opgave 1Plaatstaal maken
Staal is een legering die voornamelijk uit ijzer bestaat. Plaatstaal is een
toepassing van staal die onder andere in auto’s en treinen wordt gebruikt.
Plaatstaal wordt gemaakt door middel van walsen. Hierbij worden
langwerpige blokken staal verhit tot 1200 °C en vervolgens tussen
verwarmde rollen geperst. Zo ontstaat een lange plaat. Door het staal
meerdere malen achter elkaar te walsen, kan de gewenste plaatdikte
worden verkregen. De lange plaat wordt vervolgens opgerold en
afgekoeld. Zie figuur 1.
figuur 1
De reden dat staal eerst wordt verhit voordat het geperst wordt, is dat
staal bij kamertemperatuur moeilijk vervormbaar is.
12pVoer de volgende opdrachten uit:
− Geef de naam van het meest voorkomende bindingstype in staal.
− Licht toe op microniveau dat staal door verhitten beter vervormbaar
wordt.
Tijdens het walsen reageert het hete staal met zuurstof uit de lucht.
Hierbij ontstaat een dun laagje ijzeroxide (mengsel van FeO en Fe2O3).
Voor sommige toepassingen van plaatstaal moet dit laagje worden
verwijderd. Dit gebeurt tijdens een proces dat beitsen wordt genoemd.
Hierbij wordt een rol plaatstaal afgerold, door een bad met beitsvloeistof
geleid en weer opgerold. Zie figuur 2. Beitsvloeistof is een oplossing van
HCl in water.
figuur 2
22pVoer de volgende opdrachten uit:
− Noteer het nummer of de omschrijving van een gevarenpictogram dat
past bij beitsvloeistof. Maak gebruik van Binas-tabel 96A en B of
ScienceData-tabel 38.1.
− Licht je antwoord toe.
31pGeef een algemene scheikundige naam voor reacties van metalen met
zuurstof.
Tijdens het beitsen treden de volgende reacties op:
Fe2O3(s) + Fe (s) + 6 H+ (aq) → 3 Fe2+ (aq) + 3 H2O (l) (reactie 1)
FeO (s) + 2 H+ (aq) → Fe2+ (aq) + H2O (l)
Reactie 1 is een redoxreactie.
42pLeid af, aan de hand van de ladingsverandering van de ijzerionen, of de
ijzerionen in Fe2O3 in reactie 1 als oxidator of als reductor reageren.
Noteer je antwoord als volgt:
lading van de ijzerionen in Fe2O3: …
lading van de ijzerionen na reactie 1:...
IJzerionen in Fe2O3 reageren dus als:...
opgave 2Beitsvloeistof recyclen
Bij het maken van plaatstaal wordt beitsvloeistof gebruikt. Na gebruik
bevat deze waterige vloeistof Fe2+-ionen, H+-ionen en Cl–-ionen. In deze
opgave worden twee processen beschreven waarmee gebruikte
beitsvloeistof wordt gerecycled: het proces van New Zealand Steel
(proces A) en het proces van SMS Siemag (proces B). In beide processen
wordt gebruikte beitsvloeistof omgezet tot onder andere Fe3+-ionen en
HCl-gas.
Proces A
Het bedrijf New Zealand Steel maakt gebruik van een vortexreactor. Zie
figuur 1. Een vortexreactor is een reactor waarin een ronddraaiende
stroom van gassen (een vortex) aanwezig is. De reactor wordt verwarmd
met behulp van gasbranders. De gebruikte beitsvloeistof wordt via
vernevelaars van boven in de reactor gebracht bij een temperatuur van
minimaal 350 °C. Hierdoor verdampt het water waarin de ionen zijn
opgelost en ontstaan vast FeCl2 en gasvormig HCl. Het vaste FeCl2
reageert vervolgens in de vortexreactor tot Fe2O3, wat aan de onderkant
van de reactor wordt afgevoerd en opgeslagen. HCl en stoom verlaten de
vortexreactor aan de bovenkant en worden opgevangen.
figuur 1
53pGeef het ontstaan van vast FeCl2 en van gasvormig HCl uit de
beitsvloeistof weer in één reactievergelijking. Gebruik
toestandsaanduidingen.
De omzetting van FeCl2 tot Fe2O3 verloopt volgens reactie 1.
4 FeCl2(s) + 4 H2O(g) + O2(g) → 2 Fe2O3(s) + 8 HCl (g) (reactie 1)
Reactie 1 verloopt zeer snel onder de omstandigheden in de reactor.
