MNG-1 C-0 C-1

MNG-1 C-0 C
Temujin Orkhon

IChO
General instructions
Cover sheet

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

IChO
MNG-1 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

MNG-1 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
MNG-1 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
MNG-1 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
MNG-1 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
MNG-1 C-0 G-6

Periodic Table

G0-6
English (Official)IChO
MNG-1 C-0 G-7

1

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

G0-7
English (Official)IChO
MNG-1 C-0 G-1Олон Улсын химийн олимпиад 2021 Япон53-р олимпиад IChO2021 Япон7 сарын 25 – аас 8 сарын 2, 2021
https://www.icho2021.org

G0-1
Mongolian (Mongolia)

IChO

G0-2

MNG-1 C-0 G-2

Mongolian (Mongolia)Ерөнхий удирдамж
• Хариултыг зөвхөн үзгээр бичнэ.
• Программчилдаггүй тооны машин ашиглах ёстой.
• Энэ тэмцээн 9 даалгавартай.
• Даалгаврыг ямар ч дарааллаар гүйцэтгэж болно.
• Даалгаврыг 5 цагийн хугацаанд гүйцэтгэнэ.
• ЭХЭЛ команд өгсний дараа даалгаврыг гүйцэтгэж эхэлнэ.
• Бодолт, үр дүнгээ хариултын хуудсан дээрх тохирох хариултын нүдэнд үзгээр бичнэ. Ноорог цаас шаардлагатай тохиолдолд асуултын хуудасны ар талыг ашиглаж болно. Хариултын
хуудас дахь хариултын хайрцагнаас гадна бичсэн бичиглэлийг тооцохгүй.
• Шаардлагатай тохиолдолд хариултын нүдэнд харгалзах бодолтыг заавал хийх ба бодолт бичсэн тохиолдолд зөв хариуд бүрэн оноо тооцогдоно.
• Хянагч багш ХУГАЦАА ДУУСАХ-аас 30 минутын өмнө сануулна.
• ЗОГС команд өгмөгц ажлаа дуусгах ёстой. Дуусгаагүй тохиолдолд гүйцэтгэлийг тооцохгүй
байх үндэслэл болно.
• Зөвхөн тодруулах шаардлагатай үед албан ёсны англи хэл дээрх хувилбарыг үзүүлнэ.
• Зөвшөөрөл авахгүйгээр өрөөг орхин гарч болохгүй. Хэрэв ямар нэг тусламж (тооны машин
эвдрэх, ариун цэврийн өрөө орох гэх мэт) шаардлагатай тохиолдолд гараа өргөж хянагч багшийг иртэл хүлээнэ.
АМЖИЛТ ХҮСЬЕ!

Даалгавар ба үнэлгээний мэдээлэл

Гарчиг

Даалгаврын нэрНийт үнэлгээ

Гүйцэтгэлийн хувь1Металлын гадаргуу дээрх устөрөгч

24

11

2

Изотоп - цаг хугацааны капсул

35

11

3

Ламберт-Бээрийн хууль?

22

8

4

Цайрын исэлдэн-ангижрах хими

32

11

5

Нууцлаг цахиур

60

12

6

Шилжилтийн металлын нэгдлийн хатуу төлөвийн хими

45

13

7

Бензолын бус ароматик шинжээр тоглоцгооё

36

13

8

Динамик органик нэгдэл ба тэдгээрийн хираль чанар

26

11

9

Капсулын дуртай болон дургүй зүйлс

23

10

Нийт

100

IChO
MNG-1 C-0 G-3

G0-3
Mongolian (Mongolia)Физик тогтмол ба тэгшитгэл
Тогтмол
Ваакуум дахь гэрлийн хурд𝑐 = 2.99792458 × 108 м с−1Планкийн тогтмол

ℎ = 6.62607015 × 10−34 Ж сЭгэл цэнэг

𝑒 = 1.602176634 × 10−19 CЭлектроны масс𝑚e = 9.10938370 × 10−31 кгЦахилгаан тогтмол
(ваакуумд дамжуулах)𝜀0 = 8.85418781 × 10−12 F м−1Авогадрогийн тоо

𝑁A = 6.02214076 × 1023 моль−1Больцманы тогтмол

𝑘B = 1.380649 × 10−23 Ж K−1Фарадейн тогтмол

𝐹 = 𝑁A × 𝑒 = 9.64853321233100184 × 104 C моль−1Хийн нийтлэг тогтмол

𝑅 = 𝑁A × 𝑘B = 8.31446261815324 Ж K−1 моль−1= 8.2057366081 × 10−2 л атм K−1 моль−1Массын атом нэгж𝑢 = 1 Дa = 1.66053907 × 10−27 кгСтандарт даралт

𝑝 = 1 бар = 105 ПaАтмосферийн даралт

𝑝атм = 1.01325 × 105 ПaЦельсийн тэг хэм

0 ∘ C = 273.15 KАнгстрем

1 Å = 10−10 мПикометр

1 пм = 10−12 мЭлектрон вольт

1 эВ = 1.602176634 × 10−19 ЖСаяны хэсэг

1 ppm = 10−6Тэрбумны хэсэг

1 ppb = 10−9Их наядын хэсэг

1 ppt = 10−12пи тоо

𝜋 = 3.141592653589793

Натурал логарифмын суурь(Е тоо)𝑒 = 2.718281828459045

IChO
MNG-1 C-0 G-4

G0-4
Mongolian (Mongolia)Тэгшитгэл
Идеал хийн хууль

Кулоны хууль

𝑃 𝑉 = 𝑛𝑅𝑇𝑃 - даралт, 𝑉 - эзлэхүүн, 𝑛 - бодисын тоо хэмжээ, 𝑇 - идеал хийн абсолют температур.
𝑞 𝑞
𝐹 = 𝑘e 1 2 2𝑟
𝐹 - электростатик хүч, 𝑘e (≃ 9.0 × 109 N m2 C−2 ) - Кулоны тогтмол, 𝑞1 ба
𝑞2 цэнэгийн хэмжигдэхүүн, 𝑟 - цэнэгүүдийн хоорондох зай.

Термодинамикийн нэгдүгээр хууль

Δ𝑈 = 𝑞 + 𝑤
Δ𝑈 - дотоод энергийн өөрчлөлт, 𝑞 дулаан тоо хэмжээ, 𝑤 - ажил.

Энтальпи 𝐻

𝐻 = 𝑈 + 𝑃𝑉Энтропи (Больцманы
зарчимд үндэслэсэн) 𝑆

𝑆 = 𝑘B ln 𝑊
𝑊 - микро төлөвийн тоо𝑞
Δ𝑆 = rev
𝑇
𝑞rev эргэх процессын дулаан.

Энтропийн
өөрчлөлтΔ𝑆
Гиббсийн чөлөөт энерги 𝐺

𝐺 = 𝐻 − 𝑇𝑆
Δr 𝐺∘ = −𝑅𝑇 ln 𝐾 = −𝑧𝐹 𝐸 ∘𝐾 - тэнцвэрийн тогтмол, 𝑧 -электроны тоо, 𝐸 ∘ -стандарт электродын
потенциал.

Урвалын харьцаа 𝑄

Δr 𝐺 = Δr 𝐺∘ + 𝑅𝑇 ln 𝑄Дараах урвалын хувьд
𝑎A + 𝑏B ⇌ 𝑐C + 𝑑D𝑐𝑑[C] [D]𝑄=𝑎𝑏[A] [B][A] - A-гийн концентрацIChO
MNG-1 C-0 G-5Дулааны өөрчлөлт Δ𝑞Нернстийн тэгшитгэл

Аррениусын тэгшитгэл

G0-5
Mongolian (Mongolia)

Δ𝑞 = 𝑛𝑐m Δ𝑇
𝑐m - температураас хамаарахгүй молийн дулаан багтаамж.
𝐶
𝑅𝑇
ln ox
𝐸 = 𝐸∘ +𝑧𝐹
𝐶red𝐶ox - исэлдсэн бодисын концентрац, 𝐶red ангижирсан бодисын концентрац.
𝐸
𝑘 = 𝐴 exp (− 𝑎 )𝑅𝑇𝑘 - хурдны тогтмол, 𝐴 - фактор, 𝐸𝑎 идэвхжлийн энерги.
exp(𝑥) = 𝑒𝑥Ламберт-Бээрийн
хууль𝐴 = 𝜀𝑙𝑐
𝐴 -шингээлт, 𝜀 молийн шингээлтийн коэффициент, 𝑙 оптик замын урт,𝑐 - уусмалын концентрац.

Хэндерсон - Хасселбахын тэгшитгэл

Дараах тэнцвэрт:HA ⇌ H+ + A−
𝐾a - тэнцвэрийн тогтмол[A− ])pH = p𝐾a + log ([HA]𝑐
𝐸 = ℎ𝜈 = ℎ𝜆𝜈 -давтамж, 𝜆 - гэрлийн долгионы урт.

