Module 3 Energie en Evenwichten Antwoorden

Transcriptie

1 Concentratie (mol/l) Module 3 Energie en Evenwichten 1 Reactiesnelheid 1 Soort stof, temperatuur, concentratie, verdelingsgraad, aanwezigheid v/e katalysator x 10 x 10 cm 2 = 6, cm x 6 x 1,0 cm 2 = 6, cm 2 6 Door de grote kubus in 1000 kleine kubussen te verdelen is de oppervlakte met een factor 10 toegenomen. 7 Opgave 7 van paragraaf 1 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0, Reactietijd (s) [NO2] mol/l 8 Gebruik de molverhouding uit de reactievergelijking: Reactietijd (s) [O2] mol/l [N2O5] mol/l [NO2] mol/l 0 0,00 5,00 0, ,74 3,52 2, ,63 1,75 6, ,07 0,87 8,26 1

2 stikstof (dm3) Reactiesnelheid (mol/s) Concentratie (mol/l) Module 3 Energie en Evenwichten 9 Opgave 9 van paragraaf 1 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 [O2] mol/l [N2O5] mol/l 1,00 0, Reactietijd (s) 10 De gemiddelde reactiesnelheid op interval s: 2,96 / 500 = 0,00592 mol NO2 per sec. op interval s: 3,54 / 1000 = 0,00354 mol NO2 per sec. op interval s: 1,76 / 1000 = 0,00176 mol NO2 per sec. 11 Opgave 11 van paragraaf 1 0, , , , , , , , Reactietijd (s) 12 Opgave 12 van paragraaf tijd (millisec) 2

3 13 De airbag is maximaal gevuld met 29 dm 3 stikstof. Het aantal mol stikstof is dan 29 dm 3 21 dm 3 mol -1 = 1,38 mol. Hiervoor is 2 x 1,38 = 2,76 mol Na3N nodig (zie reactievergelijking). Dit is 2,76 mol x 82,98 g mol -1 = 2, g 14 Na 40 s is de reactie afgelopen en is er 29 dm 3 stikstof gevormd. De gemiddelde reactiesnelheid is dan 29 dm s = 9, dm 3 s De reactiesnelheid is maximaal op tijdsinterval ms. De gemiddelde reactiesnelheid is daar 22 dm s = 2, dm 3 s Er ontstaat 6 x 1,38 mol Na (zie vraag 13). Er is 3 x 1,38 mol = 4,14 mol FeO nodig (zie onderstaande reactievergelijking). Dit is 4,14 mol x 71,85 g mol -1 = 3, g FeO(s) + 2 Na(s) Fe(s) + Na2O(s) Wat je na deze paragraaf moet weten / kunnen: van welke vijf factoren de reactiesnelheid afhangt (zie antwoord op vraag 1) de twee definities van reactiesnelheid toepassen van het botsende deeltjes model 3

4 energie (J) Module 3 Energie en Evenwichten 2 Energie en reacties Opmerking: maak gebruik van tabellen 56 en Zelfde temperatuur, concentratie en verdelingsgraad. 2 Rb zelfde groep als Na, K dus zeer onedel. Sr zelfde groep als Mg, Ca dus ook zeer onedel. Pb zelfde groep als Sn dus onedel. 3 Wolfraam heeft een zeer hoog smeltpunt (tabel 8: 3695 K) 4 Zorgen dat er in het lampje geen zuurstof aanwezig is dat met W kan reageren. Meestal wordt het gloeilampje gevuld met het edelgas argon (Ar). 5 2 Cs(s) + 2 H2O(l) 2 Cs + (aq) + 2 OH - (aq) + H2(g) 6 Het is een zeer onedel metaal. 7 Cesium reageert ook snel met zuurstof. 8 C(s) + O2(g) CO2(g) 9 De vormingswarmte van CO2 staat in tabel 57: - 3, J mol Spiritus heeft een lage ontbrandingstemperatuur, verdampt heel gemakkelijk en is daardoor zeer brandbaar. 11 Om verwarring met de drinkbare alcohol te voorkomen. 12 C2H6O(l) + 3 O2(g) 2 CO2(g) + 3 H2O(l) 13 2 CH4O(l) + 3 O2(g) 2 CO2(g) + 4 H2O(l) 14 1,0 L x 0,80 kg dm -3 = 0,80 kg ethanol (tabel 11) 8, g 46,07 g mol -1 = 17 mol (tabel 98 of 99) 17 mol x - 13, J mol -1 = - 2, J (tabel 56) 15 1,0 L x 0,79 kg dm -3 = 0,79 kg methanol (tabel 11) 7, g 32,04 g mol -1 = 25 mol (tabel 98 of 99) 25 mol x - 7, J mol -1 = - 1, J (tabel 56) 16 geactiveerde toestand C 2H 6O(s) + 3 O 2(g) Δ E = - 1, J/mol 2 CO 2(g) + 3 H 2O(l) verbranding van ethanol 4

