XII Олимпиада по нанотехнологиям (с решениями) - часть 4

 

 

 

 

National Student Team Contest (first stage)  
Solution of task 5. Porous metal from ionic cluster 

 

2.

 

The point No.2 should be solved as the 1

st

 step to propose the composition for the complex 

anion of the unknown compound. 
 

Most likely, the given IR modes correspond to chemisorbed CO molecules or carbonyl ligands 
in the complex anion.  

 

1.

 

Molecular  weight  of  metal  is  not  obvious  however  that  is    possible  to  estimate  the 
percentage of CO ligands in the unknown substance A. Weight of all gaseous products is as 
follows:  
 

m

gases 

= 1 - 0.574 = 0.426 g. 

 

The molar ratios of CO : H

2

O : N

2

  is 34 : 20 : 1.  So, if the anion X

3-

 does not contain nitrogen 

and  is  just  a  carbonyl  compound  (no  other  kinds  of  ligands)  the  unknown  substance  A  is 

[𝑁𝐸𝑡

4

][𝑅ℎ

15

(𝐶𝑂)

27

]

3−

  compound. Check the charge balance to confirm the accuracy of your 

solution. 
 

2
3

[𝑁(𝐶

2

𝐻

5

)

4

]

3

[𝑅ℎ

15

(𝐶𝑂)

27

] + 18 𝑂

2

→ 10 𝑅ℎ + 34 𝐶𝑂 + 20 𝐻

2

𝑂 +   𝑁

2

 

 

3.

 

Simple  electron-counting  schemes  such  as  the  effective  atomic  number  (EAN)  and  the 
skeletal electron pair (SEP) rules, which result from these systematic studies, are extremely 
useful in correlating the structures of a vast number of clusters to their electron counts. 
  

According  to  the  Nevil  V.  Sidgwick  theory  and  EAN  rule.  The  electron  configuration  of 
rhodium  is  [Kr]4d

8

5s

1 

and  so  the  number  of  electrons  for  the  neutral  Rh

0

  is  45.  The  EAN 

number  for  the 

[𝑅𝐻 (𝐶𝑂)

1.8

]

0.2−

  cluster  is  45  +  2ˑ1.8  + 0.2  =  48.8  that  is  much  below  the 

atomic number of Xenon. So the complex could be stable if Rh-Rh bonding takes part.  
 
The  fifteen  metal  atoms  could  be  distributed  uniformly  forming  a  Rh-centered  

[𝑅ℎ

15

(𝐶𝑂)

27

]

3−

 cluster. In such a case, most likely, the 1

st

 coordination sphere could be cubic 

(body-centered  cube)  and  the  2

nd

  coordination  sphere  forms  a  hexa-capped  cube  of 

pentadecavertex metal cluster as shown in Figure 1a. 
 
Structure of  

[𝑁𝐸𝑡

4

][𝑅ℎ

15

(𝐶𝑂)

27

]

3−

 has the structure as the following given in Figure 1b. The 

structure  is  similar  to  that  of  previously  reported 

[𝑅ℎ

15

(𝐶𝑂)

30

]

3−

  and  only  differs  in  the 

number and stereochemistry of the carbonyl groups. Two kinds of CO groups are presented 
– bridging and terminal. 

 

26

 

 

 

 

 

Figure 1. Structure of the ordered  

[𝑅ℎ

15

(𝐶𝑂)

27

]

3−

 trianion (only one of the two 

independent anions are present in the unit cell is represented): 

(a) rhodium framework with a numbering scheme; 

(b) whole structure with numbering of O atoms  

(C atoms are numbered as the corresponding O atoms). 

 
The  unit  cell  of  the 

[𝑁𝐸𝑡

4

][𝑅ℎ

15

(𝐶𝑂)

27

]

3−

    salts  contains  two  pairs  of  independent  

[𝑅ℎ

15

(𝐶𝑂)

27

]

3−

  cluster anions and 12 

[𝑁𝐸𝑡

4

]

+

 cations separated by normal van der Waals 

contacts. 

 

4.

