Uitwerking Tentamen spm juli uur

Transcriptie

1 spm1530 Tentamen 2 juli 2014 Uitwerking Tentamen spm juli uur Aanwijzingen: U mag gebruik maken van: schrijfmateriaal rekenmachine formuleblad en periodiek systeem (afgedrukt achteraan dit tentamen). Lees de vragen vooraf door en deel de beschikbare tijd in voor beantwoording van de vragen. Ommezijde is antwoordvel meerkeuzevragen. De uitwerking van dit tentamen beslaat 25 vragen, op 13 pagina s. Daaronder zijn 22 meerkeuzevragen (40punten) en twee open vragen (50punten). Het totaal aantal te behalen punten was 100. U startte met 10 punten. Met de BONUSVRAAG kunt u 10 extra punten verdienen. Toelichting meerkeuzevragen bij elke deelvraag is slechts één antwoord juist. Een foute keuze geeft aftrek van 1 /3 van het puntenaantal. Aanvinken van meer dan één vakje per vraag wordt gerekend als een foute keuze Als u het antwoord niet weet en D blanco kiest, volgt géén puntenaftrek!

2 spm1530 Tentamen 2 juli 2014 Naam: Studienummer: Vraagstuk A B C D punten score Totaal 40

3 begin van de vragen Figure 1: Schema van een hydroskimming raffinaderij Een aantal meerkeuzevragen hebben betrekking op bovenstaande figuur 1. Dit schema geeft een overzicht van een eenvoudige raffinaderij. Dit type raffinaderij staat bekend als een hydroskimming raffinaderij. 1. (1 punt) De volgende uitspraak is juist: A. LPG is vergelijkbaar met LNG B. iso-octaan is een bestanddeel van benzine C. smeerolie is een bijzondere soort ruwe olie 2. (2 punten) Venezuela produceert relatief zware aardolies. Voor een hydroskimming raffinaderij zoals gegeven in fig. 1 geldt dat uit deze zware olies... A.... relatief veel benzine, kerosine en diesel kan worden gemaakt B.... altijd veel zwavel zal worden geproduceerd C. geen van deze uitspraken is juist 3. (2 punten) In een kookpuntscurve van een ruwe olie staat op de Y-as de temperatuur (0-600 C ) uitgezet. Op de X-as staat uitgezet: A. het Research Octane Number (RON) (0-100) B. het cumulatief gewichtspercentage verdampt (0-100%) C. geen van deze uitspraken is juist pag. 2 van 13

4 4. (2 punten) De volgende uitspraak is juist: De flexibiliteit van een een hydroskimming raffinaderij is beperkt omdat... A.... primaire destillatie slechts geschikt is voor de verwerking van één of een paar soorten ruwe olie B.... de processen nodig voor zwavelverwijdering een groot aandeel in de productie hebben C.... de productie van kwaliteitsbenzine alleen mogelijk is bij optimaal gebruik van de reformer 5. (3 punten) Een aantal Europese raffinaderijen produceren veel nafta voor de petrochemische industrie, nauwelijks benzine maar wel diesel, waarvan de vraag constant is. Als de vraag naar industriële nafta daalt met 30%, dan zal een hydroskimming raffinaderij nog slechts de juiste hoeveelheid diesel kunnen maken door... A... nafta te gebruiken in de diesel mengunit B... meer ruwe olie verwerken en nafta te recyclen C.... afzet voor benzine te vinden 6. (1 punt) Ten opzichte van een hydroskimming raffinaderij wordt een integrated raffinaderij gekenmerkt door A. de afwezigheid van een reformer B. een grotere productie van zware stookolie en asfalt (per ton ruwe olie) C. een verscheidenheid aan conversieprocessen 7. (2 punten) In een olieraffinaderij wordt gedestilleerd omdat ruwe olie... A.... weliswaar direct te gebruiken is als motorbrandstof, maar benzine en diesel veel meer opbrengen B.... wordt verwerkt tot een aantal producten met nauwere samenstelling en kookpuntsfracties C.... voor direct gebruik teveel zwavel bevat dat niet rechtstreeks kan worden verwijderd 8. (1 punt) De belangrijkste producten qua volume van de petrochemische industrie zijn: A. ethyleen, industriële alcohol en tolueen B. ethyleen, propyleen en benzeen C. ethyleen, industriële alcohol en benzeen pag. 3 van 13