5 energie (J) energie (J) Module 3 Energie en Evenwichten 17 geactiveerde toestand 2 CH 4O(s) + 3 O 2(g Δ E = - 7, J/mol 2 CO 2(g) + 4 H 2O(l) verbranding van methanol o C, dus vlak boven kamertemperatuur. 19 Witte fosfor is zeer brandbaar en giftig. 20 Fosfor wordt onder water bewaard vanwege de zeer lage ontbrandingstemperatuur en wordt onder water gesneden omdat de wrijvingsenergie de fosfor tot ontbranding kan brengen P(s) + 5 O2(g) 2 P2O5(s) of P4(s) + 5 O2(g) 2 P2O5(s) 22 geactiveerde toestand P 4(s) + 5 O 2(g) Δ E 2 P 2O 5(s) verbranding van fosfor 5

6 energie (J) energie (J) Module 3 Energie en Evenwichten 23 geactiveerde toestand 2 H2O2(aq) Δ E 2 H2O(l) + O2(g) zonder katalysator geactiveerde toestand 2 H2O2(aq) Δ E 2 H2O(l) + O2(g) met katalysator Wat je na deze paragraaf moet weten / kunnen: bij iedere reactie treedt een energie effect op: de reactie energie (Δ E) bij reacties waarbij energie vrijkomt heeft Δ E een min teken (exotherme reacties) bij reacties waarbij voortdurend energie moet worden toegevoerd heeft Δ E een plus teken (endotherme reacties) informatie over reactie energieën kun je vinden in BINAS tabel 56 en 57 de energie is nodig om de bindingen van de beginstof(fen) te verbreken en noemt men de activeringsenergie (Eact) met behulp van een katalysator kan de activeringsenergie worden verlaagd; en katalysator is een stof die de reactie snelheid vergroot zonder daarbij verbruikt te worden energie effecten van een chemische reactie kun je weergeven in een energie diagram. 6

7 3 Energiebalans bij reacties Opmerking: maak gebruik van tabellen 56 en C(s) + 4 H2(g) + O2 (g) 2 CH4O (l) methanol = CH3 OH (Module 1 par 17) 2 Binas tabel 57B: - 2, J.mol -1 3 Nee, want AgBr ontstaat uit de ionen Ag + en Br en niet uit de elementen Ag(s) en Br2(l). 4 Ja, de elementen zijn inderdaad Na(s) en Cl2(g). 5 Nee, dit gaat om een ontleding in de elementen. De reactiewarmte zal de min waarde van vormingswarmte zijn vanwege de wet van behoud van energie. 6 De vormingswarmte van calciumcarbonaat bedraagt volgens Binas tabel 57A 12, J.mol -1. De ontledingswarmte is dan + 12, J.mol CaCO3(s) 2 Ca (s) + 2 C(s) + 3 O2 (g) 8 De reactievergelijking voor de vorming van SO2 is gelijk aan de vergelijking voor de verbranding van S(s): S(s) + O2(g) SO2 (g) 9 CH4(g) + 2 O2(g) CO2 (g) + 2 H2O (l) 10 E reactie= ( + 0,76 3, ,86) = - 8, J per mol methaan 11 E (J) CH 4 (l) + 2 O 2 (g) - 8, J CO 2 (g) + 2 H 2 O(l) voor de reactie na de reactie 12 NH4Cl(s) NH3 (g) + HCl (g) 13 E reactie = ( + 3,15 0,462 0,923).10 5 = + 1, J.per mol ammoniumchloride. 7

8 14 E (J) NH 3 (g) + HCl(g) + 1, J NH 4 Cl(s) voor de reactie na de reactie 15 C2H4(g) + H2(g) C2H6(g) 16 E reactie = ( - 0,51 0,86 ).10 5 = - 1, J.mol -1 ethaan. 17 E (J) C 2 H 4 (g) + H 2 (g) - 1, J C 2 H 6 (g) voor de reactie na de reactie Wat je na deze paragraaf moet weten / kunnen: Vormingswarmte en de wet van behoud van energie gebruiken om de reactiewarmte te berekenen. 8

