Oefenopgaven INDUSTRIËLE CHEMIE

Transcriptie

1 Oefenopgaven INDUSTRIËLE CHEMIE vwo OPGAVE 1 Bij de productie van ethanol wordt eerst synthesegas geaakt in een reforer: [1] CH 4 (g) + H 2 O(g) CO(g) + 3 H 2 (g) E( ) > 0 01 Bereken de energieverandering van bovenstaande reactie in joule per 3 CH 4 (bij T = 298 K en p = p 0 ). In de reforer (reactor 1) kiest en zodanige ostandigheden dat het ingeleide CH 4 volledig et H 2 O wordt ogezet. Hiertoe kiest en onder andere een teperatuur van ca K en een druk van 18 bar. 02 Welk ander hulpiddel kan en toepassen o in de reforer evenwicht [1] volledig naar rechts te laten aflopen? De gassen CO(g) en H 2 (g) worden in de olverhouding 1 : 3 in reactor 2 geleid. Hierin stelt zich het volgende evenwicht in: [2] CO(g) + 2 H 2 (g) CH 3 OH(g) E( ) < 0 De ostandigheden in reactor 2 zijn zodanig dat het ingeleide CO en H 2 slechts gedeeltelijk wordt ogezet in CH 3 OH. Van het CO en H 2 dat niet in reactor 2 wordt ogezet, wordt een deel gerecirculeerd. Een ander deel wordt afgevoerd. Hieronder is het blokschea onvolledig weergegeven: In het blokschea ontbreken stofnaen, pijlen, recirculatie- en afvoerstofstroen. 03 Nee het blokschea over en vul de ontbrekende gegevens in. Het afvoeren van een deel van de CO en H 2 die teruggeleid wordt is nodig, odat anders in reactor 2 en in scheidingsruite 2 de druk voortdurend zou stijgen. 04 Leg uit hoe het kot dat in dat geval de druk zou stijgen. In reactor 2 wordt 50% van het ingeleide CO en H 2 ogezet in CH 3 OH. Van de hoeveelheid CO en H 2 die niet heeft gereageerd in reactor 2, wordt 20% afgevoerd. In deze situatie is de toestand stabiel (dat wil zeggen dat er een constante en regelatige aan- en afvoer van stoffen is) wanneer er per seconde 100 ol CO en 300 ol H 2 uit de reforer koen. 05 Bereken hoeveel ol CO en hoeveel ol H 2 er per seconde gerecirculeerd oeten worden. 1

2 OPGAVE 2 Bij het kraken van aardolie ontstaat onder andere buta-1,3-dieen. Deze verbinding wordt gebruikt bij de bereiding van 4-vinylcyclohexeen: De bereiding van 4-vinylcyclohexeen verloopt via een continu proces. In een reactor wordt een oplossing geleid van buta-1,3-dieen in het oplosiddel tetrahydrofuran (THF). Die oplossing is geengd et een niet-oplosbare fijnverdeelde vaste stof als katalysator. Een groot deel van de ingeleide hoeveelheid buta-1,3-dieen wordt in de reactor ogezet in uitsluitend 4- vinylcyclohexeen; een klein gedeelte van de hoeveelheid buta-1,3-dieen wordt in de reactor niet ogezet. Evenals buta-1,3-dieen is ook 4-vinylcyclohexeen goed oplosbaar in THF. De (slechte) oplosbaarheid van de katalysator wordt niet beïnvloed door de voring van 4-vinylcyclohexeen. Hoe het continue proces verder verloopt, is weergegeven in het onderstaande blokschea. 06 Geef de naa van de scheidingsethode die en kan toepassen in scheidingsruite 1. In scheidingsruite 2 wordt buta-1,3-dieen als gas afgescheiden. De stoffen 4-vinylcyclohexeen en THF verlaten scheidingsruite 2 als vloeistoffen. 07 Geef de naa van de scheidingsethode die en toepast in scheidingsruite 2 o 4-vinylcyclohexeen en THF van elkaar te scheiden. Een fabriek die zou werken volgens het bovenstaande blokschea, aakt geen efficiënt gebruik van stoffen. 08 Nee het blokschea over en geef hierin et lijnen aan welke verbeteringen in het blokschea van de fabriek aangebracht kunnen worden, zodat volgens het verbeterde blokschea efficiënter gebruik wordt geaakt van stoffen. 2

