Chemie Overal 5e ed - Hoofdstuk 15 - Groene chemie oefentoetsen & antwoorden

De twaalf principes van de groene chemie staan in BINAS Tabel 97F. Aluminiumchloride versnelt de reactie en functioneert dus als een katalysator. Uitgangspunt 9 ‘katalyse’ hoort bij deze stelling. Reacties met gebruik van een katalysator zijn efficiënter dan reacties zonder gebruik van een katalysator. De geactiveerde toestand en de activeringsenergie van een chemische reactie wordt door een katalysator verlaagd. Infraroodspectroscopie (IR) en massaspectrometrie zijn beide verschillende analysetechnieken. Door gebruik van deze analysetechnieken wordt ervoor gezorgd dat milieuverontreinigde (bij)producten worden ontdekt zodra ze vrij zijn gekomen. Uitgangspunt 11 ‘tussentijdse analyse met oog op preventie van milieuverontreiniging’ hoort bij deze stelling. De grenswaarde staan in BINAS Tabel 97A. De grenswaarde van salpeterzuur is 1,3 mg/m3. De grenswaarde van zoutzuur is 15 mg/m3 en de grenswaarde van fosforzuur is 2 mg/m3. De stof met de laagste grenswaarde is de meest giftigste stof. De stof met de hoogste grenswaarde is dus de minst giftigste stof. De volgorde van het minst giftig naar het meest giftig is dan: zoutzuur – fosforzuur – salpeterzuurWanneer de reactiewarmte kleiner is dan 0 (△E < 0) dan spreken we van een exotherme reactie en wanneer de reactiewarmte groter is dan 0 (△E > 0) dan spreken we van een endotherme reactie. De reactiewarmte van reactie 1 is groter dan 0, dus dit is een endotherme reactie. De reactiewarmte van reactie 2 is kleiner dan 0, dus dit is een exotherme reactie. De langzaamste stap bepaalt de reactiesnelheid van de totale reactie. In veel reactiemechanismes is de eerste stap vaak de langzaamste en dus de reactiesnelheidsbepalende stap, maar er zijn echter ook reactiemechanismes waarbij niet de eerste stap de langzaamste en dus de reactiesnelheidsbepalende stap is. Het reactiemechanisme is per reactie verschillend, dus het is afhankelijk van de reactie welke stap in het mechanisme de langzaamste stap is.Als bij een proces steed een afgeronde hoeveelheid product wordt gemaakt, heet dit een batchproces. Een proces waarbij een voortdurende aanvoer van beginstoffen en afvoer van reactieproducten zijn is een continuproces. De Q-Factor geeft de mate aan waarin een stof vervuilend is. De Q-Factor wordt daarom ook wel de vervuilingsfactor genoemd. Water heeft een Q-Factor van 0. aangezien water geen vervuilende stof is. Giftige producten (zoals salpeterzuur) zullen een hogere Q-Factor hebben. Bij de productie van synthetische muscon ken je een hoge Q-Factor toe, aangezien er tijdens de productie erg veel afval vrij komt. De E-Factor is de hoeveelheid afval per kg product en kan berekend worden met de formule: $\rm E-Factor= \frac{ massa_{beginstoffen} - massa_{werkelijke \ opbrengst \ product}}{massa_{werkelijke \ opbrengst \ product}}$Bij het berekenen van de E-Factor moet je rekening houden met het rendement. Daarnaast bestaat uit reactiemechanisme uit twee stappen, dus de berekening moet dan ook in verschillende stappen worden uitgewerkt. Stap 1: berekening van ‘massawerkelijke opbrengst product’ (= MX)De molaire massa van MX is 297.3 g/mol. Stap 1 heeft een rendement van 75% en stap 2 een rendement van 88%. De massawerkelijke opbrengst product (= MX) wordt dan 297.3 · 0.75 · 0.88 = 196. 