module 3 “energie en evenwichten” antwoorden opgave 7 van...

Module 3 “Energie en Evenwichten”

Antwoorden

1

§ 1 – Reactiesnelheid

1 Soort stof, temperatuur, concentratie, verdelingsgraad, aanwezigheid v/e katalysator.

2

3

4 6 x 10 x 10 cm2 = 6,0.102 cm2

5 1000 x 6 x 1,0 cm2 = 6,0.103 cm2

6 Door de grote kubus in 1000 kleine kubussen te verdelen is de oppervlakte met een factor 10

toegenomen.

7 Opgave 7 van paragraaf 1

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Reactietijd (s)

Co

ncen

trati

e (

mo

l/l)

[NO2] mol/l

8 Gebruik de molverhouding uit de reactievergelijking:

Reactietijd (s) [O2] mol/l [N2O5] mol/l [NO2] mol/l

0 0,00 5,00 0,00

500 0,74 3,52 2,96

1500 1,63 1,75 6,50

2500 2,07 0,87 8,26


Antwoorden

2


0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Reactietijd (s)

Co

ncen

trati

e (

mo

l/l)

[O2] mol/l

[N2O5] mol/l

10 De gemiddelde reactiesnelheid op interval 0-500 s: 2,96 / 500 = 0,00592 mol NO2 per sec.

op interval 500-1500 s: 3,54 / 1000 = 0,00354 mol NO2 per sec.

op interval 1500-1500 s: 1,76 / 1000 = 0,00176 mol NO2 per sec.


0,00000

0,00100

0,00200

0,00300

0,00400

0,00500

0,00600

0,00700

0 500 1000 1500 2000 2500

Reactietijd (s)

Reacti

esn

elh

eid

(m

ol/

s)


-5

0

5

10

15

20

25

30

35

0 20 40 60 80 100 120

tijd (millisec)

sti

ksto

f (d

m3)


Antwoorden

3

13

De airbag is maximaal gevuld met 29 dm3 stikstof.

Het aantal mol stikstof is dan 29 dm3 ÷ 21 dm3 mol-1 = 1,38 mol.

Hiervoor is 2 x 1,38 = 2,76 mol Na3N nodig (zie reactievergelijking).

Dit is 2,76 mol x 82,98 g mol-1 = 2,3.102 g

14 Na 40 s is de reactie afgelopen en is er 29 dm3 stikstof gevormd.

De gemiddelde reactiesnelheid is dan 29 dm3 ÷ 30.10-3 s = 9,7.102 dm3 s-1

15 De reactiesnelheid is maximaal op tijdsinterval 10-20 ms.

De gemiddelde reactiesnelheid is daar 22 dm3 ÷ 10.10-3 s = 2,2.103 dm3 s-1

16 Er ontstaat 6 x 1,38 mol Na (zie vraag 13).

Er is 3 x 1,38 mol = 4,14 mol FeO nodig (zie onderstaande reactievergelijking).

Dit is 4,14 mol x 71,85 g mol-1 = 3,0.102 g

FeO(s) + 2 Na(s) → Fe(s) + Na2O(s)

Wat je na deze paragraaf moet weten / kunnen:

van welke vijf factoren de reactiesnelheid afhangt (zie antwoord op vraag 1)

de twee definities van reactiesnelheid

toepassen van het botsende deeltjes model


Antwoorden

4

§ 2 – Energie en reacties

Opmerking: maak gebruik van tabellen 56 en 57.

1 Zelfde temperatuur, concentratie en verdelingsgraad.

2 Rb zelfde groep als Na, K dus zeer onedel.

Sr zelfde groep als Mg, Ca dus ook zeer onedel.

Pb zelfde groep als Sn dus onedel.

3 Wolfraam heeft een zeer hoog smeltpunt (tabel 8: 3695 K)

4 Zorgen dat er in het lampje geen zuurstof aanwezig is dat met W kan reageren.

Meestal wordt het gloeilampje gevuld met het edelgas argon (Ar).

5 2 Cs(s) + 2 H2O(l) → 2 Cs+(aq) + 2 OH-(aq) + H2(g)

6 Het is een zeer onedel metaal.

7 Cesium reageert ook snel met zuurstof.

8 C(s) + O2(g) → CO2(g)

9 De vormingswarmte van CO2 staat in tabel 57: - 3,935.105 J mol-1

10 Spiritus heeft een lage ontbrandingstemperatuur, verdampt heel gemakkelijk en is

daardoor zeer brandbaar.

