticity

36

13

8

Dynamic Organic Molecules and Their Chirality

26

11

9

Likes and Dislikes of Capsules

23

10

Total

100

IChO
NOR-2 C-0 G-3

G0-3
English (Official)

Physical Constants and Equations
Constants
Speed of light in vacuum𝑐 = 2.99792458 × 108 m s−1

Planck constantℎ = 6.62607015 × 10−34 J s

Elementary charge

𝑒 = 1.602176634 × 10−19 C

Electron mass𝑚e = 9.10938370 × 10−31 kg

Electric constant(permittivity of vacuum)

𝜀0 = 8.85418781 × 10−12 F m−1

Avogadro constant

𝑁A = 6.02214076 × 1023 mol−1

Boltzmann constant𝑘B = 1.380649 × 10−23 J K−1

Faraday constant

𝐹 = 𝑁A × 𝑒 = 9.64853321233100184 × 104 C mol−1

Gas constant

𝑅 = 𝑁A × 𝑘B = 8.31446261815324 J K−1 mol−1= 8.2057366081 × 10−2 L atm K−1 mol−1

Unified atomic mass unit𝑢 = 1 Da = 1.66053907 × 10−27 kg

Standard pressure

𝑝 = 1 bar = 105 Pa

Atmospheric pressure𝑝atm = 1.01325 × 105 Pa

Zero degree Celsius

0 ∘ C = 273.15 KÅngstrom

1 Å = 10−10 m

Picometer

1 pm = 10−12 m

Electronvolt

1 eV = 1.602176634 × 10−19 J

Part-per-million

1 ppm = 10−6

Part-per-billion

1 ppb = 10−9Part-per-trillion

1 ppt = 10−12pi

𝜋 = 3.141592653589793

The base of the natural logarithm(Euler's number)𝑒 = 2.718281828459045

IChO
NOR-2 C-0 G-4

G0-4
English (Official)

Equations
The ideal gas law

Coulomb's law

𝑃 𝑉 = 𝑛𝑅𝑇
, where 𝑃 is the pressure, 𝑉 is the volume, 𝑛 is the amount of substance,
𝑇 is the absolute temperature of ideal gas.
𝑞 𝑞
𝐹 = 𝑘e 1 2 2𝑟, where 𝐹 is the electrostatic force, 𝑘e (≃ 9.0 × 109 N m2 C−2 ) is Coulomb's
constant, 𝑞1 and 𝑞2 are the magnitudes of the charges, and 𝑟 is the distance
between the charges.

The first law of thermodynamics

Δ𝑈 = 𝑞 + 𝑤, where Δ𝑈 is the change in the internal energy, 𝑞 is the heat supplied, 𝑤
is the work done.

Enthalpy 𝐻

𝐻 = 𝑈 + 𝑃𝑉

Entropy based on Boltzmann's principle 𝑆

𝑆 = 𝑘B ln 𝑊
, where 𝑊 is the number of microstates.
𝑞
Δ𝑆 = rev𝑇, where 𝑞rev is the heat for the reversible process.

The change of entropy
Δ𝑆
Gibbs free energy 𝐺

𝐺 = 𝐻 − 𝑇𝑆
Δr 𝐺∘ = −𝑅𝑇 ln 𝐾 = −𝑧𝐹 𝐸 ∘, where 𝐾 is the equilibrium constant, 𝑧 is the number of electrons, 𝐸 ∘ isthe standard electrode potential.

Reaction quotient 𝑄

Δr 𝐺 = Δr 𝐺∘ + 𝑅𝑇 ln 𝑄
For a reaction
𝑎A + 𝑏B ⇌ 𝑐C + 𝑑D𝑐𝑑[C] [D]𝑄=𝑎𝑏[A] [B], where [A] is the concentration of A.

IChO
NOR-2 C-0 G-5

Heat change Δ𝑞
Nernst equation for redox reaction
Arrhenius equation

G0-5
English (Official)

Δ𝑞 = 𝑛𝑐m Δ𝑇, where 𝑐m is the temperature-independent molar heat capacity.
𝐶
𝑅𝑇
ln ox
𝐸 = 𝐸∘ +𝑧𝐹
𝐶red, where 𝐶ox is the concentration of oxidized substance, 𝐶red is the concentration of reduced substance.
𝐸
𝑘 = 𝐴 exp (− 𝑎 )𝑅𝑇, where 𝑘 is the rate constant, 𝐴 is the pre-exponential factor, 𝐸𝑎 is theactivation energy.
exp(𝑥) = 𝑒𝑥

Lambert–Beer equation

𝐴 = 𝜀𝑙𝑐, where 𝐴 is the absorbance, 𝜀 is the molar absorption coefficient, 𝑙 is the
optical path length, 𝑐 is the concentration of the solution.

Henderson–Hasselbalch
equation

For an equilibrium
HA ⇌ H+ + A−
, where equilibrium constant is 𝐾a ,[A− ]pH = p𝐾a + log ()[HA]𝑐
𝐸 = ℎ𝜈 = ℎ
𝜆, where 𝜈 is the frequency, 𝜆 is the wavelength of the light.

Energy of a photon
The sum of a geometricseriesWhen 𝑥 ≠ 1,

Approximation equationthat can be used to solve
problems

When 𝑥 ≪ 1,
1
≃1+𝑥
1−𝑥

𝑛

1 + 𝑥 + 𝑥2 + ⋯ + 𝑥𝑛 = ∑𝑖=0 𝑥𝑖 =1 − 𝑥𝑛+1
1−𝑥

IChO
NOR-2 C-0 G-6

Periodic Table

G0-6
English (Official)IChO
NOR-2 C-0 G-7

1

H NMR Chemical ShiftsΔ𝛿 for one alkyl group-substitution: ca. +0.4 ppm

G0-7
English (Official)IChO
NOR-2 C-0 G-1

Internasjonale kjemiolympiaden 2021 Japan
53. IChO2021 Japan
25. juli – 2. august 2021
https://www.icho2021.org

G0-1
Norwegian (Norway)

IChO

G0-2

NOR-2 C-0 G-2

Norwegian (Norway)

Generell informasjon• Du har kun lov til å bruke kulepen for å skrive svarene.
• Kalkulatoren må være ikke programerbar.
• Oppgavesettet har 9 oppgaver.
• Du kan løse oppgavene i hvilken som helst rekkefølge.
• Du har 5 timer til å løse alle oppgavene.
• Du kan begynne å arbeide først etter at START beskjeden er gitt.
• Alle resultater må skrives i de til tilhørende svarboksene med kulepen på svararket (answer sheets). Bruk baksiden av oppgavearkene hvis du trenger kladdepapir. Husk at svar skrevet utenfor
boksene vil ikke bli rettet.
• Skriv relevante utregninger i de tilhørende boksene når det trengs. Full poeng for svaret gis kun
når arbeidet er vist.
• Ispektøren (invigilator) vil si ifra når det er 30-minutter igjen til STOPP signalet.
• Du må stoppe å arbeide når STOPP signalet er gitt. Mangel på å stoppe og skrive vil føre til kansellering av prøven..
• Den offisielle engelske versjonen er tilgjengelig på forespørsel kun for oppklaring.
• Du har ikke lov til å forlate plassen din uten tillatelse. Hvis du trenger assistanse (ødelagt kalkulator,
toalettbesøk, etc) rekk opp hånda og vent til inspektøren kommer.
LYKKE TIL!

Oppgave og rettingsinformasjon
TittelTotal Score

Prosent

1

Hydrogen på en metalloverflate

24

11

2

En tidskapsel for isotoper

35

11

3

Lambert-Beers lov?

22

8

4

Redokskjemien til sink

32

11

5

Mystisk silisium

60

12

6

Kjemien til innskuddsmetallene i fast fase

45

13

7

Lek med ikke-benzenoid aromatisitet

36

13

8

Dynamiske organiske molekyler og deres kiralitet

26

11

9

Fordeler og ulemper med en kapsel

23

10

Total

100

IChO
NOR-2 C-0 G-3

G0-3
Norwegian (Norway)

Fysiske konstanter og ligninger
Konstanter
Speed of light in vacuum𝑐 = 2.99792458 × 108 m s−1

Planck constantℎ = 6.62607015 × 10−34 J s

Elementary charge

𝑒 = 1.602176634 × 10−19 C

Electron mass𝑚e = 9.10938370 × 10−31 kg

Electric constant(permittivity of vacuum)

𝜀0 = 8.85418781 × 10−12 F m−1

Avogadro constant

𝑁A = 6.02214076 × 1023 mol−1

Boltzmann constant𝑘B = 1.380649 × 10−23 J K−1

Faraday constant

𝐹 = 𝑁A × 𝑒 = 9.64853321233100184 × 104 C mol−1

Gas constant

𝑅 = 𝑁A × 𝑘B = 8.31446261815324 J K−1 mol−1= 8.2057366081 × 10−2 L atm K−1 mol−1

Unified atomic mass unit𝑢 = 1 Da = 1.66053907 × 10−27 kg

Standard pressure

𝑝 = 1 bar = 105 Pa

Atmospheric pressure𝑝atm = 1.01325 × 105 Pa

Zero degree Celsius

0 ∘ C = 273.15 KÅngstrom

1 Å = 10−10 m

Picometer

1 pm = 10−12 m

Electronvolt

1 eV = 1.602176634 × 10−19 J

Part-per-million

1 ppm = 10−6

Part-per-billion

1 ppb = 10−9Part-per-trillion

1 ppt = 10−12pi

𝜋 = 3.141592653589793

The base of the natural logarithm(Euler’s number)𝑒 = 2.718281828459045

IChO
NOR-2 C-0 G-4

G0-4
Norwegian (Norway)

Ligninger
The ideal gas law

Coulomb’s law

𝑃 𝑉 = 𝑛𝑅𝑇
, where 𝑃 is the pressure, 𝑉 is the volume, 𝑛 is the amount of substance,
𝑇 is the absolute temperature of ideal gas.
𝑞 𝑞
𝐹 = 𝑘e 1 2 2𝑟, where 𝐹 is the electrostatic force, 𝑘e (≃ 9.0 × 109 N m2 C−2 ) is Coulomb’s
constant, 𝑞1 and 𝑞2 are the magnitudes of the charges, and 𝑟 is the distance
between the charges.

The first law of thermodynamics

Δ𝑈 = 𝑞 + 𝑤, where Δ𝑈 is the change in the internal energy, 𝑞 is the heat supplied, 𝑤
is the work done.

Enthalpy 𝐻

𝐻 = 𝑈 + 𝑃𝑉

Entropy based on Boltzmann’s principle 𝑆

𝑆 = 𝑘B ln 𝑊
, where 𝑊 is the number of microstates.
𝑞
Δ𝑆 = rev𝑇, where 𝑞rev is the heat for the reversible process.

The change of entropy
Δ𝑆
Gibbs free energy 𝐺

𝐺 = 𝐻 − 𝑇𝑆
Δr 𝐺∘ = −𝑅𝑇 ln 𝐾 = −𝑧𝐹 𝐸 ∘, where 𝐾 is the equilibrium constant, 𝑧 is the number of electrons, 𝐸 ∘ isthe standard electrode potential.

Reaction quotient 𝑄

Δr 𝐺 = Δr 𝐺∘ + 𝑅𝑇 ln 𝑄
For a reaction
𝑎A + 𝑏B ⇌ 𝑐C + 𝑑D𝑐𝑑[C] [D]𝑄=𝑎𝑏[A] [B], where [A] is the concentration of A.

IChO
NOR-2 C-0 G-5

Heat change Δ𝑞
Nernst equation for redox reaction
Arrhenius equation

G0-5
Norwegian (Norway)

Δ𝑞 = 𝑛𝑐m Δ𝑇, where 𝑐m is the temperature-independent molar heat capacity.
𝐶
𝑅𝑇
ln ox
𝐸 = 𝐸∘ +𝑧𝐹
𝐶red, where 𝐶ox is the concentration of oxidized substance, 𝐶red is the concentration of reduced substance.
𝐸
𝑘 = 𝐴 exp (− 𝑎 )𝑅𝑇, where 𝑘 is the rate constant, 𝐴 is the pre-exponential factor, 𝐸𝑎 is theactivation energy.
exp(𝑥) = 𝑒𝑥

Lambert–Beer equation

𝐴 = 𝜀𝑙𝑐, where 𝐴 is the absorbance, 𝜀 is the molar absorption coefficient, 𝑙 is the
optical path length, 𝑐 is the concentration of the solution.

Henderson–Hasselbalch
equation

For an equilibrium
HA ⇌ H+ + A−
, where equilibrium constant is 𝐾a ,[A− ]pH = p𝐾a + log ()[HA]𝑐
𝐸 = ℎ𝜈 = ℎ
𝜆, where 𝜈 is the frequency, 𝜆 is the wavelength of the light.