63pVoer de volgende opdrachten uit:
− Noem één omstandigheid in de reactor die bijdraagt aan een hoge
reactiesnelheid.
− Licht je antwoord toe met behulp van het botsende-deeltjesmodel.
Reactie 1 is exotherm.
73pBereken de reactiewarmte van reactie 1 per mol gevormd HCl.
Gebruik Binas-tabel 57 of ScienceData-tabel 9.2.
Proces B
Het proces van SMS Siemag vindt plaats in drie stappen en is op de
uitwerkbijlage onvolledig en schematisch weergegeven:
Stap 1: De gebruikte beitsvloeistof wordt verwarmd tot 70 °C in een
pre-concentrator. Hierdoor verdampt een deel van het water en
een deel van het opgeloste HCl. Deze gassen worden naar een
opvangvat geleid. Een geconcentreerde oplossing van
Fe2+-ionen, H+-ionen en Cl–-ionen stroomt naar reactor 1 (R1).
Stap 2: In R1 reageren alle Fe2+-ionen met zuurstof volgens reactie 2,
bij een temperatuur van 150 °C en een druk van 7 bar.
12 Fe2+(aq) + 3 O2(g) → 8 Fe3+(aq) + 2 Fe2O3(s) (reactie 2)
Stap 3: De ontstane suspensie wordt in reactor 2 (R2) geleid bij een
temperatuur van 170 °C. Hier verdampt nog meer water. Ook
treedt reactie 3 op:
2 Fe3+ (aq) + 6 Cl–(aq) + 3 H2O → 6 HCl (g) + Fe2O3(s) (reactie 3)
Vast Fe2O3 wordt onder in R2 afgevoerd en opgeslagen. Alle
overige H+-ionen en Cl–-ionen verlaten R2 als HCl-gas. Alle
gasvormige stoffen worden naar het opvangvat geleid.
81pNoem een stofeigenschap op basis waarvan vast Fe2O3 in R2 wordt
gescheiden van het reactiemengsel.
Op de uitwerkbijlage is proces B in een onvolledig blokschema
weergegeven.
93puitwerkbijlageMaak het blokschema op de uitwerkbijlage compleet.
− Neem aan dat er na stap 2 geen zuurstof en geen Fe2+ meer overblijft.
− Teken de pijlen van de ontbrekende stofstromen.
− Noteer de nummers van de volgende stoffen en/of deeltjes bij de juiste
pijlen:
1 HCl-gas
2 Fe2O3
3 Fe2+-ionen
4 Fe3+-ionen
5 waterdamp
6 oplossing met H+ en Cl–
7 zuurstof
− Sommige nummers moet je meer dan één keer gebruiken.
Beide processen (A en B) zijn bedoeld om stoffen te hergebruiken. Op
basis van de uitgangspunten van de groene chemie hebben beide
processen voordelen en nadelen.
102puitwerkbijlageGeef op de uitwerkbijlage voor elk proces een mogelijk nadeel ten
opzichte van het andere proces. Noteer hierbij telkens het nummer van
het uitgangspunt waarop je het nadeel baseert. Maak gebruik van
Binas-tabel 97A of ScienceData-tabel 38.6.
opgave 3Groene coatings
Om oppervlakken van metalen of kunststoffen te beschermen tegen
invloeden van buitenaf, kunnen ze worden bedekt met een laagje van een
polymeer. Dit laagje wordt een coating genoemd. Veel coatings bevatten
polyacrylaten, zoals poly-ethylacrylaat. In figuur 1 is een fragment van
een molecuul poly-ethylacrylaat weergegeven.
figuur 1
Poly-ethylacrylaat wordt gemaakt door poly-additie van het monomeer
ethylacrylaat.
112pGeef de structuurformule van het monomeer ethylacrylaat.
Polyacrylaten worden gemaakt uit aardolie en zijn daardoor niet
duurzaam. Nederlands onderzoek heeft geleid tot een nieuwe methode
om monomeren voor coatings te maken. In deze nieuwe methode wordt
uitgegaan van biomassa. Uit biomassa wordt de stof furfural gemaakt.
Furfural kan in twee stappen worden omgezet tot een stof die als
monomeer voor coatings kan worden gebruikt. In stap 1 reageert furfural
dat is opgelost in methanol, met zuurstof tot hydroxybutenolide. In figuur 2
zijn de structuurformules van furfural en hydroxybutenolide weergegeven.
figuur 2
122pVoer de volgende opdrachten uit:
− Beschrijf wat structuurisomeren zijn.