3 OPGAVE 3 Een bereidingswijze van fosfor, P 4, kan en als volgt weergeven: Ca 3 (PO 4 ) 2 + SiO 2 + C P 4 + CO + CaSiO 3 09 Nee bovenstaande reactievergelijking over en aak he kloppend door de juiste coëfficiënten in te vullen. Bij deze fosforbereiding gebruikt en als grondstoffen: zand, cokes en een fosfaaterts. 10 Geef voor achtereenvolgens Ca 3 (PO 4 ) 2, SiO 2 en C aan in welke van de hierboven genoede grondstof ze voorkoen. 11 Bereken de atooeconoie van deze reactie. Zie tabel 37H van BINAS. De bereiding en zuivering van fosfor kan als volgt worden weergegeven: Uit het reactieengsel dat in ruite I is ontstaan, wint en fosfor door gebruik te aken van verschillen in seltpunten en kookpunten. In de volgende tabel staan enkele selt- en kookpunten in Kelvin (0 C = 273 K) vereld: CaSi O 3 seltpun t 1540 K kookpu nt P K 554 K CO 68 K 82 K In de ruites II en III koelt en het reactieengsel stapsgewijs af: eerst in II tot 400 C en daarna in III tot 70 C. 12 Leg uit dat op deze anier fosfor van de andere reactieproducten wordt gescheiden. Het gas koolstofonooxide heeft een eigenschap waardoor het niet in het ilieu terecht ag koen. Dankzij een andere eigenschap van koolstofonooxide kan het bij deze fosforbereiding weer nuttig gebruikt worden. 13 Geef deze beide eigenschappen. 14 Bereken de E-factor van dit proces. Zie tabel 37H van BINAS. Nee aan dat het rendeent 100% is. 3

4 OPGAVE 4 Titaandioxide kent vele toepassingen zoals onderstaande figuur laat zien. Het titaandioxide dat in de natuur wordt gevonden is niet geschikt o coercieel te gebruiken. Men gaat dan ook uit van het erts ileniet, FeTiO 3, voor de synthese van titaandioxide. Titaandioxide wordt op twee anieren uit ileniet gesynthetiseerd: via het sulfaatproces en via het chlorideproces. PRODUCTIEPROCES I: Het sulfaatproces (rendeent: 80%) 1. Fijngealen erts, ileniet, wordt et een overaat geconcentreerd zwavel-zuur vrijwel volledig ogezet in TiOSO 4 volgens: FeTiO 3 (s) + 5 H 2 O(g) + 2 H 2 SO 4 (l) TiOSO 4 (s) + FeSO 4 7H 2 O(s) Bij het afkoelen tot 15 C ontstaat er FeSO 4 7H 2 O(s) dat wordt afgefiltreerd. 2. TiOSO 4 wordt et stoo verhit tot ongeveer 110 C. Hierbij ontstaan een grote hoeveelheid geleiachtig, gekristalliseerd titaandioxide en zwavelzuur volgens: TiOSO 4 (s) + (n+1)h 2 O(g) TiO 2 nh 2 O(s) + H 2 SO 4 (l) Zwavelzuur wordt weggewassen en later door indapen weer ogezet in geconcentreerd zwavelzuur dat weer bij stap 1 gebruikt kan worden. 3. Het titaniu bevattende product wordt gedroogd bij een teperatuur tussen de 200 en 300 C. Wanneer het water is verwijderd, wordt de teperatuur langzaa verhoogd. Bij 480 C beginnen de kristalletjes te groeien. TiO 2 nh 2 O(s) TiO 2 (s) + n H 2 O(g) 15 Bereken van het sulfaatproces de atooeconoie. 16 Bereken van het sulfaatproces de E-factor. PRODUCTIEPROCES II: Het chlorideproces (rendeent: 85%) 1. Ileniet wordt et cokes verhit tot boven de 1600 C. Hierdoor treedt een reactie op, waarbij titaandioxide, vloeibaar ijzer en koolstofdioxide ontstaan volgens: 2 FeTiO 3 (s) + C(s) 2 Fe(l) + 2 TiO 2 (s) + CO 2 (g) Het vloeibare ijzer wordt afgetapt en het CO 2 wordt afgevoerd. 4