Energy of a photon
The sum of a geometricseriesWhen 𝑥 ≠ 1,

Approximation equationthat can be used to solve
problems

When 𝑥 ≪ 1,
1
≃1+𝑥
1−𝑥

𝑛

1 + 𝑥 + 𝑥2 + ⋯ + 𝑥𝑛 = ∑𝑖=0 𝑥𝑖 =1 − 𝑥𝑛+1
1−𝑥

IChO
NOR-2 C-0 G-6

Periodesystemet

G0-6
Norwegian (Norway)IChO
NOR-2 C-0 G-7

1

H NMR kjemiske skift

G0-7
Norwegian (Norway)IChO
NOR-2 C-0 G-8

Δ𝛿 for one alkyl group-substitution: ca. +0.4 ppm

G0-8
Norwegian (Norway)

NOR-2 C-1 C-1

NOR-2 C-1 C
Tina Kalleson

IChO
Problem 1
Cover sheet

Please return this cover sheet together with all the related question sheets.

Q1-1

IChO
NOR-2 C-1 Q-1English (Official)Hydrogen at a Metal Surface
11 % of the total
Question

A.1

A.2

B.1

B.2

B.3

B.4

Total

Points

6

4

5

3

3

3

24

Score

Hydrogen is expected to be a future energy source that does not depend on fossil fuels. Here, we willconsider the hydrogen-storage process in a metal, which is related to hydrogen-transport and -storage
technology.

Part AAs hydrogen is absorbed into the bulk of a metal via its surface, let us first consider the adsorption
process of hydrogen at the metal surface, H2 (g) → 2H(ad), where the gaseous and adsorbed states ofhydrogen are represented as (g) and (ad), respectively. Hydrogen molecules (H2 ) that reach the metal
surface (M) dissociate at the surface and are adsorbed as H atoms (Fig. 1). Here, the potential energyof H2 is represented by two variables: the interatomic distance, 𝑑, and the height relative to the surface
metal atom, 𝑧. It is assumed that the axis along the two H atoms is parallel to the surface and that thecenter of gravity is always on the vertical dotted line in Fig. 1. Fig. 2 shows the potential energy contour
plot for the dissociation at the surface. The numerical values represent the potential energy in units ofkJ per mole of H2 . The solid line spacing is 20 kJ mol−1 , the dashed line spacing is 100 kJ mol−1 , and thespacing between solid and dashed lines is 80 kJ mol−1 . The zero-point vibration energy is ignored.

IChO
NOR-2 C-1 Q-2

Q1-2

Fig.1 Definition of variables. Drawing is not in scale.

Fig.2

English (Official)

Q1-3

IChO
NOR-2 C-1 Q-3

A.1

A.2

English (Official)

For each of the following items (i)–(iii), select the closest value from A–G.
(i) The interatomic distance for a gaseous H2 molecule(ii) The interatomic distance between metal atoms (𝑑M in Fig. 1)(iii) The distance of adsorbed H atoms from the surface (ℎad in Fig. 1)
A. 0.03 nm

B. 0.07 nm

C. 0.11 nm

E. 0.19 nm

F. 0.23 nm

G. 0.27 nm

6pt

D. 0.15 nm

For each of the following items (i)–(ii), select the closest value from A–H.
(i) the energy required for the dissociation of gaseous H2 to gaseous H[H2 (g) → 2H(g)](ii) the energy released during the adsorption of a gaseous H2 [H2 (g) → 2H(ad)]A. 20 kJ mol−1

B. 40 kJ mol−1

C. 60 kJ mol−1

D. 100 kJ mol−1

E. 150 kJ mol−1

F. 200 kJ mol−1

G. 300 kJ mol−1

H. 400 kJ mol−1

4pt

IChO
NOR-2 C-1 Q-4

Q1-4
English (Official)Part B
The adsorbed hydrogen atoms are then either absorbed into the bulk, or recombine and desorb backinto the gas phase, as shown in the reactions (1a) and (1b). H(ab) represents a hydrogen atom absorbed
in the bulk.

The reaction rates per surface site for adsorption, desorption, and absorption are 𝑟1 [s−1 ], 𝑟2 [s−1 ] and𝑟3 [s−1 ] , respectively. They are expressed as:

where 𝑘1 [s−1 Pa−1 ], 𝑘2 [s−1 ] and 𝑘3 [s−1 ] are the reaction rate constants and 𝑃H2 is the pressure of H2 .
Among the sites available on the surface, 𝜃 (0 ≤ 𝜃 ≤ 1) is the fraction occupied by H atoms. It is assumed
that adsorption and desorption are fast compared to absorption (𝑟1 , 𝑟2 ≫ 𝑟3 ) and that 𝜃 remains constant.
B.1

𝑟3 can be expressed as:

Express 𝐶 using 𝑘1 and 𝑘2 .

5pt

IChO
NOR-2 C-1 Q-5

Q1-5
English (Official)

A metal sample with a surface area of 𝑆 = 1.0 × 10−3 m2 was placed in a container (1L = 1.0 × 10−3 m3 )with H2 (𝑃H2 = 1.0 × 102 Pa ). The density of hydrogen-atom adsorption sites on the surface was 𝑁 =1.3 × 1018 m−2 . The surface temperature was kept at 𝑇 = 400 K. As the reaction (1) proceeded, 𝑃H2
decreased at a constant rate of 𝑣 = 4.0 × 10−4 Pa s−1 . Assume that H2 is an ideal gas and that the volumeof the metal sample is negligible.

B.2

Calculate the amount of H atoms in moles absorbed per unit area of the surface
per unit time, 𝐴 [mol s−1 m−2 ].

3pt

B.3

At 𝑇 = 400 K, 𝐶 equals 1.0 × 102 Pa−1 . Calculate the value of 𝑘3 at 400 K. If you
did not obtain the answer to B.2, use 𝐴 = 3.6 × 10−7 mol s−1 m−2 .

3pt

B.4

At a different 𝑇 , 𝐶 = 2.5 × 103 Pa−1 and 𝑘3 = 4.8 × 10−2 s−1 are given. For 𝑟3 as afunction of 𝑃H2 at this temperature, select the correct plot from (a)–(h).

3pt

Q1-1

IChO
NOR-2 C-1 Q-1

Norwegian (Norway)

Hydrogen på en metalloverflate
11 % av totalen
Oppgave

A.1

A.2

B.1

B.2

B.3

B.4

Total

Poeng

6

4

5

3

3

3

24

Score

Man forventer at hydrogen i fremtiden kommer til å bli en energikilde som ikke er avhengig av fossilt
brensel. I denne oppgaven skal vi se på prosessen hvor hydrogen lagres i et metall. Denne prosessen er
knyttet til hydrogentransport og -lagringsteknologi.

Del ANår hydrogen blir absorbert til det indre av et metall via overflaten, kan vi begynne med å se på adsorpsjonen på overflaten H2 (g) → 2H(ad) hvor gassfasen og den adsorberte fasen er representert med (g) og(ad). Hydrogenmolekyler (H2 ) som kommer i kontakt med metalloverflaten (M) dissosierer på overflatenog blir adsorbert som H-atomer (Fig. 1). I figuren er den potensielle energien til H2 representert ved tovariabler: avstanden mellom atomene, 𝑑, og høyden relativt til metallatomet på overflaten, 𝑧. Vi antar ataksen langs de to H-atomene er parallell med overflaten og at massesenteret alltid er på den vertikale
stiplete linjen i Fig. 1. Fig. 2 viser konturplottet for den potensielle energien for dissosiering på overflaten. Tallverdien er den potensielle energien i kJ per mol H2 . Mellom to heltrukne linjer er forskjellen 20
kJ mol−1 , mellom to stiplete linjer er forskjellen 100 kJ mol−1 , og mellom en heltrukken og en stiplet linje
er forskjellen 80 kJ mol−1 . Vibrasjonsenergien i null-tilstanden ser vi bort fra.

IChO
NOR-2 C-1 Q-2

Q1-2
Norwegian (Norway)

Fig. 1. Definisjon av variabler. Størrelsesforholdene er ikke riktige på tegningen.

Fig.2

Q1-3

IChO
NOR-2 C-1 Q-3

A.1

A.2

Norwegian (Norway)

For hvert av punktene (i)-(iii) velg den nærmeste verdien fra listen A-G.
(i) Avstanden mellom atomene i et H2 -molekyl i gassfase.
(ii) Avstanden mellom metallatomene (𝑑M i Fig. 1).
(iii) Avstanden fra et adsorbert H-atom til overflaten (ℎad i Fig. 1).
A. 0,03 nm

B. 0,07 nm

C. 0,11 nm

E. 0,19 nm

F. 0,23 nm

G. 0,27 nm

6pt

D. 0,15 nm

For hvert av punktene (i)-(ii), velg den nærmeste verdien fra listen A-H.
(i) Energien som er nødvendig for å dissosiere H2 i gassfase til H i gassfase.
H2 (g) → 2H(g)(ii) Energien som blir frigjort når H2 i gassfase blir adsorbert.
H2 (g) → 2H(ad)A. 20 kJ mol−1

B. 40 kJ mol−1

C. 60 kJ mol−1

D. 100 kJ mol−1

E. 150 kJ mol−1

F. 200 kJ mol−1

G. 300 kJ mol−1

H. 400 kJ mol−1

4pt

IChO
NOR-2 C-1 Q-4

Q1-4
Norwegian (Norway)

Del B
De adsorberte hydrogenatomene blir deretter enten absorbert inn i kjernen av metallet, eller slår seg
sammen igjen og desorberer tilbake i gassfase, slik det vises i reaksjon (1a) og (1b). H(ab) betegner ethydrogenatom som er absorbert inn i kjernen av metallet.

Reaksjonshastigheten for hver plass på overflaten for adsorpsjon, desorpsjon og absorpsjon er
𝑟1 [s−1 ], 𝑟2 [s−1 ] og 𝑟3 [s−1 ], respektivt. De kan uttrykkes på følgende måte:hvor 𝑘1 [s−1 Pa−1 ], 𝑘2 [s−1 ], og 𝑘3 [s−1 ] er hastighetskonstantene og 𝑃H2 er trykket av H2 . 0 ≤ 𝜃 ≤ 1 er den
andelen av tilgjengelige plasser på overflaten som er okkupert av et H-atom. Vi antar at adsorpsjonen
og desorpsjonen er mye raskere enn absorpsjonen (𝑟1 , 𝑟2 ≫ 𝑟3 ) og at 𝜃 forblir konstant.
B.1

𝑟3 kan uttrykkes som:

Uttrykk 𝐶 ved hjelp av 𝑘1 og 𝑘2 .

5pt

IChO
NOR-2 C-1 Q-5

Q1-5
Norwegian (Norway)

En metallbit med overflateareal 𝑆 = 1.0 × 10−3 m2 ble plassert i en beholder (1 L = 1.0 × 10−3 m3 ) med
H2 (𝑃H2 = 1.0 × 102 Pa). Tettheten av plasser på overflaten hvor hydrogenatomer kan adsorberes var
𝑁 = 1.3 × 1018 m−2 . Overflatetemperaturen ble holdt ved 𝑇 = 400 K. Etter hvert som reaksjon (1) skjer,
sank 𝑃H2 med en konstant fart 𝑣 = 4.0 × 10−4 Pa s−1 . Anta at H2 er en ideell gass og at vi kan se bort fra
volumet av metallbiten.
B.2

Beregn mengden H-atomer i mol som blir absorbert per arealenhet av overflaten per tidsenhet 𝐴 [mol s−1 m−2 ].

3pt

B.3

Ved 𝑇 = 400 K, er 𝐶 lik 1.0 × 102 Pa−1 . Beregn verdien av 𝑘3 ved 400 K. Hvis du
ikke fant svaret i B.2, kan du bruke 𝐴 = 3.6 × 10−7 mol s−1 m−2 .

3pt

B.4

Ved en annen temperatur 𝑇 , er 𝐶 = 2.5 × 103 Pa−1 og 𝑘3 = 4.8 × 10−2 s−1 . Velg
den grafen blant (a)-(h) som viser 𝑟3 som en funksjon av 𝑃H2 ved denne temperaturen.

3pt

IChO
NOR-2 C-1 A-1

Hydrogen på en metalloverflate
Del A
A.1 (6 pt)
(i)

(ii)

(iii)

A.2 (4 pt)
(i)

(ii)

A1-1
Norwegian (Norway)IChO
NOR-2 C-1 A-2

Del B
B.1 (5 pt)

𝐶=
B.2 (3 pt)𝐴=

mol s−1 m−2

A1-2
Norwegian (Norway)IChO
NOR-2 C-1 A-3

B.3 (3 pt)

𝑘3 =B.4 (3 pt)

s−1

A1-3
Norwegian (Norway)

NOR-2 C-2 C-1

NOR-2 C-2 C
Tina Kalleson

IChO
Problem 2
Cover sheet

Please return this cover sheet together with all the related question sheets.

Q2-1

IChO
NOR-2 C-2 Q-1

English (Official)

Isotope Time Capsule
11 % of the total
Question

A.1

A.2

A.3

A.4

Total

Points

8

8

10

9

35

Score

Molecular entities that differ only in isotopic composition, such as CH4 and CH3 D, 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 :𝑊 = 1 for 12 C16 O2 and 12 C18 O2 . In contrast, 𝑊 = 2 for a 12 C16 O18 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
12 16 18
C O O molecules, 𝑊 = 22 = 4.