9 Vol % Module 3 Energie en Evenwichten 4 Evenwichtsreacties 1 C6H12O6(l) + 6 O2(g) 6 CO2(g) + 6 H2O(l) 2 Bij deze reactie komt energie vrij, exotherm dus. 3 Bijvoorbeeld brood, pasta en rijst. Ze worden gemaakt uit granen (meel). 4 Het is de omgekeerde reactie van vraag 1: 6 CO2(g) + 6 H2O(l) C6H12O6(l) + 6 O2(g) 5 Voor deze reactie is (voortdurend) zonlicht, endotherm dus. 6 Bij de fotosynthese reactie ontstaat zuurstofgas. 7 De enzymen werken als katalysatoren en verlagen de activeringsenergie. 8 2 SO2(g) + O2(g) 2 SO3(g) 9 Het is een heterogeen evenwicht, want koolstof bevindt zich in de vaste fase % CO2 en 20% CO. 11 Vol % CO en CO CO2 CO Tijd (s) Wat je na deze paragraaf moet weten / kunnen: Sommige reacties zijn omkeerbaar. Wanneer twee omkeerbare reacties gelijktijdig gaan verlopen spreken we van een evenwichtsreactie. De ligging van een evenwicht is afhankelijk van de temperatuur. Bij een hogere temperatuur verschuift het evenwicht naar de endotherme kant. Toevoeren van energie is dus in het voordeel van de endotherme reactie. Er is een onderscheid tussen homogene en heterogene evenwichten. Bij een homogeen evenwicht bevinden alle stoffen zich in dezelfde fase. Bij een heterogeen evenwicht zijn de stoffen in meerdere fasen aanwezig. 9

10 5 Evenwichten en reactiesnelheid 1 Toevoeren van energie is in het voordeel van de endotherme reactie: de ontleding van ammoniak in waterstof en stikstof. 2 De botsingen tussen de waterstof en stikstof moleculen zijn niet hard (effectief) genoeg. 3 Door het verhogen gaan de deeltjes sneller bewegen, botsen de deeltjes vaker en worden de botsingen harder. 4 Door een hogere druk nemen ook de concentraties toe en zullen de deeltjes vaker botsen. 5 De ijzerkatalysator verlaagt de activeringsenergie en vergroot daarmee de reactiesnelheid. 6 Bij een dynamisch evenwicht verlopen twee tegengestelde processen even snel. Bij een statisch evenwicht is dit niet het geval. 7 NaCl(s) Na + (aq) + Cl - (aq) Het is een dynamisch evenwicht want er lost evenveel natriumchloride op als dat er neerslaat. Het evenwicht is heterogeen omdat er ook vast natriumchloride aanwezig is. 8 Het evenwicht is homogeen omdat alle stoffen zich in de gasfase bevinden. 9 Als 60% waterstof is omgezet, dan is er nog 0,040 mol H2 en ook 0,040 mol Cl2 over. Dus [H2] = 0,040 mol / 2,0 L = 0,020 mol L -1 en [Cl2] = 0,020 mol L -1. Uit de reactievergelijking volgt dat uit 0,060 mol H2 er 0,120 mol HCl ontstaat, dus wordt [HCl] = 0,120 mol / 2,0 L = 0,060 mol L Fe 2+ (aq) + Hg 2+ (aq) Fe 3+ (aq) + Hg + (aq) 11 Je kunt de Hg + ionen aan het evenwicht onttrekken door een neerslagreactie, bv: Hg + (aq) + Cl - (aq) HgCl(s) Wat je na deze paragraaf moet weten / kunnen: De kenmerken van het Haber-Bosch proces (productie van ammoniak). Bij het instellen van een evenwicht wordt de reactiesnelheid naar rechts gelijk aan de reactiesnelheid naar links. Dit noemen we een dynamisch evenwicht. De tijd die nodig is om de evenwichtstoestand te bereiken, noemen we de insteltijd van het evenwicht. Omdat in een dynamisch evenwicht de reactiesnelheid naar links is gelijk aan de reactiesnelheid naar rechts, zullen bij evenwicht ook de concentraties van de reagerende stoffen niet veranderen. Een evenwicht kan aflopend gemaakt worden door een stof voor of na de pijl te onttrekken aan het evenwicht. Een chemisch productie proces kun je weergeven in een blokschema. 10

