Auteur Laatst gewijzigd Licentie Webadres Dick Naafs 26 May 2016 CC Naamsvermelding 3.0 Nederland licentie http://maken.wikiwijs.nl/77412 Dit lesmateriaal is gemaakt met Wikiwijs Maken van Kennisnet. Wikiwijs Maken is een onderdeel van Wikiwijsleermiddelenplein, hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt, vergelijkt, maakt en deelt.
Inhoudsopgave Nitromusks Heet Biogasfabricage uit afval 99,999999999% zuiver silicium Over dit lesmateriaal Pagina 1
Nitromusks Muskus is een belangrijke geur die onderdeel uitmaakt van vrijwel alle parfums. Al ver voor het begin van onze jaartelling werd er gehandeld in muskus. Door het geringe aanbod was natuurlijke muskus altijd uiterst kostbaar. De belangrijkste geurstof in muskus is muscon, een stof met de molecuulformule C 1 6H 30 O. De structuurformule van muscon is hieronder schematisch weergegeven. Vraag 1. 2p Geef aan of er spiegelbeeldisomeren mogelijk zijn bij muscon. Licht je antwoord toe aan de hand van bovenstaande schematische structuurformule. De productie van synthetische muscon is nooit van de grond gekomen. Het rendement van de voorgestelde bereidingswijzen was steeds erg laag, mede vanwege het grote aantal tussenstappen. Ook kwamen goedkopere vervangers voor muscon beschikbaar: de nitromusks. De nitromusks zijn eenvoudig te bereiden uit goedkope grondstoffen. Zo kan muskxyleen (MX) worden bereid in slechts twee stappen die in figuur 1 zijn weergegeven. In stap 1 uit figuur 1 laat men 1,3-dimethylbenzeen reageren met methylpropeen. Deze omzetting heeft een rendement van 75%. Vervolgens laat men de ontstane stof na zuivering reageren met geconcentreerd salpeterzuur tot MX en water. Deze tweede stap heeft een rendement van 88%. Pagina 2
Vraag 2. 4p Bereken de E-factor voor deze bereiding van MX uit 1,3-dimethylbenzeen. De molaire massa van MX bedraagt 297,3 g mol 1. Neem aan dat bij de zuivering geen stof verloren gaat. MX hecht goed aan textiel, waardoor de geur lang blijft hangen. MX is hydrofoob. Daarom is het opmerkelijk dat MX goed hecht aan bijvoorbeeld katoen. Katoen bestaat vooral uit cellulose. Van katoen is bekend dat het goed water kan binden. Het blijkt dat de binding aan katoen vooral door de in MX aanwezige ~NO 2 groepen plaatsvindt. Met behulp van Lewisstructuren kan worden verklaard waarom MX goed hecht aan katoen. Hieronder zijn een nitrogroep van MX en een gedeelte van een molecuul cellulose schematisch en onvolledig weergegeven. Vraag 3. 3p Geef in een tekening de Lewisstructuur van de nitrogroep van MX en de bovenste OH groep van cellulose. Geef in de tekening formele en partiële ladingen aan. De weergegeven Lewisstructuren moeten voldoen aan de oktetregel. Het bleek dat nitromusks kunnen worden aangetoond in oppervlaktewater en in het vetweefsel van vissen en mensen. Pagina 3
Omdat nitromusks ervan worden verdacht kankerverwekkend te zijn, is het gebruik sterk teruggedrongen. Uit kwalitatief onderzoek aan vissen bleek dat MX wordt opgenomen uit het water via de huid, waarna het zich in het onderhuids vetweefsel ophoopt. Onderzoekers stelden de hypothese op dat MX de huid in beide richtingen kan passeren. Het verdelingsevenwicht van MX in het water en in het vetweefsel kan worden voorgesteld als: Vraag 4. 2p Beschrijf welk onderzoek moet worden uitgevoerd om de hypothese te toetsen. Geef ook aan welke uitkomst van dit onderzoek de hypothese zou bevestigen. Op basis van modelproeven leidden de onderzoekers af dat de waarde van de evenwichtsconstante K van bovengenoemd evenwicht ongeveer 4 10 3 moest bedragen. Om deze waarde te toetsen, werd een kwantitatief onderzoek aan vissen uitgevoerd. In een aquarium werden vissen blootgesteld aan een constant gehalte MX van 22,5 nanogram MX per liter. Men stelde vast dat [MX (vet) ] in het vetweefsel van de vissen aanvankelijk snel steeg, maar zich na enige tijd stabiliseerde bij 105 microgram MX per liter vet. Vraag 5. 2p Ga met behulp van een berekening na of deze waarde redelijk in overeenstemming is met de voorspelde waarde van K. Pagina 4
Heet Voor het snijden van ijzeren voorwerpen zoals spoorrails worden snijbranders gebruikt. In een snijbrander wordt vrijwel altijd acetyleen (ethyn, C 2 H 2 ) gebruikt in combinatie met zuivere zuurstof. Met deze ethyn-zuurstofvlam kan een vlamtemperatuur van ruim boven het smeltpunt van ijzer worden bereikt. Andere koolwaterstoffen zoals ethaan (C 2 H 6 ) zijn onbruikbaar voor het snijden van ijzer door een te lage vlamtemperatuur. De temperatuur die een vlam maximaal kan bereiken, hangt vooral af van twee factoren:? de reactiewarmte van de verbranding van de brandstof;? welke verbrandingsproducten ontstaan en in welke hoeveelheden. Als aangenomen wordt dat ethyn volledig verbrandt, ontstaan koolstofdioxide en waterdamp. Wanneer verlies van energie naar de omgeving wordt verwaarloosd, wordt de vrijkomende energie uitsluitend gebruikt om koolstofdioxide en waterdamp te verwarmen. Met behulp van de reactiewarmte van de verbranding (de verbrandingswarmte) van ethyn en de soortelijke warmtes van koolstofdioxide en water kan de temperatuurstijging van het gasmengsel berekend worden. Bij volledige verbranding van ethyn zou de maximale temperatuur van de vlam boven 7 10 3 K liggen. De soortelijke warmte van een stof kan worden gedefinieerd als het aantal joule dat nodig is om 1 g stof 1 K in temperatuur te laten stijgen. Vraag 6. 