Eindexamen scheikunde vwo 2003, tijdvak 2

→ Leid uit figuur 1 af dat de molverhouding tussen de omgezette glucose en de gevormde waterstof uiteindelijk 1 : 4 is. Ook de molverhouding waarin de gassen koolstofdioxide en waterstof in reactor 1 ontstaan, is een belangrijk gegeven. Door middel van een terugtitratie kan worden bepaald hoeveel koolstofdioxide het gasmengsel bevat.

→ Beschrijf hoe met behulp van een terugtitratie de hoeveelheid koolstofdioxide in een mengsel van koolstofdioxide en waterstof kan worden bepaald. Geef in de beschrijving onder meer de naam (namen) van de eventueel gebruikte stof(fen) of oplossing(en) en welke gegevens van tevoren bekend moeten zijn. Bij een bepaling van deze molverhouding blijkt dat in het gasmengsel het aantal mol waterstofgas twee keer zo groot is als het aantal mol koolstofdioxide.

→ Leid met behulp van beide gegeven molverhoudingen de reactievergelijking af voor de omzetting van glucose en water tot azijnzuur, koolstofdioxide en waterstof. Gebruik in je reactievergelijking molecuulformules. De inhoud van reactor 1 wordt in een tweede reactor geleid, terwijl de bacteriën in reactor 1 achterblijven. In deze tweede reactor, die de fotoreactor wordt genoemd, zetten andere bacteriën, onder invloed van licht, azijnzuur samen met water om tot koolstofdioxide en waterstof.

Van de gevormde hoeveelheid koolstofdioxide blijft in de fotoreactor ruim 60% in oplossing. In reactor 1 blijft van de gevormde hoeveelheid koolstofdioxide slechts een verwaarloosbare hoeveelheid in oplossing. Dit grote verschil in oplosbaarheid wordt onder andere veroorzaakt doordat de concentratie van gasvormig CO 2 in reactor 1 anders is dan de concentratie van gasvormig CO 2 in de fotoreactor. Dit bereikt men door in reactor 1 een andere druk in te stellen dan in de fotoreactor. Met behulp van het verdelingsevenwicht tussen opgelost koolstofdioxide, CO 2 (aq), en gasvormig koolstofdioxide, CO 2 (g), kan men het verschil in oplosbaarheid van koolstofdioxide verklaren. Dit evenwicht kan als volgt worden weergegeven: CO 2 (aq) ←/→ CO 2 (g) De evenwichtsvoorwaarde voor dit evenwicht luidt:

→ Leg mede aan de hand van de evenwichtsvoorwaarde uit of, bij dezelfde temperatuur, [CO 2 (g)] in reactor 1 groter of kleiner moet zijn dan [CO 2 (g)] in de fotoreactor. De gasmengsels die uit reactor 1 en uit de fotoreactor komen, worden samengevoegd en gebruikt voor de opwekking van elektrische stroom in een brandstofcel. Men wil deze productie van waterstof uitvoeren in een continu proces. Daarbij wordt 30% van de in reactor 1 ingeleide glucose omgezet; in de fotoreactor wordt alle azijnzuur omgezet. De oplossing die uit de fotoreactor komt en nog glucose en koolstofdioxide bevat, wordt in een scheidingsruimte geleid. Daar wordt een deel van de opgeloste koolstofdioxide verwijderd en afgevoerd. De oplossing die dan overblijft, wordt teruggevoerd naar reactor 1. Hieronder is het bovenbeschreven continue proces in een blokschema weergegeven: blokschema oplossing met glucose en koolstofdioxide Wanneer niet alleen de omzetting van glucose in reactor 1, maar ook de omzetting van azijnzuur in de fotoreactor niet volledig zou zijn, kan het proces niet continu verlopen op de manier die hierboven beschreven is. Een leerling denkt dat je in dat geval een deel van de vloeistof die wordt gerecirculeerd, moet aftappen om een continu proces te krijgen.

→ Ben jij het eens met de leerling die denkt dat je dan een deel van de gerecirculeerde vloeistof moet aftappen? Geef een verklaring voor je antwoord. Het is de bedoeling om in de toekomst, na de onderzoeksfase, elektrische stroom op te wekken met behulp van waterstof dat geproduceerd is uit snel groeiende planten (bijvoorbeeld olifantsgras). Dat zal een gunstig effect hebben op het broeikaseffect. Zelfs als alle koolstofdioxide die bij deze productie van waterstof ontstaat, in de atmosfeer terecht zou komen, is deze methode een enorme verbetering ten opzichte van het opwekken van elektrische stroom met fossiele brandstoffen.

→ Geef een elektronenformule van N 2 O. Zet eventuele ladingen bij de juiste atomen. Volgens Binas-tabel 57 A is de vormingswarmte (vormingsenthalpie) van N 2 O(g) positief: +0,815·10 5 J mol –1 . Dit betekent dat voor een bepaalde reactie waarbij distikstofmonooxide gevormd wordt warmte moet worden toegevoerd. Bij de omgekeerde reactie komt dan warmte vrij. Toch treedt die omgekeerde reactie niet op bij kamertemperatuur (298 K). Dit is te verklaren met behulp van een energiediagram dat het verloop van die reactie weergeeft.