5 2. O TiO 2 te zuiveren wordt het product verhit in aanwezigheid van chloorgas en cokes. De exothere reactie die bij 950 C optreedt is: TiO 2 (s) + 2Cl 2 (g) + C(s) TiCl 4 (g) + CO 2 (g) Het gasvorig engsel bevat etaalchloriden, koolstofdioxide en andere verontreinigingen. 3. Het engsel wordt afgekoeld o de onzuiverheden et een lager kookpunt af te scheiden en ook het CO 2 wordt afgevoerd. 4. Het zuivere TiCl 4 wordt et zuurstofgas verbrand rond de 1000 C o ervoor te zorgen dat zoveel ogelijk TiCl 4 verbrandt. Er wordt zuiver TiO 2 gevord en er ontstaat chloorgas dat gerecirculeerd kan worden voor stap 2. De reactievergelijking luidt: TiCl 4 (g) + O 2 (g) TiO 2 (s) + 2 Cl 2 (g) 17 Bereken van het chlorideproces de atooeconoie. 18 Bereken van het chlorideproces de E-factor. 19 Bepaal welk proces op grond van de atooeconoie en E-factor het eest groene proces is. OPGAVE 5 Vanadiu wordt gewonnen uit het ineraal vanadiniet. De forule van dit ineraal is Pb 5 (VO 4 ) 3 Cl. Dit ineraal wordt sos ook gebruikt als grondstof voor de bereiding van lood. 20 Leg uit, zonder een berekening, wat hoger is: het assapercentage vanadiu in vanadiniet of het assapercentage lood in vanadiniet. Bij de productie van vanadiu uit vanadiniet wordt het vanadiniet eerst verhit et natriucarbonaat. Er ontstaat dan natriuvanadaat: NaVO 3. Dit is de enige Na- en V-bevattende stof die ontstaat. Behalve natriuvanadaat ontstaan nog drie stoffen. Deze ozetting is géén redoxreactie. Er reageren geen andere stoffen dan vanadiniet en natriucarbonaat. 21 Geef de reactievergelijking van deze ozetting. In de tweede stap lost en het natriuvanadaat op en laat en het reageren et een oplossing van aoniuchloride. Hierbij ontstaat een neerslag van aoniuvanadaat volgens NH VO 3 - NH 4 VO 3 (s) Vervolgens wordt het aoniuvanadaat afgescheiden en verhit, waarbij de stof vanadiupentaoxide ontstaat: 2 NH 4 VO 3 V 2 O NH 3 + H 2 O 22 Leg uit bovenstaande reactie een ontledingsreactie is. 23 Leg uit of bovenstaande reactie een redoxreactie is. Tenslotte laat en het vanadiupentaoxide reageren et een onedel etaal. Hierbij ontstaan vanadiu en het oxide van het desbetreffende onedele etaal. Als te gebruiken onedel etaal koen aluiniu en calciu in aanerking. Beide onedele etalen reageren in een exothere reactie et vanadiupenta-oxide. O te beoordelen welk etaal wordt gebruikt, kunnen principes uit de groene cheie worden toegepast. Eén van die principes is dat een proces energie-efficiënt wordt ontworpen. Daarvoor oet worden nagegaan in welke reactie de eeste warte vrijkot. 5