4p Laat met behulp van een berekening zien dat bij volledige verbranding van ethyn een temperatuurstijging van meer dan 7 10 3 K wordt bereikt. Neem aan dat alle energie wordt gebruikt om de ontstane waterdamp en koolstofdioxide te verwarmen. Maak onder andere gebruik van de volgende gegevens:? de verbrandingswarmte van ethyn waarbij water als waterdamp vrijkomt, bedraagt 1,26 10 6 J mol 1 ;? de soortelijke warmte van waterdamp bedraagt 2,8 J g 1 K 1 ;? de soortelijke warmte van koolstofdioxidegas bedraagt 1,3 J g 1 K 1. De berekende waarde van de temperatuur van de ethyn-zuurstofvlam is veel hoger dan de Pagina 5
temperatuur die in werkelijkheid gehaald wordt. De grote afwijking tussen de berekende en de gemeten vlamtemperatuur kan worden verklaard uit de chemische eigenschappen van onder andere waterdamp. Als waterdamp wordt verhit, blijkt water namelijk te ontleden in waterstof en zuurstof. In diagram 1 is weergegeven welk percentage van de watermoleculen is ontleed afhankelijk van de temperatuur. Tussen 2000 K en 3500 K is de ontleding van waterdamp een evenwicht. Vraag 7. 4p Geef de evenwichtsvoorwaarde van dit evenwicht en leg met behulp van diagram 1 uit hoe de waarde van de evenwichtsconstante K verandert als de temperatuur stijgt. Uit metingen blijkt dat bij de reactie van ethyn met zuurstof vooral koolstofmonoöxide en waterstof worden gevormd. vraag 8. 3p Bereken de reactiewarmte per mol ethyn van de reactie waarbij ethyn met zuurstof reageert tot koolstofmonoöxide en waterstof. Gebruik Binas-tabel 57. Op basis van de aanname dat de verbrandingsproducten van de ethynzuurstofvlam CO en H 2 zijn, kan worden berekend dat dan een temperatuurstijging van ruim 3 10 3 K bereikt wordt. Pagina 6
De temperatuurstijging die kan worden bereikt met een ethaanzuurstofvlam, waarbij ook CO en H 2 ontstaan, is lager dan van de ethynzuurstofvlam. Dit wordt onder andere veroorzaakt doordat bij de ethaan-zuurstofvlam meer mol gas moet worden verwarmd. Ook is de reactiewarmte lager. HIeronder zijn twee energiediagrammen weergegeven. Hierin zijn de energieniveaus van de niet-ontleedbare stoffen en de reactieproducten al aangegeven. Vraag 9. 3p Maak op de uitwerkbijlage de energiediagrammen voor beide reacties af zodat duidelijk wordt waarom de reactiewarmte van de ethaanzuurstofvlam lager is dan die van de ethyn-zuurstofvlam. Gebruik Binas-tabel 57B. Geef in de diagrammen het volgende aan:? de ontbrekende energieniveaus van de beginstoffen;? de molecuulformules en coëfficiënten van de reacties. Pagina 7
Biogasfabricage uit afval Methaan uit aardgas levert in Nederland per jaar ongeveer 1,5 10 18 J aan energie. In 2007 werd in het rapport Vol gas vooruit! het doel gesteld dat op korte termijn 3,0% van deze energie wordt geleverd door biogas. Biogas ontstaat wanneer biomassa door een mengsel van bacteriën wordt afgebroken onder zuurstofarme omstandigheden. De hoofdbestanddelen van biogas zijn koolstofdioxide en methaan. De reactiewarmte bij de verbranding van biogas bedraagt gemiddeld 2,0 10 7 J m 3. Deze energiewaarde kan vooral worden toegeschreven aan het aanwezige methaan. Hieronder is een reactievergelijking voor het totale proces van de vorming van biogas uit biomassa weergegeven. Voor biomassa wordt de verhoudingsformule C c H h O o N n S s gebruikt. C c H h O o N n S s + y H2O? x CH 4 + n NH 3 + s H 2 S + (c-x) CO 2 x = 0,125(4c + h? 2o? 3n + 2s) y = 0,250(4c? h? 2o + 3n + 2s) Een bepaalde fractie biomassa kan worden voorgesteld met de volgende verhoudingsformule: C 38 H 60O 26 N 3. Vraag 10. 5p Bereken hoeveel ton van deze biomassa moet worden vergist tot biogas om bovengenoemde doelstelling te bereiken. Maak onder andere gebruik van de volgende gegevens:? de molaire massa van C38H60O26N3 bedraagt 975 g mol 1 ;? biogas bevat 46 vol% methaan;? het molair volume bedraagt 2,4 10 2 m3 mol 1. Biomassa bestaat voornamelijk uit koolhydraten, vetten en eiwitten. De vorming van biogas uit biomassa gebeurt in vier stappen. Deze stappen verlopen tegelijkertijd. Stap 1: hydrolyse. Tijdens deze stap worden de koolhydraten, eiwitten en vetten met behulp van enzymen buiten de bacteriecellen afgebroken tot suikers, aminozuren, vetzuren en glycerol. De producten van de hydrolyse worden door bacteriën opgenomen. Vraag 11. 4p Geef de reactievergelijking in structuurformules voor de hydrolyse van het eiwitfragment ~ Ala Ser Met tot ~ Ala en de losse aminozuren. Stap 2: verzuring. De in stap 1 gevormde stoffen worden in de bacteriën omgezet tot zuren en alcoholen. Hierbij ontstaan tevens waterstof en koolstofdioxide. Als bijproducten worden ammoniak en waterstofsulfide (H 2 S) gevormd. Pagina 8