218 g/mol. Stap 2: berekening hoeveelheid salpeterzuur (= HNO3)De molaire massa van HNO3 is 63.013 g/mol. Stap 1 heeft een rendement van 75% en de molverhouding aan beginstoffen is 1 : 3.De massasalpeterzuur ( = HNO3) wordt dan 63.013 · 0.75 · 3 = 141.779 g/mol Stap 3: berekening van ‘massabeginstoffen’ De molaire massa van 1.3-dimethylbenzeen is 106.2 g/mol en de molaire massa van methylpropeen is 56.10 g/mol. Echter is salpeterzuur ook een beginstof. De molaire massa van salpeterzuur is 141.779 g/mol (zie berekening stap 2). De massabeginstoffen = 106.2 + 56.10 + 141.779 = 304.079 g/mol Stap 4: berekening van de E-FactorDe E-Factor is dan $\frac{304.079-196.218}{196.218}  = 0.55$ Let op: afronden op twee significante cijfers! De reactievergelijking van de reactie is: NH4HCO3 --> NH3 + CO2 + H2O Om het rendement te berekenen moeten er een aantal stappen verricht worden. Stap 1: berekening van het aantal mol ammoniumwaterstofcarbonaatDe massa = 2.5 g NH4HCO3M NH4HCO3 = 14.01 + (5 · 1.008) + 12.01 + (3 · 16.00) = 79.06 g/mol Omrekenen van gram naar mol met $\rm aantal \ mol=\frac{massa}{molaire \ massa}$Aantal mol = $\frac{2.5}{79.06 }$ = 0.0316 mol NH4HCO3Stap 2: molverhouding De molverhouding NH4HCO3 : NH3 is 1 : 1 dus er is ook 0.0316 mol NH3Stap 3: berekening van het aantal gram ammoniakDe molaire massa van ammoniak NH3 = 17.031 g/molOmrekenen van mol naar gram met $\rm massa=aantal \ mol \cdot molaire \ massa$De massa ammoniak NH3 is dan 0.0316 · 17.031 = 0.54 gram Stap 4: berekening van het rendement Om het rendement te berekenen maak je gebruik van de formule: $\rm Rendement=\frac{praktische \ opbrengst}{theoretische \ opbrengst}$ x 100%De praktische opbrengst is in de opgave gegeven, namelijk 0.46 gram ammoniak. De theoretische opbrengst is zojuist berekend, namelijk 0.54 gram ammoniak. Het rendement van de reactie is dan $\frac{ 0.46}{0.54}$ x 100% = 85%Verschillende uitgangspunten kunnen hier worden benoemd. Uitgangspunt 6. reactie 1 vindt plaats bij een lage temperatuur en bij normale druk. Uitgangspunt 5 kan hier ook van toepassing zijn. In de opgave wordt namelijk niet benoemd dat men (schadelijke) oplosmiddelen gebruikt. Een reactie met een hogere activeringsenergie komt minder snel op gang dan een reactie met een lagere activeringsenergie. De TTI zal dus bij een bepaalde temperatuur  niet verkleurd zijn terwijl het voedsel al wel aan het bederven is.Bij een lagere temperatuur botsen de deeltjes langzamer. De kans op effectieve botsingen is dus lager. De reactiesnelheid is dus ook lager, waardoor de TTI in de koelkast langzamer zal verkleuren dan bij kamertemperatuur. Om het aantal TTI te kunnen berekenen moeten er een aantal stappen worden verricht. Stap 1: berekening aantal mg ammoniakAantal mol ammoniak = 9.2 · 10-8 molDe molaire massa van ammoniak = 17.031 g/molOmrekenen van mol naar gram met $\rm massa=aantal \ mol \cdot molaire \ massa$De massa ammoniak is dan 9.2 · 10-8 · 17.031 = 1.567 · 10-6 gramOmrekenen van gram naar miligram:De massa ammoniak is dan 1.567 · 10-3 mg Stap 