11 6 De evenwichtsvoorwaarde 1 PbI2(s) Pb 2+ (aq) + 2 I - (aq) [Pb 2+ ]. [I - ] 2 2 N2(g) + O2(g) 2 NO(g) [NO] 2 / { [N2].[O2] } 3 C(s) + CO2(g) 2 CO(g) [CO] 2 / [CO2] 4 H2(g) + I2(g) 2 HI(g) 5 [HI] 2 / { [H2].[I2] } 6 phi 2 / { ph2.pi2 } 7 Bij gassen is de druk recht evenredig met de concentratie. 8 phi 2 / { ph2.pi2 } = Kp Kp = (2,2) 2 / { 0,31 x 0,85 } = 18,4 9 In elk geval een temperatuur boven de 1000 K. 10 Koolstof komt niet voor in de evenwichtsvoorwaarde en heeft dus geen invloed op de ligging van het evenwicht. 11 Door samenpersen nemen de concentraties [CO] en [CO2] beide toe. De evenwichtsvoorwaarde luidt: [CO] 2 / [CO2] = Kp De invloed van [CO] in de teller (kwadraat) is daarbij groter dan [CO2] in de noemer. Het evenwicht wordt verstoord, er zal CO moeten verdwijnen. De (exotherme) reactie naar links komt dus tijdelijk in het voordeel. Tip: bij het verhogen van de druk verschuift het evenwicht altijd naar de kant met het (in totaal) minste aantal deeltjes in de gasfase. In dit geval is dit de linker kant (slechts één deeltje in de gasfase) en niet de rechter kant (twee deeltjes in de gasfase). 12 De temperatuur verlagen is in het voordeel van de exotherme reactie (naar links). 13 Een katalysator heeft geen invloed op de ligging van het evenwicht. 14 Bij het verhogen van de druk verschuift het evenwicht altijd naar de kant met het (in totaal) minste aantal deeltjes in de gasfase. Bij het Haber-Bosch proces is dit de rechter kant (2 deeltjes in de gasfase) en niet de rechter kant (in totaal vier deeltjes in de gasfase) dm 3 bevat 1,00 mol gasdeeltjes. 1,00 mol gasmengsel heeft een massa van 24,0 dm 3 x 4,8 g dm -3 = 115,2 g De massa van 1,00 mol HF is 20,0 g en de massa van 1,00 mol (HF)6 is 120 g. Er komen dus in verhouding meer (HF)6 deeltjes voor. 16 Door volumevergroting nemen de concentraties [(HF)6] en [HF] beide af. De evenwichtsvoorwaarde luidt: [HF] 6 / [(HF)6] = K 11

12 De invloed van [HF] in de teller (zesde macht) is daarbij groter dan [HF] 6 in de noemer. Het evenwicht wordt verstoord omdat de teller meer afneemt dan de noemer, er zal HF moeten bijkomen. De reactie naar rechts komt dus tijdelijk in het voordeel. Tip: bij het verlagen van de druk verschuift het evenwicht altijd naar de kant met het (in totaal) grootste aantal deeltjes in de gasfase. In dit geval is dit de rechter kant (zes deeltjes in de gasfase) en niet de linker kant (slechts één deeltjes in de gasfase). 17 Ga uit van 1,00 mol gasmengsel. Dat heeft een volume van 24,0 dm 3. 21% van de moleculen is (HF)6, dus 79% van de moleculen is HF. Bereken met deze gegevens: [HF] = 0,79 / 48 = 0,0165 mol dm -3 [(HF)6] = 0,21 / 48 = 0,00438 mol dm -3 Vul de evenwichtsvoorwaarde in: K = (0,0165) 6 / 0,00438 = 4, Wat je na deze paragraaf moet weten / kunnen: In de evenwichtstoestand veranderen de concentraties, waardoor ook de concentratiebreuk een bepaalde constante waarde heeft, de evenwichtsconstante (K). In tabellenboeken kunnen we de waarden van deze evenwichtsconstanten opzoeken, bijvoorbeeld in de tabellen 46, 47, 49, 50 en 51 van BINAS. De waarde van K (die iets zegt over de ligging van het evenwicht) hangt alleen af van de temperatuur. Als de waarde van de concentratiebreuk gelijk is aan de evenwichtsconstante, dan is er sprake van chemisch evenwicht. Deze voorwaarde noemen we de evenwichtsvoorwaarde. In de concentratiebreuk staan de concentraties van de stoffen rechts van de pijl in de teller en de concentraties van de stoffen links van de pijl in de noemer. Verder staan de coëfficiënten uit de reactievergelijking als exponenten bij de concentraties. In de concentratiebreuk staan alleen de concentraties van de stoffen, waarvan de concentratie is te meten, dus met de toestandsaanduiding (g) of (aq). Als je aan een evenwicht stoffen onttrekt of toevoegt, of als je de druk verandert, moet je met behulp van de concentratiebreuk nagaan of er nog sprake van evenwicht. Als de concentratiebreuk niet meer gelijk is aan de evenwichtsconstante, dan is één van de twee reacties in het voordeel. 12