11 Om verwarring met de „drinkbare‟ alcohol te voorkomen.

12 C2H6O(l) + 3 O2(g) → 2 CO2(g) + 3 H2O(l)

13 2 CH4O(l) + 3 O2(g) → 2 CO2(g) + 4 H2O(l)

14 1,0 L x 0,80 kg dm-3 = 0,80 kg ethanol (tabel 11)

8,0.102 g ÷ 46,07 g mol-1 = 17 mol (tabel 98 of 99)

17 mol x - 13,66.105 J mol-1 = - 2,4.107 J (tabel 56)

15 1,0 L x 0,79 kg dm-3 = 0,79 kg methanol (tabel 11)

7,9.102 g ÷ 32,04 g mol-1 = 25 mol (tabel 98 of 99)

25 mol x - 7,26.105 J mol-1 = - 1,8.107 J (tabel 56)

16

en

erg

ie (

J)

►

geactiveerde toestand

▲ │

│ │

C2H6O(s) + 3 O2(g) │ │

│ │

│ │

│ │

Δ E = - 1,366.10 6 J/mol │

│ │

│ │

▼ ▼ 2 CO2(g) + 3 H2O(l)

verbranding van ethanol


Antwoorden

5

17

18 30oC, dus vlak boven kamertemperatuur.

19 Witte fosfor is zeer brandbaar en giftig.

20 Fosfor wordt onder water bewaard vanwege de zeer lage ontbrandingstemperatuur en

wordt onder water gesneden omdat de wrijvingsenergie de fosfor tot ontbranding kan

brengen.

21 4 P(s) + 5 O2(g) → 2 P2O5(s) of

P4(s) + 5 O2(g) → 2 P2O5(s)

22

en

erg

ie (

J)

►


▲ │

│ │

2 CH4O(s) + 3 O2(g) │ │

│ │

│ │

│ │

Δ E = - 7,26.10 5 J/mol │

│ │

│ │

▼ ▼ 2 CO2(g) + 4 H2O(l)

verbranding van methanol

en

erg

ie (

J)

►


▲ │

P4(s) + 5 O2(g) │ │

│ │

│ │

│ │

│ Δ E │

│ │

│ │

▼ ▼ 2 P2O5(s)

verbranding van fosfor


Antwoorden

6

23


bij iedere reactie treedt een energie effect op: de reactie energie (Δ E)

bij reacties waarbij energie vrijkomt heeft Δ E een ‘min’ teken (exotherme reacties)

bij reacties waarbij voortdurend energie moet worden toegevoerd heeft Δ E een ‘plus’ teken

(endotherme reacties)

informatie over reactie energieën kun je vinden in BINAS tabel 56 en 57

de energie is nodig om de bindingen van de beginstof(fen) te verbreken en noemt men de

activeringsenergie (Eact)

met behulp van een katalysator kan de activeringsenergie worden verlaagd; en katalysator

is een stof die de reactie snelheid vergroot zonder daarbij verbruikt te worden

energie effecten van een chemische reactie kun je weergeven in een energie diagram.

en

erg

ie (

J)

►


▲ │

│ │

│ │

│ │

│ │

│ │

│ │

2 H2O2(aq) │ │

│ │

│ │

│ │

│ Δ E │

│ │

│ │

▼ ▼ 2 H2O(l) + O2(g)

zonder katalysator

en

erg

ie (

J)

►


▲ │

2 H2O2(aq) │ │

│ │

│ │

│ │

│ Δ E │

│ │

│ │

▼ ▼ 2 H2O(l) + O2(g)

met katalysator


Antwoorden

7

§ 3 – Energiebalans bij reacties

Opmerking: maak gebruik van tabellen 56 en 57.

1 2 C(s) + 4 H2(g) + O2 (g) → 2 CH4O (l) methanol = CH3 – OH (Module 1 par 17)

2 Binas tabel 57B: - 2,40.105 J.mol-1

3 Nee, want AgBr ontstaat uit de ionen Ag+ en Br‾ en niet uit de elementen Ag(s) en Br2(l).

4 Ja, de elementen zijn inderdaad Na(s) en Cl2(g).

5 Nee, dit gaat om een ontleding in de elementen. De reactiewarmte zal de min waarde van

vormingswarmte zijn vanwege de wet van behoud van energie.

6 De vormingswarmte van calciumcarbonaat bedraagt volgens Binas tabel 57A

– 12,07.105 J.mol-1. De ontledingswarmte is dan + 12,07.105 J.mol-1.