− Leg vervolgens uit of furfural en hydroxybutenolide structuurisomeren
van elkaar zijn.
In stap 2 wordt de temperatuur verhoogd. Hydroxybutenolide reageert dan
met methanol tot methoxybutenolide, afgekort B2. Zie figuur 3.
figuur 3
Butenolides zoals B2 zijn monomeren voor polymerisatiereacties. In
plaats van methanol kunnen ook andere alcoholen worden gebruikt voor
stap 2. Hierbij ontstaan andere butenolides. Zo ontstaat het monomeer B4
uit de reactie van propaan-2-ol met hydroxybutenolide. Op de
uitwerkbijlage is deze reactie onvolledig weergegeven.
133puitwerkbijlageMaak op de uitwerkbijlage de vergelijking van de reactie van propaan-2-ol
met hydroxybutenolide compleet. Gebruik structuurformules.
B4 kan met een ander monomeer worden gepolymeriseerd tot een
copolymeer dat geschikt is als coating. Het andere monomeer bepaalt de
eigenschappen van het copolymeer. Een voorbeeld van zo’n ander
monomeer is VeoVa-10. Zie figuur 4. Polymerisatie van B4 met VeoVa-10
levert een thermoplast op.
figuur 4
In een onderzoek werd de reactiesnelheid van B4 met VeoVa-10 bepaald.
Na 8000 seconden bleek 96% van alle moleculen B4 en 96% van alle
moleculen VeoVa-10 via een poly-additiereactie te zijn omgezet tot een
copolymeer.
144pBereken hoeveel gram copolymeer in 1,0 L oplossing is ontstaan na
8000 seconden. Maak onder andere gebruik van de volgende gegevens:
− De beginconcentraties van B4 en van VeoVa-10 waren 2,15 M.
− De molaire massa van B4 is 142 g mol–1.
Coatings die ontstaan uit de poly-additie van B2 of B4 met VeoVa-10 zijn
vervormbaar. Wanneer een lagere vervormbaarheid gewenst is, moet men
butenolides met een ander monomeer dan VeoVa-10 polymeriseren. Een
voorbeeld van een monomeer dat door poly-additie met B2 een coating
met een lagere vervormbaarheid oplevert, is DVE. Zie figuur 5.
figuur 5
153pVerklaar aan de hand van de structuurformule van DVE of door
poly-additie met B2 een thermoharder ontstaat.
Een andere belangrijke eigenschap van een coating is een goede
hechting aan het te beschermen oppervlak. De onderzoekers
onderzochten bij verschillende copolymeren hoe goed ze hechtten aan
oppervlakken van polyetheen. Voorbeelden van deze copolymeren zijn die
van DVE met B2 en met B3. De structuurformules van B2 en B3 zijn in
figuur 6 weergegeven.
figuur 6
Een copolymeer van DVE met B2 (copolymeer A) bleek slechter te
hechten aan een oppervlak van polyetheen dan een copolymeer van DVE
met B3 (copolymeer B).
162pGeef een mogelijke verklaring waarom copolymeer B beter hecht aan een
oppervlak van polyetheen dan copolymeer A. Gebruik hierbij figuur 6.
opgave 5Waterstofbromide-flowbatterij
Om duurzame energie betaalbaar op te slaan, hebben onderzoekers van
de Technische Universiteit Eindhoven een batterij ontwikkeld die
voldoende zonne-energie kan opslaan om een kantoor enkele weken van
elektrische energie te voorzien. Deze batterij is een waterstofbromide-
flowbatterij (HBFB) en heeft de grootte van een aantal zeecontainers.
Een HBFB bevat een oplossing van het zuur waterstofbromide (HBr) in
water. Deze oplossing bevat de deeltjes H+ (aq) en Br– (aq). De zure
oplossing wordt door een pomp door de batterij gepompt. Een laagje
polypropeen aan de binnenzijde van de pomp beschermt deze tegen de
hoge zuurgraad.
263pGeef een stukje uit het midden van de structuurformule van polypropeen.
In dit stukje moeten drie monomeereenheden zijn verwerkt.