13 7 Rekenen aan evenwichten 1 Alle stoffen in de evenwichtsreactie bevinden zich in de gasfase. 2 stofbalans stikstofmonooxide + zuurstof stikstofdioxide 2 NO(g) + O2(g) 2 NO2(g) voor de reactie + 0,333 mol dm ,313 mol dm -3 tijdens de reactie - 0,300 mol dm -3-0,150 mol dm ,300 mol dm -3 na de reactie + 0,033 mol dm ,163 mol dm ,300 mol dm -3 3 [NO2] 2 / { [NO] 2.[O2] } = K K = (0,300) 2 / { (0,033) 2.(0,163) } = Kalkwater 5 Koolstofdioxide 6 Reagens 7 Ks = 4, (tabel 46) 8 Stel [Ca 2+ ] = x en dus [OH - ] = 2x. Vul de evenwichtsvoorwaarde in: [Ca 2+ ].[OH - ] 2 = Ks 4x 3 = 4, waaruit volgt dat x = 0,01055 mol L -1 Dus [Ca 2+ ] = 0,011 mol L -1 en [OH - ] = 0,021 mol L [Ca(OH)2] = 0,01055 mol L -1 0,01055 mol L -1 x 74,09 g mol -1 = 0,78 g L Zie vraag 8 en 9. Wat je na deze paragraaf moet weten / kunnen: Bij het molberekeningen kun je bij evenwichten het beste gebruik maken van een stofbalans. Bij het rekenen aan een verzadigde zoutoplossing maak je gebruik van het oplosbaarheidsproduct. 13

14 8 Chemische industrie 1 Scheidingsmethode Maakt gebruik van verschil in Geschikt voor soort mengsel Filtreren Deeltjesgrootte Suspensie Bezinken, centrifugeren Dichtheid Suspensie Indampen Kookpunt Oplossing Destilleren Kookpunt Oplossing of vloeistof mengsel Extraheren Oplosbaarheid Vaste stof mengsel Adsorptie Chromatografie Aanhechtingsvermogen (adhesie) Oplosbaarheid en aanhechtingsvermogen Geur-, kleur-, smaakstoffen Geur-, kleur-, smaakstoffen 2 Met een lage omzettingsgraad wordt bedoeld, dat weinig beginstof(fen) worden omgezet in reactieproduct(en). De reactie heeft daardoor een lage opbrengst. Een voorbeeld hiervan is een evenwichtsreactie, waarbij het evenwicht sterk aan de linker kant ligt. 3 C2H4 (g) + H2O (g) C2H5OH(g) 4 Alleen het probleem dat het etheen kan zijn verontreinigd met andere gassen. Het is ook niet nodig dat de katalysator wordt teruggewonnen, want deze zit op een drager. Er ontstaan geen bijproducten en het ethanol reageert ook niet verder. 5 Een homogeen proces, omdat het alleen om gassen gaat. 6 Een continu proces kan goed. Omdat de katalysator vastzit op een drager, is er geen scheiding achteraf nodig voor de katalysator. Je moet wel het etheen en het ethanol scheiden om het etheen te kunnen recirculeren. 7 Etheen heeft een veel lager kookpunt dan ethanol en water, doordat deze beiden wel waterstofbruggen kunnen vormen en etheen niet. Destillatie is een geschikte methode Er wordt 40 mol etheen omgezet per uur. Per circulatie wordt er 5 % omgezet: 2 mol etheen dus én 2 mol water. Er zijn 20 circulaties nodig in één uur om 40 mol te kunnen bereiden. Dan wordt er 20 x 38 mol = 760 mol etheen via de recirculatielus teruggevoerd naar de reactor. 14