Фотоны энерги
Геометр
нийлбэр

цувааны

Даалгавар гүйцэтгэхэд
ашиглаж болох ойролцоолол

𝑥 ≠ 1 үед𝑛

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

1 − 𝑥𝑛+1
1−𝑥

IChO
MNG-1 C-0 G-6Үелэх хүснэгт

G0-6
Mongolian (Mongolia)

IChO
MNG-1 C-0 G-7

1

H NMR химийн шилжилт

Δ𝛿 - нэг алкил бүлэг халагдах шилжилт: +0.4 ppm орчим

G0-7
Mongolian (Mongolia)MNG-1 C-1 C-1

MNG-1 C-1 C
Temujin Orkhon

IChO
Problem 1
Cover sheet

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

Q1-1

IChO
MNG-1 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
MNG-1 C-1 Q-2

Q1-2

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

Fig.2

English (Official)

Q1-3

IChO
MNG-1 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
MNG-1 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
MNG-1 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
MNG-1 C-1 Q-1Mongolian (Mongolia)Металлын гадаргуу дээрх устөрөгч
Нийт онооны 11 %Асуулт

A.1

A.2

B.1

B.2

B.3

B.4

Нийт

Оноо

6

4

5

3

3

3

24

Үнэлгээ

Устөрөгч нь ирээдүйд шатах ашигт малтмалаас үл хамааралтай болох гол энергийн эх үүсвэр байхтөлөвтэй байна. Энд бид устөрөгч тээвэрлэх, хадгалах технологитой холбоотой металлд устөрөгч
хадгалах үйл явцыг авч үзэх болно.

A хэсэг
Устөрөгч металлын гадаргуугаар дамжин металлын мөхлөг рүү абсорбцилогдох тул эхлээд металлын гадаргуу дээрх устөрөгчийн адсорбцийн H2 (g) → 2H(ad) процессыг авч үзье. Энд, хийн болон
адсорбцилогдсон төлөвт байгаа устөрөгчийг харгалзан (g) ба (ad) гэж тэмдэглэв.
Устөрөгчийн молекул (H2 ) металлын гадаргуу (M)-д хүрээд диссоциацид орж H атом хэлбэрээр адсорбцилогдоно (Зураг 1). Энд, устөрөгчийн молекул H2 -ийн потенциал энергийг хоёр хувьсагчаар
илэрхийлэв: нэгдүгээрт, атом хоорондын зай - 𝑑, хоёрдугаарт, гадаргуугийн металлын атомтай
харьцуулсан харьцангуй өндөр - 𝑧. Хоёр устөрөгчийн атом Н-ийг дайрсан тэнхлэг нь гадаргуутай
параллель байх бөгөөд хүндийн хүчний төв нь Зураг 1-д үзүүлсэн босоо тасархай шугамын дагуу
ямагт байрладаг гэж үзнэ.
Зураг 2-т гадаргуу дээр болох диссоциацийн потенциал энергийн контур диаграммыг харуулав. Потенциал энергийн диаграмм дээрх тоон холбогдол нь 1 моль H2 тутамд ноогдох кЖ гэсэн нэгжээр
илэрхийлэгдэнэ. Үргэлжилсэн шугам хоорондын зай 20 кЖ моль−1 , тасархай шугам хоорондын зай
100 кЖ моль−1 , үргэлжилсэн ба тасархай шугам хоорондох зай 80 кЖ моль−1 . Тэг цэгийн хэлбэлзлийн энергийг үл тооцсон.

IChO
MNG-1 C-1 Q-2

Q1-2
Mongolian (Mongolia)Зураг 1. Хувьсах хэмжигдэхүүний тодорхойлолт. Зураг нь масштабгүй болно.

Зураг 2.

Q1-3

IChO
MNG-1 C-1 Q-3

A.1

A.2

Mongolian (Mongolia)Дараах (i)–(iii) тус бүрийн хувьд хамгийн ойролцоо утгыг A–G-ээссонгоно уу.
(i) Хий байдалтай H2 молекул дахь атом хоорондын зай(ii) Металлын атомуудын хоорондын зай (Зураг 1 дээрх 𝑑M )(iii) Адсорбцилогдсон H атомуудын гадаргуугаас алслагдсан зай (Зураг 1дээрх ℎad )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 nmДараах (i)–(ii) тус бүрийн хувьд хамгийн ойролцоо утгыг A–H-ээс сонгоно уу.
(i) H2 хийг H хий болгон задлахад шаардагдах энерги
[H2 (g) → 2H(g)](ii) H2 хийг адсорбцилоход ялгарах энерги
[H2 (g) → 2H(ad)]A. 20 кЖ моль−1

B. 40 кЖ моль−1

C. 60 кЖ моль−1

D. 100 кЖ моль−1

E. 150 кЖ моль−1

F. 200 кЖ моль−1

G. 300 кЖ моль−1

H. 400 кЖ моль−1

4pt

IChO
MNG-1 C-1 Q-4

Q1-4
Mongolian (Mongolia)

B хэсэг
Адсорбцилогдсон устөрөгчийн атом нь цаашид хоорондоо дахин нэгдэж хийн фаз руу десорбцилогдоно (1a тэгшитгэл), мөн металлын мөхлөг руу абсорбцилогдоно (1b тэгшитгэл). H(ab) ньметаллын мөхлөг рүү абсорбцилогдсон устөрөгчийн атомыг илэрхийлнэ.

Гадаргуугийн нэгж цэгт болох адсорбц, десорбц, абсорбцийн хурд нь харгалзан 𝑟1 [с−1 ], 𝑟2 [с−1 ] ,𝑟3 [с−1 ] байна. Тэдгээрийг дараах байдлаар илэрхийлнэ:энд 𝑘1 [с−1 Па−1 ], 𝑘2 [с−1 ], 𝑘3 [с−1 ] нь урвалын хурдны тогтмол, харин 𝑃H2 нь H2 -ийн даралт юм. Гадаргуу дээр байгаа боломжит цэгүүдээс 𝜃 (0 ≤ 𝜃 ≤ 1) нь H-ийн атомд эзлэгдсэн хэсгийн доль юм.
Адсорбци ба десорбци нь абсорбцитой харьцуулахад хурдан (𝑟1 , 𝑟2 ≫ 𝑟3 ) бөгөөд 𝜃 нь тогтмол гэжүзэж болно.
B.1

𝑟3 -ийг дараах байдлаар илэрхийлж болно:𝑘1 болон 𝑘2 -ийг ашиглан 𝐶-г илэрхийлнэ үү .

5pt

IChO
MNG-1 C-1 Q-5

Q1-5
Mongolian (Mongolia)

𝑆 = 1.0 × 10−3 м2 гадаргуугийн талбай бүхий металлын дээжийг H2 (𝑃H2 = 1.0 × 102 Па ) бүхий сав(1л = 1.0 × 10−3 м3 )-нд байрлуулсан. Гадаргуу дээр устөрөгчийн атомын адсорбцилогдсон цэгийн
нягтрал 𝑁 = 1.3×1018 м−2 байв. Гадаргуугийн температурыг 𝑇 = 400 K байлгасан. Урвал (1) явагдахад
устөрөгчийн даралт 𝑃H2 тогтмол 𝑣 = 4.0 × 10−4 Па с−1 хурдтайгаар буурав.
Устөрөгч H2 -ийг идеаль хий, металлын эзэлхүүнийг тооцохооргүй маш бага гэж тус тус үзнэ.
B.2

Нэгж хугацаанд гадаргуугийн нэгж талбайд абсорбцилогдсон H атомын молийн тоо, 𝐴 [моль с−1 м−2 ]-г тооцоолно уу.

3pt

B.3

𝑇 = 400 K үед 𝐶 нь 1.0 × 102 Па−1 -тэй тэнцүү байна. 𝑘3 -ийг 400 K-д
тооцоолно уу.
Хэрэв B.2-т хариулж чадаагүй бол 𝐴 = 3.6 × 10−7 моль с−1 м−2 -ийг энэ тооцоондоо ашиглана уу.

3pt

B.4

Өөр нэгэн 𝑇 -ийн үед 𝐶 = 2.5 × 103 Па−1 болон 𝑘3 = 4.8 × 10−2 с−1 гэж өгөгджээ. Энэ температурт 𝑃H2 -ээс хамаарсан функц болох 𝑟3 -ийн хувьд тохирох
графикийг (a)–(h)-ээс сонгоно уу.

3pt

IChO
MNG-1 C-1 A-1Металлын гадаргуу дээрх устөрөгчA хэсэг
A.1 (6 pt)
(i)

(ii)

(iii)

A.2 (4 pt)
(i)

(ii)

A1-1
Mongolian (Mongolia)

IChO
MNG-1 C-1 A-2

B хэсэг
B.1 (5 pt)

𝐶=

A1-2
Mongolian (Mongolia)

IChO
MNG-1 C-1 A-3

B.2 (3 pt)𝐴=моль с−1 м−2

B.3 (3 pt)

𝑘3 =B.4 (3 pt)

с−1

A1-3
Mongolian (Mongolia)MNG-1 C-2 C-1

MNG-1 C-2 C
Temujin Orkhon

IChO
Problem 2
Cover sheet

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

Q2-1

IChO
MNG-1 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
MNG-1 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
MNG-1 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
MNG-1 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
MNG-1 C-2 Q-1

Mongolian (Mongolia)Изотоп - Цаг хугацааны капсул
Нийт онооны 11 %Асуулт

A.1

A.2

A.3

A.4

Нийт

Оноо

8

8

10

9

35

Үнэлгээ

Молекулын бүтэц нь зөвхөн изотопын найрлагаараа ялгаатай CH4 , CH3 D зэрэг бодисуудыг изотополог гэж нэрлэдэг. Изотопологийг ижил химийн шинж чанартай гэж үздэг боловч үнэндээ ялимгүй
ялгаатай.
Энэ даалгаварт харуулсан бүх бодисууд хийн төлөвт байна гэж үзнэ.
Дараах тэнцвэрийг авч үзье:Системийн боломжит микро төлөв байдлын тоо 𝑊 ихсэхэд энтропи, 𝑆 ихэсдэг:12 16

C O2 ба 12 C18 O2 хувьд 𝑊 = 1 байна. Эсрэгээрээ, 12 C16 O18 O молекулын хувьд 𝑊 = 2 байдаг ньэнэ молекул дахь хүчилтөрөгчийн атомууд ялгаатай байдгаас болно. Тэгшитгэл 1-д харуулснаар
тэнцвэрийн баруун талд хоёр молекул 12 C16 O18 O байгаа учир, 𝑊 = 22 = 4 болно.