6 24 Geef de vergelijking van de reactie van vanadiupentaoxide et aluiniu. 25 Geef de vergelijking van de reactie van vanadiupentaoxide et calciu. 26 Toon door iddel van een berekening aan bij welk van de twee processen de eeste warte vrijkot. Ook andere principes uit de groene cheie kunnen worden gebruikt o een keuze te aken. Bijvoorbeeld de atooeconoie en de E-factor. 27 Bereken voor beide processen de atooeconoie en bepaal op grond daarvan welk proces de voorkeur heeft. 28 Bereken voor beide processen de E-factor en bepaal op grond daarvan welk proces de voorkeur heeft. OPGAVE 6 In een koelinstallatie circuleert een koeliddel in een gesloten kringloop zoals scheatisch is weergegeven in onderstaande figuur. In de verdaper verdapt het koeliddel. Hierdoor daalt de teperatuur in de koelruite. 29 Leg uit dat door het verdapen van het koeliddel de teperatuur in de koelruite daalt. Als koeliddel werden in het verleden CFK s gebruikt. CFK s zijn verbindingen van chloor, fluor en koolstof. Tegenwoordig ogen CFK s niet eer worden gebruikt, odat ze de ozonlaag aantasten. Ozon wordt daarbij ogezet in zuurstof. 30 Geef de reactievergelijking van de ozetting van ozon in zuurstof. Tegenwoordig wordt in koelinstallaties vaak gebruik geaakt van HFK s, die de ozonlaag niet aantasten. Dit zijn verbindingen van waterstof, fluor en koolstof. Een veel gebruikt koeliddel is HFK-134a (CH 2 F-CF 3 ). Hiernaast staat de structuurforule: 31 Geef de systeatische naa van HFK-134a. Bij de productie van HFK-134a is etheen een beginstof. De productie gebeurt in drie stappen die hieronder in een blokschea zijn weergegeven. 6

7 32 Is de reactie die plaatsvindt in reactor 1 een additiereactie? Geef een verklaring voor je antwoord. 33 Geef de vergelijking van de reactie die plaatsvindt in reactor 2. Gebruik hierbij de forules zoals ze in blokschea 2 zijn weergegeven. 34 Beredeneer aan de hand van het blokschea hoeveel ol HCl er in totaal ontstaat bij de productie van 1,0 ol HFK-134a uit etheen. Er is een ethode ontwikkeld voor de recycling van de grote hoeveelheid HCl die bij de productie van HFK-134a ontstaat. Bij deze ethode wordt door iddel van elektrolyse het gas HCl ogezet in H 2 en Cl 2. Bij de elektrolyse wordt aan de ene elektrode het gas HCl ogezet in Cl 2 en H +. De vergelijking van deze halfreactie is: 2 HCl Cl H e - Het H + dat ontstaat, gaat naar de andere elektrode en wordt ogezet in H Vindt de ozetting van HCl in Cl 2 en H + plaats aan de positieve of aan de negatieve elektrode? Geef een verklaring voor je antwoord. Bij de elektrolyse van HCl gas ontstaan dus Cl 2 gas en H 2 gas. Al het Cl 2 gas en een deel van het H 2 gas worden opnieuw gebruikt voor de productie van HFK-134a, de rest van het H 2 gas wordt afgevoerd. Het blokschea van de productie van HFK-134a kan worden uitgebreid et de stofstroen die ontstaan doordat het proces wordt uitgebreid et de elektrolyse van het geprodu-ceerde HCl gas. 36 Geef in het blokschea de ontbrekende stofstroen op de juiste wijze weer. O te bepalen of de productie van HFK-134a uit etheen een groen proces is, kan de atooeconoie en de E-factor berekend worden. 37 Geef in de productie van HFK-134a uit etheen in één reactievergelijking weer. Gebruik hierbij de forules zoals ze in blokschea 2 zijn weergegeven. 38 Bereken de atooeconoie van dit proces. Zie tabel 37H van BINAS. 39 Bereken de E-factor van dit proces. Ga uit van 100% rendeent. 40 Noe twee uitgangspunten in de groene cheie die voor dit proces nog verbeterd zouden kunnen worden. Geef een toelichting bij je antwoord. Maak gebruik van tabel 97F van BINAS. Overige oefenopgaven kunnen het beste uit exaenopgaven gehaald worden. 7

