Hoofdstuk 5: Ontleding en synthese in de industrie

Transcriptie

1 Samenvatting Chemie Overal 3 vwo Hoofdstuk 5: Ontleding en synthese in de industrie 5.1 Grondstoffen Grondstof Een grondstof is een belangrijke beginstof voor een productieproces in de industrie. Aardolie is de grondstof voor de productie van brandstoffen, kunststoffen, wasmiddelen, kleurstoffen, cosmetica en medicijnen. Metaalertsen zijn gesteenten waarin verbindingen van metalen voorkomen en ze fungeren als grondstoffen voor de productie van metalen zoals ijzer en aluminium. De prijs van het metaal hangt af van de schaarste van het erts en het gemak waarmee het uit de bodem kan worden gehaald en verder verwerkt. Schaarste en duurzaamheid Omdat veel grondstoffen schaars beginnen te worden, worden producten steeds meer hergebruikt. De groene chemie werkt daarom zoveel mogelijk met duurzame grondstoffen. Duurzaam betekent dat deze grondstoffen niet afkomstig zijn van schaarse grondstoffen en het milieu niet belasten. Bioplastics zijn kunststoffen die biologisch afbreekbaar zijn omdat ze door micro-organismen afgebroken kunnen worden tot onschadelijke stoffen of zelfs tot grondstoffen. 5.2 Waaraan herken je een ontledingsreactie? Een ontledingsreactie is een chemische reactie waarbij uit één beginstof twee of meer reactieproducten worden gevormd. Deze beginstoffen zijn altijd verbindingen. Bij veel reacties moet je eerst verwarmen tot de reactietemperatuur is bereikt. Dan pas gaan de beginstoffen reageren. Als de reactie eenmaal op gang is, moet je bij een endotherme reactie energie blijven toevoeren en bij een exotherme reactie niet. De meeste ontledingsreacties hebben energie nodig en zijn dus endotherm. Energiediagram De energie die je moet toevoeren om een reactie op gang te brengen, noem je de activeringsenergie. Het energieverloop tijdens een chemische reactie kun je in een diagram weergeven. Daarin staan het niveau van de energie van beginstof(fen) en dat van reactieproduct(en). Bij een exotherme reactie ligt het energieniveau van de beginstoffen hoger dan het niveau van de reactieproducten en bij een endotherme reactie lager. Een dergelijk diagram noemen we een energiediagram, zie figuur 5.4. De afstand tussen de energieniveaus van beginstof(fen) en reactieproduct(en)is de hoeveelheid energie die vrijkomt of die nodig is om een bepaalde hoeveelheid van de beginstof(fen) te laten reageren. 1