IChO
MNG-1 C-2 Q-2

A.1

Q2-2
Mongolian (Mongolia)Тэгшитгэл 3-ын энтальпийн өөрчлөлт, Δ𝐻 температураас үл хамааран эерэг байна.

8pt

Тэгшитгэл 3-ын хувьд маш бага (𝑇 → 0) ба маш өндөр (𝑇 → +∞) температурт тэнцвэрийн тогтмол, 𝐾-г тооцоолно уу. Эдгээр температурт урвал өөрчлөгдөөгүй хэвээр байх ба Δ𝐻 нь өндөр температурт тогтмол утгад
шилждэг гэж үзнэ.
Дараах процессын Δ𝐻-ийг молекулын хэлбэлзлээр тайлбарлаж болдог.

𝑇 = 0 K үед хэлбэлзлийн давтамж нь 𝜈 [с−1 ] байх диатомт молекулын хэлбэлзлийн энергийг дараах
байдлаар илэрхийлнэ:Энд 𝑘 нь хүчний тогтмол, 𝜇 нь ангижирсан масс бөгөөд ангижирсан массыг диатомт молекул дахьхоёр атомын масс 𝑚1 ба 𝑚2 -оор дараах тэгшитгэлийн дагуу тодорхойлно:A.2

H2 -ийн хэлбэлзлийг долгионы тоогоор илэрхийлэхэд 4161.0 см−1 байжээ.
Тэгшитгэл 4-ийн Δ𝐻-ийг 𝑇 = 0 K үед Ж моль−1 нэгжээр тооцоолно уу.

• Зөвхөн хэлбэлзлийн энерги Δ𝐻-д өөрчлөлт оруулдаг
• H2 , HD, D2 -ийн 𝑘 утга ижил• H-ийн масс 1 Да, D-ийн масс 2 Дабайна гэж үзнэ.

8pt

IChO
MNG-1 C-2 Q-3

Q2-3
Mongolian (Mongolia)Тэнцвэр тогтсон системд H2 , HD, D2 -ийн молийн харьцаа температураас хамаарна. Энд ΔD2 нь D2 ийн молийн харьцааны өөрчлөлтөөр тодорхойлогдоно.

[D2 ]
[D ]
-г, 𝑅D∗ 2 нь 𝑇 → +∞ үеийн 2 -г илэрхийлнэ. Изотопын тархалт 𝑇 → +∞
[H2 ]
[H2 ]
үед санамсаргүй болж байгааг анхаарна уу.
Энд: 𝑅D2 нь дээжин дэх
A.3Тэгшитгэл 4-ийн тэнвэрийн тогтмол 𝐾 нь 0.300 байх температурт тэнцвэр
тогтсон үед байгаль дахь D тархалтаар ΔD2 -ыг тооцоолно уу. D ба H-ийн

байгаль дахь тархалтын молийн доль 1.5576 × 10–4 ба 1 − 1.5576 × 10–4 байнагэж үзнэ.

10pt

Q2-4

IChO
MNG-1 C-2 Q-4

Mongolian (Mongolia)Ерөнхийдөө нэг молекулд хоёр хүнд изотопын атом агуулдаг давхар халагдсан изотопологийн
молийн доль температур буурах тусам нэмэгддэг. 44 ба 47 молекулын жинтэй CO2 молекулуудын молийн харьцааг авч үзье, тэдгээрийг доор CO2 [44] ба CO2 [47] гэж тэмдэглэсэн болно.
Δ47 хэмжигдэхүүнийг дараах байдлаар тодорхойлно.

[CO2 [47]][CO2 [47]]∗ба 𝑅47
нь 𝑇 → +∞ үеийн-г илэрхийлнэ. Байгаль дахь нүүрстө[CO2 [44]][CO2 [44]]рөгч ба хүчилтөрөгчийн изотопуудын тархалтын молийн долийг доор харуулав. Энд харуулаагүй
изотопуудыг тооцохгүй орхино.

𝑅47 нь дээжин дэх

12байгаль дахь тархалт

16байгаль дахь тархалт

C

13

0.988888

0.011112

C

O

17

O

18

0.997621

0.0003790

0.0020000

OΔ47 -ийн температураас хамаарах хамаарлыг дараах байдлаар тодорхойлно, энд 𝑇 -ийг Кельвиний
нэгжээр өгсөн:A.4

Антарктидын далайн ёроолоос олдсон чулуужсан планктоны 𝑅47 нь
4.50865×10–5 байв. Энэ 𝑅47 -г ашиглан температурыг тооцоолно уу. Энэ температурыг планктон амьдарч байсан үеийн агаарын температур гэж үздэг.
Тооцоонд зөвхөн хамгийн түгээмэл изотополог CO2 [47] авна.

9pt

IChO
MNG-1 C-2 A-1

Изотоп - Цаг хугацааны капсул
A.1 (8 pt)

𝑇 →0∶𝐾=, 𝑇 → +∞ ∶ 𝐾 =A2-1
Mongolian (Mongolia)

IChO
MNG-1 C-2 A-2

A.2 (8 pt)

Δ𝐻 =Ж моль−1

A2-2
Mongolian (Mongolia)

IChO
MNG-1 C-2 A-3

A.3 (10 pt)

ΔD2 =

A2-3
Mongolian (Mongolia)

IChO
MNG-1 C-2 A-4

A.4 (9 pt)

𝑇 =

K

A2-4
Mongolian (Mongolia)MNG-1 C-3 C-1

MNG-1 C-3 C
Temujin Orkhon

IChO
Problem 3
Cover sheet

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

Q3-1

IChO
MNG-1 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
MNG-1 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
MNG-1 C-3 Q-1

Mongolian (Mongolia)Ламберт-Бээрийн хууль?
Нийт онооны 8%Асуулт

A.1

B.1

B.2

Нийт

Оноо

10

6

6

22

Үнэлгээ
Энэхүү бодлогод уусгагч болон савны шингээлтийг тооцохгүй. Бүх уусмал болон хийн температурнь тогтмол 25 ºС байсан.

А хэсэг
HA болон NaA-г ашиглан Х-ийн усан уусмалыг бэлтгэсэн. Х-ийн уусмал дахь [A− ], [HA], [H+ ]-ийн концентрац тус бүр 1.00 × 10−2 моль л−1 , 1.00 × 10−3 моль л−1 , 1.00 × 10−4 моль л−1 ба дараах хүчилсуурийн тэнцвэрт хамаарна:HA ⇌ A− + H+

𝐾=

[A− ][H+ ]
[HA]

(1)

А хэсэгт оптик замын урт 𝑙 болно. Шингэрүүлэлтийн дараах нягтын өөрчлөлтийг тооцохгүй. Тэгшитгэл 1-ээс өөр химийн урвал явагдахгүй гэж үзнэ үү.
A.1

𝜆1 долгионы уртад Х-ийн шингээлт 𝐴1 . Х-ийн уусмалыг рН = 2.500-тай давсны хүчлийн уусмалаар анхны эзэлхүүнийг 2 дахин их болтол шингэрүүлсэн. Шингэрүүлэлтийн дараах шингээлт 𝜆1 -т𝐴1 хэвээр байв. 𝜆1 -т HA болон
A− -ийн шингээлтийн коэффициентууд харгалзан 𝜀HA ба 𝜀A− бол 𝜀HA /𝜀A− -ийнхарьцааг тодорхойлно уу.

10pt

Q3-2

IChO
MNG-1 C-3 Q-2

Mongolian (Mongolia)

B хэсэг
Хийн фаз дахь дараах тэнцвэрийг авч үзье.
D ⇌ 2M(2)

𝑆 хөндлөн огтлолтой хөдөлгөөнт хана бүхий тэгш өнцөгт тунгалаг сав (доорх зургийг харна уу)-ыг
𝑃 даралттай цэвэр D хийгээр дүүргэсэн ба тэнцвэр тогтсоны дараа нийт даралт 𝑃 өөрчлөгдөөгүй.
Хийн шингээлт нь 𝐴 = 𝜀(𝑛/𝑉 )𝑙 бөгөөд 𝜀, 𝑛, 𝑉 ба 𝑙 нь харгалзан шингээлтийн коэффициент, хийнмолийн тоо, хийн эзэлхүүн, оптик замын урт юм. Хийн холимог дахь бүх хийг идеаль хий гэж үзнэ.

Тооцоонд дараах тэмдэглэгээг хэрэглээрэй.
Анхны төлөв

Тэнцвэрийн дараах

D

M

D

M

Парциал даралт

𝑃

0

𝑝D

𝑝M

Молийн тоо

𝑛0

0

𝑛D

𝑛M

Эзэлхүүн

𝑉0

𝑉

B.1

𝜆B1 -т хийн шингээлтийг 𝑥 (𝑙 = 𝑙𝑥 ) чиглэлийн дагуу хэмжихэд анхны төлөв болон тэнцвэрийн дараах хоёулаа 𝐴B1 байв. D болон M-ийн шингээлтийн коэффициент харгалзан 𝜀D ба 𝜀M бол 𝜆B1 дэх 𝜀D /𝜀M -ийн харьцааг
тодорхойлно уу.