7 2 CaCO3(s) → 2 Ca (s) + 2 C(s) + 3 O2 (g)

8 De reactievergelijking voor de vorming van SO2 is gelijk aan de vergelijking voor de

verbranding van S(s):

S(s) + O2(g) → SO2 (g)

9 CH4(g) + 2 O2(g)→ CO2 (g) + 2 H2O (l)

10 E reactie= ( + 0,76 – 3,935 – 2. 2,86) . 105 = - 8,90 . 105 J per mol methaan

11 E

CH4(l) + 2 O2(g)

CO2(g) + 2 H2O(l)

- 8,355.105

J

(J)

voor de reactie na de reactie

12 NH4Cl(s) → NH3 (g) + HCl (g)

13 E reactie = ( + 3,15 – 0,462 – 0,923).105 = + 1,77.105 J.per mol ammoniumchloride.


Antwoorden

8

14 E

NH3(g) + HCl(g)

NH4Cl(s)

+ 1,765.105

J

(J)


15 C2H4(g) + H2(g) → C2H6(g)

16 E reactie = ( - 0,51 – 0,86 ).105 = - 1,37.105 J.mol-1 ethaan.

17 E

C2H4(g) + H2(g)

C2H6(g)

- 1,37.105

J

(J)



Vormingswarmte en de wet van behoud van energie gebruiken om de reactiewarmte te

berekenen.


Antwoorden

9

§ 4 – Evenwichtsreacties

1 C6H12O6(l) + 6 O2(g) → 6 CO2(g) + 6 H2O(l)

2 Bij deze reactie komt energie vrij, exotherm dus.

3 Bijvoorbeeld brood, pasta en rijst. Ze worden gemaakt uit granen (meel).

4 Het is de omgekeerde reactie van vraag 1: 6 CO2(g) + 6 H2O(l) → C6H12O6(l) + 6 O2(g)

5 Voor deze reactie is (voortdurend) zonlicht, endotherm dus.

6 Bij de fotosynthese reactie ontstaat zuurstofgas.

7 De enzymen werken als katalysatoren en verlagen de activeringsenergie.

8 2 SO2(g) + O2(g) 2 SO3(g)

9 Het is een heterogeen evenwicht, want koolstof bevindt zich in de vaste fase.

10 80% CO2 en 20% CO.

11 Vol % CO en CO2

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10

Tijd (s)

Vo

l % CO2

CO


Sommige reacties zijn omkeerbaar.

Wanneer twee omkeerbare reacties gelijktijdig gaan verlopen spreken we van een

evenwichtsreactie.

De ligging van een evenwicht is afhankelijk van de temperatuur. Bij een hogere

temperatuur verschuift het evenwicht naar de endotherme kant. Toevoeren van energie is

dus in het voordeel van de endotherme reactie.

Er is een onderscheid tussen homogene en heterogene evenwichten. Bij een homogeen

evenwicht bevinden alle stoffen zich in dezelfde fase. Bij een heterogeen evenwicht zijn de

stoffen in meerdere fasen aanwezig.


Antwoorden

10

§ 5 – Evenwichten en reactiesnelheid

1 Toevoeren van energie is in het voordeel van de endotherme reactie: de ontleding van

ammoniak in waterstof en stikstof.

2 De botsingen tussen de waterstof en stikstof moleculen zijn niet hard (effectief) genoeg.

3 Door het verhogen gaan de deeltjes sneller bewegen, botsen de deeltjes vaker en worden de

botsingen harder.

4 Door een hogere druk nemen ook de concentraties toe en zullen de deeltjes vaker botsen.

5 De ijzerkatalysator verlaagt de activeringsenergie en vergroot daarmee de reactiesnelheid.

6 Bij een dynamisch evenwicht verlopen twee tegengestelde processen even snel. Bij een

statisch evenwicht is dit niet het geval.

7 NaCl(s) Na+(aq) + Cl-(aq)

Het is een dynamisch evenwicht want er lost evenveel natriumchloride op als dat er

neerslaat. Het evenwicht is heterogeen omdat er ook vast natriumchloride aanwezig is.

8 Het evenwicht is homogeen omdat alle stoffen zich in de gasfase bevinden.

9 Als 60% waterstof is omgezet, dan is er nog 0,040 mol H2 en ook 0,040 mol Cl2 over.

Dus [H2] = 0,040 mol / 2,0 L = 0,020 mol L-1 en [Cl2] = 0,020 mol L-1.

Uit de reactievergelijking volgt dat uit 0,060 mol H2 er 0,120 mol HCl ontstaat, dus wordt

[HCl] = 0,120 mol / 2,0 L = 0,060 mol L-1

10 Fe2+(aq) + Hg2+(aq) Fe3+(aq) + Hg+(aq)

11 Je kunt de Hg+ ionen aan het evenwicht onttrekken door een neerslagreactie, bv:

Hg+(aq) + Cl-(aq) → HgCl(s)


De kenmerken van het Haber-Bosch proces (productie van ammoniak).

Bij het instellen van een evenwicht wordt de reactiesnelheid naar rechts gelijk aan de

reactiesnelheid naar links. Dit noemen we een dynamisch evenwicht.

De tijd die nodig is om de evenwichtstoestand te bereiken, noemen we de insteltijd van het

evenwicht.