Vraag 12. 2p Geef aan uit welke soort(en) stof(fen) die na stap 1 aanwezig zijn in het reactiemengsel, ammoniak en waterstofsulfide kunnen worden gevormd. Licht je antwoord toe. Stap 3: azijnzuurvorming. Zogenoemde azijnzuurvormende bacteriën zetten de in stap 2 gevormde zuren en alcoholen met water om tot ethaanzuur en waterstof. Als in een zuur of alcohol een oneven aantal C atomen aanwezig is, ontstaat hierbij tevens CO 2. Bij een even aantal C atomen ontstaat geen CO 2. De reacties in stap 3 kunnen worden voorgesteld als evenwichtsreacties. Vraag 13. 3p Geef de reactievergelijking voor de omzetting van hexaanzuur in stap 3. In stap 4 wordt door methaanvormende bacteriën ten slotte methaan en CO 2 gevormd. Hierbij verbruiken ze het in stap 2 gevormde waterstof. In sommige bronnen van biomassa, zoals havenslib, zijn veel sulfaationen aanwezig. De aanwezigheid van sulfaat-afbrekende bacteriën in een reactor kan dan de methaanproductie verminderen. Deze bacteriën verbruiken namelijk het aanwezige waterstof om sulfaationen om te zetten tot H 2 S. De vergelijking van de halfreactie van het sulfaation is hieronder weergegeven. SO 4 2 + 10 H + + 8 e? H 2 S + 4 H 2 O Vraag 14. 2p Leid met behulp van de vergelijkingen van de halfreacties de totale reactievergelijking af voor deze bacteriële omzetting van SO4 2 tot H2S. Gebruik Binas-tabel 48. Het gevormde H 2 S en het tevens aanwezige HS zijn bij een hoge concentratie giftig voor de methaanvormende bacteriën. Om het remmende effect van H 2 S en HS op de methaanproductie te onderzoeken werd in een laboratoriumopstelling de methaanproductie van methaanvormende bacteriën bepaald na toevoeging van verschillende hoeveelheden Na 2 S. Dit experiment werd uitgevoerd bij drie ph-waarden, die met behulp van buffers werden ingesteld. De overige omstandigheden werden constant gehouden. In diagram 1 is het resultaat van de metingen weergegeven. Pagina 9
Bij de gebruikte ph-waarden worden de opgeloste S 2- ionen volledig omgezet tot H 2 S en HS. In de oplossing stelt zich het volgende evenwicht in: Vraag 15. 3p Leg met behulp van diagram 1 uit welk deeltje de methaanvorming het sterkst remt: H2S of HS. Bij ph = 7,10 is een afname van 50% van de methaanvorming gemeten na het toevoegen van 0,20 g Na 2 S per liter. Berekend kan worden dat dan de concentratie H 2 S 0,041 g L 1 bedraagt. Bij ph = 7,95 is dezelfde afname van de methaanvorming gemeten na het toevoegen van 0,90 g Na 2 S per liter. Hoewel in deze proef meer Na 2 S is toegevoegd, is er toch ongeveer evenveel H 2 S aanwezig als in de genoemde proef bij ph = 7,10. Vraag 16. 5p Bereken hoeveel gram H2S per liter in de reactor bij ph = 7,95 aanwezig is, wanneer 0,90 g Na2S per liter is toegevoegd (T = 298 K, p = p0). Neem aan dat het H2S in de reactor geheel is opgelost in water. Pagina 10
99,999999999% zuiver silicium Chips voor elektronica worden gemaakt van dunne ronde schijven zeer zuiver silicium, wafers genoemd. Het benodigde silicium wordt gewonnen uit de steensoort kwartsiet. Hieruit kan silicium worden verkregen met een zuiverheid van ruim 98%. Dit wordt metallurgical-grade silicium (MGS) genoemd. MGS dient als grondstof voor de bereiding van electronical grade silicium (EGS), dat een zuiverheid heeft van 99,999999999%. Het productieproces van EGS uit MGS staat in de uitwerkbijlage die bij dit examen hoort in een onvolledig blokschema weergegeven. In reactor R1 reageert MGS met HCl. Hierbij wordt het silicium uit MGS omgezet tot SiHCl 3 en waterstof. Het HCl reageert hierbij volledig. Vraag 17. 2p Geef de vergelijking voor de reactie van Si (uit MGS) en HCl tot SiHCl3 en waterstof. Behalve SiHCl 3 en waterstof ontstaan nog allerlei andere reactieproducten in R1. De voornaamste reactieproducten en hun kookpunten staan vermeld in tabel 1. De siliciumverbindingen die in R1 worden gevormd, hebben verschillende kookpunten. Dit kan worden verklaard aan de hand van de sterkte van de bindingen tussen de moleculen. Tussen de moleculen van een aantal van de in tabel 1 genoemde stoffen is een dipool-dipoolbinding aanwezig. Deze binding wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van één of meer polaire Si Cl atoombindingen. Pagina 11
