Chemie Overal 5e ed/FLEX - Hoofdstuk 7 - Duurzaamheid oefentoetsen & antwoorden

Bij de verbrandingsreactie van brandstoffen komt relatief veel reactiewarmte/energie vrij. Deze energie kan voor allerlei doeleinden worden gebruikt.Bij het kraken van koolwaterstoffen worden bij hoge temperatuur lange koolwaterstofketens in kortere ketens gesplitst. Deze kortere koolwaterstofketens hebben betere eigenschappen om gebruikt te worden als brandstof of als grondstof. Bij het kraken van lange alkanen ontstaan altijd zowel (kortere) alkanen als alkenen. De alkenen worden bijvoorbeeld veel als grondstof in de polymeerindustrie gebruikt.c.Voorbeelden van goede antwoorden zijn: Minder grondstoffen en energie verbruiken, zo veel mogelijk duurzame grondstoffen en energie gebruiken, minder vervuiling produceren, veilige processen gebruiken. Gedetailleerde uitgangspunten van de groene chemie zijn te vinden in Binas 97F. d.Een evenwichtsreactie is een chemische reactie waarin gelijktijdig beginstoffen worden omgezet in reactieproducten en deze vervolgens voor een deel weer terugreageren tot beginstoffen. Het dynamisch evenwicht wordt bereikt als de verhouding van de concentraties van alle stoffen dusdanig is, dat de reactiesnelheid van de reacties in beide richtingen gelijk is. Hierdoor blijven de concentraties van alle stoffen constant terwijl de reacties in beide richtingen blijven plaatsvinden.e.Je kunt een chemisch evenwicht beïnvloeden door meer van een bepaalde stof aan de reactie toe te voegen of juist een stof weg te halen. Het evenwicht zal tijdelijk verschuiven naar de kant die de verandering ongedaan maakt. Dit betekent dat de reactiesnelheid naar die kant tijdelijk hoger zal zijn dan in de andere richting.Je kunt ook de temperatuur verhogen of verlagen. De ene richting van de evenwichtsreactie is altijd exotherm en de andere richting endotherm, waardoor het evenwicht zal verschuiven bij een temperatuurverandering. Als er in een richting van de evenwichtsreactie meer (of minder) deeltjes ontstaan dan in de andere richting, dan kun je het evenwicht beïnvloeden door de druk te verhogen of te verlagen.  Volgens de Cradle to Cradle‑filosofie (‘wieg‑tot‑wieg’) moet elke grondstof na gebruik in het ene product weer nuttig gebruikt kunnen worden in een ander product, zonder verlies van kwaliteit. Dit resulteert in duurzaam gebruik van grondstoffen en geen afval.De belangrijkste verschillen tussen fossiele brandstoffen en biobrandstoffen zijn de herkomst en de bijdrage aan koolstofdioxide (CO2) uitstoot. Biobrandstoffen zijn geproduceerd op basis van plantaardige grondstoffen of gewonnen uit levende organismen. Fossiele brandstoffen zijn ontstaan na een langdurig afbraakproces van vele duizenden jaren. Biobrandstoffen bieden het voordeel dat ze de uitstoot van CO2 niet doen toenemen. De CO2 die vrijkomt tijdens hun verbranding werd immers eerder via fotosynthese door de plantaardige bron uit de lucht gehaald tijdens het groeiproces. Biobrandstoffen vormen dus geen nieuwe CO2-moleculen zoals fossiele brandstoffen.Een ander verschil is dat fossiele brandstoffen op den duur uitgeput raken, terwijl de plantaardige bronnen voor biobrandstof doorlopend hernieuwd kunnen worden.Bij een matig oplosbaar zout lost een deel van het zout op. Het opgeloste zout slaat voor een deel weer neer. Wanneer de snelheid van het oplossen en het neerslaan even groot is, heeft er zich een (oplos)evenwicht ingesteld. De hoeveelheid opgelost en onopgelost zout blijft constant. Omdat het opgeloste zout en het vaste zout zich in verschillende fasetoestanden bevinden is hier sprake van een heterogeen evenwicht. Bij kraken worden lange koolwaterstoffen gesplitst in kortere ketens. Zet de juiste stoffen voor en na de reactiepijl. Propeen is een alkeen met de molecuulformule