5 9. (1 punt) Verhoudingsformules zeggen niets over het werkelijk gemiddeld molgewicht van polymeren omdat... A.... polymeren altijd bestaan uit verschillende soorten monomeren B.... er geen zuivere polymeren bestaan C.... de ketenlengte van polymeermoleculen varieert 10. (2 punten) De volgende structuurformule is juist: A. H 2 C C CH 2 B. H 2 C CH CH 2 C. H 3 C CH CH (2 punten) Bij de juiste structuurformule van iso-octaan, officiële benaming 2,2,3,3-tetramethylbutaan, is het zo dat... A.... er één koolstofatoom is waaraan géén enkel waterstofatoom is verbonden B.... er twee koolstofatomen zijn waaraan géén enkel waterstofatoom is verbonden C.... de langste koolstofketen in het molecuul 8 koolstofatomen bevat 12. (2 punten) Vaak wordt bij de weergave van koolwaterstoffen de waterstofatomen weggelaten omdat dat eenduidig is te doen. In deze structuurformule is dit gedaan: C C C C C De verhoudingsformule van deze koolwaterstof is: A. C 5 H 8 B. C 5 H 10 C. C 5 H (2 punten) De volgende uitspraak is juist: A. De verhoudingsformule van polyetheen is te schrijven als [ CH 2 ] n B. De algemene molecuul- of verhoudingsformule van alkanen is C n H 2n C. geen van beide uitspraken is juist 14. (2 punten) De volgende uitspraak over zuren is juist. Als je een mix van zwakke en sterke zuren oplost,... A....kun je niet direct zeggen of de bijdrage van het zwakke zuur uitmaakt voor de ph. B.... maakt de bijdrage van het zwakke zuur per definitie wel uit voor de ph. C.... maakt de bijdrage van het zwakke zuur per definitie niet uit voor de ph. pag. 4 van 13

6 15. (2 punten) De volgende uitspraak over zuren en basen is juist. Als je een mix van twee zwakke zuren met een sterke base oplost,... A.... hangt het onder meer van de hoeveelheden af of de oplossing zuur of basisch wordt. B.... hangt het onder meer van de sterkte van de sterke base af of de oplossing zuur of basisch wordt. C.... hangt de ph af van de volgorde waarin zuren en basen worden opgelost. 16. (2 punten) Hoe komt het dat bij het oplossen van zuren in watervoorraden in de praktijk een bufferwerking kan optreden waarbij de ph lange tijd niet of nauwelijks zakt en dan ineens relatief snel daalt? A. Dat komt alléén voor als de hoeveelheid zuur relatief klein is ten opzichte van de watervoorraad. B. De verschuiving in ph wordt grotendeels gecompenseerd door een meeschuivend evenwicht van van zwakke basen die ook oplossen. C. Dat is altijd zo en kan wiskundig worden verklaard door de logaritmische schaal van de ph. 17. (2 punten) De volgende uitspraak is juist. Smog, een vorm van secundaire luchtverontreiniging ontstaat...: A.... altijd uit reacties die verlopen onder invloed van zonlicht (fotochemie) B.... door reactie van primaire luchtverontreiniging met andere stoffen in de atmosfeer C. géén van beide bovenstaande uitspraken is juist 18. (2 punten) De emissie van SO 2 uit bijvoorbeeld kolencentrales draagt bij aan: A. zure regen en smog B. afbraak van de ozonlaag en zure regen C. vermesting en zure regen 19. (1 punt) Aantasting van de ozonlaag is ernstig omdat... A. de ozonlaag een bron is van hydroxylradicalen, die zorgen dat de atmosfeer schoon blijft B. de ozonlaag het leven op aarde beschermt tegen schadelijke infrarood-straling van de zon C. géén van beide bovenstaande uitspraken is juist pag. 5 van 13