6pt

B.2

𝜆B2 дэх хийн шингээлтийг 𝑦 чиглэлийн дагуу хэмжихэд анхны төлөв (𝑙 =𝑙𝑦0 ) болон тэнцвэрийн дараах (𝑙 = 𝑙𝑦 ) хоёулаа 𝐴B2 байв. 𝜆B2 дэх 𝜀D /𝜀M -ийнхарьцааг тодорхойлно уу.

6pt

IChO
MNG-1 C-3 A-1

Ламберт-Бээрийн хууль?
А хэсэг
A.1 (10 pt)(Үргэлжлэл дараагийн хуудсанд)A3-1
Mongolian (Mongolia)

IChO
MNG-1 C-3 A-2

A.1 (cont.)

𝜀HA /𝜀A− =A3-2
Mongolian (Mongolia)

IChO
MNG-1 C-3 A-3

В хэсэг
B.1 (6 pt)

𝜀D /𝜀M =A3-3
Mongolian (Mongolia)

IChO
MNG-1 C-3 A-4

B.2 (6 pt)

𝜀D /𝜀M =A3-4
Mongolian (Mongolia)MNG-1 C-4 C-1

MNG-1 C-4 C
Temujin Orkhon

IChO
Problem 4
Cover sheet

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

Q4-1

IChO
MNG-1 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
MNG-1 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
MNG-1 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 ∘ (Zn2+ /Zn) and 𝐸 ∘ (O2 /H2 O) at 25 ∘ C and 1 bar are
given as (10) and (11), respectively.

9pt

Q4-1

IChO
MNG-1 C-4 Q-1

Mongolian (Mongolia)Цайрын исэлдэн-ангижрах химиНийт онооны 11%Асуулт

A.1

A.2

B.1

B.2

B.3

B.4

Нийт

Оноо

6

5

4

3

5

9

32

Үнэлгээ

Цайрыг удаан хугацааны туршид гууль болон ган материалын хайлш болгон хэрэглэж ирсэн. Усыгхоргүйжүүлэхийн тулд үйлдвэрийн бохир усанд агуулагддаг цайрыг тунадасжуулан салгаж, гарган
авсан тунадасыг ангижруулан металл цайр болгоод дахин ашигладаг.

А хэсэг
25 ºС-т цайрын гидроксид Zn(OH)2 (s)-ийн уусахын тэнцвэр болон холбогдох тэнцвэрийн тогтмолуудыг тэгшитгэл 1-4-т өгөв.

IChO
MNG-1 C-4 Q-2

Q4-2
Mongolian (Mongolia)Цайрын уусах чанар, 𝑆 (ханасан уусмал дахь цайрын концентрац)-г тэгшитгэл 5-т өгөв.

A.1

Тэгшитгэл 1-4-д тэнцвэр тогтсон үед [Zn2+ (aq)], [Zn(OH)2 (aq)] ,[Zn(OH)2−
4 (aq)] гурваас рН-ийн ямар мужид [Zn(OH)2 (aq)] нь хамгийних байхыг тооцоолно уу.

6pt

A.2

рН = 7.00-тай Zn(OH)2 (s)-ийн ханасан уусмал бэлтгэж, шүүсэн. Шүүгдэсний
рН-ийг 12.00 болтол NaOH нэмсэн. рН-ийг 7.00-с 12.00 болтол ихэсгэхэд тунадасжсан цайрын молийн хувийг тооцоолно уу. Эзэлхүүн болон температурын өөрчлөлтийг тооцохгүй.

5pt

В хэсэг
Тунадасжсан цайрын гидроксидыг халааж доорх урвалын дагуу цайрын оксидыг гарган авдаг.

Цайрын оксидыг устөрөгчтэй урвалд оруулж металл цайр болтол ангижруулна.

B.1

Урвал (7)-д устөрөгчийн даралтыг 1 бар байлгахын тулд үүссэн усны уурын
парциал даралтыг бууруулах шаардлагатай байдаг. 300 ∘ C-т урвал (7)-г явуулах үеийн усны уурын парциал даралтын дээд хязгаарыг тооцоолно уу.
Энд, бүх хийн хувьд 300 ∘ C, 1 бар даралтанд цайрын оксид болон усны уурын үүсэхийн Гиббсийн энерги Δ𝐺ZnO (300∘ C) = −2.90 × 102 kЖ моль−1 болон
Δ𝐺H2 O (300∘ C) = −2.20 × 102 kЖ моль−1 болно.

4pt

Металл цайрыг металл-агаарын батарейнд сөрөг электрод (анод)-ын материал болгон ашигладаг.
Электрод нь Zn ба ZnO-ээс бүрдэнэ. Батарейд явагдах исэлдэн-ангижрах урвалын тэгшитгэл болон
25 ∘ C, 1 бар даралтанд цахилгаан хөдөлгөх хүч (ц.х.х), 𝐸 ∘ -г доор харуулав.

B.2

Цайр-агаарын батарейг 20 мА гүйдлийн хүчээр 24 цаг хэрэглэхэд цэнэггүй болдог. Батарейн сөрөг электрод (анод)-ын массын өөрчлөлтийг
тооцоолно уу.

3pt

IChO
MNG-1 C-4 Q-3

Q4-3
Mongolian (Mongolia)Фүжи уул
B.3

Цайр-агаарын батарейн ц.х.х-ний хүрээлэн буй орчноос хамаарсан өөрчлөлтийг авч үзье. Фүжи уулын оргил - 3776 м өндөрт, −38 ∘ C (2-р сар)-т ц.х.хийг тооцоолно уу.
Атмосферын даралтыг ℎ [м] өндөр ба 𝑇 [∘ C] температураас хамааруулан дараах томьёогоор тооцдог:5ptАтмосфер дэх хүчилтөрөгчийн молийн харьцаа 21%.
Урвал (8)-ийн Гиббсийн энергийн өөрчлөлт нь −38 ∘ C, 1 бар даралтадΔ𝐺ZnO (−38∘ C) = −3.26 × 102 kЖ моль−1 байна.
B.4

25 ∘ C-д урвал (6)-ийн Гиббсийн энергийн өөрчлөлтийг тооцоолно уу.
25 ∘ C, 1 бар даралтад 𝐸 ∘ (Zn2+ /Zn) ба 𝐸 ∘ (O2 /H2 O) гэсэн стандарт ангижрах
потенциалуудыг тэгшитгэл (10) ба (11)-т өгөв.

9pt

IChO
MNG-1 C-4 A-1

Цайрын исэлдэн-ангижрах химиА хэсэг
A.1 (6 pt)< pH <

A4-1
Mongolian (Mongolia)

IChO
MNG-1 C-4 A-2

A.2 (5 pt)%

A4-2
Mongolian (Mongolia)

IChO
MNG-1 C-4 A-3

В хэсэг
B.1 (4 pt)

бар

𝑝H2 O=
B.2 (3 pt)

гA4-3
Mongolian (Mongolia)

IChO
MNG-1 C-4 A-4

B.3 (5 pt)

V

A4-4
Mongolian (Mongolia)

IChO
MNG-1 C-4 A-5

B.4 (9 pt)

Δ𝐺∘ =Ж моль−1

A4-5
Mongolian (Mongolia)MNG-1 C-5 C-1

MNG-1 C-5 C
Temujin Orkhon

IChO
Problem 5
Cover sheet

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

Q5-1

IChO
MNG-1 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
MNG-1 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
MNG-1 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
MNG-1 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
MNG-1 C-5 Q-1

Mongolian (Mongolia)Нууцлаг цахиур
Нийт онооны 12 %Асуулт

A.1

A.2

A.3

A.4

B.1

B.2

B.3

Нийт

Оноо

9

7

6

10

5

15

8

60

Үнэлгээ

Цахиур нь нүүрстөрөгчийн нэгэн адил 14-р бүлгийн элемент боловч тэдгээрийн шинж чанар эрсялгаатай байдаг.

A хэсэг
R1 –Si ≡ Si–R1 (R: органик халагч) гэх Si-Si гурвалсан холбоотой нэгдэл нь урвалын өндөр идэвхтэй
байдгаараа C-C гуравчийн холбоотой нэгдлүүдээс ялгаатай. Жишээ нь үүнийг этилентэй урвалд
оруулбал дөрвөн гишүүнтэй цагираг агуулсан бүтээгдэхүүн үүсгэдэг.

R1 –Si ≡ Si–R1 бодисыг алкин (R2 –C ≡ C–R2 )-аар үйлчлэхэд дөрвөн гишүүнтэй цагираг бүхий А бодис
эхний завсрын бүтээгдэхүүн хэлбэрээр үүсдэг. А бодис өөр нэг R2 –C ≡ C–R2 молекултай урвалд орж
B ба C изомеруудыг үүсгэдэг бөгөөд эдгээр нь хоёулаа бензолтой төстэй коньюгацлагдсан цагирагIChO
MNG-1 C-5 Q-2

Q5-2
Mongolian (Mongolia)бүтэцтэй бөгөөд ”дисилабензол” гэж нэрлэдэг. (R1 –Si)2 (R2 –C)4 гэж томьёологдох зургаан гишүүнтэй
цагираг агуулдаг.

13

C NMR шинжилгээгээр Si2 C4 зургаан гишүүнтэй үндсэн цагираг нь B бодисынх хоёр, C бодисынхнэг сигнал өгсөн.
A.1

R1 , R2 , Si, C ашиглан A, B, C бодисуудын боломжит нэг резонанс бүтцийн
томьёог зурна уу.