15 De verhouding etheen : water = 1 : 0,6. Er is dus slechts 24 mol water aanwezig. Daarvan wordt bij iedere circulatie 2 mol omgezet. Met 20 circulaties geeft dat 20 x 22 = 440 mol water die teruggevoerd wordt per uur naar de reactor. Alle omzettingen en recirculaties kun je ook weergeven in een stofbalans: reactievergelijking C2H4(g) + H2O(g) C2H6O(g) molverhouding 1,0 : 0,6 voor de reactie + 40 mol + 24 mol 0,0 mol 5,0% omzetting 2,0 mol 2,0 mol + 2,0 mol na de reactie + 38 mol + 22 mol + 2,0 mol 20 recirculaties mol mol + 40 mol Er wordt 40 mol ethanol gevormd. Er zal dus uiteindelijk ook 40 mol etheen en 40 mol water omgezet. Conclusie: er moet 40 mol etheen en 40 mol water worden toegevoegd CH3OH(g) + H2O(g) 3 H2 (g) + CO2 (g) CO (g) + H2O(g) CO2 (g) + H2 (g) 15 hogere snelheid snellere energie overdracht veiliger door kleinere hoeveelheden 16 Er wordt geen zuurstof gebruikt, omdat dat ook met het waterstof kan reageren. 17 Nee, aan een blokschema is niet te zien of het om een continu proces of een batchproces gaat. 18 praktische opbrengst rendement = x 100% theoretische opbrengst (28,00 g / 34,07 g) x 100% = 82,18 % kg / 159,7 kg kmol -1 = 1,25 kmol Fe2O3(s) Fe2O3(s) : 2 Fe(s) = 1 mol : 2 mol Dus ontstaat 2 x 1,25 = 2,50 kmol Fe 2,50 kmol x 55,85 kg kmol -1 = 140 kg Fe ton = kg / 159,7 kg kmol -1 = 1, kmol Fe2O3(s) Fe2O3(s) : 2 Fe(s) = 1 mol : 2 mol Dus ontstaat maximaal 2 x 1, = 2, kmol Fe 2, kmol x 55,85 kg kmol -1 = kg = 112 ton Fe Het rendement is dus (90 / 112) x 100% = 80% 15

16 Wat je na deze paragraaf moet weten / kunnen: Bij chemische technologie draait het om het ontwerp en onderhoud van industriële chemische processen op grote schaal. Bij een batchproces wordt uitgevoerd zoals in een laboratorium, alleen op grote schaal. Alles wordt bijeengevoegd in een reactor bij de juiste omstandigheden. Nadat het zoveel mogelijk heeft gereageerd, wordt het uit de reactor verwijderd en eventueel gezuiverd. Vervolgens kan men de volgende batch (lading) maken. Toepassing vindt plaats bij kleine hoeveelheden product in de fijnchemie en farmaceutische industrie. Bij een continu proces vindt er een constante aanvoer en afvoer van uitgangsstoffen en producten plaats. De niet gereageerde stoffen worden met een recirculatielus teruggevoerd naar de reactor. Toepassing vindt plaats bij grote hoeveelheden product. In een blokschema word het productieproces schematisch weergegeven, waarbij reacties en/of scheidingen in een blok staan en tussen de blokken met lijnen de stofstromen worden aangegeven. In de chemische technologie wordt de 'boekhouding' voor een fabriek bijgehouden in een massabalans en een energiebalans. Het rendement van een chemische proces is de praktische opbrengst gedeeld door de theoretische opbrengt x 100%. 16

17 energie (J) Module 3 Energie en Evenwichten 10 Voorbeeld proefwerkopgaven 1 Proef 3: hoogste verdelingsgraad (poeder) en concentratie (1,0 M). 2 Poeder is fijner verdeeld en heeft daardoor een groter oppervlak. Hierdoor wordt de kans op effectieve botsingen groter. 3 C(s) + H2O(g) CO(g) + H2(g) 4 De koolstof fijner verdelen, hogere concentratie (of druk) waterdamp, hogere temperatuur, katalysator toevoegen. 5 C(s) + H2O(l) CO(g) + H2(g) Δ E 6 De reactie is endotherm (er is warmte voor nodig) en om de reactiesnelheid te vergroten. 7 CO(g) + H2(g) + O2(g) CO2(g) + H2O(l) 8 Watergas is een mengsel van waterstof en koolstofmonooxide. Zowel bij de verbranding van waterstof als koolstofmonooxide komt warmte vrij: exotherm dus. 9 Voor het maken van synthesegas is waterdamp nodig en bij de verbranding van synthesegas komt weer water vrij. Als je beide reacties bij elkaar optelt en links en rechts water, waterstof en koolstofmonooxide wegstreept, blijft alleen de verbranding van koolstof over: C(s) + H2O(g) CO(g) + H2(g) CO(g) + H2(g) + O2(g) CO2(g) + H2O(l) C(s) + H2O(g) + CO(g) + H2(g) + O2(g) CO(g) + H2(g) + CO2(g) + H2O(l) 10 Stikstofmonooxide en stikstofdioxide. 11 De temperatuur is te ver gedaald en de benodigde activeringsenergie te hoog om een evenwicht te laten instellen. 12 Bij afkoelen ontleedt NO. Dit is dus de exotherme reactie, want bij hogere temperaturen wordt juist de endotherme reactie bevoordeeld (de vorming van NO). 13 Een (geschikte) katalysator. 14 { [N2].[O2] } / [NO] 2 = K 17