 

Synthesis  of  the  substance  A  could  be  performed  in  laboratory  using  simpler  rhodium 
carbonyls as reagents and hydrated cadmium chloride CaCl

2

ˑxH

2

O, InCl

3

ˑxH

2

O or ZnCl

2

ˑxH

2

O 

as catalysts for controlled protonation of the complex. The following equations are: 

 

2

[𝑅ℎ

7

(𝐶𝑂)

16

]

3−

+  2 𝐻

+

  →  2{[𝐻𝑅ℎ

7

(𝐶𝑂)

16

]

2−

} →   [𝑅ℎ

14

(𝐶𝑂)

25

]

4−

+   𝐻

2 

+  7 𝐶𝑂

 

 

[𝑅ℎ

14

(𝐶𝑂)

25

]

4−

+   𝐻

+

  →    [𝐻𝑅ℎ

14

(𝐶𝑂)

25

]

3−

 

 

[𝐻𝑅ℎ

14

(𝐶𝑂)

25

]

3−

+   [𝑅ℎ

1

(𝐶𝑂)

2

]

+

  →   [𝑅ℎ

15

(𝐶𝑂)

27

]

3−

+   𝐻

+

 

 

All 

[𝑁𝐸𝑡

4

]

+

 salts could be separated successfully by differential solubility. 

 

5.

 

The  specific  surface  area  could  be  estimated  roughly  using  corresponding  TEM  data.  The 
round shaped metal particle of 5 nm diameter has its surface area of 314.12 nm

2 

and volume 

of 523.533 nm

3

. The density is of 12.41 g/cm

3

. So the unit weight should be 6.497ˑ10

-21

 kg or 

6.497ˑ10

-18

 g. So the metal sponge weight is 0.5742 g that corresponds roughly to 0.884ˑ10

18

 

or 8.84ˑ10

16

 particles. Each separate particle has its theoretical surface area of 314.12 nm

2 

while  all  independent  rhodium  nanoparticles results  in  maximal  surface of  27.76 m

2

.  The 

resulting maximum of BET area could be 48.3 m

2

/g.  

 
To be more accurate we can take into consideration that the accessible surface area is lower 
than the theoretical. 

 

27

Юный эрудит

Юный эрудит

Категория участников: школьники 5-7 классов

Блок простых задач для младших школьников. Лучшие школьники-младшеклассники
будут приглашены на очный тур.

Задания

1. Окрашенные предметы

Окраска предметов, представленных на фото, обусловлена содержащимися в них
атомами элемента Х, расположенном в Периодической системе под номером 79. Назовите
элемент Х на русском и латинском языках. Поставьте в соответствие приведенным
описаниям фотографии предметов...

2. Рост наночастиц

В некотором растворе в начальный момент времени присутствуют кубические
наночастицы кальцита (CaCO

3

) размером 1 нм. Рассчитайте время (в минутах), за которое

эти наночастицы увеличатся в 100 раз, если известно, что каждая наночастица
увеличивает свою массу...

3. В мире нанокристаллов

Нанокристаллы могут образовывать большое количество разнообразных геометрических
форм, рассмотреть которые позволяют методы электронной микроскопии. Некоторые из
таких форм показаны в файле...

4. Грибы и солнечная энергия

Превращение воды в пар – один из способов преобразования солнечной энергии.
Оказалось, что для этой цели хорошо подходят некоторые виды грибов. Они отлично
поглощают солнечный свет, а их пористая микроструктура способствует переносу воды
по капиллярам к месту испарения...

28

5. Катализатор из одного атома

Одна из важнейших задач химической промышленности – превращение атмосферного
азота в аммиак, из которого получают удобрения и другие полезные вещества. Ежегодно
мировая промышленность производит 150 млн. тонн аммиака...

6. Физический филворд

В поле зашифрованы 11 слов: 10 из них описаны ниже, а одно надо составить из
оставшихся букв. Слова не обязательно должны быть записаны в одну линию, они могут
содержать изломы (но не по диагонали). Одна буква может принадлежать только одному
слову...

7. Закон Мура действует?..

Известный эмпирический закон Г. Мура предсказывает удвоение количества
транзисторов в микрочипах каждые два года за счет уменьшения их топологических
размеров. Несмотря на физические ограничения и сложности производства...

8. Одноэлектронный транзистор

Одноэлектронный транзистор – транзистор нанометрового размера, в котором отдельные
электроны могут управлять током транзистора. А сколько электронов протекает через
обычный транзистор за τ = 1 наносекунду, если ток через транзистор I = 1 мА?..

9. Так ли там много места?

Известно, что молекулы газа способны проникать в поры довольно малого размера.
Рассчитайте количество таких молекул в цилиндрической поре длиной 100 мкм и
диаметром 40 нм, если давление в ней равно 0.5 атм, а температура комнатная (298 К).
Газ считать идеальным...