Omdat in een dynamisch evenwicht de reactiesnelheid naar links is gelijk aan de

reactiesnelheid naar rechts, zullen bij evenwicht ook de concentraties van de reagerende

stoffen niet veranderen.

Een evenwicht kan aflopend gemaakt worden door een stof voor of na de pijl te onttrekken

aan het evenwicht.

Een chemisch productie proces kun je weergeven in een blokschema.


Antwoorden

11

§ 6 – De evenwichtsvoorwaarde

1 PbI2(s) Pb2+(aq) + 2 I-(aq)

[Pb2+] . [I-]2

2 N2(g) + O2(g) 2 NO(g)

[NO]2 / { [N2].[O2] }

3 C(s) + CO2(g) 2 CO(g)

[CO]2 / [CO2]

4 H2(g) + I2(g) 2 HI(g)

5 [HI]2 / { [H2].[I2] }

6 pHI2 / { pH2.pI2 }

7 Bij gassen is de druk recht evenredig met de concentratie.

8 pHI2 / { pH2.pI2 } = Kp

Kp = (2,2)2 / { 0,31 x 0,85 } = 18,4

9 In elk geval een temperatuur boven de 1000 K.

10 Koolstof komt niet voor in de evenwichtsvoorwaarde en heeft dus geen invloed op de ligging

van het evenwicht.

11 Door samenpersen nemen de concentraties [CO] en [CO2] beide toe.

De evenwichtsvoorwaarde luidt: [CO]2 / [CO2] = Kp

De invloed van [CO] in de teller (kwadraat) is daarbij groter dan [CO2] in de noemer.

Het evenwicht wordt verstoord, er zal CO moeten verdwijnen. De (exotherme) reactie naar

links komt dus tijdelijk in het voordeel.

Tip: bij het verhogen van de druk verschuift het evenwicht altijd naar de kant met het (in

totaal) minste aantal deeltjes in de gasfase. In dit geval is dit de linker kant (slechts één

deeltje in de gasfase) en niet de rechter kant (twee deeltjes in de gasfase).

12 De temperatuur verlagen is in het voordeel van de exotherme reactie (naar links).

13 Een katalysator heeft geen invloed op de ligging van het evenwicht.

14 Bij het verhogen van de druk verschuift het evenwicht altijd naar de kant met het (in

totaal) minste aantal deeltjes in de gasfase. Bij het Haber-Bosch proces is dit de rechter

kant (2 deeltjes in de gasfase) en niet de rechter kant (in totaal vier deeltjes in de gasfase).

15 24 dm3 bevat 1,00 mol gasdeeltjes.

1,00 mol gasmengsel heeft een massa van 24,0 dm3 x 4,8 g dm-3 = 115,2 g

De massa van 1,00 mol HF is 20,0 g en de massa van 1,00 mol (HF)6 is 120 g.

Er komen dus in verhouding meer (HF)6 deeltjes voor.

16 Door volumevergroting nemen de concentraties [(HF)6] en [HF] beide af.

De evenwichtsvoorwaarde luidt: [HF]6 / [(HF)6] = K


Antwoorden

12

De invloed van [HF] in de teller (zesde macht) is daarbij groter dan [HF]6 in de noemer.

Het evenwicht wordt verstoord omdat de teller meer afneemt dan de noemer, er zal HF

moeten bijkomen. De reactie naar rechts komt dus tijdelijk in het voordeel.

Tip: bij het verlagen van de druk verschuift het evenwicht altijd naar de kant met het (in

totaal) grootste aantal deeltjes in de gasfase. In dit geval is dit de rechter kant (zes deeltjes

in de gasfase) en niet de linker kant (slechts één deeltjes in de gasfase).

17 Ga uit van 1,00 mol gasmengsel. Dat heeft een volume van 24,0 dm3.

21% van de moleculen is (HF)6, dus 79% van de moleculen is HF.

Bereken met deze gegevens:

[HF] = 0,79 / 48 = 0,0165 mol dm-3

[(HF)6] = 0,21 / 48 = 0,00438 mol dm-3

Vul de evenwichtsvoorwaarde in:

K = (0,0165)6 / 0,00438 = 4,6.10-9


In de evenwichtstoestand veranderen de concentraties, waardoor ook de concentratiebreuk

een bepaalde constante waarde heeft, de evenwichtsconstante (K).

In tabellenboeken kunnen we de waarden van deze evenwichtsconstanten opzoeken,

bijvoorbeeld in de tabellen 46, 47, 49, 50 en 51 van BINAS. De waarde van K (die iets zegt

over de ligging van het evenwicht) hangt alleen af van de temperatuur. Als de waarde van

de concentratiebreuk gelijk is aan de evenwichtsconstante, dan is er sprake van chemisch

evenwicht. Deze voorwaarde noemen we de evenwichtsvoorwaarde.