18 15 Bij een dieselmotor is [O2] groter dan in een benzinemotor. Hierdoor neemt de teller tijdelijk toe. Om weer tot evenwicht te komen de vorming van NO bevoordeeld worden. 16 stofbalans fosgeen koolstofmonooxide + chloor COCl2(g) CO(g) + Cl2(g) voor de reactie + 0,18 mol L tijdens de reactie - 0,080 mol L ,080 mol L ,080 mol L -1 na de reactie + 0,10 mol L ,080 mol L ,080 mol L -1 { [CO].[Cl2] } / [COCl2] = K K = { 0,080 x 0,080 } / 0,10 = 0, Bij verhogen van de druk veranderd K niet (en blijft 0,064). Gegeven: [Cl2] = 0,123 mol L -1 dus ook [CO] = 0,123 mol L -1 Deze gegevens invullen in de evenwichtsvoorwaarde: K = { 0,123 x 0,123 } / [COCl2] = 0,064 Daaruit volgt [COCl2] = 0,237 mol L Bij verkleinen van het volume neemt de druk toe en verschuift het evenwicht naar de kant met het minste (totaal) aantal deeltjes in de gasfase. 19 Er is 30 g 174,3 g mol -1 = 0,172 mol K2SO4(s) opgelost in 0,25 L water. De oplosvergelijking luidt: K2SO4(s) 2 K + (aq) + SO4 2- (aq) Dus [K2SO4] = 0,172 mol / 0,25 L = 0,69 mol L -1. Vul in [K + ] = 1,38 mol L -1 [SO4 2- ] = 0,69 mol L -1 : Ks = [K + ] 2.[SO4 2- ] = 1,38 2 x 0,69 = 1,3 20 Waterstofperoxide H2(g) + O2(g) 2 H2O(l) 22 Ja, want stof X wordt wel gebruikt maar niet verbruikt. 23 bij 1: H2 (en X) bij 2: H2O bij 3: H2O en H2O2 bij 4: O2 (1 en 4 kunnen worden verwisseld) 18