Vraag 18. 2p Leg uit bij welke van de in tabel 1 genoemde siliciumverbindingen dipooldipoolbindingen tussen de moleculen aanwezig zijn in de zuivere stof. Vraag 19. 2p Leg uit welke soort binding(en) tussen de moleculen van de siliciumverbindingen de grootste bijdrage levert (leveren) aan de hoogte van het kookpunt. De in R1 ontstane stoffen AlCl 3, FeCl 2 en FeCl 3 worden in R1 al direct afgevoerd als afval. Het mengsel van gassen en vloeistoffen dat overblijft, wordt in S1 gedestilleerd bij 308 K. In alle destillatiestappen in dit proces komt (komen) de stof(fen) met het laagste kookpunt boven uit de destillatiekolom. In S2 wordt het uit S1 afkomstige mengsel gedestilleerd bij 303 K, waardoor zeer zuiver SiHCl 3 wordt verkregen. In reactor R2 wordt het SiHCl 3 met waterstof weer omgezet tot gasvormig silicium en HCl. In R2 vindt dus de omgekeerde reactie plaats van R1. Het silicium rijpt hierbij op een kristallisatiekern van zeer zuiver silicium. Zo ontstaat een staaf vast silicium (EGS). SiHCl 3 reageert in R2 echter ook met het in R2 gevormde HCl, waarbij SiCl 4 en H 2 ontstaan. In R2 reageert niet al het SiHCl 3 met H 2, waardoor slechts een rendement van 30% wordt behaald. In S3 wordt het gasmengsel afkomstig uit S2 en R2 gebracht. In S3 worden waterstof en HCl gescheiden van de siliciumverbindingen. De siliciumverbindingen worden weer teruggevoerd in het proces. In S4 worden waterstof en HCl van elkaar gescheiden, waarna ze elk worden teruggevoerd in het proces. Het SiCl 4 afkomstig uit S1 wordt niet teruggevoerd in het proces. Pagina 12
In het proces wordt geen H 2 van buiten aangevoerd. Vraag 20. 5p Vul het blokschema aan door in het onderstaande blokschema de ontbrekende pijlen te tekenen. Geef bij alle pijlen de ontbrekende stofstromen aan met de volgende nummers: 1 SiH3Cl 4 SiCl4 2 SiH2Cl2 5 H2 3 SiHCl3 6 HCl Het silicium (EGS) dat volgens dit proces ontstaan is, is nog niet bruikbaar als materiaal voor computerchips. De kristalstructuur bevat nog te veel onregelmatigheden. Een van de meest schadelijke verontreinigingen in silicium voor chips is het element boor. De aanwezigheid van deeltjes boor heeft invloed op de roosteropbouw en de geleidbaarheid van het silicium. Vraag 21. 2p Geef twee aspecten waarom de aanwezigheid van boor gevolgen heeft voor de roosteropbouw van het silicium. Om het gevormde EGS nog verder te zuiveren wordt het omgesmolten via het Czochralski-proces. Men laat een kristal zeer zuiver silicium, de zogeheten kiem, neer op een hoeveelheid gesmolten EGS. Aan het oppervlak van de kiem stolt het silicium. Pagina 13
Door het geheel langzaam omhoog te trekken, ontstaan uiteindelijk lange staven zeer zuiver silicium. Dit silicium is geschikt voor toepassing in computerchips. Het stollingsproces zorgt voor extra zuivering van het silicium. De extra zuivering is te verklaren door de verschillende oplosbaarheden van een onzuiverheid in vast en vloeibaar silicium. Aan het grensvlak tussen vast en vloeibaar silicium stelt zich namelijk een verdelingsevenwicht in. De waarde van de evenwichtsconstante K voor dit verdelingsevenwicht kan worden berekend volgens: Hierin is C s de concentratie in mol L 1 van de onzuiverheid in vast silicium en C l de concentratie van de onzuiverheid in vloeibaar silicium. Voor enkele onzuiverheden in silicium zijn de waarden van K vermeld in tabel 2. Uit tabel 2 is af te leiden hoe groot het gedeelte van een aanwezige verontreiniging is, dat in het vaste silicium terechtkomt. Vraag 22. 2p Leg uit van welk element uit tabel 2 het grootste gedeelte wordt verwijderd uit het silicium als gevolg van het Czochralski-proces. Het silicium dat in het Czochralskiproces wordt ingevoerd, bevat minder dan 1 deeltjes-ppb boor. Eén deeltjes-ppb is één deeltje onzuiverheid per 10 9 deeltjes. Een nadeel van het Czochralskiproces is dat voor een goede kwaliteit van de siliciumstaven, niet al het vloeibare silicium kan worden gekristalliseerd. Dit komt doordat gedurende het proces, de concentratie van de vervuiling in het vloeibare silicium stijgt. Vraag 23. 3p Bereken vanaf welke concentratie in mol L 1 boor in vloeibaar silicium het gehalte boor in de siliciumstaaf boven de 1,0 deeltjes-ppb komt. De dichtheid van vast silicium bij de smelttemperatuur bedraagt 2,2 10 3 kg m 3. Pagina 14
Pagina 15
Antwoorden Vraag 1. 2p Geef aan of er spiegelbeeldisomeren mogelijk zijn bij muscon. Licht je antwoord toe aan de hand van bovenstaande schematische structuurformule. maximumscore 2 Voorbeelden van een juist antwoord zijn:? Het koolstofatoom met de methylgroep is een asymmetrisch koolstofatoom, dus er zijn (twee) spiegelbeeldisomeren.? Het C atoom met de CH3 heeft 4 verschillende groepen, dus er zijn (twee) spiegelbeeldisomeren. notie dat in muscon een asymmetrisch C atoom voorkomt het juiste C atoom als asymmetrisch aangegeven en conclusie Indien een antwoord is gegeven als Een molecuul muscon heeft geen inwendig spiegelvlak dus er is sprake van spiegelbeeldisomerie maximaal Vraag 2. 4p Bereken de E-factor voor deze bereiding van MX uit 1,3-dimethylbenzeen. De molaire massa van MX bedraagt 297,3 g mol 1. Neem aan dat bij de zuivering geen stof verloren gaat. Maximumscore 4 1 mol 1,3-dimethylbenzeen (C8H10) reageert met 1 mol methylpropeen (C4H8) tot 1 mol (C12H18) reactie 1: 106,16 g (C8H10) + 56,10 g (C4H8) --> 162,26 g (C12H18) Het rendement is 75% dus er ontstaat 0,75 * 162,26 g (C12H18) = 121,70 g (C12H18) 121,70 121,70 g (C12H18) = ---------- = 0,75 mol (C12H18) 162,26 Reactie 1 rendement is 75%: 0,75 mol (C12H18) + 3*0,75 mol HNO3 ---> 0,75 mol MX (C12H15N3O6) Pagina 16
