spm _09; - Opdracht/Deeltoets III;

Transcriptie

1 spm _09; - Opdracht/Deeltoets III; LEVER DIT VEL IN 10 mei 2009, uur Naam:... Studienummer:... Deze deeltoets bestaat uit 13 meerkeuzevragen en 3 open vragen. U mag uitsluitend gebruiken: rekenmachine, schrijfmateriaal, aangehecht formuleblad en periodiek systeem. Lees alle vraagstukken eerst snel door, en deel dan je tijd in per vraagstuk. Succes! NB: u start met een saldo van 10 punten; totaal aantal punten te behalen is 100. Gebruik systeemdenken om je antwoorden te formuleren, te beargumenteren, en te motiveren! Succes! Meerkeuze vragen (max. 30 punten); Let op: elke juist beantwoorde vraag levert punten op; elke onjuist beantwoorde aftrek. Per vraag is dat (punten/aftrek); blanco = 0 punten. 1. De octetregel zegt dat (2.1/0.7) 0 alle atomen in een molecuul, behalve H en He, 8 valentie-elektronen bezitten 0 indien een atoom, behalve H en He, 8 valentie-elektronen ziet edelgas configuratie is bereikt 0 edelgassen, behalve He, stabiel zijn omdat die atomen 8 valentie-elektronen zien 2. De octetregel gaat meestal op voor de atomen in stoffen die (2.1/0.7) 0 gekenmerkt worden door ionbinding 0 gekenmerkt worden door (polair)covalente binding 0 gekenmerkt worden door zowel ionbinding als (polair) covalente binding 3. Geef aan welke ionen bestaan en relatief stabiel zijn (2.1/0.7) 0 Rb 2+ en Se - 0 Rb + en Se 2-0 Rb + en Se - 4. In een covalente binding, bijv. C-C, is de bindingslengte gedefinieerd als (2.1/0.7) 0 de afstand tussen de twee koolstofatomen 0 de afstand tussen de twee koolstofatomen waar de energie minimaal is 0 de afstand tussen de twee koolstofkernen zoals berekend met de wet van Coulomb 5. De rooster energie (lattice-energy) van LiF = kj/mol en van CsI = -603 kj/mol; Als één mol LiF respectievelijk CsI in een goed geïsoleerd kopje water van 10 o C wordt opgelost dan (2.1/0.7) 0 verhoudt de temperatuurstijging van het water zich als 10:6 0 is er geen temperatuurverandering van het water 0 verhoudt de temperatuurdaling van het water zich als 10:6 6. Geef aan welke uitspraak onjuist is: Lewis-structuren van moleculen (2.1/0.7) 0 zijn altijd uniek 0 laten zien hoe de valentie-elektronen zijn verdeeld in een molecuul 0 zijn correct als voor alle atomen aan de octet regel (duet-regel voor H/He) is voldaan

2 Gebruik bij de volgende vragen de tabel A met bindingsenergieën (kj/mol): C-H 413 C=C 614 O-H 467 C-C 347 O=O 495 O-O 146 C-N 305 C=O 745 H-H 432 C-O 358 C=O (CO 2 ) 799 N-H Een eerste schatting voor de vormingsenthalpie van water, H 2 O is dan (3/1): 0 7 kj/mol kj/mol kj/mol 8. Benzine bestaat bij benadering uit iso-octaan (CH 3 ) 3 CC(CH 3 ) 3. Een eerste schatting voor de verbrandingswaarde (LHV) van benzine is dan (3/1): kj/mol kj/mol kj/mol 9. Het nitriet-ion, NO 2 - heeft twee resonantiestructuren, O=N-O en O-N=O. Geef aan welke uitspraak onjuist is (2.1/0.7) 0 dit zijn twee gelijkwaardige Lewisstructuren voor het nitriet ion 0 sommige nitriet-ionen bestaan als O=N-O, andere als O-N=O 0 de werkelijke structuur van nitriet is een gemiddelde van deze twee Mierezuur is het eenvoudigste carbonzuur, met formule HCO(OH). De officiële naam is methaanzuur. Koolstof is het centrale atoom, waaraan H, OH en O zijn verbonden. Als mierezuur wordt opgelost in water dan vindt de volgende reactie plaats: HCO(OH) + H 2 O H 3 O + + HCOO - Er wordt dus een waterstof van de OH groep afgesplitst. De officiële naam van het ion dat ontstaat is methanoaat. Mierezuur is een sterk bijtend zuur dat o.a. gebruikt wordt in WC-eend. 10. Teken hieronder de Lewisstructuur voor mierezuur. HCO(OH) en het methanoaat-ion HCOO - (3 punten, geen aftrek) 11. Verklaar nu kort waarom mierezuur een relatief sterk zuur is (2 pt geen aftrek). Het methanoaat-ion is relatief stabiel omdat het een resonantie structuur heeft 12. De pk a van mierezuur is 3,75. De K a van mierezuur is dus gelijk aan (2.1/0.7) , ,75 0 niet te bepalen 13. Een oplossing van 1 mol mierezuur per liter heeft een ph van (2.1/0.7) 0 3,8 0 2,5 0 1,9