7 20. (2 punten) Het Ozon Depletion Potential (ODP) van een stof wordt uitgedrukt als de hoeveelheid afbraak van de ozonlaag die een kilogram van een stof veroorzaakt ten opzichte van een kilogram CFK-11, trichloor-fluormethaan. De ODP van stoffen varieert ondermeer door verschillen in... A. hoeveelheid - des te meer van de stof wordt uitgestoten, des te hoger de ODP B. stabiliteit - een stof moet voldoende stabiel zijn om de ozonlaag te kunnen bereiken C. aandeel zuurstof - zuurstof is nodig om ozon af te breken 21. (2 punten) In onze zomer groeit het gat in de ozonlaag boven de Noordpool omdat... A.... daar de opwarming van de aarde lijkt te versnellen, waardoor de aarde meer schadelijke straling uitzendt B.... er daar dan altijd teveel energierijke UV-straling is, waardoor de ozonlaag daar zomers geheel verdwijnt C. in de winter de afbraakcyclus van ozon daar maar voor de helft verloopt door gebrek aan zonlicht 22. (2 punten) Het Global Warming Potential GWP-100 van een stof hangt af van... A.... het absorptie-spectrum van de stof en haar invloed op het atmospheric window B.... het absorptie-spectrum van de stof en haar levensduur in de atmosfeer C.... haar levensduur in de atmosfeer en haar invloed op het atmospheric window pag. 6 van 13

8 OPEN VRAGEN Het brouwen van bier In het open gedeelte van dit tentamen worden een aantal vragen gesteld gerelateerd aan het op industriële schaal brouwen van bier. Een beschrijving van dit proces volgt. Gebruik deze bij vraag 23 en 24!! Procesbeschrijving Zoals wellicht bekend wordt bier gebrouwen uit gemoute gerst, hop, gist en water. Het proces verloopt in grote lijnen als volgt: Maken van moutpap mouten in de mouterij wordt gerst gekiemd, waarbij voor het brouwen benodigde enzymen worden gevormd. Na enkele dagen wordt de kieming gestopt en de korrels worden gedroogd (bij de bereiding van het Ierse Guinness wordt een deel van de gerst gedroogd door te roosteren, wat dit bier de karakteristieke diep donkerbruine kleur oplevert). schroten de mout wordt vervolgens verwerkt tot schroot door te malen, om het zetmeel in het graan vrij te maken. maischen het schroot wordt in water opgelost bij C, om de enzymen optimaal te laten werken. In deze stap wordt de smaak van het latere bier gevormd. Des te langer de temperatuur hoog wordt gehouden, des te meer zetmeel wordt omgezet in suikers, die kunnen worden vergist tot alcohol. klaren de bij het maischen ontstane moutpap wordt gefilterd, zodat alle vaste bestanddelen (onder meer kaf van het graan) worden verwijderd. Productie van bier voorbewerken tot wort De moutpap wordt gekookt om de werking van de enzymen te stoppen, de wort te steriliseren en de toegevoegde hop te activeren. Vervolgens wordt het gefilterd om de resten van de hop en uitgevlokte eiwitten te verwijderen. vergisten Na afkoeling worden gist en lucht toegevoegd aan de wort, zodat de hoofdgisting kan plaatsvinden. lagering De tweede gisting vindt plaats in gesloten vaten, zodat de ontstane CO 2 in het bier wordt opgenomen bottelen Na enkele weken of maanden wordt het bier afgevuld op fles Grondstoffen en productie Leidende brouwerijen zijn momenteel in staat om met 4 liter water 1 liter bier te produceren, terwijl er ongeveer 16 kg gerst per hectoliter bier wordt gebruikt. Een hectare geschikte landbouwgrond brengt ongeveer 8000 [kg/jaar] brouwgerst op. Energie Uit deze beschrijving is duidelijk dat brouwen energie vraagt. Zo goed als elke Nederlandse brouwerij is dan ook uitgerust met een warmte-kracht installatie (WKC) voor de levering van elektriciteit en stoom aan de brouwerij. Meestal wordt in deze WKC ook het biogas (50 vol.% methaan, 50 vol.% CO 2 ) dat ontstaat in afvalwaterzuiveringsinstallatie (awzi) benut. pag. 7 van 13