0,75 mol MX = 0,75 * 297,3 g MX 3*0,75 mol HNO3 = 3*0,75*63,01 g HNO3 = 141,77 g HNO3 Reactie 2 rendement is 88%: er ontstaat 0,88 * 0,75 * 297,3 g MX = 196,22 g MX massabeginstoffen= 106,16 g (C8H10) + 56,10 g (C4H8) + 141,77 g (HNO3) = 304,03 g massawerkelijk opbrengst produkt = 196,22 g 304,03 196,22 E-factor = ------------------------= 0,55 196,22 uitgaande van 1 mol methylpropeen, berekening van de massa werkelijke opbrengst product (=MX) : 297,3 (g mol 1 ) vermenigvuldigen met 75(%) en delen door10 2 (%) en vermenigvuldigen met 88(%) en delen door 10 2 (%) berekening van de hiervoor benodigde massa salpeterzuur: de molaire massa van salpeterzuur (bijvoorbeeld via Binas-tabel 98: 63,013 g mol 1 ) vermenigvuldigen met 75(%) en delen door 10 2 (%) en vermenigvuldigen met 3 berekening van de massa beginstoffen : de molaire massa van 1,3-dimethylbenzeen (via Binastabel 99: 106,2 g mol 1 ) optellen bij de molaire massa van methylpropeen (via Binas-tabel 99: 56,10 g mol 1 ) en optellen bij de gevonden massa salpeterzuur rest van de berekening: de massa werkelijke opbrengst product aftrekken van de massa beginstoffen en de uitkomst delen door de massa werkelijke opbrengst product of uitgaande van de vorming van 1 mol MX, berekening van de benodigde massa 1,3- dimethylbenzeen en methylpropeen: de molaire massa van 1,3-dimethylbenzeen (via Binas-tabel 99: 106,2 g mol 1 ) optellen bij de molaire massa van methylpropeen (via Binas-tabel 99: 56,10 g mol 1 ) en de uitkomst vermenigvuldigen met 10 2 (%) en delen door 88(%) en vermenigvuldigen met 102(%) en delen door 75(%) berekening van de voor de vorming van 1 mol MX benodigde massa salpeterzuur: de molaire massa van salpeterzuur (bijvoorbeeld via Binas-tabel 98: 63,013 g mol 1 ) vermenigvuldigen met 10 2 (%) en delen door 88(%) en vermenigvuldigen met 3 berekening van de massa beginstoffen : de berekende massa 1,3-dimethylbenzeen en methylpropeen optellen bij de berekende massa salpeterzuur rest van de berekening: de massa werkelijke opbrengst product (= de massa van 1 mol MX) aftrekken van de massa beginstoffen en hetresultaat delen door de massa werkelijke opbrengst product Opmerking Wanneer in de berekening is uitgegaan van het uitgangspunt dat water niet als afvalstof hoeft te worden beschouwd, leidend tot de uitkomst dat de E-factor 0,37 bedraagt, dit goed rekenen. Pagina 17
Vraag 3. 3p Geef in een tekening de Lewisstructuur van de nitrogroep van MX en de bovenste OH groep van cellulose. Geef in de tekening formele en partiële ladingen aan. De weergegeven Lewisstructuren moeten voldoen aan de oktetregel. Maximumscore 3 - in nitrogroep reken je de helft van de elektronen N=O binding bij N en de helft bij O, Zo ook in de binding N-O en de binding C-N. Dit betekent dat N vier elektronen levert aan de gemeenschappelijke bindingen. Het N-atoom heeft 5 elektronen in de buitenste schil. De lading is dus +. Het ene zuurstofatoom (van de N=O binding) heeft 6 elektronen om zich heen, dus neutraal want een zuurstofatoom heeft 6 elektronen in de buitenschil. Het andere zuurstofatoom ( van de N-O binding) heeft 7 elektronen om zich heen er is dus 1-. - zuurstof is elektronegatiever dan waterstof. dus heeft een zuurstofatoom in de -OH groep een lading van en het waterstofatoom heeft de lading. juiste Lewisstructuur van de nitrogroep juiste Lewisstructuur van de bovenste OH groep van cellulose de formele en partiële ladingen juist weergegeven Pagina 18
Opmerkingen? Wanneer in het antwoord ook nog een? op het O-atoom in de N=O groep is weergegeven, dit niet aanrekenen.? Wanneer een juiste waterstofbrug is getekend, dit niet beoordelen. Vraag 4. 2p Beschrijf welk onderzoek moet worden uitgevoerd om de hypothese te toetsen. Geef ook aan welke uitkomst van dit onderzoek de hypothese zou bevestigen. maximumscore 2 Een voorbeeld van een juist antwoord is: Houd vissen die al MX (in het vetweefsel) hebben opgenomen in water met een lagere [MX (aq)] / zonder MX en meet na enige tijd weer de [MX (vet)]. In het geval van een evenwicht zou [MX (vet)] moeten dalen. notie dat vissen die al MX hebben opgenomen, in water met een lagere [MX (aq)] / zonder MX moeten worden gehouden notie dat [MX (vet)] moet dalen Opmerking Wanneer een antwoord is gegeven als: Men moet (meerdere keren) een andere concentratie MX in het water kiezen en [MX] in het vetweefsel meten. In geval van een evenwicht moet K steeds dezelfde waarde hebben, dit goed rekenen. Vraag 5. 2p Ga met behulp van een berekening na of deze waarde redelijk in overeenstemming is met de voorspelde waarde van K. maximumscore 2 Een juist antwoord kan als volgt zijn genoteerd: Dat is redelijk in overeenstemming met de voorspelde waarde 4 10 3. juiste evenwichtsvoorwaarde, bijvoorbeeld genoteerd als: Pagina 19
