opgave 2Heet
Voor het snijden van ijzeren voorwerpen
zoals spoorrails worden snijbranders
gebruikt. In een snijbrander wordt vrijwel
altijd acetyleen (ethyn, C2H2) gebruikt in
combinatie met zuivere zuurstof. Met
deze ethyn-zuurstofvlam kan een
vlamtemperatuur van ruim boven het
smeltpunt van ijzer worden bereikt.
Andere koolwaterstoffen zoals ethaan
(C2H6) zijn onbruikbaar voor het snijden
van ijzer door een te lage vlamtemperatuur.
De temperatuur die een vlam maximaal kan bereiken, hangt vooral af van
twee factoren:
− de reactiewarmte van de verbranding van de brandstof;
− welke verbrandingsproducten ontstaan en in welke hoeveelheden.
Als aangenomen wordt dat ethyn volledig verbrandt, ontstaan
koolstofdioxide en waterdamp. Wanneer verlies van energie naar de
omgeving wordt verwaarloosd, wordt de vrijkomende energie uitsluitend
gebruikt om koolstofdioxide en waterdamp te verwarmen. Met behulp van
de reactiewarmte van de verbranding (de verbrandingswarmte) van ethyn
en de soortelijke warmtes van koolstofdioxide en water kan de
temperatuurstijging van het gasmengsel berekend worden. Bij volledige
verbranding van ethyn zou de maximale temperatuur van de vlam boven
7·103 K liggen.
De soortelijke warmte van een stof kan worden gedefinieerd als het aantal
joule dat nodig is om 1 g stof 1 K in temperatuur te laten stijgen.
64pLaat met behulp van een berekening zien dat bij volledige verbranding
van ethyn een temperatuurstijging van meer dan 7·103 K wordt bereikt.
Neem aan dat alle energie wordt gebruikt om de ontstane waterdamp en
koolstofdioxide te verwarmen. Maak onder andere gebruik van de
volgende gegevens:
− de verbrandingswarmte van ethyn waarbij water als waterdamp
vrijkomt, bedraagt –1,26·106 J mol–1;
− de soortelijke warmte van waterdamp bedraagt 2,8 J g–1 K–1;
− de soortelijke warmte van koolstofdioxidegas bedraagt 1,3 J g–1 K–1.
De berekende waarde van de temperatuur van de ethyn-zuurstofvlam is
veel hoger dan de temperatuur die in werkelijkheid gehaald wordt. De
grote afwijking tussen de berekende en de gemeten vlamtemperatuur kan
worden verklaard uit de chemische eigenschappen van onder andere
waterdamp.
Als waterdamp wordt verhit, blijkt water namelijk te ontleden in waterstof
en zuurstof. In diagram 1 is weergegeven welk percentage van de
watermoleculen is ontleed afhankelijk van de temperatuur.
diagram 1
Tussen 2000 K en 3500 K is de ontleding van waterdamp een evenwicht.
74pGeef de evenwichtsvoorwaarde van dit evenwicht en leg met behulp van
diagram 1 uit hoe de waarde van de evenwichtsconstante K verandert als
de temperatuur stijgt.
Uit metingen blijkt dat bij de reactie van ethyn met zuurstof vooral
koolstofmonoöxide en waterstof worden gevormd.
83pBereken de reactiewarmte per mol ethyn van de reactie waarbij ethyn met
zuurstof reageert tot koolstofmonoöxide en waterstof.
Gebruik Binas-tabel 57.
Op basis van de aanname dat de verbrandingsproducten van de ethyn-
zuurstofvlam CO en H2 zijn, kan worden berekend dat dan een
temperatuurstijging van ruim 3·103 K bereikt wordt.
De temperatuurstijging die kan worden bereikt met een ethaan-
zuurstofvlam, waarbij ook CO en H2 ontstaan, is lager dan van de ethyn-
zuurstofvlam.
Dit wordt onder andere veroorzaakt doordat bij de ethaan-zuurstofvlam
meer mol gas moet worden verwarmd. Ook is de reactiewarmte lager.
Op de uitwerkbijlage bij dit examen zijn twee energiediagrammen
weergegeven. Hierin zijn de energieniveaus van de niet-ontleedbare
stoffen en de reactieproducten al aangegeven.
93puitwerkbijlageMaak op de uitwerkbijlage de energiediagrammen voor beide reacties af
zodat duidelijk wordt waarom de reactiewarmte van de ethaan-
zuurstofvlam lager is dan die van de ethyn-zuurstofvlam.
Gebruik Binas-tabel 57B.
Geef in de diagrammen het volgende aan:
− de ontbrekende energieniveaus van de beginstoffen;
− de molecuulformules en coëfficiënten van de reacties.
opgave 3Biogasfabricage uit afval
Methaan uit aardgas levert in Nederland per jaar ongeveer 1,5·1018 J aan
energie. In 2007 werd in het rapport “Vol gas vooruit!” het doel gesteld dat
op korte termijn 3,0% van deze energie wordt geleverd door biogas.
Biogas ontstaat wanneer biomassa door een mengsel van bacteriën wordt
afgebroken onder zuurstofarme omstandigheden. De hoofdbestanddelen
van biogas zijn koolstofdioxide en methaan.
