Chemistry Labs

国際化学オリンピック · 2015年

問題

  1. 問題 1新しい冷媒と忘れられた古い冷媒。モデル冷凍サイクルで冷媒を熱力学的に比較する：液体冷媒が定圧 p1p_1・温度 T1T_1 で沸騰し（熱 QQ を吸収）、蒸気を可逆断熱圧縮して T2T_2 まで昇温し（仕事 WW）、定圧 p2p_2 で冷却して初期状態に戻る。冷媒 1 mol、T1=280T_1 = 280 K、T2=380T_2 = 380 K、蒸気は理想気体とする：NHX3\ce{NH3} — ΔHvap=21.3\Delta H_{vap} = 21.3 kJ mol−1^{-1}、CV(気)=26.7C_V(\text{気}) = 26.7 J K−1^{-1} mol−1^{-1}；CHFX2Cl\ce{CHF2Cl} — 20.020.0 kJ mol−1^{-1}・48.848.8 J K−1^{-1} mol−1^{-1}；CFX3CHX2F\ce{CF3CH2F} — 22.122.1 kJ mol−1^{-1}・7979 J K−1^{-1} mol−1^{-1}；CFX3CF=CHX2\ce{CF3CF=CH2} — 19.119.1 kJ mol−1^{-1}・120120 J K−1^{-1} mol−1^{-1}。(a) NHX3\ce{NH3} と CHFX2Cl\ce{CHF2Cl} の QQ と WW を計算せよ。(b) 成績係数 COP=Q/WCOP = Q/W を両冷媒について計算せよ。(c) CFX3CHX2F\ce{CF3CH2F} と CFX3CF=CHX2\ce{CF3CF=CH2} の COP を計算せよ。CHFX2Cl\ce{CHF2Cl} に比べて効率は向上したか。解答: 1
  2. 問題 3二つの結合中心——競合か協同か？ ホスト分子Hはゲスト分子Gに対し親和性の異なる二つの結合中心 aa, bb を持つ：H+G⇌HGa\ce{H + G <=> HGa}（KaK_a）と H+G⇌HGb\ce{H + G <=> HGb}（KbK_b）。1つのGの結合はもう一方の親和性を変え、これを相互作用因子 β\beta で表す：第二結合 HGa+G⇌HGX2\ce{HGa + G <=> HG2}（Gは中心 bb に結合）の平衡定数は βKb\beta K_b（HG2は二重結合錯体）。(a) 協同・競合・独立に対応する β\beta の範囲を答えよ。(b) HGb+G⇌HGX2\ce{HGb + G <=> HG2} の平衡定数を KaK_a, KbK_b, β\beta で表せ。(c) [H]0=1[\ce{H}]_0 = 1、[G]0=2[\ce{G}]_0 = 2 mol dm−3^{-3} の溶液を調製した。平衡で [H][\ce{H}] は10分の1、[G][\ce{G}] は4分の1になった。Kb=2KaK_b = 2K_a として、全種の濃度と KaK_a, β\beta を求めよ。(d) H 1 mol とある量のGを溶かして 1 dm3^3 の溶液を作り、[HGX2]=[HGa]+[HGb][\ce{HG2}] = [\ce{HGa}] + [\ce{HGb}] となった。(c)の KaK_a, KbK_b, β\beta を用いてGの初期量を求めよ。解答: 1