invullen gehalte in gelijke eenheden en conclusie Opmerking Wanneer op basis van een juiste berekening de conclusie wordt getrokken dat de berekende waarde afwijkt van de voorspelde waarde, dit niet aanrekenen. Vraag 6. 4p Laat met behulp van een berekening zien dat bij volledige verbranding van ethyn een temperatuurstijging van meer dan 7 10 3 K wordt bereikt. Neem aan dat alle energie wordt gebruikt om de ontstane waterdamp en koolstofdioxide te verwarmen. Maak onder andere gebruik van de volgende gegevens:? de verbrandingswarmte van ethyn waarbij water als waterdamp vrijkomt, bedraagt 1,26 10 6 J mol 1 ;? de soortelijke warmte van waterdamp bedraagt 2,8 J g 1 K 1 ;? de soortelijke warmte van koolstofdioxidegas bedraagt 1,3 J g 1 K 1. maximumscore 4 Een voorbeeld van een juist antwoord is: C2H2 + 2,5 O2? 2 CO2 + H2O per mol ethyn ontstaat 2 mol CO2 en 1 mol H2O. 2 mol CO2 = 2 * 44,01 g = 88,02 g 1 mol H2O = 18,02 g Stel de temperatuurstijging is opgenomen warmte door CO2: 88,01 * 1,3* opgenomen warmte door H2O: 18,02 * 2,8 * Joule Joule 88,01 * 1,3* Joule + 18,02 * 2,8 * Joule = 1,26.10 6 Joule '164,86' * = 1,26.10 6 1,26.10 6 = ------------ = 7,6.10 3 '164,86 ' De temperatuurstijging is dus groter dan 7.10 3 K kloppende reactievergelijking / per mol ethyn ontstaat 2 mol CO2 en 1 mol H2O Pagina 20
berekening van het aantal J K 1 dat door CO2 is opgenomen: de soortelijke warmte van CO2 vermenigvuldigen met 2 (mol) en met de molaire massa van CO2 (bijvoorbeeld via Binas-tabel 98: 44,010 g mol 1 ) berekening van het aantal J K 1 dat door H2O is opgenomen: de soortelijke warmte van H2O vermenigvuldigen (met 1 (mol) en) met de molaire massa van H2O (bijvoorbeeld via Binas-tabel 98:18,015 g mol 1 ) berekening van de temperatuurstijging: de verbrandingswarmte van 1 mol ethyn vermenigvuldigen met 1 (eventueel impliciet) en de uitkomst delen door de som van het door H2O en CO2 opgenomen aantal J K 1 (en conclusie) Indien een antwoord is gegeven met als uitkomst 7,6 10 3 K, zonder conclusie maximaal 3 punten Opmerkingen? De significantie hier niet beoordelen.? Wanneer de volgende berekening op basis van waarden uit Binas is gegeven, dit niet aanrekenen soortelijke warmte van CO2: 0,82 J.g -1.K -1 i.p.v. 1,3 J.g -1.K -1 soortelijke warmte van H2O: 2,0 J.g -1.K -1 i.p.v. 2,8 J.g -1.K -1. In dat geval is de temperatuurstijging: 1,2.10 4 K Vraag 7. 4p Geef de evenwichtsvoorwaarde van dit evenwicht en leg met behulp van diagram 1 uit hoe de waarde van de evenwichtsconstante K verandert als de temperatuur stijgt. maximumscore 4 Voorbeelden van een juist antwoord zijn:? Uit het diagram blijkt dat bij hogere temperatuur het evenwicht rechts verschuift. De waarde van K neemt dus toe naarmate de temperatuur stijgt. naar waterstof.- Uit het diagram blijkt dat bij hogere temperatuur de druk van p en pzuurstof stijgen (en pwaterdamp daalt). De waarde van K neemt dus toe naarmate de temperatuur stijgt. 2 punten notie dat bij hogere temperatuur de pwaterstof en de pzuurstof stigen en pwaterdamp daalt Pagina 21
conclusie Indien in een overigens juist antwoord de evenwichtsvoorwaarde gegeven maximaal 3 punten is Indien in een overigens juist antwoord de evenwichtsvoorwaarde gegeven maximaal 3 punten Indien in een overigens juist antwoord de evenwichtsvoorwaarde gegeven maximaal 2 punten is is Opmerkingen? Wanneer een antwoord is gegeven als Uit het diagram blijkt dat bij hogere temperatuur de [H2] en de [O2] stijgen en de [H2O] daalt). De waarde van K neemt dus toe naarmate de temperatuur stijgt, dit goed rekenen. - Wanneer een juiste redenering is gegeven op basis van het evenwicht, leidend tot de conclusie dat de waarde van K daalt, dit goed rekenen. vraag 8. 3p Bereken de reactiewarmte per mol ethyn van de reactie waarbij ethyn met zuurstof reageert tot koolstofmonoöxide en waterstof. Gebruik Binas-tabel 57. maximumscore 3 Een juiste berekening leidt tot de uitkomst 4,48 10 5 (J per mol ethyn). C2H2 (g) --> 2 C(s) + H2(g)?E = 2,27 10 5 2 C(s) + O2 (g) --> 2 CO(g)?E = 2( 1,105 10 5 ) ------------------------------------------------------------------ C2H2 + O2? 2 CO + H2?E = 4,48 10 5. juiste reactievergelijking / per mol ethyn ontstaat 2 mol CO juiste verwerking van de vormingswarmtes van ethyn (via Binas-tabel 57B) 2,27 10 5 (J mol 1 ) en van CO (via Binas-tabel 57A) 1,105 10 5 (J mol 1 ) rest van de berekening Indien in een overigens juist antwoord de factor 105 niet is opgenomen maximaal 2 punten Indien een berekening is gegeven, leidend tot het antwoord +4,48 105 (J mol 1 Pagina 22