C3H6. Hexadecaan (C16H34) voor de pijl, octaan (C8H18) en propeen (C3H6) na de pijl.C16H34 $\rightarrow$ C8H18 + C3H6 + …Tel vervolgens het aantal C-atomen en H-atomen voor en na de pijl om het ontbrekende reactieproduct te identificeren. Er ontbreken 5 C-atomen en 10 H-atomen. De juiste reactievergelijking is:C16H34 $\rightarrow$ C8H18 + C3H6 + C5H10De molecuulformule CnH2n is van een alkeen. De ontbrekende stof is penteen.Bio-octaan wordt geproduceerd uit plantaardige bronnen. Deze hebben tijdens de groei via fotosynthese CO2 uit de lucht gehaald, welke bij de verbranding van bio-octaan vrijkomt. Dit draagt netto dus niet bij aan de hoeveelheid CO2 in de lucht. Ook zijn de plantaardige bronnen hernieuwbaar in tegenstelling tot fossiele brandstoffen. Dit maakt bio-octaan een duurzame brandstof.Om de atoomeconomie te berekenen, heb je de reactievergelijking nodig. Bij de hydrogenering van 1-dodeceen (C12H24) reageert het met waterstof, de dubbele binding verdwijnt en er ontstaat dodecaan (C12H26): C12H24 + H2 $\rightarrow$ C12H26De formule voor het berekenen van de atoomeconomie staat in Binas 37H:Atoomeconomie: massa product : massa beginstoffen (x 100%)Er is in deze reactie maar 1 reactieproduct dus alle atomen van de beginstoffen komen daarin terecht. De atoomeconomie is 100%. Zet de juiste stoffen voor en na de reactiepijl. Methaan CH4 en chloorgas (Cl2) voor de pijl. Dichloormethaan (CH2Cl2) en waterstofchloride (HCl) na de pijl. .. CH4 + .. Cl2 → .. CH2Cl2 + .. HClIn een kloppende reactievergelijking heb je links en rechts van de pijl altijd hetzelfde aantal atomen. Maak de Cl-atomen en H-atomen kloppend:CH4 + 2 Cl2 → CH2Cl2 + 2 HClDe atoomeconomie van een reactie geeft aan welk percentage van alle atomen in de beginstoffen in het gewenste reactieproduct terechtkomt. Het gewenste reactieproduct in deze reactie is CH2Cl2. De formule voor het berekenen van de atoomeconomie staat in Binas 37H:Atoomeconomie: massa product : massa beginstoffen  (x 100%)Bereken de molaire massa van het gewenste product:M CH2Cl2 : 84,93 uZoek in Binas 98 of bereken de molaire massa’s van de beginstoffen:M CH4 : 16,04 u; M Cl2: 70,906 uIn de reactievergelijking reageert 2 mol chloorgas dus de totale massa van de beginstoffen is: 16,04 + (2 x 70,906)=157,85 uDe atoomeconomie is 84,93/157,85 (x 100%) =53,8 %Het rendement geeft aan hoeveel er daadwerkelijk geproduceerd is (praktische opbrengst) ten opzichte van de theoretisch haalbare opbrengst. De formule voor het berekenen van het rendement staat in Binas 37H:praktische opbrengst/ theoretische opbrengst (x100%)Om te berekenen hoeveel ton dichloormethaan er wordt geproduceerd bij een rendement van 71%, moet eerst worden berekend hoeveel de theoretische opbrengst is (dus bij een rendement van 100%). Dit doe je met behulp van de reactievergelijking. Er reageert 2 ton methaan met een overmaat chloorgas, dit betekent dat de hoeveelheid methaan bepaalt hoeveel product er maximaal gevormd kan worden aangezien er meer dan genoeg chloorgas aanwezig is om alle methaan weg te reageren.Reken de massa methaan eerst om naar mol. Doe dit door de massa methaan te delen door de molaire massa van methaan. M CH4 : 16,04 g/mol (Binas 98)2 ton = 2000 kg = 2 x 106 g CH42 x 106 (g)/16,04 (g/mol)= 1,25 x 105 mol CH4De molverhouding tussen CH4 en CH2Cl2 in de reactievergelijking is 1:1, dus er ontstaat maximaal 1,25 x 105 mol CH2Cl2Reken dit om naar massa CH2Cl2 door het aantal mol te vermenigvuldigen met de molaire massa van CH2Cl2 (84,93 g/mol) 1,25 x 105 (mol) x 84,93 (g/mol)= 10,6 x 106 g = 10,6 ton CH2Cl2Dit is hoeveel er wordt geproduceerd bij een rendement van 100%. Bij een rendement van 71% is de totale productie dus 10,6 x 0,71 = 7,5 ton dichloormethaan.De uitgangspunten van Groene chemie staan in Binas 