3 Vraagstuk 14 Water (30 punten) Hieronder staat een kopie van de illustratie van The worlds fresh water supply (Environmental Science Figure 11-2). a) Bovenstaande figuur heeft te maken met een kringloop. Welke kringloop? Beschrijf deze kort (+/- 3 zinnen). b) In het plaatje staan geen absolute getallen, maar percentages. Is het nuttig bij de analyse van genoemde kringloop t.b.v. waterbeleid gebruik te maken van percentages? c) Sinds enige tijd wordt scherp gekeken naar de ijskap van Groenland. Als deze zou afsmelten zou de zeespiegel met 6 m stijgen. Als de ijskap van Antarctica zou smelten zou de zeespiegel met 120 m stijgen. Hoeveel procent van de zoetwatervoorraad bevindt zich op Groenland? d) Maak een compleet systeemdiagram voor de betreffende kringloop. Denk goed na over de subsystemen. Moet je iets toevoegen om een compleet systeemdiagram te tekenen? Beschrijf kort je diagram en beargumenteer de keuzes die je hebt gemaakt. e) Geef op basis van een korte systeemanalyse m.b.v. uw diagram uit c) de belangrijkste oorzaken waarom wereldwijd zoetwater tekort een feit is of dreigt te ontstaan. Ook in Nederland is de hoeveelheid beschikbaar zoet water beperkt. f) Leg uit m.b.v. het diagram uit c), uw kennis van het Nederlandse watersysteem uit welke knelpunten bestaan voor de Nederlandse zoetwatervoorziening g) Waarom is de onttrekking van grondwater geen oplossing? h) Welke oplossingenrichtingen zijn volgens u kansrijk voor Nederland? Beargumenteer. Vraag 14. Water (30punten) a) De grote waterkringloop. In deze kringloop vindt water verdamping en condensatie plaats naar de atmosfeer. Door middel van neerslag komt water weer terug naar de aardoppervlakte. Water wordt transporteert door onder andere rivieren en wordt opgeslagen in de oceaan, meren, etc. b) Nee. Waterbeleid is meer kleinschalig, van lokaal tot regionaal of stroomgebied niveau. Voor waterbeleid in bijvoorbeeld Nederland zijn juist meer exacte hoeveelheden essentieel om bijvoorbeeld duurzaam grondwaterbeheer tot stand te