) maximaal 2 punten Indien een berekening is gegeven, leidend tot de antwoorden +0,06 10 5 (J mol 1 ) of 0,06 10 5 (J mol 1 ) maximaal Opmerking Wanneer voor de berekening van de reactiewarmte een berekening is gegeven als :?E = ( +2,27) + 2 ( 1,105) = 4,48 10 5 (J mol 1 ), dit goed rekenen. Vraag 9. 3p Maak op de uitwerkbijlage de energiediagrammen voor beide reacties af zodat duidelijk wordt waarom de reactiewarmte van de ethaanzuurstofvlam lager is dan die van de ethyn-zuurstofvlam. Gebruik Binas-tabel 57B. Geef in de diagrammen het volgende aan:? de ontbrekende energieniveaus van de beginstoffen;? de molecuulformules en coëfficiënten van de reacties. maximumscore 3 Een juist antwoord kan als volgt zijn weergegeven: Pagina 23
het energieniveau van de beginstoffen van de ethaan-zuurstofvlam weergegeven, lager dan het energieniveau van de niet-ontleedbare stoffen het energieniveau van de beginstoffen van de ethyn-zuurstofvlam weergegeven, hoger dan het energieniveau van de niet-ontleedbare stoffen juiste bijschriften bij de begin- en eindniveaus Opmerking Wanneer een onjuist antwoord op vraag 9 het consequente gevolg is van een onjuist antwoord op vraag 8, dit niet opnieuw aanrekenen. Vraag 10. 5p Bereken hoeveel ton van deze biomassa moet worden vergist tot biogas om bovengenoemde doelstelling te bereiken. Maak onder andere gebruik van de volgende gegevens: Pagina 24
? de molaire massa van C38H60O26N3 bedraagt 975 g mol 1 ;? biogas bevat 46 vol% methaan;? het molair volume bedraagt 2,4 10 2 m3 mol 1. maximumscore 5 Een juiste berekening leidt tot de uitkomst 2,2 10 6 (ton). Zie tekst: Methaan uit aardgas levert in Nederland per jaar ongeveer 1,5 10 18 J aan energie. In 2007 werd in het rapport Vol gas vooruit! het doel gesteld dat op korte termijn 3,0% van deze energie wordt geleverd door biogas. 3,0 3,0 % = ------ * 1,5.10 18 J = 4,5.10 16 J 100 De biogas moet dus 4,5.10 16 J gaan leveren. Zie tekst: De reactiewarmte bij de verbranding van biogas bedraagt gemiddeld 2,0 10 7 J m 3. 1 m 3 biogas levert 2,0.10 7 J 4,5.10 16 4,5.10 16 J wordt geleverd door : ------------ = 2,25.10 9 m 3 biogas 2,0.10 7 Zie gegeven: biogas bevat 46 vol% methaan 46 2,25.10 9 m 3 biogas bevat: ------ * 2,25.10 9 m 3 methaan = 1,035.10 9 m 3 methaan 100 Zie gegeven: het molair volume bedraagt 2,4 10 2 m3 mol 1 1,035.10 9 1,035.10 9 m 3 methaan komt overeen met: --------------- = 4,3125.10 10 mol methaan 2,4.10-2 Hoeveel mol methaan komt overeen met 1 mol biomassa:? Biomassa = C38H60O26N3 c = 35 h=60 0=26 N=3 S=0 x = 0,125(4c + h? 2o? 3n + 2s) x = 0,125(4.35+60-2.26-3.3+ 2.0) x = 0,125*151 = 18,9 975 g biomassa levert 18,9 mol methaan x g biomassa levert 4,3125.10 10 mol methaan x. 18,9 = 975 * 4,3125.10 10 975 * 4,3125.10 10 x = ------------------------ = 2,2.10 12 g biomassa Pagina 25
18,9 1 ton = 10 9 g 2,2.10 12 g biomassa = 2,2.10 3 ton berekening van het ten doel gestelde aantal m 3 biogas: 3,0(%) delen door 10 2 (%) en vermenigvuldigen met 1,5 10 18 (J) en delen door 2,0 10 7 (J m 3 ) berekening van het aantal mol methaan aanwezig in het gevonden aantal m 3 biogas: het aantal m 3 biogas vermenigvuldigen met 46(%) en delen door 10 2 (%) en delen door 2,4 10 2 (m 3 mol 1 ) berekening van x uit de reactievergelijking berekening van het aantal mol biomassa dat nodig is: het gevonden aantal mol methaan delen door x berekening van het benodigde aantal ton biomassa: het aantal mol biomassa vermenigvuldigen met 975 g mol 1 en delen door 10 6 (ton g 1 ) Indien in een overigens juist antwoord de waarde van x niet is berekend met behulp van de gegeven reactievergelijking, maar een gekozen waarde ongelijk aan 1 is. maximaal 4 punten Opmerking Wanneer een berekening is gegeven als: dit goed rekenen. Vraag 11. 4p Geef de reactievergelijking in structuurformules voor de hydrolyse van het eiwitfragment ~ Ala Ser Met tot ~ Ala en de losse aminozuren. maximumscore 4 Een juist antwoord kan als volgt zijn weergegeven: Pagina 26
voor de pijl juiste weergave van de peptidebindingen voor en na de pijl juiste weergave van de restgroepen voor de pijl 2 H2O en na de pijl juiste weergave van de aminogroepen en de zuurgroepen voor en na de pijl het begin van het eiwitfragment weergegeven met indien in een overigens juist antwoord is weergegeven met C-O maximaal 3 punten Opmerkingen? Wanneer de peptidebinding is weergegeven met, dit goed rekenen - Wanneer in een overigens juist antwoord de C/N uiteindes zijn omgewisseld, dit goed rekenen.? Wanneer na de pijl ~Ala is genoteerd in plaats van de volledige structuurformule van ~Ala, dit niet aanrekenen. Vraag 12. Pagina 27