97F. Voorbeelden van een aantal relevante argumenten voor dit proces zijn:De atoomeconomie is niet erg hoog (53,8 %, opgave c).De stoffen in het proces zijn giftig. Stoffen in dit proces zijn schadelijk voor het milieu (methaan is bijvoorbeeld een broeikasgas).Conclusie: Op basis van deze argumenten zou je zeggen dat dit proces niet voldoet aan groene chemie, al is er natuurlijk meer informatie nodig. Bijvoorbeeld is het methaan wat wordt gebruikt een biogas, welke veiligheidsmaatregelen zijn er getroffen, worden de grondstoffen hergebruikt, hoe wordt het afval verwerkt etc. Methaan (CH4) en stoom (H2O) voor de evenwichtspijl en waterstof (H2) en koolstofmonoxide (CO) erna. Alle stoffen zijn gasvormig. Maak het aantal atomen voor en na de pijl gelijk.CH4 (g) + H2O (g) ⇄ 3 H2 (g) + CO (g)De evenwichtsvoorwaarde (K) van een reactie geeft aan in welke verhouding de verschillende stoffen aanwezig zijn in een evenwicht (Binas 37B). De molariteiten van de stoffen voor de pijl staan vermenigvuldigd met elkaar onder de deelstreep en die van de stoffen na de pijl boven de deelstreep. Vaste stoffen en vloeistoffen hebben geen molariteit en komen dus nooit in de evenwichtsvoorwaarde. Alle stoffen in deze reactie zijn gassen en staan dus in de evenwichtsvoorwaarde. Omdat er in de reactievergelijking 3 mol H2 wordt gevormd, moet de molariteit hiervan tot de derde macht. $K = \frac{[H_2]^3[CO]}{[CH_4][H_2O]}$b.Om de hoeveelheid CO te berekenen maak je een omzettingstabel met alle stoffen in de reactie en hierin vul je de gegeven hoeveelheden in. De belangrijkste gegevens staan in de rij tev, want deze vul je in de evenwichtsvoorwaarde.Voor methaan (CH4) en stoom (H2O) was gegeven dat in het evenwichtsmengsel 0,5 mol aanwezig was. Het reactievat was 1 dm3 (=1 L) dus dit is meteen de concentratie in mol L-1. De beginhoeveelheden van deze stoffen waren niet gegeven, maar die heb je in deze berekening niet nodig.De evenwichtsconcentratie CO die je wilt berekenen stel je als x. De beginconcentratie CO was 0 mol L-1, dus er is + x mol L-1 CO omgezet. De beginconcentratie H2 was ook 0 mol L-1 en ontstaat in de reactievergelijking in de molverhouding 3:1, dus daarvan is 3x mol L-1 in het evenwichtsmengsel aanwezig.[CH4][H2O][H2][CO]t00,5 + x0,5 + x00omgezet-x-x+ 3x+ xtev0,50,53xxOpmerking: de t0 waardes 0,5 + x van CH4 en H2O had je voor deze berekening niet nodig en hoefde je niet in te vullen.De waardes bij tev invullen in de evenwichtsvoorwaarde met de gegeven evenwichtsconstante K=1,5 geeft: $1,5=\frac{(3x)^3(x)}{(0,5)(0,5)}$Dit geeft de vergelijking 27x4 = 0,375x = [CO] = 0,343 mol L-1Er is dus 0,343 mol CO aanwezig in het evenwichtsmengsel.c.De reactie naar rechts is endotherm. Het evenwicht zal verschuiven naar de kant die de verandering ongedaan maakt. Bij een verlaging van de temperatuur zal het evenwicht naar de exotherme kant verschuiven. Conclusie: het evenwicht verschuift dus naar links. d.Door het toevoegen van extra stoom wordt de concentratie H2O (g) verhoogd.In de evenwichtsvoorwaarde wordt [H2O] en dus de noemer van de concentratiebreuk groter, waardoor er geen evenwicht meer is:H23[CO]CH4[H2O]<K Het evenwicht zal verschuiven naar de kant die de verandering ongedaan maakt. De reactie naar rechts zal tijdelijk sneller verlopen dan die naar links om meer stoom en CH4 om te zetten naar H2 en CO totdat de verhouding van de concentraties weer voldoet aan de evenwichtsvoorwaarde. Conclusie: het evenwicht verschuift dus naar rechts.e.  Het evenwicht zal verschuiven naar de kant die de verandering ongedaan maakt. Bij de reactie naar rechts ontstaan meer deeltjes (van 2 mol naar 4 mol). Bij een verlaging van de druk zal het evenwicht naar de kant verschuiven waar meer deeltjes ontstaan.Conclusie: het evenwicht verschuift dus naar rechts.