9 23. (20 punten) Klimaatsysteem. In september dit jaar wordt het Fifth Assessment Report van het IPCC verwacht. Onderstaande figuur komt uit het Fourth Assessment (2007), en geeft een samenvatting voor beleidsmakers van de toen beschikbare wetenschappelijke kennis en inzichten. Figure 2: Radiative Forcing Uit de figuur blijkt dat het versterkt broeikaseffect heeft geleid tot een onbalans ( Radiative Forcing, RF) die is opgelopen tot ± 1.6 [W/m 2 ]. (a) (3 punten) Leg uit op welke manier(en) de productie (en dus de consumptie!) van bier gerelateerd is aan het (versterkt) broeikaseffect (lees de omschrijving op blz. 7). (b) (8 punten) Het broeikaseffect is op hoofdlijnen te begrijpen met een energiebalans voor het systeem aarde. i. Teken een correct systeemdiagram voor de beantwoording vand de volgende subvragen. ii. Gebruik uw systeemdiagram, benoem alle stromen en leg uit hoe de energiebalans van de aarde in elkaar zit. iii. In figuur 2 is Surface Albedo gesplitst in een afkoelende en opwarmende term. Leg uit, eventueel met behulp van uw diagram. iv. Leg uit hoe de long-lived greenhouse gases (zie figuur 2) de energiebalans beïnvloeden. Betrek daarbij ten minste de Wet van Stefann-Boltzmann en gebruik eventueel uw diagram. pag. 8 van 13

10 (c) (3 punten) Bierbrouwers zullen altijd zorgen dat geen biogas ontsnapt uit hun awzi, maar dit benutten in hun WKC die CO 2 uitstoot. Dat geldt nog sterker voor de HFK s (halocarbons) die ze wellicht gebruiken in hun koelinstallaties. Leg uit met behulp van de GWP-100. (d) (3 punten) In figuur 2 is te zien dat halocarbons een relatief grote RF hebben, terwijl de uitstoot en concentratie van deze halocarbons (CFK s en HFK s) veel en veel kleiner is dan die van CO 2. Leg uit met behulp van het begrip atmospheric window. (e) (3 punten) Een concentratie van 450 [ppm] CO 2 in de atmosfeer wordt gezien als de zogenaamde 2-graden grens. Volgens klimaatwetenschappers kan het klimaat op hol slaan als we hierboven komen, onder meer door destabiliserende koppelingen in het klimaatsysteem. Er zijn echter ook stabiliserende koppelingen die wellicht helpen de aarde af te koelen. Beschrijf er minstens twee, en beargumenteer of het waarschijnlijk is dat deze (niet) zullen optreden (NB: niet de ijs-albedo koppeling). Antwoord: Stabiliserende koppelingen: woestijnkoppeling: positieve Radiative Forcing (RF) leidt tot extra woestijnvorming, waardoor de albedo van de aarde groter wordt, waarmee de RF zal afnemen. biosfeerkoppeling: als de CO 2 -concentratie toeneemt, zal de groei van biomassa toenemen. Ook zal bij gematigde temperatuurstijging de groei van biomassa versnellen. Als de biomassa opstand vergroot, zal daardoor minder CO 2 in de atmosfeer achterblijven. verwering van silicaat: met dit proces verdwijnt CO 2 uit de atmosfeer. Als de temperatuur oploopt, verloopt de verwering sneller. 24. (30 punten) Water en bier Een grote Nederlandse brouwer produceert 12,5 miljoen hectoliter bier in zijn brouwerij, wat ongeveer het dubbele is van de Nederlandse jaarlijkse bierconsumptie. Het in deze brouwerij gebruikte water is grondwater, 10 miljoen [m 3 /jaar], waarvan na zuivering de helft gebruikt wordt in de brouwerij; de andere helft met daarin geconcentreerde verontreinigingen wordt op enige afstand van de winningsputten terug geïnjecteerd in de bodem. De brouwerij produceert een grote hoeveelheid afvalwater, zo n 3 miljoen [m 3 /jaar]. Dit ontstaat ondermeer door de grote overmaat water nodig bij het maischen. Uiteindelijk verlaat water de brouwerij als bier, sls afvalwater, als vocht in de filterkoek ontstaan bij het klaren en dergelijke, en als dampverliezen bij het koken van de moutpap. Een flinke oorzaak voor het ontstaan van afvalwater is dat bier brouwen en bottelen een zogenaamd batchproces is: na elke brouwgang moet de apparatuur worden gereinigd en gedesïnfecteerd, waarbij achtergebleven materiaal wordt uitgespoeld. Dat geldt ook voor de bierflesjes. Elke brouwerij heeft daarom een eigen afvalwaterzuiveringsinstallatie (awzi) om de onvermijdelijke organische belasting (BOD en COD) aanwezig in het afvalwater te neutraliseren voordat het afvalwater wordt geloosd. (a) (10 punten) De grote waterkringloop: i. Beschrijf in 2 of 3 zinnen de grote waterkringloop. ii. Hoe verhoudt de beschreven brouwerij zich tot deze kringloop? Licht kort toe. iii. Beschouw kort het Nederlandse zoetwatersysteem en leg uit welke knelpunten er zijn in de Nederlandse zoetwatervoorziening iv. Beschrijf twee waterkwaliteitsparameters voor twee systeemelementen of stromen uit deze kringloop naar keuze, en geef aan voor welke functie(s) deze parameters een aanwijzing geven. pag. 9 van 13