4 brengen. Aan de hand van de figuur en de percentages is het slechts mogelijk een indruk te krijgen van de globale balans tussen behoefte en beschikbaarheid. c) Groenland = 6/126 = 4.76% van de ijsgletsjers Ijs = 1.98/2.6 (percentage Ijs/fresh water) = 76.5% van het zoetwater 4.76/76.5 = 3,8% van de zoetwatervoorraad bevindt zich op Groenland. d) Systeemanalyse: zie de collegesheets en Spiro voor een geschikt voorbeeld van een systeemdiagram van de grote waterkringloop. e) Versnelde afvoer. IJs, wat het grootste zoetwater gedeelte is, smelt en komt in de zee terecht. Grondwatervoorraad neemt af terwijl de vraag naar zoetwater toeneemt. Lozingen vervuilen bestaande zoetwatervoorraden. f) In Nederland wordt zoetwater vooral betrokken uit grondwater en rivierwater, dat wordt gezuiverd in de duinen. Door de sterke mate van verharding wordt veel hemelwater afgevoerd i.p.v. dat het doorsijpelt naar grondwater. Er komt dus minder water in het grondwatersysteem dan wat er aan onttrokken wordt. Met name de beschikbare hoeveelheid zoetwater voor land- en tuinbouw, afkomstig uit rivieren, is in toenemende mate in de zomer een probleem, juist omdat zomers droger worden en neerslag meer in pieken valt. Uit de Zeeuwse Delta en het Ijsselmeer kan in deze periode zoetwater worden onttrokken. Ten slotte is het rivier- en zoetwater vervuild, enerzijds omdat Nederland het afvoerpuntje is, anderzijds omdat de belasting met nutriënten vanuit de landbouw hoog is. g) Onttrekken van grondwater is geen optie omdat de flux in < flux uit. Het grondwater raakt dus op. Het onttrekken van grondwater heeft negatieve effecten voor het milieu; risico op verdroging van natuurlijk terrein, patronen en omvang van grondwaterstromen kan veranderen, de bodem kan uitgeput worden en de bodem kan inzakken. h) Oplossingsrichtingen voor verduurzaming van de Nederlandse zoetwatervoorziening moet voldaan aan de volgende criteria: 1) eerlijke verdeling van grondwater (equity), 2) biodiversiteit behouden en 3) voldoende water voor toekomstige generaties bieden. Mogelijke oplossingen: 1) Afvoer, vasthouden en bergen van hemelwater meer in balans brengen. Lokaal waterberging realiseren, en op nationale schaal het gebruik van de Zeeuwse Delta en het IJsselmeer als grote zoetwaterreservoirs zeker stellen cq. uitbreiden. Opzuivering van rivierwater is kansrijk; enerzijds omdat de jaarlijkse hoeveelheid groot is, anderzijds het vervuilingniveau hanteerbaar, en afneemt. Vraagstuk 15 Afvalwater (30 punten) De term BOD is een maat voor (organische) vervuiling in (afval)water. BOD is een afkorting van Biological Oxygen Demand. a) Van welke grootheid wordt de waarde gemeten in de term BOD? Welke eenheid hoort hierbij? b) De capaciteit van afvalwaterzuiveringsinstallaties wordt uitgedrukt in v.e. s. Waarvoor staat de afkorting v.e.? c) Afwaterzuiveringsinstallaties spelen een belangrijke rol in het beheer van de oppervlaktewaterkwaliteit. Geef kort aan welke typen waterkwaliteit stedelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties (rioolwaterzuiveringsinstallaties) beschermen. Een industriële afvalwaterzuiveringsinstallatie van een fabriek voor WC-eend verwerkt 1000 m 3 industrieel afvalwater per dag dat 2 gew.% mierezuur bevat. Het verwijderings rendement op BOD van de installatie is 90%. De biotechnoloog werkzaam op de installatie schat dat de micro-organismen in de installatie gemiddeld 50% van de input nodig hebben om in leven te blijven.

