spm _09; - Opdracht/Deeltoets II;

Transcriptie

1 spm _09; - Opdracht/Deeltoets II; LEVER DIT VEL IN 20 maart 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 overeenkomst tussen het model van Bohr en het Quantum Mechanisch atoommodel is (2.1/0.7) 0 beide gaan slechts over het waterstofatoom 0 beide gaan er vanuit dat energie gequantiseerd is 0 beide zijn correct voor alle atomen in het Periodiek systeem 2. Het fundamentele verschil tussen het model van Bohr en het Quantum Mechanisch (QM) atoommodel is: (2.1/0.7) 0 in Bohr worden elektronen van alleen waterstof beschreven, in QM elektronen van alle atomen 0 in Bohr hebben elektronen energieniveau s, in QM quantumgetallen 0 in Bohr zijn elektronen gelokaliseerd, QM geeft ruimtelijke waarschijnlijkheidsfuncties voor de positie van de elektronen Bij de onderstaande vragen 3 t/m 10 wordt u geacht (impliciet of expliciet) het Quantum Mechanisch Atoommodel te hanteren. 3. Een enkel atoom is te zien als een open systeem voor energie. (2.1/0.7) 0 als een foton een atoom treft, krijgt het atoom altijd een verhoogde energietoestand 0 als een foton een atoom treft, kan dat atoom in aangeslagen toestand raken 0 als een foton een atoom treft, raakt het atoom altijd in aangeslagen toestand 4. In Amerika werken GSM-telefoons op 1800 Mhz. Deze straling kan reacties aandrijven met een reactieenthalpie tot (3/1) * 10-4 [kj/mol] * 10-1 [kj/mol] [kj/mol] 5. Elementen uit groep 18 (of 8A), geheel rechts in het periodiek systeem, worden edelgassen genoemd. Ze staan bekend om hun stabiliteit: edelgassen reageren niet of nauwelijks met andere stoffen. De stabiliteit van Neon (Ne) (2.1/0.7) 0 is af te lezen aan het verschil in ionisatie-energie met Helium (He), Argon (Ar) en Krypton (Kr) 0 is af te lezen aan het verschil in ionisatie-energie met Chloor (Cl), Zwavel (S) en Fosfor (P) 0 is af te lezen aan het verschil in ionisatie-energie met Fluor (F), Zuurstof (O) en Stikstof (N) 6. De stabiliteit van Neon en de andere edelgassen (m.u.v. Helium) manifesteert zich als (2.1/0.7) 0 dat in het QM-model zij allemaal 6 valentie elektronen bezitten 0 dat in het QM-model zij allemaal 7 valentie elektronen bezitten 0 dat in het QM-model zij allemaal 8 valentie elektronen bezitten

2 7. Edelgassen kunnen wel interacteren met elektrische stroom en licht. In een elektrische Neon lamp wordt een valentie-elektron aangeslagen d.m.v. de aangelegde elektrische spanning. Bij het terugvallen geeft het aangeslagen Neon-atoom de elektrische energie af als licht. Zoals bekend bestaat Neon-verlichting in verschillende kleuren. Dat is te verklaren omdat: (2.1/0.7) 0 in elk atoom alle energieniveau s van 3s tot 7f bestaan en beschikbaar zijn 0 in Neon alle energieniveau s 3s tot 7f bestaan en beschikbaar zijn 0 in Neon de energieniveau s 4s, 4p, 5s, 5p, 6s, 6p, 7s en 7p bestaan en beschikbaar zijn 8. Een onbekend element Xy is niet een metaal, en heeft een valentie-elektronen configuratie ns 2 np 4 (3/1) 0 n is een geheel getal en moet groter dan 0 zijn. 0 n is een geheel getal en moet groter dan 1 zijn 0 n is een geheel getal en moet groter dan 2 zijn 0 n is een geheel getal en moet groter dan 3 zijn 9. Een onbekend element Xy is niet een metaal, en heeft een valentie-elektronen configuratie ns 2 np 4 (2.1/0.7) 0 het aantal ongepaarde elektronen van dit element is 1 0 het aantal ongepaarde elektronen van dit element is 2 0 het aantal ongepaarde elektronen van dit element is 3 0 het aantal ongepaarde elektronen van dit element is Een onbekend element Xy is niet een metaal, en heeft een valentie-elektronen configuratie ns 2 np 4. Als het element tevens 10d elektronen bezit, dan is het mogelijk (3/1) 0 element S, Se, Te of Po 0 element Se, Te of Po 0 element As, Sb of Bi 0 element P, As, Sb, of Bi 11. De elektronen configuratie van Silicium, Si is (2.1/0.7) 0 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 0 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 0 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 0 1s 2 2s 2 2p 6 3s Chroom, Cr heeft een aantal d-elektronen (2.1/0.7) 0 dat zijn er 6 in het 3d-orbitaal 0 dat zijn er 4 in het 3d-orbitaal 0 dat zijn er 4 in het 4d-orbitaal 0 dat zijn er 6 in het 4d-orbitaal 13. Radicalen kunnen ontstaan onder invloed van licht. Een radicaal (2.1/0.7) 0 is altijd een atoom met een ongepaard elektron 0 is een atoom of molecuul met een ongepaard elektron 0 slechts een benaming voor een reactieve stof