2 5.3 Typen ontledingsreacties Er zijn drie soorten ontledingsreacties: thermolyse, een ontledingsreactie waar warmte voor nodig is; elektrolyse, een ontledingsreactie waarbij je elektrische stroom gebruikt; fotolyse, een ontledingsreactie waarbij je energie toevoert in de vorm van licht. Soms zijn de reactieproducten bij een ontledingsreactie geen elementen, maar verbindingen. Een voorbeeld van zo n ontledingsreactie is de thermolyse van kalksteen, CaCO 3. CaCO 3 (s) CaO (s) + CO 2 (g) Je ziet dat de reactieproducten CaO en CO 2 nog steeds verbindingen zijn! Ook bij de thermolyse van suiker ontstaan geen elementen, maar verbindingen. Deze verbindingen kunnen in principe verder worden ontleed. Aanbranden is een endotherm proces waarin voedsel ontleedt in afwezigheid van zuurstof. Verbranden is een exotherm proces waarin een stof reageert met zuurstof. 5.4 Thermolyse in de chemische industrie In de chemische industrie spelen thermolysereacties een belangrijke rol, onder andere bij de productie van plastics uit aardolie en de productie van metalen uit metaalertsen. De naftafractie uit aardolie wordt verhit in naftakrakers waarbij grote moleculen in een thermolysereactie (ook wel kraken genoemd) ontleden in kleinere moleculen zoals etheenmoleculen en propeenmoleculen. Zie figuur Etheen en propeen zijn belangrijke grondstoffen voor de productie van plastic. Uit ijzererts kan in een thermolysereactie ijzer en zuurstof worden gemaakt. Dit gebeurt bij zeer hoge temperatuur en kost veel energie. Daarom voegt men in een hoogoven de hulpstof koolstofmono-oxide toe, die de zuurstofatomen direct wegvangt uit het ijzererts. Dat proces vindt plaats bij lagere temperatuur. Daarbij ontstaat koolstofdioxide en vloeibaar gietijzer, een mengsel van ijzer en koolstof Het koolstofdioxide verdwijnt boven uit de hoogoven. Van gietijzer naar staal Gietijzer wordt onder uit de hoogoven afgetapt en is na stolling hard en breekbaar. Staal wordt gemaakt door het koolstof in het gietijzer te laten reageren met zuurstof. Hierdoor ontstaat koolstofdioxide dat wordt afgevoerd. Er blijft ijzer over dat wordt verwerkt tot staal. Men voegt vaak kleine hoeveelheden van andere stoffen toe waardoor verschillende soorten staal worden gemaakt. Om de stappen van een industrieel proces op een eenvoudige manier weer te geven, wordt gebruikgemaakt van een blokschema, zie figuur Elk blok stelt een onderdeel van een proces voor, bijvoorbeeld opslag of voorbewerking van grondstoffen, een reactie, scheiding van stoffen, nabewerking of opslag van het product. De pijlen stellen de aan- en afvoer van de verschillende stoffen voor. Het rendement is de mate in procenten waarin de beginstoffen worden omgezet in de reactieproducten. 2

3 5.5 Electrolyse en fotolyse in de chemische industrie De productie van aluminium Het productieproces van aluminium bestaat uit drie stappen, zie figuur De winning en zuivering van bauxiet waarbij zuiver aluminiumoxide (Al 2 O 3, aluinaarde) ontstaat. 2 Elektrolyse. Gesmolten aluminiumoxide wordt bij 960 C met behulp van elektrische energie ontleed, zie figuur In deze elektrolyse ontstaan aluminium en zuurstof. 2 Al 2 O 3 (l) 4 Al (l) + 3 O 2 (g) In de elektrolysecellen zijn grafietelektroden aanwezig die verbranden doordat ze in contact komen met de ontstane zuurstof en daarom voortdurend vervangen moeten worden. 3 De verdere verwerking van aluminium Het vloeibare aluminium wordt gemengd met één of meer andere metalen waardoor een legering ontstaat die verder wordt bewerkt door onder andere smeden: het in de juiste vorm brengen met behulp van warmte. Productiekosten Voor de elektrolyse van aluminiumoxide is veel elektrische energie nodig. Die energie kan worden opgewekt in een elektrische gasgestookte centrale. Voor de productie van 1 ton aluminium moet maar liefst 5000 m 3 aardgas worden verbrand! Dit levert een grote bijdrage aan de uitstoot van koolstofdioxide en daarmee dus aan het broeikaseffect. Grondstoffen en energie nemen samen ongeveer de helft van de kosten voor hun rekening. Dit is de belangrijkste reden dat aluminium voor 90% wordt hergebruikt. De toepassingen van aluminium Aluminium is één van de belangrijkste materialen in onze maatschappij. Het is licht, sterk en het roest niet. Je kunt er echt van alles van maken, zie figuur Is waterstof de brandstof van de toekomst? Je kunt waterstof verbranden en de energie die hierbij vrijkomt gebruiken om bijvoorbeeld een auto te laten rijden. 2 H 2 (g) + O 2 (g) 2 H 2 O (l) Er wordt hierbij geen koolstofdioxide geproduceerd waardoor er geen bijdrage wordt geleverd aan het broeikaseffect. Maar er kleven ook problemen aan het gebruik van waterstof: Voor het produceren van grote hoeveelheden waterstof uit water door middel van elektrolyse is veel elektrische stroom nodig. Als die wordt opgewekt in centrales die met fossiele brandstoffen worden gestookt, levert dit veel koolstofdioxide op. De opslag en het transport van waterstof is gevaarlijk en daarom kostbaar. De uitlaat bij waterstofgestookte auto s wordt erg heet. Bij die hete uitlaat reageren stikstof en zuurstof uit de lucht tot stikstofoxiden. Deze stoffen zijn slecht voor het milieu. 3