IChO
NOR-2 C-2 Q-2

A.1

Q2-2
English (Official)

The enthalpy change, Δ𝐻, of eq. 3 is positive regardless of the temperature.

8pt

Calculate the equilibrium constants, 𝐾, for eq. 3 at very low (think of 𝑇 → 0) andvery high (think of 𝑇 → +∞) temperatures. Assume that the reaction remains
unchanged at these temperatures and that Δ𝐻 converges to a constant value
for high temperatures.
The ΔH of the following process can be explained by molecular vibrations.

At 𝑇 = 0 K, the vibrational energy of a diatomic molecule whose vibration frequency is 𝜈 [s−1 ] is expressedas:Wherein 𝑘 is the force constant and 𝜇 the reduced mass, which is expressed in terms of the mass of thetwo atoms in the diatomic molecule, 𝑚1 and 𝑚2 , according to:

A.2

The vibration of H2 is at 4161.0 cm−1 when reported as a wavenumber.
Calculate the Δ𝐻 of the following equation at 𝑇 = 0 K in units of J mol−1 .

Assume that:• only the vibrational energy contributes to the Δ𝐻.
• the 𝑘 values for H2 , HD, and D2 are identical.
• the mass of H to be 1 Da and the mass of D to be 2 Da.

8pt

IChO
NOR-2 C-2 Q-3

Q2-3
English (Official)

The molar ratio of H2 , HD, and D2 depends on the temperature in a system in equilibrium. Here, ΔD2 isdefined as the change of the molar ratio of D2 .

[D2 ]
[D ]
in the sample and 𝑅D∗ 2 to 2 at 𝑇 → +∞. It should be noted here that the
[H2 ]
[H2 ]
distribution of isotopes becomes random at 𝑇 → +∞.
Here, 𝑅D2 refers to
A.3

Calculate ΔD2 with natural D abundance when the isotopic exchange is in equilibrium at the temperature where 𝐾 in eq. 4 is 0.300. Assume that the naturalabundance ratios of D and H are 1.5576 × 10–4 and 1 − 1.5576 × 10–4 , respectively.

10pt

Q2-4

IChO
NOR-2 C-2 Q-4English (Official)

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 CO2
molecules with molecular weights of 44 and 47, which are described as CO2 [44] and CO2 [47] below. The
quantity Δ47 is defined as:[CO2 [47]][CO2 [47]]∗in the sample and 𝑅47
toat 𝑇 → +∞. The natural abundances of carbon[CO2 [44]][CO2 [44]]and oxygen atoms are shown below; ignore isotopes that are not shown here.

𝑅47 refers to12

natural abundance

16

natural abundanceC

130.988888

0.011112

C

O

17

O

18

0.997621

0.0003790

0.0020000

O

The temperature dependence of Δ47 is determined as follows, where 𝑇 is given as the absolute temperature in units of K:

A.4

The 𝑅47 of fossil plankton obtained from the Antarctic seabed was 4.50865×10–5 .
Estimate the temperature using this 𝑅47 . This temperature is interpreted as the
air temperature during the era in which the plankton lived. Consider only themost common isotopologue of CO2 [47] for the calculation.

9pt

Q2-1

IChO
NOR-2 C-2 Q-1

Norwegian (Norway)

En tidskapsel for isotoper
11 % av totalen
Oppgave

A.1

A.2

A.3

A.4

Total

Poeng

8

8

10

9

35

Score

Molekyler som bare skiller seg fra hverandre ved sammensetningen av isotoper, sånn som CH4 og CH3 D,
kalles isotopologer. Isotopologer antas i utgangspunktet å ha de samme kjemiske egenskapene. I virkeligheten er det likevel små forskjeller.
Anta at alle stoffene i denne oppgaven er i gassfase.
La oss betrakte følgende likevekt:

Entropien, 𝑆, øker når antall mikroskopiske tilstander i systemet, 𝑊 , øker:𝑊 = 1 for 12 C16 O2 og 12 C18 O2 . Men 𝑊 = 2 for et molekyl av typen 12 C16 O18 O fordi det nå er mulig å
skille de to oksygenatomene i molekylet. Fordi høyresiden i likevekten vist i ligning (1) har to 12 C16 O18 Omolekyler, er 𝑊 = 22 = 4.

IChO
NOR-2 C-2 Q-2

A.1

Q2-2
Norwegian (Norway)

Entalpiendringen, Δ𝐻, for ligning 3 er positiv ved alle temperaturer.

8pt

Beregn likevektskonstanten, 𝐾, for ligning 3 ved veldig lav (altså 𝑇 → 0) og
veldig høy (altså 𝑇 → +∞) temperatur. Anta at reaksjonen fortsetter å skje påsamme måte ved disse temperaturene og at Δ𝐻 konvergerer til en konstantverdi ved høye temperaturer.
ΔH for den følgende prosessen kan forklares ved hjelp av molekylære vibrasjoner.

Ved 𝑇 = 0 K, kan den vibrasjonelle energien til et diatomært molekyl med vibrasjonsfrekvens 𝜈 [s−1 ]uttrykkes som:

Hvor 𝑘 er kraftkonstanten og 𝜇 er den reduserte massen, som kan uttrykkes ved hjelp av massen til deto atomene i det diatomære molekylet 𝑚1 , og 𝑚2 , på følgende måte:A.2

Vibrasjonen til H2 er ved 4161,0 cm−1 når den blir oppgitt som bølgetall. Beregn
Δ𝐻 for den følgende ligningen ved 𝑇 = 0 K i J mol−1 .

Anta at:• bare vibrasjonsenergi bidrar til Δ𝐻.
• verdien for 𝑘 for H2 , HD, og D2 er identiske.
• massen til H er 1 Da og massen til D er 2 Da.

8pt

IChO
NOR-2 C-2 Q-3

Q2-3
Norwegian (Norway)

Molforholdet mellom H2 , HD, og D2 er avhengig av temperaturen i systemet ved likevekt. Vi definerer
ΔD2 som endringen av molforholdet for D2 .

[D2 ]
[D2 ]
i prøven og 𝑅D∗ 2 værenår 𝑇 → +∞. Vær klar over at distribusjonen av
[H2 ]
[H2 ]
isotoper blir vilkårlig ved 𝑇 → +∞.

Her lar vi 𝑅D2 væreA.3

Beregn ΔD2 med en naturlig forekomst av D når utbyttingen av isotoper er ved
likevekt ved den temperaturen som gjør at 𝐾 i ligning 4 er 0,300. Anta at den
naturlige forekomsten av D og H er 1.5576 × 10–4 og 1 − 1.5576 × 10–4 , respektivt.

10pt

Q2-4

IChO
NOR-2 C-2 Q-4

Norwegian (Norway)

Generelt øker molforholdet av den dobbelt substituerte isotopologen som har to atomer av den tunge
isotopen, ved lavere temperaturer. Vi ser på molforholdet for CO2 -molekyler med molekylmasse 44 og
47, som vi betegner CO2 [44] og CO2 [47] nedenfor. Størrelsen Δ47 er definert på følgende måte:[CO2 [47]][CO2 [47]]∗i prøven og 𝑅47
ernår 𝑇 → +∞. Den naturlige forekomsten av karbon og[CO2 [44]][CO2 [44]]oksygen er vist nedenfor. Se bort fra isotoper som ikke er i tabellen.

𝑅47 er12

Naturlig forekomst

16

Naturlig forekomst

C

13

0,988888

0,011112

C

O

17

O

18

0,997621

0,0003790

0,0020000

O

Δ47 er avhengig av temperaturen på følgende måte, hvor 𝑇 er den absolutte temperaturen oppgitt i K:

A.4

𝑅47 for et fossilt plankton som ble funnet på havbunnen ved Sydpolen, ble målttil 4.50865 × 10–5 . Estimer temperaturen ved å bruke denne verdien for . Denne
temperaturen kan tolkes som lufttemperaturen ved det tidspunktet planktonet
var levende. I beregningen skal du bare ta hensyn til den mest vanlige isotopologen av CO2 [47].

9pt

IChO
NOR-2 C-2 A-1

En tidskapsel for isotoper
A.1 (8 pt)

𝑇 →0∶𝐾=, 𝑇 → +∞ ∶ 𝐾 =A2-1
Norwegian (Norway)IChO
NOR-2 C-2 A-2

A.2 (8 pt)

Δ𝐻 =J mol−1

A2-2
Norwegian (Norway)IChO
NOR-2 C-2 A-3

A.3 (10 pt)

ΔD2 =

A2-3
Norwegian (Norway)IChO
NOR-2 C-2 A-4

A.4 (9 pt)

𝑇 =

K

A2-4
Norwegian (Norway)

NOR-2 C-3 C-1

NOR-2 C-3 C
Tina Kalleson

IChO
Problem 3
Cover sheet

Please return this cover sheet together with all the related question sheets.

Q3-1

IChO
NOR-2 C-3 Q-1

English (Official)

Lambert–Beer Law?
8 % of the total
Question

A.1

B.1

B.2

Total

Points

10

6

6

22

Score

In this problem, ignore the absorption of the cell and the solvent. The temperatures of all solutions andgases are kept constant at 25 °C.

Part A
An aqueous solution X was prepared using HA and NaA. The concentrations [A− ], [HA], and [H+ ] in solution X are 1.00 × 10−2 mol L−1 , 1.00 × 10−3 mol L−1 , and 1.00 × 10−4 mol L−1 , respectively, which arecorrelated via the following acid-base equilibrium:
HA ⇌ A− + H+

𝐾=

[A− ][H+ ]
[HA]

(1)

The optical path length is 𝑙 in Part A. Ignore the density change upon dilution. Assume that no chemical
reactions other than eq 1 occur.
A.1

The absorbance of X was 𝐴1 at a wavelength of 𝜆1 . Then, solution X was diluted
to twice its initial volume using hydrochloric acid with pH = 2.500. After the
dilution, the absorbance was still 𝐴1 at 𝜆1 . Determine the ratio 𝜀HA /𝜀A− , where𝜀HA and 𝜀A− represent the absorption coefficients of HA and of A− , respectively,at 𝜆1 .

10pt

Q3-2

IChO
NOR-2 C-3 Q-2English (Official)Part BLet us consider the following equilibrium in the gas phase.
D ⇌ 2M(2)

Pure gas D is filled into a cuboid container that has a transparent movable wall with a cross-section of 𝑆
(see the figure below) at a pressure 𝑃 , and equilibrium is established while the total pressure is kept at 𝑃 .
The absorbance of the gas is 𝐴 = 𝜀(𝑛/𝑉 )𝑙, where 𝜀, 𝑛, 𝑉 , and 𝑙 are the absorption coefficient, amount of
the gas in moles, volume of the gas, and optical path length, respectively. Assume that all componentsof the gas mixture behave as ideal gases.

Use the following definitions if necessary.
Initial state

After equilibrium

D

M

D

M

Partial pressure

𝑃

0

𝑝D

𝑝M

Amount in moles

𝑛0

0

𝑛D

𝑛M

Volume𝑉0

𝑉

B.1

The absorbance of the gas at 𝜆B1 measured from direction 𝑥 (𝑙 = 𝑙𝑥 ) was 𝐴B1
both at the initial state and after the equilibrium. Determine the ratio 𝜀D /𝜀M
at 𝜆B1 , where 𝜀D and 𝜀M represent the absorption coefficients of D and of M,
respectively.

6pt

B.2

The absorbance of the gas at 𝜆B2 measured from direction 𝑦 was 𝐴B2 both at
the initial state (𝑙 = 𝑙𝑦0 ) and after the equilibrium (𝑙 = 𝑙𝑦 ). Determine the ratio
𝜀D /𝜀M at 𝜆B2 .

6pt

Q3-1

IChO
NOR-2 C-3 Q-1

Norwegian (Norway)

Lambert-Beers lov?
8 % av totalen
Oppgave

A.1

B.1

B.2

Total

Poeng

10

6

6

22

Score

I denne oppgaven kan du se bort fra absorpsjon i cellen og løsemiddelet. Temperaturen til alle løsninger
og gasser holdes konstant lik 25 ºC.

Del A
En vandig løsning X ble laget av HA og NaA. Konsentrasjonen av [A− ], [HA], og [H+ ] i løsning X er
1.00 × 10−2 mol L−1 , 1.00 × 10−3 mol L−1 , og 1.00 × 10−4 mol L−1 , respektivt. Stoffene deltar i følgendesyre-base-likevekt:
HA ⇌ A− + H+

𝐾=

[A− ][H+ ]
[HA]

(1)

Den optiske veilengden er 𝑙 i del A. Se bort fra endringer i tetthet ved fortynning. Anta at det ikke skjer
andre kjemiske reaksjoner enn den i ligning 1.
A.1

Absorbansen til X var 𝐴1 ved bølgelengde 𝜆1 . Så blir løsningen X fortynnet til
dobbelt så stort volum ved hjelp av saltsyre med pH = 2,500. Etter fortynningenvar absorbansen fortsatt 𝐴1 ved 𝜆1 . Bestem forholdet 𝜀HA /𝜀A− , hvor 𝜀HA og 𝜀A−
representerer absorpsjonskoeffisienten til henholdsvis HA og A− , ved 𝜆1 .