De HBFB bevat vijftig elektrochemische cellen die met elkaar zijn
verbonden. Elke elektrochemische cel bestaat uit twee halfcellen: een
HBr-halfcel en een H2-halfcel. Zie figuur 1. De HBr-halfcel bevat een
poreuze elektrode van koolstof waar de zure HBr-oplossing doorheen
wordt gepompt. De H2-halfcel bevat ook een poreuze elektrode van
koolstof. De halfcellen worden van elkaar gescheiden door een membraan
dat H+-ionen doorlaat.
figuur 1
Wanneer een HBFB voor de eerste keer wordt opgeladen, worden in de
HBr-halfcel de Br–-ionen omgezet tot Br3–-ionen. In de H2-halfcel worden
H+-ionen die door het membraan zijn gegaan, omgezet tot waterstofgas.
Tijdens het opladen treden de volgende halfreacties op:
H2-halfcel: 2 H+ (aq) + 2 e– → H2 (g)
272pVoer de volgende opdrachten uit:
− Geef de vergelijking van de totale reactie voor het opladen van de
HBFB.
− Leg uit dat met behulp van deze totale vergelijking is af te leiden dat
er H+-ionen van de oorspronkelijke HBr-oplossing overblijven.
Op de uitwerkbijlage is de elektrochemische cel nogmaals schematisch
weergegeven.
282puitwerkbijlageGeef in de figuur op de uitwerkbijlage aan in welke richting de elektronen
zich door de stroomdraad verplaatsen en in welke richting H+-ionen zich
door het membraan verplaatsen tijdens het opladen. Doe dit door het
tekenen van:
− een pijl met het bijschrift e– bij de stroomdraad;
− een pijl met het bijschrift H+ door het membraan.
Figuur 2 geeft een vereenvoudigde weergave van de HBFB. In plaats van
50 elektrochemische cellen zijn er maar 5 getekend.
figuur 2
De HBr-halfcellen zijn aangesloten op een voorraadvat met
HBr-oplossing. Hierin komt na het opladen ook Br3– terecht. Uit voorzorg
is rond dit voorraadvat een opvangbak met calciumcarbonaat geplaatst.
Wanneer de zure HBr-oplossing zou lekken, ontstaat een gevaarlijke
situatie. Het calciumcarbonaat vermindert dit gevaar.
292pGeef de formule van calciumcarbonaat en leg uit dat calciumcarbonaat
het gevaar vermindert bij een lekkage van HBr-oplossing.
Noteer je antwoord als volgt:
formule calciumcarbonaat: …
uitleg: …
De H2-halfcellen zijn aangesloten op 4 voorraadvaten met waterstof. Het
volume van elk vat is 50 m3. De dichtheid van H2 in een opgeladen HBFB
is 0,732 kg m–3. Uiteindelijk wordt 89% van deze hoeveelheid H2 omgezet
tijdens stroomlevering. Hierbij komt 2,4∙105 J per mol H2 vrij.
304pBereken de maximale hoeveelheid elektrische energie in kWh die kan
worden geleverd door de HBFB.
1,0 kWh = 3,6∙106 J.
opgave 6Disulfiram
Disulfiram (C10H20N2S4) is een alcohol-ontwenningsmiddel. Wanneer bij
gebruik slechts een kleine hoeveelheid van een alcoholhoudende drank
wordt gedronken, veroorzaakt disulfiram al vervelende lichamelijke
verschijnselen, zoals hoofdpijn en overgeven. Bij de afbraak van alcohol
ontstaat ethanal. Disulfiram zorgt ervoor dat het enzym dat ethanal omzet
tot azijnzuur, niet meer werkt.
312pGeef de structuurformule van azijnzuur.
Een hoge concentratie ethanal in het bloed geeft de drinker het gevoel
doodziek te zijn. De plek waar disulfiram met het enzym reageert, is in het
onderstaande fragment:
Disulfiram verbindt de cysteïne-eenheden met elkaar door middel van een
S–S-binding tussen de SH-groepen van de restgroepen. Deze reactie is in
de figuur schematisch en onvolledig weergegeven.
figuur
Op het stippellijntje na de pijl ontbreekt één coëfficiënt en één soort
deeltje.
322pGeef de coëfficiënt en de juiste formule van dit deeltje.
333pGeef de structuurformule van het fragment
dat is ontstaan
nadat het enzym met disulfiram heeft gereageerd.
Gebruik de figuur en Binas-tabel 67H1 of ScienceData-tabel 13.7c.
Bronvermelding
Een opsomming van de in dit examen gebruikte bronnen, zoals teksten en afbeeldingen, is te vinden in het bij dit examen
behorende correctievoorschrift.
![Bereken de [ OH – ] in mol L –1 bij pH = 9,50 ( T = 298K ).](fx/veilig-o4-p12-490-ade3535f.webp){kind=small}