11 v. Denkt u dat waterkwantiteit of -kwaliteit een probleem zal (gaan) vormen voor de Nederlandse brouwers? Beargumenteer. (b) (5 punten) Duurzaamheid en bier: i. Geef een definitie van duurzaam geproduceerd bier ii. Welke systeemwijzigingen zijn volgens u nodig voor de beschreven brouwerij om duurzaam bier te produceren? Licht kort toe. (c) (15 punten) Water en afvalwaterzuivering. i. Leg uit waar en hoe in een awzi biogas ontstaat ii. Teken een systeemdiagram van de brouwerij geschikt voor het beantwoorden van de onderstaande deelvragen iii. Stel dat in Nederland van de gemiddeld 900 [mm/jaar] neerslag er 100 [mm/jaar] leidt tot recharge. Welk oppervlak is dan nodig voor de watervoorziening van deze brouwerij? iv. Voer een systeemanalyse uit om te bepalen of deze brouwerij qua watergebruik leidend is (zie de beschrijving op blz. 7). Trek op basis van uw kwantitatieve analyse een conclusie! v. Laten we eens aannemen dat brouwgerst voor 100 % uit zetmeel (CH 2 O) bestaat, en dat daarvan 70% uiteindelijk teruggevonden wordt in het geproduceerde bier terwijl 15% de brouwerij verlaat als filterkoek etc. Bereken een schatting voor de BOD van het afvalwater te verwerken in de awzi van de brouwerij. 25. (10 punten (bonus)) In het college is het agro-industrieel complex in Nederland besproken. Niet alleen door Nederlandse brouwers geproduceerd bier, maar ook in Nederland geproduceerde babymelkpoeder is inmiddels tot in China bekend. Analyseer kort de situatie waarin deze twee sectoren, graanteelt/brouwerijen respectievelijk melkvee/(baby)zuivel zich momenteel bevinden. Is het relevant om voor deze sectoren te spreken over agrificatie of eerder over biobased economy, en wat betekent dat voor de B.V. Nederland? Beargumenteer. Einde van de vragen pag. 10 van 13

12 Deze pagina is bewust blanco pag. 11 van 13

13 Energie [J]: Avogadro [moleculen/mol]: Straling: Heisenberg: Ideaal gas: Formuleblad E kin = 1 2 m v2 Q = C p m T W max = Q h (T h T c ) T h Q c = Q h W max = Q h Tc T h E = 2, Q1.Q 2 r N Avogadro = 6, S = k T 4 [W/m 2 ]) k = 5, [W/m 2 /K 4 ] λ piek = c T piek ν = c/λ[s 1 J] c = 3, [m/s] E = h ν[j] h = 6, [J s] x (m v) h 4π P V = n R T R = 8, 31451[J/(K mol)] 1[atm] = 101, 235[J] pag. 12 van 13

14 1 18 1A 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 Sn Sb Te I Xe (98) Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb 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) Figure 3: Periodiek systeem der Elementen pag. 13 van 13