10pt

Q3-2

IChO
NOR-2 C-3 Q-2Norwegian (Norway)

Del B
La oss betrakte følgende likevekt i gassfase.
D ⇌ 2M(2)

Ren gass D blir fylt i en beholder som er et rektangulært prisme, og som har en bevegelig vegg med
overflate 𝑆 (se figuren nedenfor). Trykket er 𝑃 , og likevekten innstiller seg mens totaltrykket hele tiden
holdes ved 𝑃 . Absorbansen til gassen er 𝐴 = 𝜀(𝑛/𝑉 )𝑙, hvor 𝜀, 𝑛, 𝑉 , og 𝑙 er henholdsvis absorpsjonskoeffisienten, stoffmengden gass i mol, volumet av gassen og den optiske veilengden. Anta at alle stoffene i
gassblandingen oppfører seg som ideelle gasser.

Bruk følgende definisjoner om nødvendig.
Ved start

Ved likevekt

D

M

D

M

Partielt trykk

𝑃

0

𝑝D

𝑝M

Stoffmengde i mol

𝑛0

0

𝑛D

𝑛M

Volum

𝑉0

𝑉

B.1

Absorbansen til gassen ved 𝜆B1 målt i retning 𝑥 (𝑙 = 𝑙𝑥 ) var 𝐴B1 både ved startog ved likevekt. Bestem forholdet 𝜀D /𝜀M ved 𝜆B1 , hvor 𝜀D og 𝜀M absorpsjonskoeffisienten til henholdsvis D og M.

6pt

B.2

Absorbansen til gassen ved 𝜆B2 målt i retning 𝑦 var 𝐴B2 både ved start (𝑙 = 𝑙𝑦0 )og ved likevekt (𝑙 = 𝑙𝑦 ). Bestem forholdet 𝜀D /𝜀M ved 𝜆B2 .

6pt

IChO
NOR-2 C-3 A-1

Lambert-Beers lov?
Del A
A.1 (10 pt)(Fortsetter på neste side)

A3-1
Norwegian (Norway)IChO
NOR-2 C-3 A-2

A.1 (cont.)

𝜀HA /𝜀A− =A3-2
Norwegian (Norway)IChO
NOR-2 C-3 A-3

Del B
B.1 (6 pt)

𝜀D /𝜀M =A3-3
Norwegian (Norway)IChO
NOR-2 C-3 A-4

B.2 (6 pt)

𝜀D /𝜀M =A3-4
Norwegian (Norway)

NOR-2 C-4 C-1

NOR-2 C-4 C
Tina Kalleson

IChO
Problem 4
Cover sheet

Please return this cover sheet together with all the related question sheets.

Q4-1

IChO
NOR-2 C-4 Q-1

English (Official)

The Redox Chemistry of Zinc
11 % of the total
Question

A.1

A.2

B.1

B.2

B.3

B.4

Total

Points

6

5

4

3

5

9

32

Score

Zinc has long been used as alloys for brass and steel materials. The zinc contained in industrial wastewater is separated by precipitation to detoxify the water, and the obtained precipitate is reduced to recoverand reuse it as metallic zinc.

Part AThe dissolution equilibrium of zinc hydroxide Zn(OH)2 (s) at 25 ∘ C and the relevant equilibrium constants
are given in eq. 1–4.

IChO
NOR-2 C-4 Q-2

Q4-2
English (Official)

The solubility, 𝑆, of zinc (concentration of zinc in a saturated aqueous solution) is given in eq. 5.

A.1

When the equilibria in eq. 1–4 are established, calculate the pH range
in which [Zn(OH)2 (aq)] is the greatest among [Zn2+ (aq)], [Zn(OH)2 (aq)] and[Zn(OH)2−
4 (aq)].

6pt

A.2

A saturated aqueous solution of Zn(OH)2 (s) with pH = 7.00 was prepared andfiltered. NaOH was added to this filtrate to increase its pH to 12.00. Calculate
the molar percentage of zinc that precipitates when increasing the pH from 7.00
to 12.00. Ignore the volume and temperature changes.

5ptPart B
Next, the recovered zinc hydroxide is heated to obtain zinc oxide according to the reaction below:

The zinc oxide is then reduced to metallic zinc by reaction with hydrogen:

B.1

In order for reaction (7) to proceed at a hydrogen pressure kept at 1 bar, it is necessary to reduce the partial pressure of the generated water vapor. Calculate
the upper limit for the partial pressure of water vapor to allow reaction (7)to proceed at 300 ∘ C. Here, the Gibbs formation energies of zinc oxide andwater vapor at 300 ∘ C and 1 bar for all gaseous species are Δ𝐺ZnO (300∘ C) =−2.90 × 102 kJ mol−1 and Δ𝐺H2 O (300∘ C) = −2.20 × 102 kJ mol−1 , respectively.

4pt

Metallic zinc is used as a negative electrode (anode) material for metal-air batteries. The electrode consists of Zn and ZnO. It uses the following redox reaction to generate electricity with the electromotive
force (e.m.f.) at 25 ∘ C and pressure of 1 bar, 𝐸 ∘ .

B.2

A zinc–air battery was discharged at 20 mA for 24 hours. Calculate the change
in mass of the negative electrode (anode) of the battery.

3pt

IChO
NOR-2 C-4 Q-3

Q4-3
English (Official)

Mt. Fuji
B.3

Consider the change of e.m.f. of a zinc–air battery depending on the environment. Calculate the e.m.f. at the summit of Mt. Fuji, where the temperature
and altitude are −38 ∘ C (February) and 3776 m, respectively. The atmosphericpressure is represented by

5pt

at altitude ℎ [m] and temperature 𝑇 [∘ C]. The molar ratio of oxygen in the atmosphere is 21%. The Gibbs energy change of reaction (8) is Δ𝐺ZnO (−38∘ C) =−3.26 × 102 kJ mol−1 at −38 ∘ C and 1 bar.
B.4

Calculate the Gibbs energy change for reaction (6) at 25 ∘ C. Note that the standard reduction potentials, 𝐸 ∘ (Zn/Zn2+ ) and 𝐸 ∘ (O2 /H2 O) at 25 ∘ C and 1 bar are
given as (10) and (11), respectively.

9pt

Q4-1

IChO
NOR-2 C-4 Q-1

Norwegian (Norway)

Redokskjemien til sink
11 % av totalen
Oppgave

A.1

A.2

B.1

B.2

B.3

B.4

Total

Poeng

6

5

4

3

5

9

32

Score

Sink har lenge blitt brukt i legeringer av messing og stål. Sink i avfallsvannet fra industrien blir fjernet
ved utfelling for å gjøre vannet ufarlig, og bunnfallet samles og og reduseres slik at man kan gjenbruke
sinkmetallet.

Del A
Likevekten for sinkhydroksid Zn(OH)2 (s) ved 25 ºC og de relevante likevektskonstantene er gitt i ligning
1-4.

IChO
NOR-2 C-4 Q-2

Q4-2
Norwegian (Norway)

Løseligheten, 𝑆, til sink (konsentrasjonen av sink i en mettet vandig løsning) er gitt i ligning 5.

A.1

Når alle likevektene i ligning 1-4 er innstilt, beregn det pH-intervallet hvor
[Zn(OH)2 (aq)] er størst blant [Zn2+ (aq)], [Zn(OH)2 (aq)] og [Zn(OH)2−
4 (aq)].

6pt

A.2

En mettet løsning av Zn(OH)2 (s) med pH = 7,00 ble laget og filtrert. NaOH bletilsatt til filtratet slik at pH økte til 12,00. Beregn molprosenten av sink som ble
felt ut når pH økte fra 7,00 til 12,00. Se bort fra endringer i volum og temperatur.

5pt

Del B
Så blir sinkhydroksid som man har fått dannet, varmet opp slik at det dannes sinkoksid etter følgende
ligning:Sinkoksid blir så redusert til metallisk sink i en reaksjon med hydrogen:

B.1

For at reaksjon (7) skal fortsette mens hydrogentrykket holdes ved 1 bar, er det
nødvendig å redusere partialtrykket av vanndampen som dannes. Beregn denøvre grensen for partialtrykket av vanndamp slik at reaksjon (7) fortsetter ved
300 ºC. Gibbs dannelsesenergien til sinkoksid og vanndamp ved 300 ºC og 1 barfor stoffene i gassfase er henholdsvis Δ𝐺ZnO (300∘ C) = −2.90 × 102 kJ mol−1 og
Δ𝐺H2 O (300∘ C) = −2.20 × 102 kJ mol−1 .

4pt

Metallisk sink blir brukt som negativ elektrode (anode) i metall-luft-batterier. Elektroden består av Zn og
ZnO. Den benytter følgende redoksreaksjon til å generere elektrisitet med en spenning, 𝐸 ∘ , (elektromotorisk spenning, e.m.f.) ved 25 ºC og 1 bar trykk.

B.2

Et sink-luft-batteri ble utladet med 20 mA i 24 timer. Beregn endringen i masse
til den negative elektroden (anoden) i batteriet.

3pt

IChO
NOR-2 C-4 Q-3

Q4-3
Norwegian (Norway)

Mt. Fuji
B.3

Vi skal se på hvordan spenningen til sink-luft-batteriet er avhengig av omgivelsene. Beregn spenningen (e.m.f.) på toppen av Fuji-fjellet hvor temperaturen
er −38 ∘ C (i februar) og høyden er 3776 m. Det atmosfæriske trykket er gitt ved

5pt

ved høyden ℎ [m] og temperaturen 𝑇 [∘ C]. Molprosenten av oksygen i atmosfæren er 21 %. Endringen i Gibbsenergien til reaksjon (8) er ved og 1 bar.
B.4

Beregn endringen i Gibbsenergi for reaksjon (6) ved 25 ºC. Standard reduksjonspotensial, 𝐸 ∘ (Zn/Zn2+ ) og 𝐸 ∘ (O2 /H2 O) ved 25 ∘ C og 1 bar er gitt i (10) og
(11).

9pt

IChO
NOR-2 C-4 A-1

Redokskjemien til sinkDel A
A.1 (6 pt)< pH <A4-1
Norwegian (Norway)IChO
NOR-2 C-4 A-2

A.2 (5 pt)%

A4-2
Norwegian (Norway)IChO
NOR-2 C-4 A-3

Del B
B.1 (4 pt)

bar

𝑝H2 O=
B.2 (3 pt)g

A4-3
Norwegian (Norway)IChO
NOR-2 C-4 A-4

B.3 (5 pt)

V

A4-4
Norwegian (Norway)IChO
NOR-2 C-4 A-5

B.4 (9 pt)

Δ𝐺∘ =J mol−1

A4-5
Norwegian (Norway)

NOR-2 C-5 C-1

NOR-2 C-5 C
Tina Kalleson

IChO
Problem 5
Cover sheet

Please return this cover sheet together with all the related question sheets.

Q5-1

IChO
NOR-2 C-5 Q-1

English (Official)

Mysterious Silicon
12 % of the total
Question

A.1

A.2

A.3

A.4

B.1

B.2

B.3

Total

Points

9

7

6

10

5

15

8

60

Score

Although silicon is also a group 14 element like carbon, their properties differ significantly.

Part A
Unlike the carbon–carbon triple bond, the silicon–silicon triple bond in a compound formulated as
R1 –Si ≡ Si–R1 (R: organic substituent) is extremely reactive. For example, it reacts with ethylene to forma cyclic product that contains a four-membered ring.

When R1 –Si ≡ Si–R1 is treated with an alkyne (R2 –C ≡ C–R2 ), the four-membered-ring compound A is
formed as an initial intermediate. Further reaction of another molecule of R2 –C ≡ C–R2 with A affords
isomers B and C, both of which have benzene-like cyclic conjugated structures, so-called ‘disilabenzenes’
that contain a six-membered ring and can be formulated as (R1 –Si)2 (R2 –C)4 .

IChO
NOR-2 C-5 Q-2

Q5-2
English (Official)

The 13 C NMR analysis of the corresponding six-membered ring skeletons Si2 C4 shows two signals for B
and one signal for C.
A.1

Draw the structural formulae of A, B, and C using R1 , R2 , Si, and C, with one ofthe possible resonance structures.

9pt

A.2

Calculate the aromatic stabilization energy (ASE) for benzene and C (in the caseof R1 = R2 = H) as positive values, considering the enthalpy change in somehydrogenation reactions of unsaturated systems shown below (Fig. 1).

7pt

Fig. 1

Q5-3

IChO
NOR-2 C-5 Q-3English (Official)

When a xylene solution of C is heated, it undergoes isomerization to give an equilibrium mixture ofcompounds D and E. The molar ratio is D : E = 1 : 40.0 at 50.0 ˚C and D : E = 1 : 20.0 at 120.0 ˚C.
Calculate Δ𝐻 for the transformation of D to E. Assume that Δ𝐻 does not depend on temperature.