4 De productie van waterstof Elektrolyse van water Water kun je ontleden met behulp van elektrische energie. Water wordt dan ontleed in de gasvormige elementen waterstof (H 2 ) en zuurstof (O 2 ): 2 H 2 O (l) 2 H 2 (g) + O 2 (g) Dit proces kost veel energie en verloopt niet zo efficiënt. Wel heeft men dit proces sterk verbeterd door het gebruik van katalysatoren. Duurzame fotolyse van water Een groep wetenschappers is bezig met een onderzoek aan algen die water kunnen ontleden in waterstof en zuurstof als ze worden bestraald met zonlicht. Dat is dus een vorm van fotolyse. Als waterstof op deze manier wordt geproduceerd, komt er geen koolstofdioxide vrij en wordt het milieu dus niet belast. Bovendien kunnen de algen zichzelf vermenigvuldigen zodat ze nooit op zullen raken. Fotolyse van kleurstoffen Je hebt vast wel eens gezien hoe de bekleding van meubels of de stof van gordijnen in de loop van de tijd door het zonlicht verschiet. Dat komt doordat de kleurstoffen worden ontleed door het licht. 5.6 De synthese en afbraak van kunststoffen Een synthese is een proces waarbij, meestal in een reeks van reacties, nieuwe stoffen ontstaan. Meestal gaat het dan om een combinatie van ingewikkelde reacties die tot een nieuw product leiden, bijvoorbeeld een nieuw medicijn of een nieuw soort kunststof of plastic. Synthese van polyetheen Als het monomeer etheen wordt samengevoegd met een katalysator en verwarmd tot circa 60 C tot 80 C, ontstaat polyetheen. Deze synthesereactie is een polymerisatiereactie. Tijdens de polymerisatiereactie koppelt een groot aantal etheenmoleculen aan elkaar zodat een lang polyetheenmolecuul ontstaat. Een stof die uit dergelijke lange moleculen bestaat, heet een polymeer. De naam van een polymeer is meestal het woord poly met daarachter de naam van het monomeer. Herkomst van etheen Het monomeer etheen kan gemaakt worden uit de naftafractie van aardolie. Als de plastic polyetheen die daaruit ontstaat, na afloop van het gebruik wordt verbrand, bijvoorbeeld in een afvalverbrandingsinstallatie, ontstaat koolstofdioxide dat wordt afgegeven aan de atmosfeer. Aardolie is miljoenen jaren geleden ontstaan uit resten van planten die tijdens hun groei koolstofdioxide opnamen uit de atmosfeer. Omdat dit proces vele miljoenen jaren heeft geduurd, is de atmosfeer veranderd naar een samenstelling zoals we die nu kennen: 0,03% koolstofdioxide en ongeveer 21% zuurstof. Als er in korte tijd veel koolstofdioxide wordt afgeven door verbranding van plastics die uit aardolie zijn gemaakt, verandert de samenstelling van de atmosfeer. De totale hoeveelheid koolstofdioxide wordt groter waardoor het broeikaseffect toeneemt. Dat is schadelijk voor het milieu. Daarom is een kunststof die uit aardolie wordt gemaakt niet duurzaam. 4