3 Vraagstuk 14. Broeikaseffect (30 punten) Lees eerst onderstaande tekst en beantwoord daarna de vragen. Om het versterkt broeikaseffect te bestrijden is onder andere in 1997 het Kyoto-protocol opgesteld. Daarin is onder andere opgenomen de wereldwijde uitstoot van CO 2 en andere broeikasgassen te beperken. In oude stortplaatsen van huishoudelijk afval ontstaat door bacteriële afbraak van organisch materiaal stortgas, dat bestaat uit +/-50% methaan (CH 4 ) en 50% CO 2. Relatief eenvoudige maatregelen zoals het afdekken van de stort, opvang van het stortgas gevolgd door affakkelen van het stortgas leveren een bijdrage aan het terugdringen van de versterking van het broeikaseffect. a. Wat zijn, naast CO 2, twee belangrijke broeikasgassen? - Methaan CH 4 - Water H 2 O of lachgas N 2 O b. De atmosferische CO 2 concentratie laat zien dat ongeveer 50% van de industriële CO 2 uitstoot nog in de atmosfeer aanwezig is. Welke zijn wereldwijd de belangrijkste sinks voor CO 2? - Oceaan - Biomassa/planten c. Teken een correct en overzichtelijk systeemdiagram van de aarde waarmee je het begrip Radiative-Forcing verklaart. Zonlicht - De energie die het systeem binnenkomt, is straling van de zon; - Niet weergeven is dat een deel van die straling direct wordt gereflecteerd (albedo) - Omdat de aarde als een zwart lichaam beschouwd kan worden straalt deze infraroodstraling uit (IR-straling) - Radiative forcing is de extra toe- of afname van de IR-straling d.m.v. absorptie en reflectie d. Als de Radiative-Forcing van alle broeikas-effecten te samen 4 [W/m 2 ] bedraagt, wat is dan de te verwachten gemiddelde temperatuursstijging op aarde? Gebruik de Wet van Stefan-Boltzmann. - Stefan-Boltzmann: S= k*t 4 (K is een constante; 5,67*10-8 ) - De afgeleide is ds/dt=4kt 3 - Als de radiative forcing 4 [W/m 2 ] is, dan is ds= 4=4*dT*kT 3 - Hieruit kan dt worden opgelost; zie verder de collegesheets. e. Het Global Warming Potential van CH 4 is 21. Hoeveel CO 2 emissierechten ontstaan per ton vermeden stortgas als oude stortplaatsen worden aangepakt zoals besproken? - Global Warming Potential (GWP) van CO 2 is ; de GWP van CH 4 is 21 - GWP is het effect van een extra molecuul broeikasgas t.o.v. het effect van een extra molecuul CO2 in de atmosfeer. Dus ook 1 mol broeikasgas vs 1 mol CO 2 - Het stortgas bestaat uit 50 vol.% CH 4 en 50vol.%CO 2 - Vol.% zijn gelijk aan mol%. Het molgewicht van het stortgas is dus (16+44)/2=30 g/mol