A.3

6pt

The isomerization from C to D and to E proceeds via transformations of 𝜋-bonds into 𝜎-bonds without
breaking any 𝜎-bonds. A 13 C NMR analysis revealed one signal for the Si2 C4 skeleton of D and two signals
for that of E. The skeleton of D does not contain any three-membered rings, while E has two threemembered rings that share an edge.

Draw the structural formulae of D and E using R1 , R2 , Si, and C.

A.4

10pt

Part B
Silicon is able to form highly coordinated compounds (> four substituents) with electronegative elements
such as fluorine. As metal fluorides are often used as fluorination reagents, highly coordinated silicon
fluorides also act as fluorination reagents.
The fluorination reaction of CCl4 using Na2 SiF6 was carried out as follows.
• Standardization of Na2 SiF6 solution :· Preparation
Aqueous solution F: 0.855 g of Na2 SiF6 (188.053 g mol–1 ) dissolved in water (total volume: 200 mL).
Aqueous solution G: 6.86 g of Ce2 (SO4 )3 (568.424 g mol–1 ) dissolved in water (total volume: 200 mL).
· Procedure
Precipitation titration of a solution F (50.0 mL) by dropwise adding solution G in the presence of xylenol
orange, which coordinates to Ce3+ , as an indicator. After adding 18.8 mL of solution G, the color of thesolution changes from yellow to magenta. The generated precipitate is a binary compound that contains
Ce3+ , and the only resulting silicon compound is Si(OH)4 .
B.1

Write the balanced equation for the reaction of Na2 SiF6 with Ce2 (SO4 )3 .

5pt

• Reaction of CCl4 with Na2 SiF6 :(Substance losses by e.g. evaporation are negligible during the following operations.)
Na2 SiF6 (𝑥 [g]) was added to CCl4 (500.0 g) and heated to 300˚C in a sealed pressure-resistant reaction
vessel. The unreacted Na2 SiF6 and generated NaCl were removed by filtration. The filtrate was diluted
to a total volume of 1.00 L with CCl4 (solution H). The 29 Si and 19 F NMR spectra of solution H showed SiF4
as the only silicon compound. In the 19 F NMR spectrum, in addition to SiF4 , signals corresponding to
CFCl3 , CF2 Cl2 , CF3 Cl, and CF4 were observed (cf. Table 1). The integration ratios in the 19 F NMR spectrum
are proportional to the number of fluorine nuclei.
Table 119

F NMR data

CFCl3

CF2 Cl2

CF3 Cl

CF4Integration ratio

45.0

65.0

18.0

2.0

IChO
NOR-2 C-5 Q-4

Q5-4
English (Official)

SiF4 is hydrolyzed to form H2 SiF6 according to the following eq. 8:

Solution H (10 mL) was added to an excess amount of water, which resulted in the complete hydrolysis of
SiF4 . After separation, the H2 SiF6 generated from the hydrolysis in the aqueous solution was neutralized
and completely converted to Na2 SiF6 (aqueous solution J).
The precipitate of unreacted Na2 SiF6 and NaCl, which was removed by filtration in the initial step (underlined), was completely dissolved in water to give an aqueous solution (solution K; 10.0 L).
Then, additional precipitation titrations using solution G were carried out, and the endpoints of the titrations with G were as follows:·For solution J (entire amount): 61.6 mL.
·For 100 mL of solution K: 44.4 mL.
It should be noted here that the coexistence of NaCl or SiO2 has no effect on the precipitation titration.
B.2

Calculate the mass of the NaCl produced in the reaction vessel (information
underlined), and calculate the mass (𝑥 [g]) of the Na2 SiF6 used as a starting
material.

15pt

B.3

77.8% of the CCl4 used as a starting material was unreacted. Calculate the massof CF3 Cl generated.

8pt

Q5-1

IChO
NOR-2 C-5 Q-1

Norwegian (Norway)

Mystisk silisium
12 % av totalen
Oppgave

A.1

A.2

A.3

A.4

B.1

B.2

B.3

Total

Poeng

9

7

6

10

5

15

8

60

Score

Selv om silisium også er i gruppe 14 sammen med grunnstoffet karbon, er egenskapene svært forskjellige.

Del A
Til forskjell fra en karbon-karbon trippelbinding, er silisium-silisium trippelbindingen, R1 –Si ≡ Si–R1 (R:en organisk substituent) ekstremt reaktiv. For eksempel reagerer den med eten (etylen) og danner etsyklisk produkt som inneholder er ring med fire atomer.

Når R1 –Si ≡ Si–R1 reagerer med et alkyn (R2 –C ≡ C–R2 ), dannes først en ring med fire atomer, forbindelseA, som et mellomprodukt. A reagerer videre med et nytt molekyl R2 –C ≡ C–R2 og gir de to isomerene B og
C; begge disse har en benzen-lignende syklisk, konjugert struktur, såkalt ’disilabenzen’, som inneholder

IChO
NOR-2 C-5 Q-2

Q5-2
Norwegian (Norway)

en ring med seks atomer, og som kan skrives slik (R1 –Si)2 (R2 –C)4 .

13

C-NMR analyse for ringen med seks atomer, Si2 C4 , viser to signaler for forbindelse B og ett signal forC.
A.1

Tegn strukturformel for A, B og C ved å bruke R1 , R2 , Si, og C, for en av de mulige
resonansstrukturene.

9pt

A.2

Beregn den aromatiske stabiliseringsenergien (ASE) for benzen og C (for tilfellet
R1 = R2 = H) som positive verdier, når du tar hensyn til entalpiendringene inoen av hydrogeneringsreaksjonene for umettede systemer vist nedenfor (Fig.
1).

7pt

Fig. 1

Q5-3

IChO
NOR-2 C-5 Q-3Norwegian (Norway)Når en løsning av C i xylen varmes opp, skjer det en isomerisering som gir en likevekt av de to forbindelsene D og E. Molforholdet er D : E = 1 : 40,0 ved 50,0 ˚C og D : E = 1 : 20,0 ved 120,0 ˚C.
Beregn Δ𝐻 for omdannelsen fra D til E. Anta at Δ𝐻 ikke er avhengig av temperatur.

A.3

6pt

Isomeriseringen fra C til D og E går gjennom en transformering av 𝜋-bindinger til 𝜎-bindinger uten å
bryte noen 𝜎-bindinger. 13 C-NMR analyse viser ett signal for Si2 C4 -skjelettet til D og to signaler for E.
Skjelettet til D inneholder ikke noen ringer med tre atomer, mens E inneholder to ringer med tre atomer,
og ringene har en felles kant.
Tegn strukturformelen til D og E ved å bruke R1 , R2 , Si og C.

A.4

10pt

Del B
Silisium kan danne forbindelser med høyt koordinasjonstall (> fire substituenter) med elektronegative
grunnstoffer som fluor. Metallfluorider brukes ofte som reagens i fluoreringsreaksjoner. Silisiumfluorider med høyt koordinasjonstall kan også brukes i slike reaksjoner.
Fluorering av CCl4 ved hjelp av Na2 SiF6 ble gjort på følgende måte.
• Standardisering av Na2 SiF6 -løsning:
Tillaging
Vandig løsning F: 0,855 g Na2 SiF6 (188,053 g mol–1 ) ble løst i vann (Totalvolum: 200 mL).
Vandig løsning G: 6,86 g Ce2 (SO4 )3 (568,424 g mol–1 ) ble løst i vann (Totalvolum: 200 mL).
Fremgangsmåte
Fellingstitrering med løsning F (50,0 mL) ved dråpevis tilsetting av løsning G med xylenol-oransj, som
koordinerer til Ce3+ , som indikator. Etter tilsetting av 18,8 mL av løsning G, endret løsningen farge fra
gul til magenta. Bunnfallet som dannes er et binært stoff som inneholder Ce3+ , og det eneste produktet
med silisium er Si(OH)4 .
B.1

5pt

Skriv balansert ligning for reaksjonen mellom Na2 SiF6 og Ce2 (SO4 )3 .

• Reaksjon mellom CCl4 og Na2 SiF6 :(Massetap, f. eks. ved fordampning kan neglisjeres i de neste trinnene.)
Na2 SiF6 (𝑥 [g]) ble tilsatt til CCl4 (500,0 g) og varmet opp til 300 ºC i en forseglet, trykksikker beholder.
Ureagert Na2 SiF6 og det dannede NaCl ble fjernet ved filtrering. Filtratet ble fortynnet til et totalvolum på
1,00 L med CCl4 (løsning H). 29 Si- og 19 F-NMR-spektre av løsning H viser at SiF4 er det eneste stoffet med
sillisium. 19 F-NMR-spektret, viser i tillegg til SiF4 , signaler som stemmer med CFCl3 , CF2 Cl2 , CF3 Cl, og CF4(jf. Table 1). Forholdet mellom integralene i 19 F-NMR-spekteret er proporsjonalt til antall fluor-kjerner.
Table 119

F NMR data

Forholdet mellom integralene

CFCl3

CF2 Cl2

CF3 Cl

CF4

45.0

65.0

18.0

2.0

IChO
NOR-2 C-5 Q-4

Q5-4
Norwegian (Norway)

SiF4 blir hydrolysert til H2 SiF6 slik det er vist i ligning 8:

Løsning H (10 mL) ble helt oppi et overskudd av vann, slik at SiF4 ble fullstendig hydrolysert. Etter separasjon, ble H2 SiF6 fra hydrolysen nøytralisert og fullstendig omdannet til Na2 SiF6 (vandig løsning J).
Bunnfallet av ureagert Na2 SiF6 og NaCl, som ble fjernet i filtreringen i det første trinnet (understreket),ble fullstendig løst i vann, og gav en vandig løsning (løsning K; 10,0 L).
Flere fellingstitreringer med løsning G ble gjennomført, og ekvivalenspunktet (endepunktet) for titreringen med G var som følger:• For løsning J (hele volumet): 61,6 mL.
• For 100 mL av løsning K: 44,4 mL.
Merk deg at tilstedeværelsen av NaCl og SiO2 ikke påvirker fellingstitreringen.
B.2

Beregn massen av NaCl som dannes i reaksjonsbeholderen (understreket informasjon), og beregn massen ( 𝑥 [g]) av Na2 SiF6 som ble brukt som startmateriale.

15pt

B.3

77,8 % av den mengden CCl4 som ble brukt som startmateriale var ureagert.
Beregn massen av CF3 Cl som ble dannet.

8pt

IChO

A5-1

NOR-2 C-5 A-1

Norwegian (Norway)

Mystisk silisium
Del A
A.1 (9 pt)
A (3 pt)

B (3 pt)

C (3 pt)

A.2 (7 pt)

C6 H6 ∶

kJ mol–1 , C ∶kJ mol–1

IChO
NOR-2 C-5 A-2

A.3 (6 pt)

kJ mol–1

Δ𝐻 =A.4 (10 pt)
D (5 pt)

E (5 pt)

A5-2
Norwegian (Norway)IChO
NOR-2 C-5 A-3

Del B
B.1 (5 pt)

B.2 (15 pt)(Fortsetter på neste side)

A5-3
Norwegian (Norway)IChO
NOR-2 C-5 A-4

B.2 (cont.)

NaCl ∶

g, Na2 SiF6 ∶g

A5-4
Norwegian (Norway)IChO
NOR-2 C-5 A-5

B.3 (8 pt)

CF3 Cl ∶g

A5-5
Norwegian (Norway)

NOR-2 C-6 C-1

NOR-2 C-6 C
Tina Kalleson

IChO
Problem 6
Cover sheet

Please return this cover sheet together with all the related question sheets.

Q6-1

IChO
NOR-2 C-6 Q-1

English (Official)

The Solid-State Chemistry of Transition Metals
13 % of the total
Question

A.1

A.2

A.3

B.1

B.2

B.3

B.4

C.1

C.2

C.3

Total

Points

6

3

3

6

4

4

4

5

5

5

45

Score

Volcano at Sakurajima island

Part A
Japan is one of the countries with the highest numbers of volcanos worldwide. When silicate minerals
crystallize from magma, a part of the transition-metal ions (Mn+ ) in the magma is incorporated into thesilicate minerals. The Mn+ studied in the problem are coordinated by oxide ions (O2− ) and adopt a fourcoordinate tetrahedral (𝑇d ) geometry in the magma and six-coordinate octahedral (𝑂h ) geometry in thesilicate minerals, both of which exhibit a high-spin electron configuration. The distribution coefficient of
Mn+ between the silicate minerals and magma, 𝐷, can be expressed by:where [M]s and [M]l are the concentrations of Mn+ in the silicate minerals and the magma, respectively.
The table below shows the 𝐷 values of Cr2+ and Mn2+ as examples.

IChO
NOR-2 C-6 Q-2

Q6-2
English (Official)

Let ΔO and CFSEO be the energy separation of the d-orbitals of Mn+ and the crystal-field stabilizationenergy in a 𝑂h field, respectively. Let ΔT and CFSET be those in a 𝑇d field.
A.1

Calculate |CFSEO −CFSET | = ΔCFSE in terms of ΔO for Cr2+ , Mn2+ , and Co2+ ;assume ΔT = 4/9ΔO .