In de concentratiebreuk staan de concentraties van de stoffen rechts van de pijl in de teller

en de concentraties van de stoffen links van de pijl in de noemer. Verder staan de

coëfficiënten uit de reactievergelijking als exponenten bij de concentraties. In de

concentratiebreuk staan alleen de concentraties van de stoffen, waarvan de concentratie is

te meten, dus met de toestandsaanduiding (g) of (aq).

Als je aan een evenwicht stoffen onttrekt of toevoegt, of als je de druk verandert, moet je met

behulp van de concentratiebreuk nagaan of er nog sprake van evenwicht. Als de

concentratiebreuk niet meer gelijk is aan de evenwichtsconstante, dan is één van de twee

reacties in het voordeel.


Antwoorden

13

§ 7 – Rekenen aan evenwichten

1 Alle stoffen in de evenwichtsreactie bevinden zich in de gasfase.

2 stofbalans stikstofmonooxide + zuurstof stikstofdioxide

2 NO(g) + O2(g) 2 NO2(g)

voor de reactie + 0,333 mol dm-3

+ 0,313 mol dm-3

tijdens de reactie - 0,300 mol dm-3

- 0,150 mol dm-3

+ 0,300 mol dm-3

na de reactie + 0,033 mol dm-3

+ 0,163 mol dm-3

+ 0,300 mol dm-3

3 [NO2]2 / { [NO]2.[O2] } = K

K = (0,300)2 / { (0,033)2.(0,163) } = 507

4 Kalkwater

5 Koolstofdioxide

6 Reagens

7 Ks = 4,7.10-6 (tabel 46)

8 Stel [Ca2+] = x en dus [OH-] = 2x. Vul de evenwichtsvoorwaarde in:

[Ca2+].[OH-]2 = Ks

4x3 = 4,7.10-6 waaruit volgt dat x = 0,01055 mol L-1

Dus [Ca2+] = 0,011 mol L-1 en [OH-] = 0,021 mol L-1.

9 [Ca(OH)2] = 0,01055 mol L-1

0,01055 mol L-1 x 74,09 g mol-1 = 0,78 g L-1

10 Zie vraag 8 en 9.


Bij het molberekeningen kun je bij evenwichten het beste gebruik maken van een

stofbalans.

Bij het rekenen aan een verzadigde zoutoplossing maak je gebruik van het

oplosbaarheidsproduct.


Antwoorden

14

§ 8 – Chemische industrie

1

Scheidingsmethode Maakt gebruik van

verschil in

Geschikt voor soort mengsel

Filtreren Deeltjesgrootte Suspensie

Bezinken, centrifugeren Dichtheid Suspensie

Indampen Kookpunt Oplossing

Destilleren Kookpunt Oplossing of vloeistof mengsel

Extraheren Oplosbaarheid Vaste stof mengsel

Adsorptie Aanhechtingsvermogen

(adhesie)

Geur- , kleur- , smaakstoffen

Chromatografie Oplosbaarheid en

aanhechtingsvermogen

Geur- , kleur- , smaakstoffen

2 Met “een lage omzettingsgraad” wordt bedoeld, dat weinig beginstof(fen) worden omgezet in

reactieproduct(en). De reactie heeft daardoor een lage opbrengst. Een voorbeeld hiervan is een

evenwichtsreactie, waarbij het evenwicht sterk aan de linker kant ligt.

3 C2H4 (g) + H2O (g) → C2H5OH(g)

4 Alleen het probleem dat het etheen kan zijn verontreinigd met andere gassen. Het is ook niet

nodig dat de katalysator wordt teruggewonnen, want deze zit op een drager. Er ontstaan geen

bijproducten en het ethanol reageert ook niet verder.

5 Een homogeen proces, omdat het alleen om gassen gaat.

6 Een continu proces kan goed. Omdat de katalysator vastzit op een drager, is er geen scheiding

achteraf nodig voor de katalysator. Je moet wel het etheen en het ethanol scheiden om het

etheen te kunnen recirculeren.

7 Etheen heeft een veel lager kookpunt dan ethanol en water, doordat deze beiden wel

waterstofbruggen kunnen vormen en etheen niet. Destillatie is een geschikte methode.

8

9

+

10

Er wordt 40 mol etheen omgezet per uur. Per circulatie wordt er 5 % omgezet: 2 mol etheen dus

én 2 mol water. Er zijn 20 circulaties nodig in één uur om 40 mol te kunnen bereiden.

Dan wordt er 20 x 38 mol = 760 mol etheen via de recirculatielus teruggevoerd naar de reactor.