9pt

A.2

Доор үзүүлсэн (Зураг 1) зарим ханаагүй системийн устөрөгчжүүлэх урвалын
энтальпийн өөрчлөлтийг ашиглан бензол ба С бодисын (R1 = R2 = H гэжүзнэ) ароматик тогтворжилтийн энергийг эерэг утгатайгаар тооцоолно уу.

7ptЗураг 1

Q5-3

IChO
MNG-1 C-5 Q-3Mongolian (Mongolia)С бодисын ксилолийн уусмалыг халаахад изомержих урвалд орж, D ба Е нэгдлүүдийн тэнцвэрийн
холимогийг үүсгэнэ. Молийн харьцаа 50.0 ˚C-д D : E = 1 : 40.0 ба 120.0 ˚C-д D : E = 1 : 20.0 байна.
A.3

D бодис нь E бодис болж хувирах урвалын Δ𝐻-г тооцоолно уу. Δ𝐻 температураас хамаарахгүй гэж үзнэ.

6pt

C бодисоос D ба E болох изомержих урвал нь ямар ч 𝜎 холбоог таслалгүйгээр, 𝜋 холбоог 𝜎 холбоо
болгон хувиргах замаар явагддаг. 13 C-ЦСР шинжилгээгээр D бодисын Si2 C4 үндсэн хэлхээ нэг сигнал, E бодис хоёр сигнал үзүүлэв. D бодисын үндсэн хэлхээнд гурван гишүүнтэй цагираг байхгүй
бол E бодис нь нэг талаа хуваалцсан хоёр ширхэг гурван гишүүнт цагирагтай.
A.4

R1 , R2 , Si, C ашиглан D ба E бодисуудын бүтцийн томъёог зурна уу.

10pt

B хэсэг
Цахиур нь фтор зэрэг цахилгаан сөрөг чанар ихтэй элементүүдтэй хүрээллийн тоо өндөр (дөрвөөс
илүү халагчтай) координацийн нэгдлүүд үүсгэх чадвартай. Металлын фторидуудыг ихэвчлэн фторжуулагч урвалж болгон ашигладаг, мөн түүнчлэн цахиурын фторидын координацийн нэгдлүүд ньфторжуулагч урвалж болдог.
Na2 SiF6 ашиглан CCl4 -ийг фторжуулах урвалыг дараах байдлаар явуулдаг.
• Na2 SiF6 -ын уусмалын стандарт тогтоох:· Бэлтгэх
F усан уусмал: 0.855 г Na2 SiF6 (188.053 г / моль) усанд уусгана. (Нийт эзэлхүүн 200 мл)
G усан уусмал: 6.86 г Ce2 (SO4 )3 (568.424 г / моль) усанд уусгана. (Нийт эзэлхүүн 200 мл)· Ажлын явц
50 мл F уусмал дээр G уусмалыг дуслаар нэмж тунадасжуулах урвалын титрлэлтийг хийнэ. Ксиленол
оранж нь Ce3+ ионтой холбогдож индикаторын үүрэг гүйцэтгэнэ. 18.8 мл G уусмал зарцуулагдсаны
дараа уусмалын өнгө шараас ягаан өнгөтэй болов. Үүссэн тунадас нь Ce3+ агуулсан бинар нэгдэл
байсан ба цахиурын нэгдэл нь зөвхөн Si(OH)4 байв.
B.1

Na2 SiF6 -ын
Ce2 (SO4 )3 -тайбичиж тэнцүүлнэ үү.

урвалд

орохурвалын

тэгшитгэлийг

5pt• CCl4 -ийн Na2 SiF6 -тай урвал:(Дараах үйл ажиллагааны явцад ууршилт гэх мэт бодисын алдагдалыг тооцохгүй.)Na2 SiF6 (𝑥 [г])-ыг авч CCl4 (500.0 г) дээр нэмж даралтад тэсвэртэй саванд битүүмжлээд 300˚C хүртэл халааж урвалыг явуулна. Урвалд ороогүй Na2 SiF6 ба үүссэн NaCl-ыг шүүж зайлуулав. Шүүгдэсийг 1.00 л хүртэл CCl4 -өөр шингэлэв (H уусмал). H уусмалын 29 Si ба 19 F ЦСР спектрүүдээр SiF4 ньцахиур агуулсан ганц нэгдэл болохыг харуулжээ. 19 F ЦСР спектрүүдэд SiF4 -оос гадна CFCl3 , CF2 Cl2 ,CF3 Cl, CF4 харгалзах сигналууд ажиглагдсан (хүснэгт 1). 19 F ЦСР спектрийн интеграцийн харьцаа
фторын цөмийн тоотой пропорциональ байна.

Q5-4

IChO
MNG-1 C-5 Q-4Mongolian (Mongolia)Хүснэгт 1
19

F ЦСР дүнИнтеграцийн харьцаа

CFCl3

CF2 Cl2

CF3 Cl

CF4

45.0

65.0

18.0

2.0

SiF4 гидролизын урвалд дараах тэгшитгэл (8)-ийн дагуу орж H2 SiF6 үүсгэдэг:H уусмал (10 мл) дээр илүүдэл хэмжээний ус нэмж SiF4 -ийг бүрэн гидролизод оруулсан. Усан уусмал
дахь гидролизooс үүссэн H2 SiF6 -ийг салгасны дараа саармагжуулж, бүрэн Na2 SiF6 (J усан уусмал)болгон хувиргав.
Эхний шатанд шүүж зайлуулсан (доогуур зураастай) урвалд ороогүй Na2 SiF6 ба NaCl-ын тунадасыг
усанд бүрэн уусгаж усан уусмал (уусмал K; 10.0 л) болгов.
Дараа нь G уусмалыг ашиглан тунадасжих урвалын титрлэлт хийхэд титрлэлтийн эцсийн цэгүүд
дараах байдалтай байна:· J уусмалд (бүх уусмал): 61.6 мл.
· 100 мл K уусмалд: 44.4 мл.
NaCl эсвэл SiO2 зэрэгцэн орших нь тунадасжих титрлэлтэд ямар ч нөлөө үзүүлэхгүй гэдгийг анхаарна уу.
B.2

Урвалын саванд (доогуур зураастай мэдээлэл) үүссэн NaCl-ийн масс, эх бодис болгон ашигласан Na2 SiF6 -ын массыг (𝑥[г]) тус тус тооцоолно уу.

15pt

B.3

Эх бодис болгосон ашигласан CCl4 -ийн 77.8 % нь урвалд ороогүй. Үүссэн
CF3 Cl-ийн массыг тооцоолно уу.

8pt

IChO

A5-1

MNG-1 C-5 A-1

Mongolian (Mongolia)Нууцлаг цахиурA хэсэг
A.1 (9 pt)
A (3 pt)

B (3 pt)

C (3 pt)

A.2 (7 pt)

C6 H6 ∶

кЖ моль–1 , C ∶кЖ моль–1

IChO
MNG-1 C-5 A-2

A.3 (6 pt)

кЖ моль–1

Δ𝐻 =A.4 (10 pt)
D (5 pt)

E (5 pt)

A5-2
Mongolian (Mongolia)

IChO
MNG-1 C-5 A-3

Part B
B.1 (5 pt)

B.2 (15 pt)(Үргэлжлэл дараагийн хуудсанд)A5-3
Mongolian (Mongolia)

IChO
MNG-1 C-5 A-4

B.2 (cont.)

NaCl ∶

г, Na2 SiF6 ∶г

A5-4
Mongolian (Mongolia)

IChO
MNG-1 C-5 A-5

B.3 (8 pt)

CF3 Cl ∶г

A5-5
Mongolian (Mongolia)MNG-1 C-6 C-1

MNG-1 C-6 C
Temujin Orkhon

IChO
Problem 6
Cover sheet

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

Q6-1

IChO
MNG-1 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
MNG-1 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
MNG-1 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
MNG-1 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
MNG-1 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
MNG-1 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 cluster is represented as a dark gray polyhedron in Fig. 3C and 3D. Note that hydrogenatoms 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
MNG-1 C-6 Q-1

Mongolian (Mongolia)Шилжилтийн металлын нэгдлийн хатуу төлөвийн химиНийт онооны 13 %Асуулт

A.1

A.2

A.3

B.1

B.2

B.3

B.4

C.1

C.2

C.3

Нийт

Оноо

6

3

3

6

4

4

4

5

5

5

45

Үнэлгээ

Сакуражима арал дахь галт уул

A хэсэг
Япон бол дэлхийд хамгийн олон галт уултай улсуудын нэг юм. Силикатын эрдэсүүд галт уулын магмаас талсжихад магма дахь шилжилтийн металлын ионуудын нэг хэсэг (Mn+ ) нь силикатын эрдсийн бүрэлдэхүүнд орж ирдэг. Энэ бодлогод судлах Mn+ нь оксид ион (O2− )-оор хүрээлэгдсэн, магмад дөрвөн хүрээллийн атомтай тетраэдр (𝑇d ) геометртэй, силикат эрдсүүдэд зургаан хүрээллийн
атомтай октаэдр (𝑂h ) геометртэй, хоёулаа өндөр спинт электрон конфигурацтай байдаг. Силикат
эрдэс ба магмын хоорондох Mn+ -ийн түгэлтийн коэффициентийг дараахь байдлаар илэрхийлж
болно:

энд [M]s ба [M]l нь харгалзан силикат эрдэс ба магм дахь Mn+ -ийн концентрац юм. Доорх хүснэгтэд
Cr2+ ба Mn2+ -ийн хувьд 𝐷-ийн утгыг харуулав.