De reactiewarmte bij de verbranding van biogas bedraagt gemiddeld
–2,0·107 J m–3. Deze energiewaarde kan vooral worden toegeschreven
aan het aanwezige methaan.
Hieronder is een reactievergelijking voor het totale proces van de vorming
van biogas uit biomassa weergegeven. Voor biomassa wordt de
verhoudingsformule CcHhOoNnSs gebruikt.
CH
4 + n NH
3 + s H2S + (c-x) CO
2Een bepaalde fractie biomassa kan worden voorgesteld met de volgende
verhoudingsformule: C38H60O26N3.
105pBereken hoeveel ton van deze biomassa moet worden vergist tot biogas
om bovengenoemde doelstelling te bereiken. Maak onder andere gebruik
van de volgende gegevens:
− de molaire massa van C38H60O26N3 bedraagt 975 g mol–1;
− biogas bevat 46 vol% methaan;
− het molair volume bedraagt 2,4·10–2 m3 mol–1.
Biomassa bestaat voornamelijk uit koolhydraten, vetten en eiwitten. De
vorming van biogas uit biomassa gebeurt in vier stappen. Deze stappen
verlopen tegelijkertijd.
Stap 1: hydrolyse. Tijdens deze stap worden de koolhydraten, eiwitten en
vetten met behulp van enzymen buiten de bacteriecellen afgebroken tot
suikers, aminozuren, vetzuren en glycerol. De producten van de hydrolyse
worden door bacteriën opgenomen.
114pGeef de reactievergelijking in structuurformules voor de hydrolyse van het
eiwitfragment
tot
en de losse aminozuren.
Stap 2: verzuring. De in stap 1 gevormde stoffen worden in de bacteriën
omgezet tot zuren en alcoholen. Hierbij ontstaan tevens waterstof en
koolstofdioxide. Als bijproducten worden ammoniak en waterstofsulfide
(H2S) gevormd.
122pGeef aan uit welke soort(en) stof(fen) die na stap 1 aanwezig zijn in het
reactiemengsel, ammoniak en waterstofsulfide kunnen worden gevormd.
Licht je antwoord toe.
Stap 3: azijnzuurvorming. Zogenoemde azijnzuurvormende bacteriën
zetten de in stap 2 gevormde zuren en alcoholen met water om tot
ethaanzuur en waterstof. Als in een zuur of alcohol een oneven aantal
C atomen aanwezig is, ontstaat hierbij tevens CO2. Bij een even aantal
C atomen ontstaat geen CO2. De reacties in stap 3 kunnen worden
voorgesteld als evenwichtsreacties.
133pGeef de reactievergelijking voor de omzetting van hexaanzuur in stap 3.
In stap 4 wordt door methaanvormende bacteriën ten slotte methaan en
CO2 gevormd. Hierbij verbruiken ze het in stap 2 gevormde waterstof.
In sommige bronnen van biomassa, zoals havenslib, zijn veel sulfaationen
aanwezig. De aanwezigheid van sulfaat-afbrekende bacteriën in een
reactor kan dan de methaanproductie verminderen. Deze bacteriën
verbruiken namelijk het aanwezige waterstof om sulfaationen om te zetten
tot H2S. De vergelijking van de halfreactie van het sulfaation is hieronder
weergegeven.
SO42– + 10 H+ + 8 e– → H2S + 4 H2O
142pLeid met behulp van de vergelijkingen van de halfreacties de totale
reactievergelijking af voor deze bacteriële omzetting van SO42– tot H2S.
Gebruik Binas-tabel 48.
Het gevormde H2S en het tevens aanwezige HS– zijn bij een hoge
concentratie giftig voor de methaanvormende bacteriën.
Om het remmende effect van H2S en HS– op de methaanproductie te
onderzoeken werd in een laboratoriumopstelling de methaanproductie van
methaanvormende bacteriën bepaald na toevoeging van verschillende
hoeveelheden Na2S. Dit experiment werd uitgevoerd bij drie pH-waarden,
die met behulp van buffers werden ingesteld. De overige omstandigheden
werden constant gehouden. In diagram 1 is het resultaat van de metingen
weergegeven.
diagram 1
Bij de gebruikte pH-waarden worden de opgeloste S2– ionen volledig
omgezet tot H2S en HS–.
In de oplossing stelt zich het volgende evenwicht in:
HS
– 153pLeg met behulp van diagram 1 uit welk deeltje de methaanvorming het
sterkst remt: H2S of HS–.
Bij pH = 7,10 is een afname van 50% van de methaanvorming gemeten
na het toevoegen van 0,20 g Na2S per liter. Berekend kan worden dat dan
de concentratie H2S 0,041 g L–1 bedraagt.
Bij pH = 7,95 is dezelfde afname van de methaanvorming gemeten na het
toevoegen van 0,90 g Na2S per liter. Hoewel in deze proef meer Na2S is
toegevoegd, is er toch ongeveer evenveel H2S aanwezig als in de
genoemde proef bij pH = 7,10.
165pBereken hoeveel gram H2S per liter in de reactor bij pH = 7,95 aanwezig
is, wanneer 0,90 g Na2S per liter is toegevoegd (T = 298 K, p = p0).
Neem aan dat het H2S in de reactor geheel is opgelost in water.