4 - 1 ton stortgas bevat dus 1*10^6/30 = mol gas - Door het affakkelen wordt het methaan omgezet in CO 2 - GWP 1 ton stortgas = (0,5*21+0,5*1)[GWP/mol]* mol=11 * CO 2 GWP - Afgefakkeld stortgas =1*1 = 1* CO 2 GWP - Het verschil is 10* CO 2 GWP = 10 ton CO 2 - Er is dus een totaal van 10 ton CO 2 emissierechten vermeden per ton gefakkeld stortgas Het atmospheric window wordt gebruikt ter evaluatie van de sterkte van de broeikaswerking van een broeikasgas. De analyse kan worden weergegeven in een grafiek. Op de horizontale as van zo n grafiek staat de golflengte van straling. f. Wat is het atmospheric window? Wat staat er op de verticale as van de grafiek die wordt gebruikt in zo n analyse? - De atmospheric window is dat deel van het spectrum (straling van de aarde of zon), die golflengtes waarbij CO 2 en H 2 O geen straling absorberen. Andere gassen kunnen wellicht wel straling van deze golflengte bezitten. Daarmee sluiten ze de atmospheric window voor het uittreden van (warmte) straling naar het heelal als het ware af. Daarmee hebben deze gassen een sterke broeikasgas werken, die vele malen groter kan zijn dan stoffen zoals CO 2 en H 2 O. - Op de verticale as van de grafiek wordt de hoeveelheid geabsorbeerde straling weergegeven g. Leg uit hoe je met laboratoriummetingen, veldmetingen en het atmospheric window het Global Warming Potential van een gas verdacht van broeikaswerking, bijvoorbeeld SF 6 kunt bepalen. - Straling met een bepaalde golflengte uit het atmospheric window door een bekende concentratie van het gas laten stralen en de mate van absorptie meten van deze straling verschil intensiteit bij intrede en uittrede door het gas. - Welke stralingen door dit gas geabsorbeerd wordt Van de straling bepalen wat de golflengte is en deze vergelijken met de golflengte van de door CO 2 - en andere natuurlijk aanwezige gassen in de atmosfeer geabsorbeerde straling, dus vergelijken met de atmospheric window. Vraagstuk 15. Luchtverontreiniging (15 punten) a. Wat zijn de noodzakelijke ingrediënten voor de vorming van zomersmog? - Genoeg warmte/zonnestraling - Weinig wind - Fijnstof - Luchtvochtigheid b. Beschrijf het belangrijkste verwijderingsmechanisme van methaan in de atmosfeer. - OH* ontstaan uit ozon en UV-straling (initiatie) - CH 4 + OH* H 2 O + CH 3 * - CH 3 * + H 2 O CH 3 OH + H* - H* + H 2 O 2OH* c. Geef het algemene afbraakschema voor ozon dat verklaart dat een beperkte hoeveelheid gechloreerde koolwaterstoffen in de atmosfeer genoeg was voor de massale afbraak van de ozonlaag. - O 3 + UV-straling O 2 + O* - XO + O* O 2 + X* - X* + O* XO - De stof XO wordt telkens teruggevormd en kan dus een significante bijdrage leveren aan de afbraak van de zonlaag Vraagstuk 16. Duurzame energie (15 punten)

5 De huidige kabinetsdoelstelling is om in 2020 in Nederland voor minstens 20% uit duurzame bronnen in onze energiebehoefte te voorzien. a. Noem minstens 4 duurzame cq. hernieuwbare bronnen die relevant zijn voor Nederland - Wind(energie) - Zon(energie) - Biomassa - Water(energie) - NB! Uranium/kernenergie is niet duurzaam, want niet hernieuwbaar. R/P 60 b. Benoem kort waaruit onze energiebehoefte is opgebouwd c. Beargumenteer kort welke duurzame bronnen c.q. energiesystemen u geschikt acht om fossiele energiedragers te vervangen in de onder b. genoemde toepassingen. Ga eventueel in op noodzakelijk of mogelijk geachte systeemaanpassingen (systeemdenken!). - Bio-ethanol zou aardolie kunnen vervangen voor transport en industrieel gebruik, maar dit houdt in dat motoren hieraan aangepast moeten worden. - Duurzame energiebronnen zouden gebruikt kunnen worden in plaats van aardgas en steenkool voor het opwekken van elektriciteit dat door huishoudens, industrie en transport wordt gebruikt. - De hoeveelheid energie die opgewekt kan worden door duurzame bronnen fluctueert sterk. Een mogelijkheid is dus duurzame energie op te wekken wanneer het mogelijk is (als de wind sterk is of de zon schijnt, ect.) en aardgas en steenkool als bufferbronnen gebruiken. - Inzetten op bio-ethanol vraagt veel ruimte en (energierijke) inputs. Daardoor is elk atoom C in bio-brandstoffen ongeveer 30-70% echt afkomstig van de biologische C-kringloop, de overige is afkomstig van fossiele bronnen.

6 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)