5 d) Schrijf de afbraakreactie van mierezuur in de installatie uit e) Teken een principe schema van de installatie f) Bereken de BOD van de afvalwaterzuiveringsinstallatie g) Maak een schatting van de hoeveelheid afvalzuiveringsslib (als droge stof) dat de installatie produceert. a) Het BOD biological oxygen demand is een maat voor het zuurstofverbruik van micro-organismen tijdens de aërobe afbraak van organisch materiaal. De BOD wordt uitgedrukt in aantal milligram zuurstof nodig per liter afvalwater (mg/l). b) v.e. staat voor vervuilingseenheid, een standaard voor de gemiddelde vuillast die een persoon jaarlijks produceert. c) 3 de generatie stedelijk afvalwaterzuiveringsinstallaties beschermen de fysische, chemische en biologische kwaliteit van (oppervlakte)water. Ze verwijderen grofvuil, zand en slib, BOD (1 e generatie), stifkstof (2 e generatie) en fosfaat (3 e generatie). Daarmee worden dus nutriënten en bijv. zware metalen (met het slib) verwijderd. Daarmee wordt ook de ecologie of watersysteemkwaliteit beschermd, zodat het oppervlaktewater in principe geschikt blijft voor onttrekking t.b.v. drinkwaterproductie en irrigatie. Daarnaast wordt het milieu/natuur/leefomgeving beschermd. d) Afbraakreactie van mierezuur: HCOOH + 1/2O 2 CO 2 + H 2 O e) Principe schema van de installatie: f) BOD van de afvalwaterzuiveringsinstallatie: Berekening van de BOD van het afvalwater met mierezuur: Gebruik de afbraak reactie gegeven in d) 2%.gew. Mierezuur = 20 [g/l] M(mierezuur) = = 46 g/mol M(zuurstof) = 32 g/mol BOD van het afvalwater met mierezuur: 0,5*20 [g/l]* 32[g/mo]/46[g/mol] = 6,956 [g/l]= 6956 [mg/l] Echter, gevraagd is de BOD van de installatie! Het rendement van de installatie is 90%; 50% daarvan wordt gebruikt door de microorganismen om in leven te blijven (ze voorzien in hun energiebehoefte door het oxideren van de HCOOH); de andere helft wordt omgezet in biomassa.

6 Als je nu aanneemt dat de algemene verhoudingsformule van biomassa geldt, CH 2 O, dan zie je dus dat de volgende reactie optreedt HCOOH CH 2 O + 1/2O 2 Er komt dus zuurstof vrij als micro-organismen uit mierezuur biomassa opbouwen! Omdat de helft van het mierezuur wordt verbrand voor de energievoorziening van de micro-organismen, de helft voor opbouw van de biomassa, is de netto BOD van de installatie dus gelijk aan nul! g) Hoeveelheid afvalzuiveringsslib geproduceerd: Alle koolstof blijft behouden (koolstofbalans), 50% van 90% verwijderde mierezuur wordt biomassa : ; HCOOH CH 2 O Gewichtsverhouding mierezuur en slib is te berekenen uit de molgewichten: ; HCOOH CH 2 O De verhoudingsformule mierezuur = H 2 CO 2 ; de verhoudingsformule biomassa, CH 2 O M(mierezuur) = = 46 g/mol M(slib) = = 30 g/mol Per dag word 1000 m3 afvalwater verwerkt met 2 gew% mierezuur, dus 0.02*1*10^6= kg mierezuur. Dat levert *0,90 *0,5 * 30/46 = 5870 kg biomassa

7 Formuleblad en Periodiek systeem Energie: Avogadro: Straling: E kin = ½ m v 2 [J] Q = C p m T [J] W max = Q h (T h T c ) / T h Q c = Q h W max = Q h T c / T h 19 Q1 Q2 E = [J] r N = 6, [moleculen/mol] c λ piek = [m] Tpiek S = k T 4 (k = 5,67 * 10-8 [W/m 2 ]) E = h f = h c/λ [J] h = [Js] c = 3, [m/s] Heisenberg: x ( mv) h 4π Ideaal gas: p V = n R T (R = 0,0821 [atm L K-1]) (L = liter) R = [J/(K*mol)] Zuurgraad: ph = -log[h + ] A 8A 1 2 H He A 3A 4A 5A 6A 7A Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Ge Sb Te I Xe (98) Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Sn Bi Po At Rn (209) (210) (222) Fr Ra Ac Unq Unp Unh Uns Uno Une Uun Uuu Uub (223) 226 (227) Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu (145) Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr (231) (237) (244) (243) (247) (247) (251) (252) (257) (258) (259) (260)