5 Etheen kan ook worden gemaakt uit ethanol dat is geproduceerd uit plantaardige grondstoffen zoals maïs. Als de maïs groeit, neemt het koolstofdioxide op uit de atmosfeer. Polyetheen dat gemaakt wordt uit etheen, afkomstig uit de grondstof maïs, staat bij verbranding koolstofdioxide af aan de atmosfeer. Maar omdat er in dit geval weinig tijd ligt tussen de opname en de afgifte van koolstofdioxide, verandert de totale hoeveelheid koolstofdioxide in de atmosfeer nauwelijks. Volledige en goed gecontroleerde verbranding van polyetheen die gemaakt is uit maïs, levert dus geen toename van het broeikaseffect en dus ook geen milieuschade op. Kunststoffen die gemaakt worden uit plantaardig materiaal zijn daarom wel duurzaam. Als de grondstof voor een kunststof afkomstig is uit een biologische bron zoals planten of bacteriën, noemen we de kunststof die hieruit kan ontstaan een biobased kunststof. De reactieomstandigheden zijn erg belangrijk bij de synthese van polymeren. In hoofdstuk drie heb je de factoren geleerd die van invloed zijn op een reactie. Vroeger moest de polymerisatie van etheen uitgevoerd worden bij 200 C tot 300 C en bij een druk van 1000 tot 3000 maal de atmosferische druk. Dit vereist zware en dure installaties. Sinds er een goede katalysator bekend is kan dezelfde reactie worden uitgevoerd bij 60 C tot 80 C en 1 atmosfeer! Bij dergelijke omstandigheden zijn kleinere en dus veel minder dure en installaties nodig. Verwerking van polyetheen Spuitgieten Polyetheen wordt geproduceerd in de vorm van korrels. De korrels worden in een spuitgietmachine verwarmd waardoor ze zacht worden. Vervolgens wordt het zachte polyetheen in een mal gespoten in de vorm van het gewenste voorwerp, bijvoorbeeld een schaaltje. Daarna wordt de mal afgekoeld en wordt het polyetheen weer hard, maar nu in de vorm van een schaaltje. De mal gaat open en het schaaltje valt eruit. Folieblazen Uit de spuitkop van een zogenaamde extruder komt een zachte buisvormige massa polyetheen met een heel dunne wand. De buis van polyetheen wordt met lucht opgeblazen, waardoor een enorme plastic buis ontstaat van dunne folie. Als die afgekoeld is, wordt de ontstane plastic folie opgerold, eventueel opengesneden en dan aan één kant dicht gesmolten tot plastic zakken. Ketenlengte en eigenschappen De lengte van de polymeermoleculen bepaalt in sterke mate de eigenschappen van een plastic. Polyetheen dat bestaat uit moleculen met ongeveer 90 monomeereenheden is wasachtig en zacht. Het is nogal slap en het smelt al bij 43 C. Als de polyetheenmoleculen zijn opgebouwd uit duizend monomeereenheden wordt het smeltpunt van de stof polyetheen 100 C en daardoor voelt deze steviger aan. Er wordt ook polyetheen gemaakt dat bestaat uit circa monomeereenheden waar een supersterke vezel van gemaakt kan worden. 5

6 Thermoplasten en thermoharders Thermoplasten zijn kunststoffen die zacht worden als je ze verwarmt. Sommige kunststoffen zijn eerst in vloeibare toestand. Ze worden hard als ze worden verhit of als er een harder aan wordt toegevoegd. Als je het voorwerp daarna opnieuw verhit, wordt het niet meer zacht. Deze kunststoffen noemt men thermoharders. Afbreekbare kunststoffen Om het afvalprobleem van afgedankte kunststoffen te verminderen, wordt er veel onderzoek gedaan naar biologisch afbreekbare kunststoffen, ook wel bioplastics genoemd. Deze kunststoffen kunnen na gebruik met het groenteafval tot compost worden verwerkt of kunnen door bacteriën worden afgebroken tot stoffen die weer door planten als voedsel kunnen worden gebruikt. Productie van bioplastics Bioplastics kunnen op verschillende manieren gemaakt worden: Als grondstof kunnen monomeren gebruikt worden die uit de natuur komen, maar die ook afkomstig kunnen zijn van aardolie; Bepaalde bioplastics kunnen worden geproduceerd door micro-organismen; Als grondstof worden polymeren gebruikt die uit de natuur komen. Biobased bioplastics Veel onderzoek is gericht op biobased kunststoffen die ook biologisch afbreekbaar zijn. Een biobased kunststof is niet altijd biologisch afbreekbaar. Maar een kunststof gemaakt uit aardolie kan wel biologisch afbreekbaar zijn. 5.7 Polymeren en composieten Eigenschappen van polymeren De eigenschappen van polymeren worden door verschillende factoren bepaald: De ketenlengte is het aantal monomeereenheden waaruit een polymeermolecuul is opgebouwd. Hoe langer het molecuul is, des te groter is de molecuulmassa. Dat leidt tot sterkere vanderwaalskrachten tussen de moleculen, waardoor het smeltpunt van het polymeer hoger wordt. Het polymeer is dan steviger geworden. Door een speciale bewerking kunnen deze ketens netjes naast elkaar komen te liggen zoals dat het geval is met ongekookte spaghetti. Daardoor worden de vanderwaalskrachten nog groter, zodat er supersterke vezels ontstaan. Het soort monomeer waaruit het polymeer is gemaakt. Je kunt verschillende soorten alkeenmoleculen gebruiken om een polymeermolecuul van te maken. Propeen bijvoorbeeld kan polymeriseren tot polypropeen en chlooretheen kan polymeriseren tot polychlooretheen, dat ook wel pvc wordt genoemd. Het aantal dwarsverbindingen tussen de lange polymeermoleculen. Een thermoharder heeft tussen de lange ketens dwarsverbindingen gevormd waardoor één groot netwerk is ontstaan. Dat heeft tot gevolg dat thermoharders stevige stoffen zijn. Als je een thermoharder verwarmt, zal deze niet smelten. 6