8 Oefenopgaven INDUSTRIËLE CHEMIE vwo UITWERKINGEN OPGAVE 1 01 E = (+0,76 + 2,42 1,105) 10 5 J ol -1 = +2, J ol -1. V = 24,5 d 3 ol -1, dus 1 3 (1000 d 3 ) Dus E = 40,8 2, = + 8, J Een overaat H 2 O(g) gebruiken ,5 = 40,8 ol CH Uit [1] wordt CO en H 2 in de verhouding 1 : 3 verkregen. In [2] reageren ze 1 : 2. Daardoor blijft een deel van de hoeveelheid H 2 ongebruikt. Als dit niet wordt afgevoerd, zal de hoeveelheid H 2 voortdurend stijgen en daardoor ook de druk. 05 Aannae: in reactor 2 is x ol CO en y ol H 2 aanwezig voordat de reactie plaatsvindt. Een deel hiervan kot uit reactor 1 (100 ol CO en 300 ol H 2 ) en de rest kot uit scheidingsruite 2 (het deel dat gerecirculeerd wordt). Tevens geldt in reactor 2 een rendeent van 50%. In schea: in R2 reactie = uit R2 (= in S2) 80% recirc. in R2 = uit R1 + recirc. CO x 1 / 2 x = 1 / 2 x 2 / 5 x x = / 5 x <1> H 2 y x = y x 4 / 5 y 4 / 5 x y = / 5 y 4 / 5 x <2> Uit <1> volgt: x = 166,7 ol er wordt dus 166,7 100 = 66,7 ol CO gerecirculeerd. Uit <2> volgt: y = 833,3 ol er wordt dus 833,3 300 = 533 ol H 2 gerecirculeerd. OPGAVE 2 06 Filtreren. 07 Destilleren. 08 8

9 OPGAVE Ca 3 (PO 4 ) SiO C 1 P CO + 6 CaSiO Ca 3 (PO 4 ) 2 kot voor in fosfaaterts. SiO 2 kot voor in zand. C kot voor in cokes. 11 assa gewenst product Atooeconoie = totale assa beginstoffen 100%. Het gewenste product is het P ,97 Atooeconoie = 100% = 11,25% , , ,01 12 In ruite II wordt afgekoeld tot 400 C. Dit is 673 K. Hierbij stolt CaSiO 3. P 4 en CO blijven gasvorig en worden naar ruite III getransporteerd. In ruite III wordt afgekoeld toto 70 C. Dit is 343 K. Hierbij wordt P 4 vloeibaar en blijft CO gasvorig CO is giftig. 2. CO is brandbaar en kan daaro als brandstof gebruikt worden. 14 beginstoffen werkelijke opbrengst product ,9 E-factor = = = 7,9. 123,9 werkelijke opbrengst product OPGAVE 4 15 Totale reactie (de cursieve forules vallen geheel tegen elkaar weg): FeTiO 3 (s) + 5 H 2 O(g) + 2 H 2 SO 4 (l) TiOSO 4 (s) + FeSO 4 7H 2 O(s) TiOSO 4 (s) + (n+1)h 2 O(g) TiO 2 nh 2 O(s) + H 2 SO 4 (l) TiO 2 nh 2 O(s) TiO 2 (s) + n H 2 O(g) + FeTiO H 2 O + H 2 SO 4 TiO 2 + FeSO 4 7H 2 O product 79,87 Atooeconoie = = 100% = 22,32% (151, , ,097) 16 E-factor = beginstoffen beginstoffen werkelijk opbrengst product werkelijk opbrengst product = 357,907 0,80 79,87 = 4,60 0,80 79,87 17 Totale reactie (de cursieve forules vallen geheel tegen elkaar weg): 2 FeTiO 3 (s) + C(s) 2 Fe(l) + 2 TiO 2 (s) + CO 2 (g) TiO 2 (s) + 2Cl 2 (g) + C(s) TiCl 4 (g) + CO 2 (g) TiCl 4 (g) + O 2 (g) TiO 2 (s) + 2 Cl 2 (g) + 2 FeTiO C + O 2 2 Fe + 2 TiO CO 2 oschrijven na 1 ol TiO 2 : FeTiO 3 + C + ½ O 2 Fe + TiO 2 + CO 2 product 79,87 Atooeconoie = = 100% = 44,44% (151,72 12, ,00) 18 E-factor = beginstoffen beginstoffen werkelijk opbrengst product werkelijk opbrengst product 179,73 0,85 79,87 = = 1,65 0,85 79,87 19 De atooeconoie oet zo hoog ogelijk zijn (bij 100% heb je geen afval). Op grond daarvan verdient het chlorideproces de voorkeur. 9