19 Samenvatting Module 3 1 Reactiesnelheid Er zijn verschillende mogelijkheden om de reactiesnelheid te definiëren. Meest gebruikt zijn de volgende eenheden: het aantal mol van een stof dat per seconde wordt omgezet (mol s -1 ) de concentratieverandering van een stof per seconde (mol L -1 s -1 ) De reactiesnelheid hangt af van de volgende vijf factoren: soort stof temperatuur concentratie verdelingsgraad aanwezigheid van een katalysator 2 Botsende deeltjes model De reactiesnelheid is afhankelijk van het aantal effectieve botsingen dat per seconde tussen de deeltjes kan plaatsvinden. Het aantal effectieve botsingen wordt beïnvloed door concentratie, verdelingsgraad en temperatuur. 3 Reactie energie Bij iedere reactie treedt een energie effect op: de reactie energie (Δ E). Bij exotherme reacties heeft Δ E een min teken en bij endotherme reacties heeft Δ E een plus teken. Informatie over reactie energieën kun je vinden in BINAS tabel 56 en 57. De benodigde energie om de bindingen van de beginstof(fen) te verbreken noemt men de activeringsenergie (Eact). Deze energie is nodig om de reactie op gang te brengen. Met behulp van een katalysator kan de activeringsenergie worden verlaagd. Een katalysator is een stof die de reactie snelheid vergroot zonder daarbij verbruikt te worden. Energie effecten van een chemische reactie kun je weergeven in een energie diagram. Hierin zet je op het beginniveau de formules van de beginstoffen en bij het eindniveau de formules van de reactieproducten met de coëfficiënten uit de reactievergelijking. 4 Vormingswarmte De vormingswarmte voor een stof is de reactiewarmte van de vorming van één mol stof uit de niet-ontleedbare stoffen. De ontledingswarmte heeft het tegengestelde teken van de vormingswarmte. De vormings- en ontledingswarmten van niet-ontleedbare stoffen zijn nul. De vormingswarmten van een aantal stoffen kan je opzoeken in tabel 57. Met behulp van de vormingswarmte en de wet van behoud van energie kun je de reactiewarmte uitrekenen (Wet van Hess). 5 Evenwichtsreacties Sommige reacties zijn omkeerbaar. Wanneer twee omkeerbare reacties gelijktijdig gaan verlopen spreken we van een evenwichtsreactie. Bij een chemisch evenwicht is de reactie snelheid naar rechts (s1) gelijk aan de reactie snelheid naar links (s2), oftewel s1 = s2. Bij een chemisch evenwicht veranderen de concentraties van de stoffen niet en blijven dus constant. Bij een homogeen evenwicht vindt de reactie in dezelfde fase plaats. Bij een heterogeen evenwicht zijn de stoffen in meerdere fasen aanwezig. De ligging van een evenwicht hangt alleen af van de temperatuur. Toevoeren van energie is in het voordeel van de endotherme reactie. Een evenwicht kan aflopend gemaakt worden door een stof voor of na de pijl te onttrekken aan het evenwicht. Een chemisch productie proces kun je weergeven in een blokschema. 6 De evenwichtsvoorwaarde In de evenwichtstoestand veranderen de concentraties, waardoor ook de concentratiebreuk een bepaalde constante waarde heeft, de evenwichtsconstante (K). In tabellenboeken kunnen 19

20 we de waarden van deze evenwichtsconstanten opzoeken, bijvoorbeeld in de tabellen 46, 47, 49, 50 en 51 van BINAS. De waarde van K (die iets zegt over de ligging van het evenwicht) hangt alleen af van de temperatuur. Als de waarde van de concentratiebreuk gelijk is aan de evenwichtsconstante, dan is er sprake van chemisch evenwicht. Deze voorwaarde noemen we de evenwichtsvoorwaarde. In de concentratiebreuk staan de concentraties van de stoffen rechts van de pijl in de teller en de concentraties van de stoffen links van de pijl in de noemer. Verder staan de coëfficiënten uit de reactievergelijking als exponenten bij de concentraties. In de concentratiebreuk staan alleen de concentraties van de stoffen, waarvan de concentratie is te meten, dus met de toestandsaanduiding (g) of (aq). Als je aan een evenwicht stoffen onttrekt of toevoegt, of als je de druk verandert, moet je met behulp van de concentratiebreuk nagaan of er nog sprake van evenwicht. Als de concentratiebreuk niet meer gelijk is aan de evenwichtsconstante, dan is één van de twee reacties in het voordeel. 7 Rekenen aan evenwichten Bij het molberekeningen kun je bij evenwichten het beste gebruik maken van een stofbalans. Bij het rekenen aan een verzadigde zoutoplossing maak je gebruik van het oplosbaarheidsproduct. 8 Chemische industrie Bij chemische technologie draait het om het ontwerp en onderhoud van industriële chemische processen op grote schaal. 9 Batch en continu proces Bij een batchproces wordt uitgevoerd zoals in een laboratorium, alleen op grote schaal. Alles wordt bijeengevoegd in een reactor bij de juiste omstandigheden. Nadat het zoveel mogelijk heeft gereageerd, wordt het uit de reactor verwijderd en eventueel gezuiverd. Vervolgens kan men de volgende batch (lading) maken. Toepassing vindt plaats bij kleine hoeveelheden product in de fijnchemie en farmaceutische industrie. Bij een continu proces vindt er een constante aanvoer en afvoer van uitgangsstoffen en producten plaats. De niet gereageerde stoffen worden met een recirculatielus teruggevoerd naar de reactor. Toepassing vindt plaats bij grote hoeveelheden product. 10 Blokschema, massabalans, energiebalans en rendement In een blokschema word het productieproces schematisch weergegeven, waarbij reacties en/of scheidingen in een blok staan en tussen de blokken met lijnen de stofstromen worden aangegeven. In de chemische technologie wordt de 'boekhouding' voor een fabriek bijgehouden in een massabalans en een energiebalans. Het rendement van een chemische proces is de praktische opbrengst gedeeld door de theoretische opbrengt x 100%. 20