7 Verschillende synthetische polymeren en hun toepassingen monomeer structuur polymeer toepassing etheen H 2 C CH 2 polyetheen verpakking, flessen propeen H polypropeen flessen, touw, H 2 C C medische slangen chlooretheen styreen C H 2 C CH 3 H Cl polychlooretheen (pvc) polystyreen isolatie, afvoerbuizen bouwschuim, vormbare plastics acrylonitril isopreen C H 2 C H 2 C C H H orlon, acrilan vezels, buiten tapijten, kunstgras C N H 3 C H polyisopreen rubbers C C H 2 C CH 2 Rubbers Latex is een melkachtig sap dat uit bepaalde boomsoorten wordt afgetapt, zie figuur Ingedroogde latex is plastisch, kleverig en niet zo sterk. Latex (= isopreen, zie figuur 5.38) polymeriseert na indrogen aan de lucht tot polyisopreen. Als latex wordt verhit met zwavel (vulkanisatie) ontstaan er dwarsverbindingen tussen de polyisopropeenmoleculen. Het wordt veel sterker en het blijft toch flexibel. Deze thermoharder wordt rubber genoemd. Het blijft flexibel doordat de polyisopreenmoleculen ook na vulcanisatie nog een beetje kunnen worden opgerekt. Trekkromme De kracht die je nodig hebt om een polymeerdraad van een bepaalde dikte te breken, noem je de treksterkte van het polymeer. De treksterkte wordt gemeten door het opnemen van een trekkromme. Dit wordt gedaan door een stukje van het polymeer in een trekbank te plaatsen en uit te rekken tot het breekt. Natuurlijke polymeren Een natuurlijk polymeer is een polymeer dat in de natuur wordt gevonden. Voorbeelden zijn latex, polysacchariden zoals zetmeel en cellulose en eiwitten. Natuurlijke polymeren geven meestal stevigheid aan plantaardige en dierlijke cellen. Spinnenwebdraden zijn sterker dan staaldraden van dezelfde dikte. Composieten Een composiet is een materiaal dat bestaat uit twee of meer stoffen. Een composiet is vaak veel sterker dan de afzonderlijke stoffen. Voorbeelden zijn gewapend beton (een mengsel van staal, cement, zand en kiezel), polyester (een mengsel van glasvezel als wapening en polyester kunsthars). Er worden verschillende soorten koolstofvezels en aramidevezel toegepast als wapening waar slagvastheid en taaiheid van belang zijn. Tandenvulling bestaat uit kunsthars, 7

8 een bindmiddel en een vulstof als kwarts of glas. Been en hout zijn voorbeelden van natuurlijke composieten. 8