→ Teken een energiediagram (enthalpiediagram) dat het verloop van de omgekeerde reactie van vraag 9 weergeeft en leg aan de hand hiervan uit waarom deze omgekeerde reactie niet optreedt bij kamertemperatuur. Zet in het energiediagram onder andere: • de formules van de beginstof(fen) en de eindstof(fen) op de juiste plaats; • de waarde van de reactiewarmte van deze omgekeerde reactie. Het gas distikstofmonooxide ontstaat onder andere bij een industrieel productieproces van hexaandizuur (C 6 H 10 O 4 ). In dit proces wordt hexaandizuur bereid door cyclohexanol (C 6 H 11 OH) met geconcentreerd salpeterzuur te laten reageren. Omdat distikstofmonooxide een broeikasgas is en als katalysator werkt bij de afbraak van de ozonlaag, is de productie van hexaandizuur uit cyclohexanol en salpeterzuur uitvoerig onderzocht. Behalve bovenbedoelde reactie treden in de reactor tal van nevenreacties op, waarbij de gassen CO, CO 2 , N 2 , NO en NO 2 ontstaan. Om na te gaan hoeveel mol distikstofmonooxide wordt gevormd per mol omgezet cyclohexanol liet men 0,10 mol cyclohexanol reageren met geconcentreerd salpeterzuur totdat alle cyclohexanol was omgezet. Behalve hexaandizuur ontstond daarbij een gasmengsel. Dit gasmengsel, dat dus bestaat uit de stoffen CO, CO 2 , N 2 , NO, NO 2 en N 2 O, werd onderzocht. Eerst werd het gasmengsel afgekoeld tot 90 K. Daarbij bleven twee stoffen (CO en N 2 ) in gasvorm over. Deze stoffen werden verwijderd. De andere vier stoffen liet men weer verdampen en de volgende twee bewerkingen ondergaan: 1 Zuurstof wordt toegevoerd. Alle toegevoerde zuurstof reageert met alle aanwezige NO tot NO 2 . NO 2 geeft een bruine kleur aan het gasmengsel. Als de kleur niet meer donkerder wordt, stopt men met de toevoer van zuurstof. 2 Het gasmengsel wordt afgekoeld tot een bepaalde temperatuur. Het volume van het dan nog aanwezige gas is 1,8 dm 3 (omgerekend naar omstandigheden waarbij V m = 24 dm 3 mol –1 ). Als bij de tweede bewerking het gasmengsel tot de juiste temperatuur wordt afgekoeld, kan berekend worden hoeveel mol distikstofmonooxide per mol omgezet cyclohexanol ontstaat. In onderstaande tabel staan gegevens die voor het onderzoek relevant zijn:

→ Bereken het aantal lagen O 2– ionen in een laagje aluminiumoxide met een dikte van 0,0001 mm. Ga er bij je berekening van uit dat de O 2– ionen elkaar raken zoals in figuur 2 is weergegeven. In een legering van aluminium, magnesium en tin is de vorming van een goed afsluitend laagje aluminiumoxide niet goed mogelijk. Magnesium- en tinionen, die zich bij aantasting van de legering vormen, zijn namelijk groter dan aluminiumionen. Ze passen niet in de holtes tussen de O 2– ionen. In een legering waarbij de verhouding tussen de aantallen atomen aluminium, magnesium en tin 4000 : 200 : 1 is, wordt het beschermende laagje niet gevormd. Het gevolg is dat een legering met deze samenstelling wordt aangetast.

De genoemde legering van aluminium, magnesium en tin wordt gebruikt in de zogenoemde aluminium-luchtcel. Deze cel wordt wel eens ingeschakeld als noodstroombron wanneer een storing in een elektrische installatie optreedt. In figuur 3 is zo’n aluminium-luchtcel schematisch weergegeven. figuur 3 onaantastbare Een blok van de legering van aluminium, magnesium en tin is ondergedompeld in een oplossing van keukenzout. De oplossing zit in een plastic bak. Op de bovenkant van de plastic bak bevindt zich een poreus gaasje van in elkaar gevlochten draadjes van een onaantastbaar metaal. Het gaasje dient voor elektrisch contact. Boven het gaasje bevindt zich lucht. De onderkant van het gaasje maakt contact met de keukenzoutoplossing. Als het gaasje en het blok legering van aluminium, magnesium en tin met een geleidende draad worden doorverbonden, gaat een elektrische stroom lopen. Bij het gaasje reageert zuurstof uit de lucht met water onder vorming van hydroxide-ionen. Bij het blok legering wordt het aluminium omgezet tot aluminiumhydroxide.

→ Geef de vergelijkingen van de halfreacties die bij het gaasje en bij de legering optreden, en leid daarmee de vergelijking van de totale reactie af. Wanneer in een elektrische installatie de stroom uitvalt, wordt automatisch uit een voorraadtank een keukenzoutoplossing in de plastic bak van de aluminium-luchtcel gepompt. Hierna schakelt de cel zichzelf in en neemt hij de stroomvoorziening in de elektrische installatie over. De oplossing van het keukenzout kan niet samen met het blok legering permanent in de plastic bak van de cel bewaard worden. Er treedt dan namelijk een trage nevenreactie op waarbij zich een gas vormt. De cel verliest dan een deel van zijn vermogen om stroom te leveren.

→ Leg met behulp van getalwaarden uit Binas-tabel 48 uit welk gas zich in de aluminium-luchtcel vormt als de keukenzoutoplossing samen met het blok legering permanent in de plastic bak bewaard wordt, terwijl de cel niet is ingeschakeld. Een bepaalde aluminium-luchtcel die als noodstroombron staat opgesteld, moet in geval van een storing gedurende 20 uur een stroom kunnen leveren van 12 A (A is ampère; 1 A = 1 C s –1 ).