Antwoorden

15

De verhouding etheen : water = 1 : 0,6. Er is dus slechts 24 mol water aanwezig. Daarvan wordt

bij iedere circulatie 2 mol omgezet. Met 20 circulaties geeft dat 20 x 22 = 440 mol water die

teruggevoerd wordt per uur naar de reactor.

Alle omzettingen en recirculaties kun je ook weergeven in een stofbalans:

reactievergelijking C2H4(g) + H2O(g) C2H6O(g)

molverhouding 1,0 : 0,6

voor de reactie + 40 mol + 24 mol 0,0 mol

5,0% omzetting − 2,0 mol − 2,0 mol + 2,0 mol

na de reactie + 38 mol + 22 mol + 2,0 mol

20 recirculaties + 760 mol + 440 mol + 40 mol

11

+

12

Er wordt 40 mol ethanol gevormd. Er zal dus uiteindelijk ook 40 mol etheen en 40 mol water

omgezet.

Conclusie: er moet 40 mol etheen en 40 mol water worden toegevoegd.

13

14 CH3OH(g) + H2O(g) → 3 H2 (g) + CO2 (g)

CO (g) + H2O(g) → CO2 (g) + H2 (g)

15 hogere snelheid

snellere energie overdracht

veiliger door kleinere hoeveelheden

16 Er wordt geen zuurstof gebruikt, omdat dat ook met het waterstof kan reageren.

17 Nee, aan een blokschema is niet te zien of het om een continu proces of een batchproces gaat.

18 praktische opbrengstrendement = x100%

theoretische opbrengst

(28,00 g / 34,07 g) x 100% = 82,18 %

19 200 kg / 159,7 kg kmol-1 = 1,25 kmol Fe2O3(s)

Fe2O3(s) : 2 Fe(s) = 1 mol : 2 mol

Dus ontstaat 2 x 1,25 = 2,50 kmol Fe

2,50 kmol x 55,85 kg kmol-1 = 140 kg Fe

20 160 ton = 160.103 kg / 159,7 kg kmol-1 = 1,00.103 kmol Fe2O3(s)

Fe2O3(s) : 2 Fe(s) = 1 mol : 2 mol

Dus ontstaat maximaal 2 x 1,00.103 = 2,00.103 kmol Fe

2,00.103 kmol x 55,85 kg kmol-1 = 112.103 kg = 112 ton Fe

Het rendement is dus (90 / 112) x 100% = 80%


Antwoorden

16


Bij chemische technologie draait het om het ontwerp en onderhoud van industriële

chemische processen op grote schaal.

Bij een batchproces wordt uitgevoerd zoals in een laboratorium, alleen op grote schaal.

Alles wordt bijeengevoegd in een reactor bij de juiste omstandigheden. Nadat het zoveel

mogelijk heeft gereageerd, wordt het uit de reactor verwijderd en eventueel gezuiverd.

Vervolgens kan men de volgende batch (lading) maken. Toepassing vindt plaats bij kleine

hoeveelheden product in de fijnchemie en farmaceutische industrie.

Bij een continu proces vindt er een constante aanvoer en afvoer van uitgangsstoffen en

producten plaats. De niet gereageerde stoffen worden met een recirculatielus teruggevoerd

naar de reactor. Toepassing vindt plaats bij grote hoeveelheden product.

In een blokschema word het productieproces schematisch weergegeven, waarbij reacties

en/of scheidingen in een blok staan en tussen de blokken met lijnen de stofstromen worden

aangegeven.

In de chemische technologie wordt de 'boekhouding' voor een fabriek bijgehouden in een

massabalans en een energiebalans.

Het rendement van een chemische proces is de praktische opbrengst gedeeld door de

theoretische opbrengt x 100%.


Antwoorden

17

§ 10 – Voorbeeld proefwerkopgaven

1 Proef 3: hoogste verdelingsgraad (poeder) en concentratie (1,0 M).

2

Poeder is fijner verdeeld en heeft daardoor een groter oppervlak. Hierdoor wordt de kans op

effectieve botsingen groter.

3 C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g)

4 De koolstof fijner verdelen, hogere concentratie (of druk) waterdamp, hogere temperatuur,

katalysator toevoegen.

5

en

erg

ie (

J)

►

CO(g) + H2(g)

▲

│

│

│

│

│ Δ E

│

│

│

│

C(s) + H2O(l) │

6 De reactie is endotherm (er is warmte voor nodig) en om de reactiesnelheid te vergroten.

7 CO(g) + H2(g) + O2(g) → CO2(g) + H2O(l)

8 Watergas is een mengsel van waterstof en koolstofmonooxide. Zowel bij de verbranding van

waterstof als koolstofmonooxide komt warmte vrij: exotherm dus.