IChO
MNG-1 C-6 Q-2

Q6-2
Mongolian (Mongolia)Октаэдр 𝑂h орон дахь Mn+ -ийн d-орбиталын хуваагдлын энерги нь ΔO , талст орны тогтворжилтын
энерги (CFSE) нь CFSEO байна гэе. Харин тетраэдр 𝑇d оронд харгалзан ΔT ба CFSET байна гэе.
A.1

Cr2+ , Mn2+ , Co2+ -ийн хувьд |CFSEO −CFSET | = ΔCFSE-ийг тооцоолж ΔO -оорилэрхийлнэ үү.
ΔT = 4/9ΔO гэж үзнэ.

6pt

A.2

Дараах зурагт үзүүлсэн Декартын координатын систем дээр ln𝐷-ийн
ΔCFSE/ΔO -ээс хамаарах хамаарлыг зурахад шугаман хамаарал ажиглагдана.
Co2+ -ийн хувьд 𝐷-г нь тооцоолно уу.

3ptМеталлын оксид, МО (M: Ca, Ti, V, Mn, эсвэл Co) нь чулуун давсны бүтэцтэй талсжихад Mn+ нь 𝑂hгеометртэй, өндөр спинт электронт бүтэцтэй байдаг. Эдгээр оксидуудын талст торын энтальпи ньионы радиус ба цэнэг, 𝑂h орон дахь Mn+ -ийн CFSE-ийн зарим хувь нэмэрт суурилсан Кулоны харилцан үйлчлэлээр голлон тодорхойлогддог.
A.3(a) - (f) сонголтуудаас тохирох талст торын энтальпи [кЖ моль−1 ]-ийн багцыг
сонгоно уу.

3pt

IChO
MNG-1 C-6 Q-3

Q6-3
Mongolian (Mongolia)

B хэсэг
La3+ ба Cu2+ агуулсан холимог оксид A нь Зураг 1-д үзүүлсэн тетрагональ эгэл үүртэй талстаар талстжидаг.
[CuO6 ] октаэдрт z тэнхлэгийн дагуух Cu – O зай (𝑙𝑧 ) нь x тэнхлэгийн дагуух зай (𝑙𝑥 )-наас илүү уртбөгөөд [CuO6 ] нь зөв октаэдр 𝑂h геометрээс гажсан байдаг. Энэ гажилт нь eg орбиталууд (d𝑥2 −𝑦2 баd𝑧2 )-ийг үл мөхөөгдсөн болгодог.

3ураг 1.
Металлын хлоридуудыг сквараины хүчил C4 H2 O4 (хоёр суурьт хүчил) агуулсан аммиакийн шингэрүүлсэн уусмалд холиход В комплекс үүсэх ба B-г дулааны задрал (пиролиз)-д оруулж А-г синтезлэдэг.
Хуурай агаарт 200°С хүртэлх температурт В-ийн пиролизоор талстжсан усаа алдсанаас болж жиннь 29.1%-иар багасаж, цааш нь 700°С хүртэл халаахад CO2 ялгарснаас дахин жин нь багасдаг. В-ээсА үүсэх үеийн нийт жингийн алдагдал 63.6% байна. Пиролизийн урвалд зөвхөн ус ба CO2 ялгарсан
болохыг анхаарна уу.
B.1

A болон B-ийн химийн томьёог бичнэ үү.

6pt

B.2

Зураг 1-ийг ашиглан 𝑙𝑥 болон 𝑙𝑧 -ийг тооцоолно уу.

4pt

B.3

Зураг 1-д үзүүлсэн А эгэл үүр дэх [CuO6 ] гажсан октаэдрийн Cu2+ -ийн хувьд
eg орбитал (d𝑥2 −𝑦2 ба d𝑧2 )-ийн хуваагдлыг (i) ба (ii)-д зурж орбиталуудын нэрийг бичиж, хариултын хуудас дахь тасархай зураасаар хүрээлсэн хайрцагт электронт бүтцийн диаграммыг зурна уу.

4pt

Q6-4

IChO
MNG-1 C-6 Q-4Mongolian (Mongolia)

A нь тусгаарлагч юм. Нэг La3+ ионыг нэг Sr2+ ионоор халахад талст торд цахилгаан дамжуулах чадвартай нэг нүх үүснэ. Үүний дүнд Sr2+ -жуулсан A нь 38 K-ээс доош температурт хэт дамжуулагч болдог. Халах урвал явагдахад A-д үүсэх нүхний концентрац 2.05 × 1027 м−3 байна.
B.4

Халах урвал дахь молийн харьцаанд үндэслэн Sr2+ -ээр халагдсан La3+ -ийндолийг тооцоолно уу. Халах урвалаар ионуудын валент болон талстын бүтэц өөрчлөгддөггүйг анхаарна уу.

4pt

C хэсэг
−2+

Cu2 (CH3 CO2 )4 нь дөрвөн CH3 CO2 -оор хүрээлэгдсэн хоёр Cu -ээс тогтоно (Зураг 2-ын A). Дөрвөн
−2+
CH3 CO2 -ийн нүүрстөрөгчийн атомууд хоёр тэнхлэгийн дагуу, хоёр Cu нь нөгөө тэнхлэгийн
дагуу тус тус байрласан, бүгд бие биетэйгээ харилцан ортогональ (перпендикуляр) чиглэл бүхий
Cu2 (CH3 CO2 )4 нь бүтцийн өндөр тэгш хэмтэй байна.
−L1
CH3 CO2 -ын оронд дикарбоксилатын лиганд хэрэглэхэд “торын комплекс” үүсдэг. Cu4 (L1L1)4 (Зураг 22+ын С) гэсэн торын комплекс нь хавтгай дикарбоксилат L1 (Зураг 2-ын B) ба Cu -ээс тогтоно. Зураг
2-ын В-д карбоксилатын координацын сумаар заасан хоёр чиглэлийн хоорондох θ өнцөг нь торын комплексын бүтцийг тодорхойлдог. L1-ийн хувьд θ өнцөг нь 0° байна. Зураг 2-т устөрөгчийн
атомыг харуулаагүй болохыг анхаарна уу.

Зураг 2

IChO
MNG-1 C-6 Q-5

C.1

Q6-5
Mongolian (Mongolia)

2+Доорх хавтгай дикарбоксилат L2-ийн θ нь 90˚байдаг. Хэрэв L2 ба Cu -ээс
L2үүссэн торын комплексын найрлага нь Cu𝑛 (L2L2)𝑚 байдаг бол n ба m-ийн хамгийн бага бүхэл утгыг тодорхойлно уу.
−

L2-ийн зөвхөн CO2 бүлгүүд Cu
үзнэ.

2+

ионтай координацын холбоо үүсгэдэг гэж

5pt

Q6-6

IChO
MNG-1 C-6 Q-6Mongolian (Mongolia)

2+−Цайрын комплекс, Zn4 O(CH3 CO2 )6 нь тетраэдр байрлалтай дөрвөн Zn зургаан CH3 CO2 , нэг O2−
агуулдаг (Зураг 3-ын A). Zn4 O(CH3 CO2 )6 -д O2− нь тэнхлэгийн эхлэл дээр байрладаг ба гурван тэнх−лэгийн дагууд нүүрстөрөгчийн атом нь байрлах CH3 CO2 -үүд нь хоорондоо харилцан ортогональ
чиглэлтэй байна.
−2+

CH3 CO2 -ийн оронд п-бензолдикарбоксилат (Зураг 3-ын B, L3, θ = 180°)-ийг ашиглахад Zn кластерууд хоорондоо холбогдож “сүвэрхэг координацын полимер” (Зураг 3-ын С) гэж нэрлэгддэг талст
L3хатуу (X)-г үүсгэдэг. X-ийн найрлага нь [Zn4 O(L3L3)3 ]𝑛 бөгөөд нано хэмжээтэй хөндий бүхий куб талст
2+бүтэцтэй. Зураг 3-ын D-д нэг хөндийг бөмбөрцөг хэлбэрээр, Zn -ийн кластерийг Зураг 3-ын C, D-дхар саарал олон талтаар тус тус дүрсэлсэн болно. Устөрөгчийн атомыг Зураг 3-т харуулаагүй болохыг анхаарна уу.

Зураг 3
C.2

X нь хажуу талын урт нь 𝑎 байх (Зураг 3-ын С), 0.592 g cm−3 нягттай куб эгэлүүрээс бүрдэнэ. 𝑎-ийг [см]-ээр тооцоолно уу.

5pt

C.3

X нь нэлээд олон тооны хөндий агуулдаг бөгөөд 1 бар даралт, 25°С-т 1 г Xнь хөндийдөө 3.0 × 102 мл CO2 хийг багтаах чадвартай. Нэг хөндийд байхCO2 -ын молекулын дундаж тоог тооцоолно уу.