6pt

A.2

A linear relationship is observed by plotting ln𝐷 against ΔCFSE / ΔO in the Cartesian coordinate system shown below.
Estimate 𝐷 for Co2+ .

3pt

Metal oxides MO (M: Ca, Ti, V, Mn, or Co) crystallize in a rock-salt structure wherein the Mn+ adopts an 𝑂hgeometry with a high-spin electron configuration. The lattice enthalpy of these oxides is mainly governedby the Coulomb interactions based on the radius and charge of the ions and some contributions fromthe CFSE of Mn+ in the 𝑂h field.
A.3

Choose the appropriate set of lattice enthalpies [kJ mol−1 ] from one of the options (a) to (f).

3pt

IChO
NOR-2 C-6 Q-3

Q6-3
English (Official)Part B
A mixed oxide A, which contains La3+ and Cu2+ , crystallizes in a tetragonal unit cell shown in Fig.1. In the[CuO6 ] octahedron, the Cu–O length along the z-axis (𝑙𝑧 ) is longer than that of the x-axis (𝑙𝑥 ), and [CuO6 ]is distorted from the regular 𝑂h geometry. This distortion removes the degeneracy of the eg orbitals(d𝑥2 −𝑦2 and d𝑧2 ).

Fig. 1
A can be synthesized by thermal decomposition (pyrolysis) of complex B, which is formed by mixing metal
chlorides in dilute aqueous ammonia solution containing squaric acid C4 H2 O4 , i.e., a diacid. The pyrolysis
behavior of B in dry air shows a weight loss of 29.1% up to 200 °C due to the loss of crystallization water,
followed by another weight loss up to 700 °C due to the release of CO2 . The total weight loss during theformation of A from B is 63.6%. It should be noted that only water and CO2 are released in the pyrolysis
reaction.
B.1

Write the chemical formulae for A and B.

6pt

B.2

Calculate 𝑙𝑥 and 𝑙𝑧 using Fig. 1.

4pt

B.3

For Cu2+ in the distorted [CuO6 ] octahedron in A of Fig. 1, write the names of the
split eg orbitals (d𝑥2 −𝑦2 and d𝑧2 ) in (i) and (ii), and draw the electron configurationin the dotted box in your answer sheet.

4pt

Q6-4

IChO
NOR-2 C-6 Q-4English (Official)

A is an insulator. When one La3+ is substituted with one Sr2+ , one hole is generated in the crystal latticethat can conduct electricity. As a result, the Sr2+ -doped A shows superconductivity below 38 K. When asubstitution reaction took place for A, 2.05 × 1027 holes m−3 were generated.
B.4

Calculate the percentage of Sr2+ substituted for La3+ based on the mole ratio
in the substitution reaction. Note that the valences of the constituent ions andthe crystal structure are not altered by the substitution reaction.

4pt

Part C−2+

Cu2 (CH3 CO2 )4 is composed of four CH3 CO2 coordinated to two Cu (Fig. 2A). Cu2 (CH3 CO2 )4 exhibits−high levels of structural symmetry, with two axes passing through the carbon atoms of the four CH3 CO2
2+
and an axis passing through the two Cu , all of which are oriented orthogonal relative to each other.
−
When a dicarboxylate ligand is used instead of CH3 CO2 , a “cage complex” is formed. The cage com2+
L1
plex Cu4 (L1L1)4 is composed of planar dicarboxylate L1 (Fig. 2B) and Cu (Fig. 2C). The angle θ between
the coordination directions of the two carboxylates, indicated by the arrows in Fig. 2B, determines the
structure of the cage complex. The θ is 0° for L1. Note that hydrogen atoms are not shown in Fig. 2.

Fig. 2IChO
NOR-2 C-6 Q-5

C.1

Q6-5
English (Official)

The θ of the planar dicarboxylate L2 below is fixed to 90˚. If the composition
2+
L2of the cage complex formed from L2 and Cu is Cu𝑛 (L2L2)𝑚 , give the smallest−
integer combination of n and m. Assume that only the CO2 groups of L2 form2+
a coordination bond to Cu ions.

5pt

Q6-6

IChO
NOR-2 C-6 Q-6English (Official)

2+−

A zinc complex, Zn4 O(CH3 CO2 )6 , contains four tetrahedral Zn , six CH3 CO2 , and one O2− (Fig. 3A). In
Zn4 O(CH3 CO2 )6 , the O2− is located at the origin, and the three axes passing through the carbon atoms of−
CH3 CO2 are oriented orthogonal relative to each other. When p-benzenedicarboxylate (Fig. 3B, L3, θ =−2+180°) is used instead of CH3 CO2 , the Zn clusters are linked to each other to form a crystalline solid (X)L3that is called a “porous coordination polymer” (Fig. 3C). The composition of X is [Zn4 O(L3L3)3 ]𝑛 , and it hasa cubic crystal structure with nano-sized pores. One pore is represented as a sphere in Fig. 3D, and each2+
tetrahedral Zn is represented as dark gray polyhedron in Fig. 3C and 3D. Note that hydrogen atoms
are not shown in Fig. 3.

Fig. 3
C.2

X has a cubic unit cell with a side length of 𝑎 (Fig. 3C) and a density of 0.592
g cm−3 . Calculate 𝑎 in [cm].

5pt

C.3

X contains a considerable number of pores, and 1 g of X can accommodate
3.0 × 102 mL of CO2 gas in the pores at 1 bar and 25 °C. Calculate the average
number of CO2 molecules per pore.

5pt

Q6-1

IChO
NOR-2 C-6 Q-1

Norwegian (Norway)

Kjemien til innskuddsmetallene i fast fase
13 % av totalen
Oppgave

A.1

A.2

A.3

B.1

B.2

B.3

B.4

C.1

C.2

C.3

Total

Poeng

6

3

3

6

4

4

4

5

5

5

45

Score

Vulkan på Sakurajima-øya

Del A
Japan er et av landene i verden med flest vulkaner. Når silikatmineraler krystalliserer fra magma, blir endel ioner av innskuddsmetaller (Mn+ ) i magma inkorporert i silikatmineralene. De Mn+ vi ser på i denne oppgaver er koordinert til oksidioner (O2− ) og har fire-koordinert tetrahedral (𝑇d ) geometri i magmaog seks-koordinert oktahedral (𝑂h ) geometri i silikatmineralene. I begge tilfeller med høy-spinn elektronkonfigurasjon. Fordelingskoeffisienten til Mn+ mellom silikatmineraler og magma, 𝐷, kan uttrykkes
slik:

hvor [M]s og [M]l er konsentrasjonen av Mn+ i henholdsvis silikatmineraler og magma. Tabellen underviser verdier for 𝐷 for Cr2+ og Mn2+ som eksempler.

IChO
NOR-2 C-6 Q-2

Q6-2
Norwegian (Norway)

La ΔO være energiforskjellen mellom d-orbitalene i Mn+ og CFSEO være krystallfeltstabiliseringsenergieni et 𝑂h -felt. La ΔT og CFSET være tilsvarende verdier for et 𝑇d -felt.
A.1

Beregn |CFSEO −CFSET | = ΔCFSE som en funksjon av ΔO for Cr2+ , Mn2+ , andCo2+ ;
anta ΔT = 4/9ΔO .

6pt

A.2

En lineær sammenheng blir tydelig når vi plotter ln 𝐷 mot ΔCFSE / ΔO i koordinatsystemet nedenfor.
Estimer 𝐷 for Co2+ .

3pt

Metalloksider MO (M: Ca, Ti, V, Mn, eller Co) krystalliserer i steinsalt-struktur hvor Mn+ får en 𝑂h -geometri
med høyspinn elektronkonfigurasjon. Gitterentalpien for disse oksidene er hovedsakelig bestemt av
coulomb-interaksjonene basert på radius og ladning for ionene, og noe bidrag fra CFSE til Mn+ i 𝑂h -feltet.
A.3

Velg den riktige kombinasjonen av gitterentalpier [kJ mol−1 ] fra alternativene(a) til (f).

3pt

IChO
NOR-2 C-6 Q-3

Q6-3
Norwegian (Norway)

Del B
Et blandet oksid, A, som inneholder La3+ og Cu2+ , krystalliserer i en tetragonal enhetscelle vist i Fig.
1. I [CuO6 ]-oktahederet, er Cu-O lengden langs z-aksen (𝑙𝑧 ) lengre enn langs x-aksen (𝑙𝑥 ), og [CuO6 ] blir
fordreid (distorted) fra den regulære 𝑂h -geometrien. Denne fordreielsen (distortion) gjør at eg -orbitalene(d𝑥2 −𝑦2 og d𝑧2 ) ikke lenger er degenererte.

Fig. 1
A kan syntetiseres ved termisk dekomponering (pyrolyse) av kompleks B, som blir dannet ved å blande
metallklorider i fortynnet ammoniakk blandet med squaric acid (kvadratsyre) C4 H2 O4 , altså en disyre.
Når B pyrolyserer i tørr luft, skjer det først et massetap på 29,1 % opp til 200 ºC fordi krystallvannet
fordamper; deretter skjer et nytt massetap opp til 700 ºC fordi det frigjøres CO2 . Det totale massetapetnår A dannes fra B er 63,6 %. Det er bare vann og CO2 som frigjøres i pyrolysereaksjonen.
B.1

Skriv kjemisk formel for A og B.

6pt

B.2

Beregn 𝑙𝑥 og 𝑙𝑧 ved hjelp av Fig. 1.

4pt

B.3

For i det fordreide [CuO6 ]-oktahederet i A i Fig. 1, skriv navnet på de splittede
eg -orbitalene (d𝑥2 −𝑦2 og d𝑧2 ) i (i) og (ii), og tegn elektronkonfigurasjonen i den
stiplede boksen på svararket.

4pt

IChO
NOR-2 C-6 Q-4

Q6-4
Norwegian (Norway)

A er isolerende. Når en La3+ blir substituert med en Sr2+ , dannes det et hull i krystallgitteret som nå kan
lede strøm. Som et resultat, er Sr2+ -dopet A superledende under 38 K. Når man gjorde denne substitusjonsreaksjonen for A, ble det dannet 2.05 × 1027 hull m−3 .
B.4

Beregn prosentandelen Sr2+ som har substituert La3+ basert på molforholdet
i substitusjonsreaksjonen. Valensen til ionene som deltar og krystallstrukturen
blir ikke endret i substitusjonsreaksjonen.

4pt

Del C
−

2+

Cu2 (CH3 CO2 )4 består av fire CH3 CO2 koordinert til to Cu (Fig. 2A). Cu2 (CH3 CO2 )4 har stor grad av struk−
tursymmetri, med to akser som går gjennom karbonatomene på de fire CH3 CO2 og en akse som går
2+gjennom de to Cu . Alle aksene står vinkelrett på hverandre. Når en dikarboksylat brukes som ligand−
L1
istedenfor CH3 CO2 , dannes et ”bur”-kompleks. Bur-komplekset Cu4 (L1L1)4 består av det plane dikarbok2+
sylatet L1 (Fig. 2B) og Cu (Fig. 2C). Vinkelen θ mellom koordinasjonsretningene til de to karboksylatene,
vist med piler i Fig. 2B, bestemmer strukturen til bur-komplekset. Vinkelen θ er 0º for L1. Legg merke tilat hydrogenatomene ikke er vist i Fig. 2.

Fig. 2IChO
NOR-2 C-6 Q-5

C.1

Q6-5
Norwegian (Norway)

Vinkelen θ til det plane dikarboksylatet L2 nedenfor er låst til 90º. Hvis sammen2+
L2
setningen av bur-komplekset som dannes av L2 og Cu er Cu𝑛 (L2L2) , oppgi den− 𝑚minste heltallige kombinasjonen av n og m. Anta at bare CO2 -gruppene i L22+
danner koordinerende bindinger til Cu -ionene.

5pt

Q6-6

IChO
NOR-2 C-6 Q-6Norwegian (Norway)

2+−

Et sinkkompleks, Zn4 O(CH3 CO2 )6 , består av fire tetrahedrale Zn , seks CH3 CO2 , og ett O2− (Fig.
3A). I Zn4 O(CH3 CO2 )6 er O2− plassert i origo, og de tre aksene som passer gjennom karbonatomene−
i CH3 CO2 står vinkelrett på hverandre. Når p-benzendikarboksylat (Fig. 3B, L3, θ = 180º) blir brukt−
2+
istedenfor CH3 CO2 , blir Zn -klusterne koblet til hverandre og danner et krystallinsk, fast stoff (X) som
L3kalles en ”porøs koordinasjonspolymer” (Fig. 3C). Sammensetningen til X er [Zn4 O(L3L3)3 ]𝑛 , og stoffet haren kubisk krystallstruktur med porer i nano-størrelse. Én pore er representert med en kule i Fig. 3D, og
2+hver tetrahedral Zn er representert med et mørk grå polyheder i Fig. 3C og 3D. Hydrogene er ikke
tegnet i Fig. 3.