2: berekening wanneer de geurdrempel wordt overschredenDe geurdrempel is 3.7 mg/m3. Vkoelkast = 183 L = 183 dm3 = 0.183 m3De geurdrempel wordt overschreden als er 0.183 · 3.7 = 0.677 mg aanwezig isStap 3: berekening aantal TTI Het aantal TTI is dan: $\frac{0.6771}{1.567\cdot 10^{-3}}$ = 4.3 · 102 TTIOm de reactiesnelheid in mol L-1 s-1 te berekenen moeten er een aantal stappen worden verricht. Stap 1: berekening aantal mol ammoniakDe massa van ammoniak is 1.4 kg = 1400 gram NH3De molaire massa van ammoniak NH3 = 17.031 g/molOmrekenen van gram naar mol met $\rm aantal \ mol=\frac{massa}{molaire \ massa}$Aantal mol ammoniak is $\frac{1400}{17.031} = 82.2$ mol NH3 in 3.0 L Stap 2: berekening aantal mol ammoniak per 1.0 LDe concentratie ammoniak bereken je met $\rm concentratie=\frac{aantal \, mol}{volume}$De concentratie ammoniak is dan $\frac{82.2}{3.0}$= 27.4 mol L-1Stap 3: berekening van de reactiesnelheid in mol L-1 s-1De reactiesnelheid bereken je met $\rm reactiesnelheid=\frac{concentratie}{tijd}$De reactiesnelheid is dan $\frac{27.4}{280 }$ = 0.098 mol L-1 s-1 De atoomeconomie bereken je met $\rm atoomeconomie= \frac{massa_{gewenst \, product}}{massa_{beginstoffen}} \times 100\%$Stap 1: berekening ‘massabeginsstoffen’De enige beginstof in deze reactie is glucose. De molaire massa van glucose C6H12O6 is (6 · 12.01) + (12 · 1.008) + (6 · 16.00) = 180.16 g/mol Stap 2: berekening ‘massagewenst product’Het gewenst product hier is ethanol. De massa van koolstofdioxide moet je hier dus niet meenemen. De molaire massa van ethanol is (4 · 12.01) + (12 · 1.008) + (2 · 16.00) = 92.136 g/molStap 3: berekening van de atoomeconomieDe atoomeconomie wordt dan $\frac{ 92.136}{180.16 } \times 100 \% = 51.1 \%$Hieronder wordt het blokschema volledig weergegeven. Let bij het tekenen van het blokschema op de volgende punten: Scheidingsruimte S2 is als een aparte blok in het blokschema getekend. De recirculatie van de ionische vloeistof van S2 naar S1 is juist getekend met een pijl van S2 naar S1. Uit blok S2 komt ligine. Deze stofstroom met juiste stofnaam moet hier worden getekend. Om de reactiewarmte te kunnen berekenen maak je gebruik van de vormingswarmte uit BINAs Tabel 57A. Het werkt overzichtelijk om met een tabel te werken. Zie hieronder. VormingswarmteCoëfficient Energie Tekens van de beginstoffen omdraaienC5H6O2- 7.0 · 105 J/mol2-14.0 · 105 J+ 14.0 · 105 JO20 J/mol110 J0 JCO2-3.935 · 105 J/mol10-39.35 · 105 J- 39.35 · 105 JH2O-2.86 · 105 J/mol6-17.16 · 105 J- 17.16 · 105 JDe vormingswarmte worden vermenigvuldigd met de coëfficienten uit de reactievergelijking. Vervolgens worden de tekens van de beginsstoffen omgedraaid en worden de hoeveelheden energieën bij elkaar opgeteld. De reactiewarmte (△E) wordt dan +14.0 · 105 + - 39.35 · 105 + - 17.16 · 105 = -4.25 ·106 JHieronder wordt het energiediagram volledig weergegeven.Let bij het tekenen van het energiediagram op de volgende punten: Het energieniveau van de reactieproducten ligt onder het energieniveau van de beginstoffen. Op de verticale as wordt de grootheid ‘energie’ weergegeven. De top wordt de geactiveerde toestand genoemd, met daaronder de activeringsenergie en de reactie-energie (reactiewarmte)