5pt

IChO
MNG-1 C-6 A-1

A6-1
Mongolian (Mongolia)Шилжилтийн металлын хатуу төлөвийн химиA хэсэг
A.1 (6 pt)

Cr2+ ∶ΔO , Mn2+ ∶ΔO , Co2+ ∶

ΔO

IChO
MNG-1 C-6 A-2

A.2 (3 pt)

𝐷∶

A.3 (3 pt)

A6-2
Mongolian (Mongolia)

IChO

A6-3

MNG-1 C-6 A-3

Mongolian (Mongolia)

B хэсэг
B.1 (6 pt)

A∶

,B∶

B.2 (4 pt)

𝑙𝑥 =nm, 𝑙𝑧 =nm

IChO
MNG-1 C-6 A-4

B.3 (4 pt), (ii) ∶(i) ∶B.4 (4 pt)%

A6-4
Mongolian (Mongolia)

IChO
MNG-1 C-6 A-5

C хэсэг
C.1 (5 pt)𝑛=,𝑚=

C.2 (5 pt)

𝑎=

cm

A6-5
Mongolian (Mongolia)

IChO
MNG-1 C-6 A-6

C.3 (5 pt)

A6-6
Mongolian (Mongolia)MNG-1 C-7 C-1

MNG-1 C-7 C
Temujin Orkhon

IChO
Problem 7
Cover sheet

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

Q7-1

IChO
MNG-1 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
MNG-1 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
MNG-1 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
MNG-1 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
MNG-1 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
MNG-1 C-7 Q-1

Mongolian (Mongolia)Бензолын бус ароматик шинжээр тоглоцгооё
Нийт онооны 13 %Асуулт

A.1

A.2

A.3

B.1

Нийт

Оноо

5

2

19

10

36

Үнэлгээ

Профессор Нозоэ (1902-1996) нь органик химид маш өргөн тархсан бензолын бус ароматик нэгдлүүдийн судалгааны эхлэлийг тавьсан.

Хүндэтгэлийн зураг: Тохокүгийн Их СургуульА хэсэг
Лайнерийфолианон нь зажлуур навчит зоосон цэцэг (Inula linariifolia)–ээс ялган авсан өвөрмөц бүтэцтэй байгалийн нэгдэл юм. Валенцин (1)-ээс нэг шаттай урвалаар 2 нэгдэл үүсдэг ба 3 нэгдлээр
дамжин гурван шаттай хувирлаар 4 кетон үүсдэг. Эримофиллен (5) нь мөн дөрвөн шаттай хувирлаар 6 нэгдэл үүсдэг.

IChO
MNG-1 C-7 Q-2

Q7-2
Mongolian (Mongolia)Зажлуур навчит зоосон цэцэг (Inula linariifolia)

A.1

2 ба 6 нэгдлийн бүтцийг дүрсэлж шаардлагатай байрлал дахь стереохимийг нь тогтооно уу.

5ptКетон 4 нь нийлмэл эфир 15-г үүсгэдэг. 7 нэгдлийн бүх стерео төвүүд нь нэгдэл 8 (молекул масс:188)-д хэвээр агуулагддаг. Нэгдэл 9 ба 10 нь таван стерео төвтэй ба нүүрстөрөгч-нүүрстөрөгчийнIChO
MNG-1 C-7 Q-3

Q7-3
Mongolian (Mongolia)хоорондын давхар холбоо байхгүй. H2 16 O оронд H2 18 O ашиглан 11 ба 12 нэгдлүүдээс 18 O-тэмдэгт
атомтай лайнерийфолианонууд болох 13 ба 14 нэгдлүүдийг синтезлэдэг. 13 ба 14 нь 18 O-тэмдэгт
атомтай изотопомерүүд юм. Изотоп тэмдэгт атомыг нь тооцохгүй бол 13 ба 14 нь стереохимийн
хувьд ижил 15 нэгдлийг үүсгэдэг.

IChO
MNG-1 C-7 Q-4

Q7-4
Mongolian (Mongolia)

A.2А нэгдлийн тохирох бүтцийг сонгоно уу.

2pt

A.3

8-14 нэгдлүүдийн бүтцийг дүрсэлж, шаардлагатай байрлал дахь стереохимийг нь тогтооно уу. Мөн 13 ба 14 нэгдэл дэх 18 O атомыг доорх зурагт үзүүлсэн шиг тэмдэглэнэ үү.

19pt

IChO
MNG-1 C-7 Q-5

Q7-5
Mongolian (Mongolia)В хэсэг
19 нэгдлийг дор үзүүлсний дагуу синтезлэдэг. Бензолын бус ароматиктай холбоотойгоор, 19 нэгдлийг спиртийн идэвхжүүлэгчээр ашиглаж 20 нэгдлийг ионы хос завсрын бүтээгдэхүүн 21 нэгдлээр
дамжуулан 22 нэгдэлд хувиргадаг. 21 нэгдэл үүсдэг нь ЦСР спектрээр батлагдсан ч аажим задарч
18 ба 22 нэгдлүүдийг үүсгэдэг.

B.1

17–19 ба 21 нэгдлүүдийн бүтцийг дүрсэлнэ үү. Стереохими шаардлагагүй.

10pt

IChO
MNG-1 C-7 A-1

A7-1
Mongolian (Mongolia)Бензолын бус ароматик шинжээр тоглоцгооёА хэсэг
A.1 (5 pt)
2 (2 pt)

A.2 (2 pt)

6 (3 pt)

IChO
MNG-1 C-7 A-2

A.3 (19 pt)

A7-2
Mongolian (Mongolia)

IChO
MNG-1 C-7 A-3

B хэсэг
B.1 (10 pt)
17 (2 pt)

18 (2 pt)

19 (3 pt)

21 (3 pt)

A7-3
Mongolian (Mongolia)MNG-1 C-8 C-1

MNG-1 C-8 C
Temujin Orkhon

IChO
Problem 8
Cover sheet

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

Q8-1

IChO
MNG-1 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
MNG-1 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
MNG-1 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
MNG-1 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
MNG-1 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
MNG-1 C-8 Q-1

Mongolian (Mongolia)Динамик органик нэгдлүүд ба тэдгээрийн хираль чанар
Нийт онооны 11%Асуулт

A.1

A.2

A.3

B.1

B.2

Нийт

Оноо

9

3

7

3

4

26

ҮнэлгээА хэсэг
Орто-холбогдсон полицагирагт ароматик нүүрсустөрөгчдийг [n]карбохелицен (n нь зургаангишүүнт цагирагийн тоо) гэнэ (дор үзүүлсэн). [4]Карбохелицен([4]C)-ийг фото-урвал ашигласандор үзүүлсэн аргаар завсрын бүтээгдэхүүн (Int.)-ийг иодоор хялбар исэлдүүлж гарган авдаг.

Фото-урвал нь дараах жишээнд үзүүлсэнтэй адилаар явагддаг.

IChO
MNG-1 C-8 Q-2

Q8-2
Mongolian (Mongolia)

Жич: Даалгавар 8-ын бүх асуултад хариулахдаа хелицен шиг дан болон давхар холбоог
ээлжлэн зураарай. Коньюгацилагдсан 𝜋 системийг тэмдэглэдэг цагирагийг ашиглахгүй.
A.1

A–C нэгдлүүдийн бүтцийг дүрсэлнэ үү. Стереоизомерүүдийг ялгаж бичнэ
үү.

9pt

A.2

[5]карбохелиценийг тохирох эх бодис болон ижил фосфоны давснаас синтезлэхэд [5]карбохелицен маш бага үүсч түүний оронд 2 Да-оор бага молекул масстай D нэгдэл үүсдэг. D нэгдлийн 1 H ЦСР спектрийн химийн шилжилтийн утгыг дор өгсөн болно. D нэгдлийн бүтцийг дүрсэлнэ үү.
[D (𝛿, ppm CS2 -д уусгасан, тасалгааны температурт), 8.85 (2H), 8.23 (2H), 8.07
(2H), 8.01 (2H), 7.97 (2H), 7.91 (2H)]

3pt[5]- ба түүнээс дээш гишүүнтэй [n]карбохелицен нь хираль шинж чанартай байдаг ба тасалгааны
температурт өөр хоорондоо энантиомерүүд нь харьцангуй удаан шилждэг. [n]карбохелицений хираль шинж чанарыг (M) юмуу (P) гэж тодорхойлдог ба дараах зурагт үзүүлэв.

4-өөс дээш тоотой [n]карбохелицений энантиомерүүдийг хираль баганан хроматографиар ялгах
аргыг профессор Ёошио Окамото боловсруулсан юм.

Хүндэтгэлийн зураг: Японы шагналын сан

IChO
MNG-1 C-8 Q-3

Q8-3
Mongolian (Mongolia)Хоёр ба түүнээс дээш хелицен шиг бүтэц агуулсан нэгдлүүдийг олон төвт хелицений молекул гэнэ.
Ийм олон төвт хелицений хувьд эргэлтийн хирал чанарыг тооцвол олон стерео изомертэй. Тухайлбал, Е нэгдлийн нэг молекул [5]карбохелицен шиг гурван хэсэгтэй. Түүний нэг стерео изомер (P, P,
P)-ийг доорх зурагт үзүүлэв.

A.3

1,2-дибромбензолын никель-катализатортай тримержилтээр трифенилен
үүсдэг. F нэгдлийн энантиомер (P)-F-ийг яг ийм урвалд оруулж олонтөвт хелицен G (C66 H36 )-г гарган авдаг. Урвалын явцад стерео изомерүүдийн хоорондын хувирал явдаггүй бөгөөд үүссэн G нэгдлийн боломжитбүх стереоизомерүүдийг давхардуулалгүйгээр тогтооно уу. Дээрх жишээн дэх нэгдлийн дугаарлалтыг ашиглан хираль чанарыг нь нэг изомерт
бүрэн дүрсэлж бусад изомерийг нь уг дугаартаа үндэслэн M ба P тэмдэглэгээгээр бичиж жагсааж бичнэ. Жишээлбэл, Е нэгдлийн стерео изомерүүдийг (1, 2, 3) = (P, M, P), (P, M, M), (P, P, M), (M, M, M), (M, M, P), (M, P, P), ба (M, P,M) гэж тэмдэглэж болно.