10 Bij de E-factor wordt gekeken naar de hoeveelheid afval per kg product. Deze oet dus zo laag ogelijk zijn. Op grond hiervan verdient het chlorideproces de voorkeur. LET OP: Als bij een proces H 2 O ontstaat, gebruik je de volgende forule voor de E-factor: alle producten werkelijk opbrengst product en laat je de assa van H 2 O weg bij alle producten, want H 2 O is niet werkelijk opbrengst product een ilieuvervuilend product. OPGAVE 5 20 Massapercentage lood is hoger dan van vanadiu. M(Pb) > M(V) en bovendien is de index van Pb groter dan van V in vanadiniet Pb 5 (VO 4 ) 3 Cl + 3 Na 2 CO 3 6 NaVO PbO + PbCl CO 2 22 Er is één beginstof en eerdere producten, dus is het een ontleding. 23 Er is geen verandering van oxidatiegetallen, dus geen redoxreactie. (V 5+ in VO - 3 en in V 2 O 5 ; N 3- in NH + 4 en in NH 3 ) 24 3 V 2 O Al 6 V + 5 Al 2 O 3 25 V 2 O Ca 2 V + 5 CaO 26 De voringswarte van V 2 O 5 is niet bekend. E is dan niet te berekenen. Je kunt wel de reacties oschrijven et een coëfficiënt 1 voor V 2 O 5 en dan de waarden voor de voringswarte van Al 2 O 3 en CaO et elkaar vergelijken. 1 V 2 O Al 2 V Al 2 O , = 27, J 1 V 2 O Ca 2 V + 5 CaO 5 6, = 31, J Bij de reactie et calciu kot dus de eeste warte vrij. N.B. De eleenten kun je buiten beschouwing laten. Hiervoor geldt E voring = Atooeconoie voor reactie et aluiniu: 6 50,94 100% = 37,48% 3 181, ,98 Atooeconoie voor reactie et calciu: 2 50,94 100% = 26,65% 181,9 5 40, 08 De atooeconoie oet zo hoog ogelijk zijn (dan koen de eeste atoen van de beginstoffen in het product terecht), dus verdient op grond van de atooeconoie de reactie et aluiniu de voorkeur. 28 E-factor voor de reactie et aluiniu: 3 181, , ,94 = 1, ,94 E-factor voor de reactie et calciu: 181,9 5 40, ,94 = 2, ,94 De E-factor oet zo laag ogelijk zijn, dus verdient de reactie et aluiniu de voorkeur. 10

11 OPGAVE 6 29 O het koeliddel te laten verdapen is energie / warte nodig. Deze energie wordt onttrokken aan de koelruite (waardoor de teperatuur daalt) 30 2 O 3 3 O ,1,1,2-tetrafluorethaan. 32 Er ontstaat niet één stof / de dubbele binding blijft behouden. Dus geen additie. 33 CCl 2 =CCl 2 + Cl HF CCl 2 F-CF HCl 34 Bij stap 1 kot 4,0 ol HCl vrij en bij stap 2 kot 4,0 ol HCl vrij. Bij stap 3 kot 2,0 ol HCl vrij. Totaal: 10 ol HCl. 35 Het gaat o elektrolyse, dus een gedwongen reactie. In de halfreactie reageert een reductor. Deze wordt gedwongen e - af te staan bij de positieve elektrode CH 2 =CH HF CH 2 F-CF H 2 38 M(CH 2 F-CF 3 ) = 102,036 u 102, 036 Atooeconoie = 102, , % = 94,40%. 39 Bij 100% rendeent kun je de E-factor vaak sipeler als volgt berekenen: afval E-factor =. product Odat waterstof het enige afvalproduct is, geldt: E-factor = 3 2,016 = 0, , Nuer 6: energie-efficiënt ontwerpen. Er wordt elektrolyse gebruikt en dat kost veel elektrische energie. Nuer 8: reacties in weinig stappen. Er zijn nu vier stappen (inclusief elektrolyse). Het kan (isschien) in inder stappen. Operking: Sos zijn eer stappen te verkiezen. Bijvoorbeeld als bij een proces et inder stappen een reactie niet verloopt of een (veel) lager rendeent oplevert. 11