9 Voor het maken van synthesegas is waterdamp nodig en bij de verbranding van synthesegas

komt weer water vrij. Als je beide reacties bij elkaar optelt en links en rechts water,

waterstof en koolstofmonooxide wegstreept, blijft alleen de verbranding van koolstof over:

C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g)

CO(g) + H2(g) + O2(g) → CO2(g) + H2O(l)

C(s) + H2O(g) + CO(g) + H2(g) + O2(g) → CO(g) + H2(g) + CO2(g) + H2O(l)

10 Stikstofmonooxide en stikstofdioxide.

11 De temperatuur is te ver gedaald en de benodigde activeringsenergie te hoog om een

evenwicht te laten instellen.

12 Bij afkoelen ontleedt NO. Dit is dus de exotherme reactie, want bij hogere temperaturen

wordt juist de endotherme reactie bevoordeeld (de vorming van NO).

13 Een (geschikte) katalysator.

14 { [N2].[O2] } / [NO]2 = K


Antwoorden

18

15 Bij een dieselmotor is [O2] groter dan in een benzinemotor. Hierdoor neemt de teller tijdelijk

toe. Om weer tot evenwicht te komen de vorming van NO bevoordeeld worden.

16 stofbalans fosgeen koolstofmonooxide + chloor

COCl2(g) CO(g) + Cl2(g)

voor de reactie + 0,18 mol L-1

0 0

tijdens de reactie - 0,080 mol L-1

+ 0,080 mol L-1

+ 0,080 mol L-1

na de reactie + 0,10 mol L-1

+ 0,080 mol L-1

+ 0,080 mol L-1

{ [CO].[Cl2] } / [COCl2] = K

K = { 0,080 x 0,080 } / 0,10 = 0,064

17 Bij verhogen van de druk veranderd K niet (en blijft 0,064).

Gegeven: [Cl2] = 0,123 mol L-1 dus ook [CO] = 0,123 mol L-1

Deze gegevens invullen in de evenwichtsvoorwaarde: K = { 0,123 x 0,123 } / [COCl2] = 0,064

Daaruit volgt [COCl2] = 0,237 mol L-1

18 Bij verkleinen van het volume neemt de druk toe en verschuift het evenwicht naar de kant

met het minste (totaal) aantal deeltjes in de gasfase.

19 Er is 30 g ÷ 174,3 g mol-1 = 0,172 mol K2SO4(s) opgelost in 0,25 L water.

De oplosvergelijking luidt: K2SO4(s) ↔ 2 K+(aq) + SO42-(aq)

Dus [K2SO4] = 0,172 mol / 0,25 L = 0,69 mol L-1.

Vul in [K+] = 1,38 mol L-1 [SO42-] = 0,69 mol L-1:

Ks = [K+]2.[SO42-] = 1,382 x 0,69 = 1,3

20 Waterstofperoxide.

21 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l)

22 Ja, want stof X wordt wel gebruikt maar niet verbruikt.

23 bij 1: H2 (en X)

bij 2: H2O

bij 3: H2O en H2O2

bij 4: O2

(1 en 4 kunnen worden verwisseld)


Antwoorden

19

Samenvatting Module 3

1 Reactiesnelheid

Er zijn verschillende mogelijkheden om de reactiesnelheid te definiëren.

Meest gebruikt zijn de volgende eenheden:

het aantal mol van een stof dat per seconde wordt omgezet (mol s-1)

de concentratieverandering van een stof per seconde (mol L-1 s-1)

De reactiesnelheid hangt af van de volgende vijf factoren:

soort stof

temperatuur

concentratie

verdelingsgraad

aanwezigheid van een katalysator

2 Botsende deeltjes model

De reactiesnelheid is afhankelijk van het aantal effectieve botsingen dat per seconde tussen

de deeltjes kan plaatsvinden. Het aantal effectieve botsingen wordt beïnvloed door

concentratie, verdelingsgraad en temperatuur.

3 Reactie energie

Bij iedere reactie treedt een energie effect op: de reactie energie (Δ E).

Bij exotherme reacties heeft Δ E een „min‟ teken en bij endotherme reacties heeft Δ E een

„plus‟ teken. Informatie over reactie energieën kun je vinden in BINAS tabel 56 en 57.

De benodigde energie om de bindingen van de beginstof(fen) te verbreken noemt men de

activeringsenergie (Eact). Deze energie is nodig om de reactie op gang te brengen. Met behulp

van een katalysator kan de activeringsenergie worden verlaagd. Een katalysator is een stof

die de reactie snelheid vergroot zonder daarbij verbruikt te worden.

Energie effecten van een chemische reactie kun je weergeven in een energie diagram. Hierin

zet je op het beginniveau de formules van de beginstoffen en bij het eindniveau de formules

van de reactieproducten met de coëfficiënten uit de reactievergelijking.