Fig. 3
C.2

X har en kubisk enhetscelle med sidelengde 𝑎 (Fig. 3C) og en tetthet på 0,592
g cm−3 . Beregn 𝑎 i [cm].

5pt

C.3

X inneholder en stor mengde porer, og 1 g X kan inneholde 3.0 × 102 mL CO2 gass i porene ved 1 bar og 25 ºC. Beregn det gjennomsnittlige antallet CO2 molekyler per pore.

5pt

IChO
NOR-2 C-6 A-1

A6-1
Norwegian (Norway)

Kjemien til innskuddsmetallene i fast fase
Del A
A.1 (6 pt)

Cr2+ ∶ΔO , Mn2+ ∶ΔO , Co2+ ∶

ΔO

IChO
NOR-2 C-6 A-2

A.2 (3 pt)

𝐷∶

A.3 (3 pt)

A6-2
Norwegian (Norway)

IChO

A6-3

NOR-2 C-6 A-3

Norwegian (Norway)

Del B
B.1 (6 pt)

A∶

,B∶

B.2 (4 pt)

𝑙𝑥 =nm, 𝑙𝑧 =nm

IChO
NOR-2 C-6 A-4

B.3 (4 pt), (ii) ∶(i) ∶B.4 (4 pt)%

A6-4
Norwegian (Norway)IChO
NOR-2 C-6 A-5

Del C
C.1 (5 pt)𝑛=,𝑚=

C.2 (5 pt)

𝑎=

cm

A6-5
Norwegian (Norway)IChO
NOR-2 C-6 A-6

C.3 (5 pt)

A6-6
Norwegian (Norway)

NOR-2 C-7 C-1

NOR-2 C-7 C
Tina Kalleson

IChO
Problem 7
Cover sheet

Please return this cover sheet together with all the related question sheets.

Q7-1

IChO
NOR-2 C-7 Q-1

English (Official)

Playing with Non-benzenoid Aromaticity
13 % of the total
Question

A.1

A.2

A.3

B.1

Total

Points

5

2

19

10

36

Score

Prof. Nozoe (1902–1996) opened the research field of non-benzenoid aromatic compounds, which are
now ubiquitous in organic chemistry.

Photo courtesy: Tohoku Univ.

Part A
Lineariifolianone is a natural product with a unique structure, which was isolated from Inula linariifolia.
From valencene (1), a one-step conversion yields 2, before a three-step conversion via 3 yields ketone 4.
Eremophilene (5) is converted into 6 by performing the same four-step conversion.

IChO
NOR-2 C-7 Q-2

Q7-2
English (Official)

Inula linariifolia

A.1

Draw the structures of 2 and 6 and clearly identify the stereochemistry where
necessary.

5pt

Then, ketone 4 is converted into ester 15. Compound 8 (molecular weight: 188) retains all the stereocenters in 7. Compounds 9 and 10 have five stereocenters and no carbon-carbon double bonds. Assume

IChO
NOR-2 C-7 Q-3

Q7-3
English (Official)that H2 18 O is used instead of H2 16 O for the synthesis of 18 O-labelled-lineariifolianones 13 and 14 from 11
and 12, respectively. Compounds 13 and 14 are 18 O-labelled isotopomers. Ignoring isotopic labelling,both 13 and 14 provide the same product 15 with identical stereochemistry.

IChO
NOR-2 C-7 Q-4

Q7-4
English (Official)

A.2

Choose the appropriate structure for A.

2pt

A.3

Draw the structures of 8–14 and clearly identify the stereochemistry where necessary. Also, indicate the introduced 18 O atoms for 13 and 14 as shown in theexample below.

19pt

IChO
NOR-2 C-7 Q-5

Q7-5
English (Official)Part B
Compound 19 is synthesized as shown below. In relation to non-benzenoid aromaticity, 19 can be used
as an activator for alcohols, and 20 was converted to 22 via ion-pair intermediate 21. Although theformation of 21 was observed by NMR, 21 gradually decomposes to give 18 and 22.

B.1

Draw the structures of 17–19 and 21. Identifying the stereochemistry is notnecessary.

10pt

Q7-1

IChO
NOR-2 C-7 Q-1

Norwegian (Norway)

Lek med ikke-benzenoid aromatisitet
13 % av totalen
Oppgave

A.1

A.2

A.3

B.1

Total

Poeng

5

2

19

10

36

Score

Professor Nozoe (1902-1996) started forskningen på ikke-benzenoide aromatiske forbindelser, stoffer
som i dag er sentrale i organisk kjemi.

Rettigheter: Universitetet i Tohoku

Del A
Lineariifolianone er et naturprodukt med en unik struktur. Stoffet ble isolert fra Inula linariifolia. Fra
valencene (1), kan man i ett trinn danne 2, før en tretrinns reaksjon via 3 gir ketonet 4. Eremophilene(5) blir omdannet til 6 gjennom de samme fire trinnene.

IChO
NOR-2 C-7 Q-2

Q7-2
Norwegian (Norway)

Inula linariifolia

A.1

Tegn strukturen til 2 og 6 og marker stereokjemien tydelig der det er nødvendig.

5pt

Så blir keton 4 omdannet til ester 15. Forbindelse 8 (molar masse: 188) beholder alle stereosenterne i 7.
Forbindelse 9 og 10 har fem stereosentre og ingen karbon-karbon dobbeltbindinger. Anta at H2 18 O blirIChO
NOR-2 C-7 Q-3

Q7-3
Norwegian (Norway)

brukt istedenfor H2 16 O for å syntetisere 18 O-merket lineariifolianonene 13 og 14 fra henholdsvis 11 og
12. Forbindelsene 13 og 14 er 18 O-merkede isotopomerer. Bortsett fra isotopmerkingen gir både 13 og
14 det samme produktet 15 med identisk stereokjemi.

IChO
NOR-2 C-7 Q-4

Q7-4
Norwegian (Norway)

A.2

Velg den riktige strukturen for A.

2pt

A.3

Tegn strukturene 8-14 og marker stereokjemien tydelig der det er nødvendig.
Marker også 18 O-atomene i forbindelse 13 og 14 slik det er vist i eksemplet
under.

19pt

IChO
NOR-2 C-7 Q-5

Q7-5
Norwegian (Norway)

Del B
Forbindelse 19 blir syntetisert som vist under. I sammenheng med ikke-benzenoid aromatisitet, kan 19
bli brukt som en aktivator for alkoholer, og 20 ble omdannet til 22 via mellomproduktet 21 som er etione-par. Selv om dannelsen av 21 kan bli observert med NMR, vil 21 gradvise dekomponere og gi 18 og
22.

B.1

Tegn strukturen til 17-19 og 21. Du trenger ikke å tegne stereokjemi.

10pt

IChO
NOR-2 C-7 A-1

Lek med ikke-benzenoid aromatisitet
Del A
A.1 (5 pt)
2 (2 pt)

A.2 (2 pt)

6 (3 pt)

A7-1
Norwegian (Norway)IChO
NOR-2 C-7 A-2

A.3 (19 pt)

A7-2
Norwegian (Norway)IChO
NOR-2 C-7 A-3

Del B
B.1 (10 pt)
17 (2 pt)

18 (2 pt)

19 (3 pt)

21 (3 pt)

A7-3
Norwegian (Norway)

NOR-2 C-8 C-1

NOR-2 C-8 C
Tina Kalleson

IChO
Problem 8
Cover sheet

Please return this cover sheet together with all the related question sheets.

Q8-1

IChO
NOR-2 C-8 Q-1

English (Official)

Dynamic Organic Molecules and Their Chirality
11 % of the total
Question

A.1

A.2

A.3

B.1

B.2

Total

Points

9

3

7

3

4

26

Score

Part A
Polycyclic aromatic hydrocarbons with successive ortho-connections are called [n]carbohelicenes (here,n represents the number of six-membered rings) (see below). [4]Carbohelicene ([4]C) is efficiently prepared by a route using a photoreaction as shown below, via an intermediate (Int.) that is readily oxidized
by iodine.

The photoreaction proceeds in a manner similar to the following example.

IChO
NOR-2 C-8 Q-2

Q8-2
English (Official)

Note: For all of Question 8, please draw alternating single and double bonds in your answers to
the problems as depicted in the examples of carbohelicene. Do not use circles for conjugated 𝜋systems.
A.1

Draw the structures of A–C. Stereoisomers should be distinguished.

9pt

A.2

Attempts to synthesize [5]carbohelicene from the same phosphonium salt andan appropriate starting compound resulted in the formation of only a trace
amount of [5]carbohelicene, instead affording product D whose molecularweight was 2 Da lower than that of [5]carbohelicene. The 1 H NMR chemical
shifts of D are listed below. Draw the structure of D.
[D (𝛿, ppm in CS2 , r.t.), 8.85 (2H), 8.23 (2H), 8.07 (2H), 8.01 (2H), 7.97 (2H), 7.91
(2H)]

3pt

[5]- and larger [n]carbohelicenes have helical chirality and interconversion between enantiomers of thesehelicenes is significantly slow at room temperature. The chirality of [n]carbohelicenes is defined as (M)or (P) as shown below.

[n]Carbohelicenes with n larger than 4 can be enantiomerically separated by a chiral column chromatography, which was developed by Prof. Yoshio Okamoto.

Photo courtesy: The Japan Prize Foundation

IChO
NOR-2 C-8 Q-3

Q8-3
English (Official)Multiple helicenes are molecules that contain two or more helicene-like structures. If its helical chirality
is considered, several stereoisomers exist in a multiple helicene. For example, compound E contains
three [5]carbohelicene-like moieties in one molecule. One of the stereoisomers is described as (P, P, P)
as shown below.

A.3

The nickel-mediated trimerization of 1,2-dibromobenzene generates triphenylene. When the same reaction is applied to an enantiomer of F, (P)-F, multiple
helicene G (C66 H36 ) is obtained. Given that interconversion between stereoisomers does not occur during the reaction, identify all the possible stereoisomers of G formed in this process, without duplication. As a reference, one isomer should be drawn completely with the chirality defined as in the example
above, with numerical labels; the other stereoisomers should be listed with location numbers and M and P labels according to the same numbering. For instance, the other stereoisomers of E should be listed as (1, 2, 3) = (P, M, P), (P,M, M), (P, P, M), (M, M, M), (M, M, P), (M, P, P), and (M, P, M).

7pt

IChO
NOR-2 C-8 Q-4

Q8-4
English (Official)Part B
Sumanene is a bowl-shaped hydrocarbon that was first reported in Japan in 2003. The name "sumanene"derives from a Sanskrit-Hindi word "suman" that means sunflower. The synthesis of sumanene wasachieved by a reaction sequence that consists of a ring-opening and a ring-closing metathesis.

Representative metathesis reactions catalyzed by a ruthenium catalyst (Ru*) are shown below.

B.1

Draw the structure of intermediate I (its stereochemistry is not required).

3pt

IChO
NOR-2 C-8 Q-5

B.2

Q8-5
English (Official)

Starting from the optically active precursor J, the same reaction sequence gives
the optically active sumanene derivative K. The stereocenters in J suffer no inversion during the metathesis reaction. Draw the structure of K with the appropriate stereochemistry.

4pt

Q8-1

IChO
NOR-2 C-8 Q-1

Norwegian (Norway)

Dynamiske organiske molekyler og deres kiralitet
11 % av totalen
Oppgave

A.1

A.2

A.3

B.1

B.2

Total

Poeng

9

3

7

3

4

26

Score

Del A
Polysykliske aromatiske hydrokarboner med påfølgende orto-koblinger kalles [n]carbohelicenes (n angir
antallet seksringer) (se under). [4]Carbohelicene ([4]C) lages effektivt i en reaksjonsvei som bruker en
fotoreaksjon som vist under via et mellomprodukt (intermediate Int.) som lett oksideres av jod (iodine).

Fotoreaksjonen foregår på en lignende måte som følgende eksempel:

IChO
NOR-2 C-8 Q-2

Q8-2
Norwegian (Norway)

Merk: For alle Oppgave 8 oppgavene, tegn alternerende enkelt og dobbelbindinger i svaret dittsom vist i eksempelet for carbohelicene. Bruk ikke sirkler for konjungerte 𝜋 systemer.
A.1

Tegn strukturene til A–C. Skill på stereoisomere.

9pt

A.2

Forsøk på å syntetisere [5]carbohelicene fra samme fosfoniumsalt og en passende utgangsforbindelse resulterte kun i veldig små mengder (spormengder)
av [5]carbohelicene. Istedet ble produktet D dannet med molekylvekt 2 Da lavere enn det til [5]carbohelicene. 1 H NMR kjemiske skift til D er oppgitt under.
Tegn strukturen til D.
[D (𝛿, ppm in CS2 , r.t.), 8,85 (2H), 8,23 (2H), 8,07 (2H), 8,01 (2H), 7,97 (2H), 7,91
(2H)]

3pt

[5]- og større [n]carbohelicenes har heliks (helical) kiralitet og omdannelsen mellom enantiomerene til
disse helicenes er signifikant sakte ved romtemperatur. Kiraliteten til [n]carbohelicenes er definert som(M) eller (P) som vist under.