10. Олимпиадные нанокластеры

Два школьника получили одинаковые наборы шариков и задание – сложить из них
модели нанокластеров, при этом должно остаться как можно меньше шариков. Первый
школьник сложил из шариков модели нанокластеров в виде двух квадратов со сторонами
(О + 1) и (4О – 5) шариков...

29

11. Сложно быть жирафом

Жираф – самое высокое наземное животное. Высота самцов жирафа может превышать 6
метров (треть из которых приходится на шею), а вес может достигать двух тонн (в
среднем немного выше тонны). Это позволяет жирафам питаться листьями с высоких
крон деревьев...

12. Это животное обитает в …

Ниже представлены фотографии 10 животных, обитающих в разных регионах мира. Под
каждой фотографией приведено утверждение, касающееся места обитания этого
животного. Укажите, истинны (и) или ложны (л) приведенные ниже утверждения...

13. Все о микрофлоре

С экранов телевизоров, рекламных щитов и просто в разговоре мы можем часто
услышать: "Это нарушена микрофлора кишечника". Пострадавшим советуют пить живые
йогурты, ряженку и кефир, чтобы эту самую микрофлору восстановить. Пожалуйста,
ответьте на следующие вопросы...

14. Кроссворд

По горизонтали: 1. Способ создания сложного путем объединения простого (рис. 1г). 8.
Длинный и тонкий материал (рис. 8г). 10. «Гроздь» атомов (рис. 10г). 11. Нано-… – один из
самых распространенных объектов нанотехнологий. 12. Рис. 2в, а также 18г...

15. Нанофилворд

На поле размером 12 на 16 букв зашифрованы 14 слов, имеющих то или иное отношение к
нанотехнологиям. Способ поиска показан на примере слова «олимпиада» (горизонтально
слева направо или вертикально сверху вниз)...

16. Генетический кроссворд

По горизонтали: 2. Испрaвлeниe пoврeждeннoй мoлeкулы ДНК. 5. Учaстoк хрoмoсoмы,
нeoбхoдимый для рaспрeдeлeния гoмoлoгичных хрoмoсoм пo дoчeрним клeткaм. 6.
Eдиницa гeнeтичeскoгo кoдa, трoйкa рaспoлoжeнных пoдряд нуклeoтидных oстaткoв в
ДНК или РНК...

30

 

 

 

 

Юный эрудит (заочный тур) 
Задача 1. Окрашенные предметы 

 
Окраска  предметов,  представленных  на  фото,  обусловлена  содержащимися  в  них  атомами 
элемента Х, расположенном в Периодической системе под номером 79. Назовите элемент Х 
на  русском  и  латинском  языках.  Поставьте  в  соответствие  приведенным  описаниям 
фотографии предметов. 
 

(1)

 

Рубиновое стекло содержит наночастицы Х размером 10 – 50 нм. 

(2)

 

Пурпурный  цвет  краски  для  росписи  фарфора  и  фаянса  также  вызван  частицами  Х 
размером менее 100 нм. 

(3)

 

Металл  Х  обладает  высокой  пластичностью  –  его  можно  раскатать  в  тончайшую 
фольгу.  Тонкая  пленка  Х,  вплавленная  в  стекловидную  глазурь,  прочно  держится  на 
фарфоре. 

(4)

 

Сплавы  Х  с  другими  металлами  имеют различную  окраску.  Так,  например,  сплав  Х  с 
железом  имеет  белый  цвет,  с  кадмием  –  серо-зеленый,  с  медью  –  красный,  а  с 
индием – синий. 

 

 

 

Всего – 5 баллов 

31

 

 

 

 

Юный эрудит (заочный тур) 
Решение задачи 1. Окрашенные предметы 

 
Металл (элемент Х) – золото, «аурум» 
 

(1 балл) 

1 – Б, 2 – В, 3 – Г, 4 – А 

(4 балла) 

 
 
 
 

 

 

32

 

 

 

 

Юный эрудит (заочный тур) 
Задача 2. Рост наночастиц 

 

 

 

В некотором растворе в начальный момент времени присутствуют кубические наночастицы 
кальцита (CaCO

3

) размером 1 нм. Рассчитайте время (в минутах), за которое эти наночастицы 

увеличатся  в  100  раз,  если  известно,  что  каждая  наночастица  увеличивает  свою  массу  на 
3·10

–15

  мг  в  секунду.  (4  балла)  Во  сколько  раз  при  этом  выросла  площадь  поверхности 

наночастицы? (1 балл) 
 
Плотность кальцита 2,7 г/см

3

. 

 
Всего – 5 баллов 
 

33