4 Vormingswarmte

De vormingswarmte voor een stof is de reactiewarmte van de vorming van één mol stof uit

de niet-ontleedbare stoffen.

De ontledingswarmte heeft het tegengestelde teken van de vormingswarmte.

De vormings- en ontledingswarmten van niet-ontleedbare stoffen zijn nul.

De vormingswarmten van een aantal stoffen kan je opzoeken in tabel 57.

Met behulp van de vormingswarmte en de wet van behoud van energie kun je de

reactiewarmte uitrekenen (Wet van Hess).

5 Evenwichtsreacties

Sommige reacties zijn omkeerbaar. Wanneer twee omkeerbare reacties gelijktijdig gaan

verlopen spreken we van een evenwichtsreactie. Bij een chemisch evenwicht is de reactie

snelheid naar rechts (s1) gelijk aan de reactie snelheid naar links (s2), oftewel s1 = s2. Bij een

chemisch evenwicht veranderen de concentraties van de stoffen niet en blijven dus constant.

Bij een homogeen evenwicht vindt de reactie in dezelfde fase plaats. Bij een heterogeen

evenwicht zijn de stoffen in meerdere fasen aanwezig.

De ligging van een evenwicht hangt alleen af van de temperatuur. Toevoeren van energie is

in het voordeel van de endotherme reactie. Een evenwicht kan aflopend gemaakt worden

door een stof voor of na de pijl te onttrekken aan het evenwicht.

Een chemisch productie proces kun je weergeven in een blokschema.

6 De evenwichtsvoorwaarde

In de evenwichtstoestand veranderen de concentraties, waardoor ook de concentratiebreuk

een bepaalde constante waarde heeft, de evenwichtsconstante (K). In tabellenboeken kunnen


Antwoorden

20

we de waarden van deze evenwichtsconstanten opzoeken, bijvoorbeeld in de tabellen 46, 47,

49, 50 en 51 van BINAS. De waarde van K (die iets zegt over de ligging van het evenwicht)

hangt alleen af van de temperatuur. Als de waarde van de concentratiebreuk gelijk is aan de

evenwichtsconstante, dan is er sprake van chemisch evenwicht. Deze voorwaarde noemen we

de evenwichtsvoorwaarde.

In de concentratiebreuk staan de concentraties van de stoffen rechts van de pijl in de teller

en de concentraties van de stoffen links van de pijl in de noemer. Verder staan de

coëfficiënten uit de reactievergelijking als exponenten bij de concentraties. In de

concentratiebreuk staan alleen de concentraties van de stoffen, waarvan de concentratie is te

meten, dus met de toestandsaanduiding (g) of (aq). Als je aan een evenwicht stoffen onttrekt

of toevoegt, of als je de druk verandert, moet je met behulp van de concentratiebreuk nagaan

of er nog sprake van evenwicht. Als de concentratiebreuk niet meer gelijk is aan de

evenwichtsconstante, dan is één van de twee reacties in het voordeel.

7 Rekenen aan evenwichten

Bij het molberekeningen kun je bij evenwichten het beste gebruik maken van een stofbalans.

Bij het rekenen aan een verzadigde zoutoplossing maak je gebruik van het

oplosbaarheidsproduct.

8 Chemische industrie

Bij chemische technologie draait het om het ontwerp en onderhoud van industriële chemische

processen op grote schaal.

9 Batch en continu proces

Bij een batchproces wordt uitgevoerd zoals in een laboratorium, alleen op grote schaal. Alles

wordt bijeengevoegd in een reactor bij de juiste omstandigheden. Nadat het zoveel mogelijk

heeft gereageerd, wordt het uit de reactor verwijderd en eventueel gezuiverd. Vervolgens

kan men de volgende batch (lading) maken. Toepassing vindt plaats bij kleine hoeveelheden

product in de fijnchemie en farmaceutische industrie.

Bij een continu proces vindt er een constante aanvoer en afvoer van uitgangsstoffen en

producten plaats. De niet gereageerde stoffen worden met een recirculatielus teruggevoerd

naar de reactor. Toepassing vindt plaats bij grote hoeveelheden product.

10 Blokschema, massabalans, energiebalans en rendement

In een blokschema word het productieproces schematisch weergegeven, waarbij reacties

en/of scheidingen in een blok staan en tussen de blokken met lijnen de stofstromen worden

aangegeven.

In de chemische technologie wordt de 'boekhouding' voor een fabriek bijgehouden in een

massabalans en een energiebalans.

Het rendement van een chemische proces is de praktische opbrengst gedeeld door de

theoretische opbrengt x 100%.

module 3 “energie en evenwichten” antwoorden opgave 7 van...

Documents