7pt

IChO
MNG-1 C-8 Q-4

Q8-4
Mongolian (Mongolia)

B хэсэг
Суманен нь аяган-хэлбэртэй нүүрсустөрөгч бөгөөд 2003 онд Японд анх тэмдэглэгдэж байжээ. “Суманен” гэдэг нэр нь “суман” буюу наранцэцэг гэсэн утгатай Санскрит-Хинди үгнээс гаралтай. Суманенийг цагираг нээх, цагираг хаах урвалуудаас бүрдсэн дараалсан синтезийн урвалаар гарган
авдаг.

Рутини (Ru*) катализатор ашигласан жишээ синтезийг дор үзүүлэв.

B.1

Завсрын бүтээгдэхүүн I -ийн бүтэц (стереохими шаардлагагүй)-ийг
дүрсэлнэ үү.

3pt

IChO
MNG-1 C-8 Q-5

B.2

Q8-5
Mongolian (Mongolia)Оптик идэвхтэй J нэгдлээс ижил дараалалтай урвалын схемээр оптик идэвхтэй суманений уламжлал болох К нэгдэл үүсдэг. Энэ процессын дүнд J
нэгдлийн стерео төвүүд хувирдаггүй. К нэгдлийн тохирох стерео бүтцийг
дүрсэлнэ үү.

4pt

IChO

A8-1

MNG-1 C-8 A-1

Mongolian (Mongolia)Динамик органик нэгдлүүд ба тэдгээрийн хираль чанарA хэсэг
A.1 (9 pt)
A (3 pt)

A.2 (3 pt)

B (3 pt)

C (3 pt)

IChO
MNG-1 C-8 A-2

A.3 (7 pt)

A8-2
Mongolian (Mongolia)

IChO
MNG-1 C-8 A-3

B хэсэг
B.1 (3 pt)

B.2 (4 pt)

A8-3
Mongolian (Mongolia)MNG-1 C-9 C-1

MNG-1 C-9 C
Temujin Orkhon

IChO
Problem 9
Cover sheet

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

Q9-1

IChO
MNG-1 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
MNG-1 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
MNG-1 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
MNG-1 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
MNG-1 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. [solvent@222 ] denotes a species containing one or more solvent molecules.

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
MNG-1 C-9 Q-1

Mongolian (Mongolia)Капсулын дуртай болон дургүй зүйлс
Нийт онооны 10 %Асуулт

A.1

A.2

A.3

A.4

A.5

Нийт

Оноо

13

2

2

3

3

23

Үнэлгээ

Сайн хүүхдүүд ингэхгүй л байх, гэхдээ та теннисний бөмбөгийг зураасын дагуу задалбал U хэлбэртэй хоёр хэсэгт хуваагдана.

Дээрх санаанд үндэслэн өөр өөр хэмжээтэй U хэлбэрийн молекулууд болох 1 ба 2 нэгдлүүдийг нийлэгжүүлэн гарган авчээ. 3 бодисыг 1 бодистой харьцуулахын тулд гарган авсан бөгөөд эдгээр нэгдлүүдийн капсул үүсгэх шинж чанарыг харьцуулан судлав.

IChO
MNG-1 C-9 Q-2

Q9-2
Mongolian (Mongolia)

2 нэгдлийг нийлэгжүүлэх схемийг доор харуулав. 9 бодисын элементийн найрлага массын хувиар
C 40.49%, H 1.70%, O 17.98% байдаг.

IChO
MNG-1 C-9 Q-3

A.1

Q9-3
Mongolian (Mongolia)

4-9 бодисуудын бүтцийг зурна уу; стереохимийг зурахгүй орхиж болно.
Дээрх схемд харуулсан пара-метоксибензил бүлгийн бүтцийг бүхэлд нь зурахын оронд ”PMB” товчлолыг ашиглана.

13pt

IChO
MNG-1 C-9 Q-4

Q9-4
Mongolian (Mongolia)

1 бодисын масс спектрт түүний димер (112 )-т харгалзах ионы пик тод ажиглагдсан бол 3 бодисын
спектрт 3 2 -ын ионы пик ажиглагдаагүй. 1 2 уусмалын 1 H ЦСР спектрт 1 бодист байх бүх NH бүлгийн
протонууд эквивалент хэмжээтэй ажиглагдсан ба химийн шилжилт нь 3 бодисын NH протоныхоосэрс ялгаатай байна. Эдгээр өгөгдлүүдээс харахад 1 бодисын нэг молекулын NH нь 1 бодисын өөрнэг молекулын X атомтай устөрөгчийн холбоогоор холбогдон димер капсул үүсгэдэг нь харагдана.
A.2

1 бодисын тохирох бүх Х атом(ууд)-ыг дугуйлна уу.

2pt

A.3

Димер капсул 1 2 -д хэдэн ширхэг устөрөгчийн холбоо байх вэ?

2pt

IChO
MNG-1 C-9 Q-5

Q9-5
Mongolian (Mongolia)Димер капсул 1 (112 ) нь тохирох жижиг молекул Z-ийг багтаах дотоод зайтай. Энэ үзэгдлийг дараах
тэгшитгэлээр илэрхийлэв:Z-ийг 12 капсул дотор багтаах тэнцвэрийн тогтмол дараах байдлаар өгөгджээ:Молекулыг капсулд багтаж байгааг ЦСР спектроскопоор хянах боломжтой. Жишээлбэл, C6 D6 дахь1 2 нь CH4 нэмэхээс өмнө ба дараа 1 H ЦСР спектрт өөр өөр сигнал өгдөг.
2 бодис нь уян биш, том хэмжээтэй димер (222 ) капсул үүсгэдэг. 22 бодисын 1 H ЦСР спектрийг C6 D6 ,C6 D5 F, C6 D6 /C6 D5 F уусгагчуудад хэмжсэн бөгөөд бусад бүх нөхцлийг тогтмол байлгасан. 2 бодисын
дээрх уусгагчууд дахь Ha протоны химийн шилжилтийг дор тоймлон харуулав, доор жагсааснаас
өөрөөр 2 бодисын Ha протоны сигнал илрээгүй. Капсулын дотор боломжит хамгийн их тооны уусгагчийн молекулаар дүүргэгдэж, сигнал бүр нэг уусгагчид харгалзана гэж үзнэ.

A.4

уусгагч

Ha -н 𝛿 (ppm)

C6 D6

4.60

C6 D5 F

4.71

C6 D6 / C6 D5 F

4.60, 4.71, 4.82

2 2 капсулын Ha сигналаас багтаасан C6 D6 ба C6 D5 F молекулуудын тоогтодорхойлно уу.

3pt

IChO
MNG-1 C-9 Q-6

Q9-6
Mongolian (Mongolia)

H ЦСР хэмжилтийг C6 D6 -д уусган хийснээр 2 2 нь 1-адамантан карбон хүчил (AdA)-ийн нэг молекултай харилцан үйлчилдгийг тогтоосон бөгөөд доор илэрхийлсэн ассоциацийн тогтмол (𝐾a )-ийг янзбүрийн температурт тодорхойлсон болно. [solvent@222 ] нь нэг буюу хэд хэдэн уусгагчийн молекул
агуулсан байгааг илэрхийлнэ.
1Үүнтэй адилаар CH4 ба 1 2 бодисын C6 D6 -д 1 H-ЦСР хэмжилтээр 𝐾a утгуудыг янз бүрийн температурт
тодорхойлсныг тэгшитгэл (2)-д өгсөн. Хоёр ассоциацийн тогтмолыг (ln 𝐾a -ын 1 / T-ээс хамаарах хамаарал) доор харуулав.

1 2 капсулд C6 D6 молекул ороогүй. II шугаманд энтропийн өөрчлөлт (Δ𝑆) нь ( 1 ) ба энтальпийн өөрчлөлт (Δ𝐻) нь ( 2 ), II шугамны капсулжилтийн хөдөлгөгч хүч нь ( 3 ) болохыг илэрхийлнэ. Тиймээс,I шугам ( 4 ), II шугам ( 5 )-тай харгалзана.
A.5

Дээрх мэдээлэл дэх (1) - (5) хүртэлх цифрт тохирох өгөгдлийг дараах хүснэгтийн А ба В баганаас сонгоно уу.
A

B

(1)

эерэг

сөрөг

(2)

эерэг

сөрөг

(3)

Δ𝑆

Δ𝐻

(4)

1 2 ба CH4

2 2 ба AdA(5)

1 2 ба CH4

2 2 ба AdA

3pt

IChO
MNG-1 C-9 A-1

Капсулын дуртай болон дургүй зүйлс
A.1 (13 pt)
4 (2 pt)

5 (3 pt)

6 (2 pt)

7 (2 pt)

8 (2 pt)

9 (2 pt)

A9-1
Mongolian (Mongolia)

IChO

A9-2

MNG-1 C-9 A-2

Mongolian (Mongolia)

A.2 (2 pt)

A.3 (2 pt)
A.4 (3 pt)
Ha -ийн 𝛿 (ppm)

C6 D6 -н тоо

C6 D5 F-н тоо

4.60 ppm

4.71 ppm

4.82 ppm

A.5 (3 pt)
(1) ∶

(2) ∶

(4) ∶

(5) ∶

(3) ∶