[n]Carbohelicenes med n større enn 4 kan separeres enantiomerisk med kiral kolonnekromatografi som
ble utviklet av professor Yoshio Okamoto.

Fototilatelse: The Japan Prize Foundation

IChO
NOR-2 C-8 Q-3

Q8-3
Norwegian (Norway)

Multiple helicenes er molekyler som inneholder to eller flere helicene-lignende strukturerer. Hvis man tar
hensyn til den heliske kirkalitet, så eksisterer det flere stereoisomere i en multiple helicene. For eksempl,
forbindelse E inneholder tre [5]carbohelicene-lignende deler (moieties) i et molekyl. En av stereoisomerene beskrives som (P, P, P) som vist under.

A.3

Nikkel-mediert trimerisering av 1,2-dibrombenzen genererer trifenylen. Når
den samme reaksjonen benyttes for en enantiomer av F, (P)-F, får man multiple helicene G (C66 H36 ). Gitt at omdanning mellom stereoisomere ikke skjer
under reaksjon, identifiser alle mulige stereoisomere av G som dannes i denne prosessen, uten dupliseringer. Som referanse skal en isomer tegnes fullstendig med kiraliteten angitt som i eksemplet over, med tallangivelse (numericallabels); de andre stereoisomerene skal angis med tall (location number) og M
og P merkelapp i henhold til samme nummering. For eksempel: de andre stereoisomerene til E vil angis som (1, 2, 3) = (P, M, P), (P, M, M), (P, P, M), (M, M, M),(M, M, P), (M, P, P), og (M, P, M).

7pt

IChO
NOR-2 C-8 Q-4

Q8-4
Norwegian (Norway)

Del B
Sumanene er en bolle-formet hydrokarbon som ble først rapportert i Japan i 2003. Navnet ”sumanene”
kommer fra et Sanskrit-Hindi ord ”suman” som betyr solsikke. Syntesen av sumanene skjer via en sekvens
av reaksjoner som består av ring-åpnende og ring-lukkende metateser.

Under er det vist representative metatesereaksjoner som katalyserers av en ruteniumkatalysator (Ru*).

B.1

Tegn strukturen av mellomprodukt I (du trenger ikke å tegne stereokjemien).

3pt

IChO
NOR-2 C-8 Q-5

B.2

Q8-5
Norwegian (Norway)

Ved å starte fra den optisk aktive forløperen J så gir den samme reaksjonssekvensen her det optisk aktive sumanene derivatet K. Stereosenteret i J oppleveringen inversjon i metatesereaksjonen. Tegn strukturen til K med den passendestereokjemien.

4pt

IChO

A8-1

NOR-2 C-8 A-1

Norwegian (Norway)

Dynamiske organiske molekyler og deres kiralitet
Del A
A.1 (9 pt)
A (3 pt)

A.2 (3 pt)

B (3 pt)

C (3 pt)IChO
NOR-2 C-8 A-2

A.3 (7 pt)

A8-2
Norwegian (Norway)IChO
NOR-2 C-8 A-3

Del B
B.1 (3 pt)

B.2 (4 pt)

A8-3
Norwegian (Norway)

NOR-2 C-9 C-1

NOR-2 C-9 C
Tina Kalleson

IChO
Problem 9
Cover sheet

Please return this cover sheet together with all the related question sheets.

Q9-1

IChO
NOR-2 C-9 Q-1

English (Official)

Likes and Dislikes of Capsule
10 % of the total
Question

A.1

A.2

A.3

A.4

A.5

Total

Points

13

2

2

3

3

23

Score

Good kids don’t do this, but if you unseam a tennis ball, you can disassemble it into two U-shaped pieces.

Based on this idea, compounds 1 and 2 were synthesized as U-shaped molecules with different sizes.
Compound 3 was prepared as a comparison of 1 and the encapsulation behavior of these compounds
was investigated.

IChO
NOR-2 C-9 Q-2

Q9-2
English (Official)

The synthetic route to 2 is shown below. The elemental composition of compound 9: C; 40.49%, H; 1.70%,
and O; 17.98% by mass.

IChO
NOR-2 C-9 Q-3

A.1

Q9-3
English (Official)

Draw the structures of 4–9; the stereochemistry can be neglected. Use "PMB"
as a substituent instead of drawing the whole structure of p-methoxybenzyl
group shown in the scheme above.

13pt

In the mass spectrum of 1, the ion peak corresponding to its dimer (112 ) was clearly observed, whereas
an ion peak for 3 2 was not observed in the spectrum of 3. In the 1 H NMR spectra of a solution of 1 2 ,all the NH protons derived from 1 were observed to be chemically equivalent, and their chemical shift
was significantly different from that of the NH protons of 3. These data indicate that hydrogen bonds
are formed between the NH moieties of 1 and atoms X of another molecule of 1 to form the dimericcapsule.
A.2

Circle all the appropriate atom(s) X in 1.

2pt

A.3

Give the number of the hydrogen bonds in the dimeric capsule (112 ).

2pt

IChO
NOR-2 C-9 Q-4

Q9-4
English (Official)

The dimeric capsule of 1 (112 ) has an internal space wherein an appropriate small molecule Z can be
encapsulated. This phenomenon is expressed by the following equation:

The equilibrium constant of the encapsulation of Z into 12 is given as below:

Encapsulation of a molecule into a capsule could be monitored by NMR spectroscopy. For example, 1 2
in C6 D6 gave different signals in the 1 H NMR spectra before and after addition of CH4 .
Compound 2 also forms a rigid and larger dimeric capsule (222 ). The 1 H NMR spectrum of 22 was measured
in C6 D6 , C6 D5 F, and a C6 D6 /C6 D5 F solvent mixture, with all other conditions being kept constant. The
chemical shifts for the Ha proton of 2 in the above solvents are summarized below, and no other signals
from the Ha in 2, except for the listed, were observed. Assume that the interior of the capsule is always
filled with the largest possible number of solvent molecules and that each signal corresponds to one
species of the filled capsule.

A.4

solvent

𝛿 (ppm) of Ha

C6 D6

4.60

C6 D5 F

4.71

C6 D6 / C6 D5 F

4.60, 4.71, 4.82

Determine the number of C6 D6 and C6 D5 F molecules encapsulated in 2 2 giving
each Ha signal.

3pt

IChO
NOR-2 C-9 Q-5

Q9-5
English (Official)

H NMR measurements in C6 D6 revealed that 2 2 can incorporate one molecule of 1-adamantanecarboxylic
acid (AdA), and the association constants (𝐾a ) which are expressed below were determined for various
temperatures.

1

Similarly, the 𝐾a values of CH4 and 1 2 given as eq (2) at various temperatures in C6 D6 were also determined by 1 H NMR measurements. The plots of the two association constants (as ln 𝐾a vs 1/T) are shown
below.

No C6 D6 molecule is encapsulated in 1 2 . In line II, the entropy change (Δ𝑆) is ( 1 ) and enthalpy change(Δ𝐻) is ( 2 ), indicating that the driving force for the encapsulation in line II is ( 3 ). Therefore, line I
corresponds to ( 4 ), and line II corresponds to ( 5 ).
A.5

Choose the correct options in gaps (1)–(5) in the following paragraph from A
and B.
AB(1)

positive

negative(2)

positive

negative

(3)

Δ𝑆

Δ𝐻

(4)

1 2 and CH4

2 2 and AdA(5)

1 2 and CH4

2 2 and AdA

3pt

Q9-1

IChO
NOR-2 C-9 Q-1

Norwegian (Norway)

Fordeler og ulemper med en kapsel
10 % av totalen
Oppgave

A.1

A.2

A.3

A.4

A.5

Total

Poeng

13

2

2

3

3

23

Score

Snille barn gjør ikke dette, men hvis du løsner sømmen på en tennisball så kan du få to U-formede deler.

Basert på denne ideen ble forbindelse 1 og 2 syntetisert som U-formede molekyler med forskjellig størrelse. Forbindelse 3 ble laget som en sammenligning med 1, og innkapslingsegenskapen (encapsulation
behavior) til disse forbindelsene ble undersøkt.

IChO
NOR-2 C-9 Q-2

Q9-2
Norwegian (Norway)

Den syntetiske veien for dannelse av 2 er vist under. Grunnstoffanalyse av forbindelse 9: C; 40.49%, H;
1.70%, og O; 17.98% ved masse

IChO
NOR-2 C-9 Q-3

A.1

Q9-3
Norwegian (Norway)

Tegn strukturene til 4–9; du behøver ikke ta med stereokjemien . Bruk ”PMB”
istedenfor å tegne hele strukturen til p-metoksybenzyl gruppen vist i skjemaet
over.

13pt

I massespekteret til 1 ble ionetoppen som korresponderer til dimeren (112 ) tydelig observert, mens ionetoppen til 3 2 ble ikke observert i spektret til 3. I 1 H NMR spektre til en løsning av 1 2 , ble alle NH protonene
fra 1 observert å være kjemisk ekvivalente, og de kjemiske skiftene var signifikant forskjellig fra NH protonene til 3. Disse dataene indikerer at det er dannet hydrogenbindinger mellom NH deler (moieties) i 1
og atom X i et annet molekyl av 1 som danner en dimerisk kapsel.
A.2

Tegn sirkel/sirkler rundt alle fornuftige atom(er) X i 1.

2pt

A.3

Angi antallet hydrogenbindinger i den dimeriske kapselen (112 ).

2pt

IChO
NOR-2 C-9 Q-4

Q9-4
Norwegian (Norway)

Den dimeriske kapselen av 1 (112 ) har et indre rom hvor et passende lite molekyl Z kan bli innkapslet(encapsulated). Dette fenomenet beskrives med med følgende ligning:

Likevektskonstanten for innkapslingen av Z i 12 er gitt under:

Innkapslingen av et molekyl i en kapsel kan studeres med NMR spektroskopi. For eksempel, 1 2 i C6 D6
gav forskjellige signaler i 1 H NMR spektre før og etter tilsetning av CH4 .
Forbindelse 2 danner også en rigid og større dimerisk kapsel (222 ). 1 H NMR spektret til 22 ble målt i C6 D6 ,C6 D5 F, og en C6 D6 /C6 D5 F løst blanding, mens alle andre betingelser ble holdt konstant. De kjemiske
skiftene til Ha protonene til 2 i løsningsmidlene angitt ovenfor er oppsummert under, og ingen andre
signaler fra Ha i 2 ble observert utenom de som er oppført i tabellen. Anta at det indre av kapselen alltid
er fylt med det maksimale antallet løsningsmiddelmolekyler og at hvert signal hører til en specie i den
fylte kapselen.

A.4

løsningsmiddel (solvent)𝛿 (ppm) til Ha

C6 D6

4,60

C6 D5 F

4,71

C6 D6 / C6 D5 F

4,60; 4,71; 4,82

Bestem antallet av C6 D6 og C6 D5 F molekyler innkapslet i 2 2 gitt hvert Ha signal.

3pt

IChO
NOR-2 C-9 Q-5

Q9-5
Norwegian (Norway)

H NMR målingene i C6 D6 gav at 2 2 kan inkorporere/ta opp et molekyl av 1-adamantanecarboxylic acid
(AdA), og at assosiasjonskonstanten (𝐾a ) som er angitt under ble bestemt for forskjellige temperaturer.
1

Tilsvarende ble 𝐾a verdiene for CH4 og 1 2 , gitt som ligning (2) ved forskjellige temperaturer i C6 D6 , ogsåbestemt fra 1 H NMR målinger. Plottene av de to assosiasjonskonstantene (som ln 𝐾a vs 1/T) er gitt under.

Ingen C6 D6 molekyler er innkapslet i 1 2 . I linje II, entropiendringen (Δ𝑆) er ( 1 ) og entalpiendringen (Δ𝐻)
er ( 2 ), som indikerer at drivkraften for innkapslingen i linje i II er ( 3 ). Derfor hører linje I til ( 4 ) og linje
II til ( 5 ).
A.5Velg det korrekte alternativet A eller B for hver av (1)–(5) i tabellen under.
A

B

(1)

positiv

negativ(2)

positiv

negativ

(3)

Δ𝑆

Δ𝐻

(4)

1 2 og CH4

2 2 og AdA(5)

1 2 og CH4

2 2 og AdA

3pt

IChO
NOR-2 C-9 A-1

Fordeler og ulemper med en kapsel
A.1 (13 pt)
4 (2 pt)

5 (3 pt)

6 (2 pt)

7 (2 pt)

8 (2 pt)

9 (2 pt)

A9-1
Norwegian (Norway)

IChO

A9-2

NOR-2 C-9 A-2

Norwegian (Norway)

A.2 (2 pt)

A.3 (2 pt)
A.4 (3 pt)
𝛿 (ppm) til Ha

antall C6 D6antall C6 D5 F

4,60 ppm

4,71 ppm

4,82 ppm

A.5 (3 pt)
(1) ∶

(2) ∶

(4) ∶

(5) ∶

(3) ∶