2p Geef aan uit welke soort(en) stof(fen) die na stap 1 aanwezig zijn in het reactiemengsel, ammoniak en waterstofsulfide kunnen worden gevormd. Licht je antwoord toe. maximumscore 2 Voorbeelden van een juist antwoord zijn:? Suikers, vetzuren en glycerol bevatten alleen C, H en O atomen, dus ze (H2S en NH3) zijn gevormd uit aminozuren.? Aminozuren zijn de enige stoffen die S en N atomen bevatten. Indien een antwoord is gegeven als: Eiwitten, want eiwitten zijn de enige stoffen die S en N atomen bevatten maximaal Indien een antwoord is gegeven als: Aminozuren maximaal Vraag 13. 3p Geef de reactievergelijking voor de omzetting van hexaanzuur in stap 3. maximumscore 3 C6H12O2/CH3(CH2)4COOH links van het evenwichtsteken en C2H4O2/CH3COOH rechts van het evenwichtsteken en C balans juist H2O links van het evenwichtsteken en H2 rechts van het evenwichtsteken en O balans juist bij juiste stoffen voor en na de pijl de H balans juist Image not found or type unknown Indien een reactievergelijking is gegeven als maximaal 2 punten Opmerkingen? Wanneer in een overigens juist antwoord in plaats van een evenwichtsteken een reactiepijl is gebruikt, dit goed rekenen.? Wanneer een juist antwoord in structuurformules is weergegeven, dit goed rekenen. Vraag 14. 2p Leid met behulp van de vergelijkingen van de halfreacties de totale reactievergelijking af voor deze bacteriële omzetting van SO4 2 tot H2S. Gebruik Binas-tabel 48. maximumscore 2 H2? 2 H + + 2 e ( 4) SO4 2 + 10 H + + 8 e? H2S + 4 H2O ( 1) Pagina 28
------------------------------------------------------------ 4 H2 + SO4 2 + 2 H +? H2S + 4 H2O juiste vergelijking van de halfreactie van H2 juiste optelling van beide vergelijkingen van de halfreacties en wegstrepen van H + voor en na de pijl Indien slechts een antwoord is gegeven als 5 H2 + SO4 2? H2S + 4 H2 O 0 punten Vraag 15. 3p Leg met behulp van diagram 1 uit welk deeltje de methaanvorming het sterkst remt: H2S of HS. maximumscore 3 Een juist antwoord kan als volgt zijn geformuleerd: Uit het diagram blijkt dat (bij gelijke hoeveelheden Na2S) het proces meer wordt geremd bij lagere ph. In een oplossing met lagere ph is meer H3O + aanwezig. In een oplossing bij lagere ph zal het evenwicht tussen H2S en HS dus meer verschuiven in de richting van H2S. Dus H2S remt de methaanvorming het sterkst. notie dat uit het diagram blijkt dat (bij gelijke hoeveelheden Na2S) het proces meer wordt geremd bij lagere ph notie dat het evenwicht tussen H2S en HS bij lagere ph verschuift in de richting van H2 S conclusie Indien een antwoord is gegeven als: Uit het diagram blijkt dat (bij gelijke hoeveelheden Na2S) het proces meer wordt geremd bij lagere ph. In een oplossing met lagere ph is meer H3O + aanwezig. Deze H3O + is ontstaan doordat (het zuur) H 2S veel H + heeft afgestaan. Er is dus meer HS aanwezig dan H2S. Dus HS remt de methaanvorming het sterkst maximaal 2 punten Vraag 16. 5p Bereken hoeveel gram H2S per liter in de reactor bij ph = 7,95 aanwezig is, wanneer 0,90 g Na2S per liter is toegevoegd (T = 298 K, p = p0). Neem aan dat het H2S in de reactor geheel is opgelost in water. maximumscore 5 Voorbeeld van een juiste berekening is: Pagina 29
Uitleg: ph = 7,95 [H3O + ] = 10 -ph = 10-7,95 = '1,12,10-8 ' 0,90 0,90 g Na2S = -------- mol Na2S = '0,0115' mol Na2S 78,04 Stel dat in oplossing x mol H2S/L bevat dat is de [HS - ] = '0,015 ' - x mol/l Dit allemaal toegepast in de evenwichtsvoorwaarde: '1,12.10-8 ' * '0,0115'- x 8,9.10-8 = ----------------------------------- 8,9.10-8 x = 1,288.10-10 - 1,12.10-8 x 1,002.10-7 x = 1,288.10-10 1,288.10-10 x = ---------------- = 1,2.10-3 1,002.10-7 x 1,2.10-3 mol H2S/L = 1,2.10-3 * 34,081 g H2S/L = 4,4.10-2 g H2S/L berekening van de [H3O + ]: 10 ph juiste evenwichtsvoorwaarde, bijvoorbeeld genoteerd als: reeds gedeeltelijk ingevuld) eentueel uitwerken van de berekening tot (eventueel impliciet) en omwerken naar het Pagina 30
aandeel H2S van de totale molariteit S : S [H2S] = 1/8,93 deel van de totale molariteit berekening van de totale molariteit S (is gelijk aan het aantal mol Na2S per liter): 0,90 (g) delen door de molaire massa van Na2S (bijvoorbeeld via Binas-tabel 98: 78,045 g mol 1 ) berekening van het aantal g H2S per liter: het gevonden aandeel H2S vermenigvuldigen met de gevonden totale molariteit S en met de molaire massa van H2S (bijvoorbeeld via Binas-tabel 98: 34,081 g mol 1 ) of berekening van de [H3O + ]: 10 ph juiste evenwichtsvoorwaarde, bijvoorbeeld genoteerd als: reeds gedeeltelijk ingevuld) eventueel berekening van het aantal mol Na2S per liter: 0,90 (g) delen door de molaire massa van Na2S (bijvoorbeeld via Binas-tabel 98: 78,045 g mol 1 ) notie dat in de Kz de [H2S] op x gesteld kan worden en [HS ] op het aantal mol Na2S x en uitwerken van x berekening van het aantal g H2S per liter: x vermenigvuldigen met de molaire massa van H2S (bijvoorbeeld via Binas-tabel 98: 34,081 g mol 1 ) Vraag 17. 2p Geef de vergelijking voor de reactie van Si (uit MGS) en HCl tot SiHCl3 en waterstof. maximumscore 2 Si + 3 HCl? SiHCl3 + H2 uitsluitend Si en HCl voor de pijl en uitsluitend SiHCl3 en H2 na de pijl bij juiste stoffen voor en na de pijl juiste coëfficiënten Vraag 18. Pagina 31
2p Leg uit bij welke van de in tabel 1 genoemde siliciumverbindingen dipooldipoolbindingen tussen de moleculen aanwezig zijn in de zuivere stof. maximumscore 2 Een voorbeeld van een goed antwoord is: (De Si Cl binding is een polaire atoombinding (verschil in elektronegativiteit tussen Si en Cl: 1,7 en 2,8 = 1,1) en de Si H binding is geen polaire atoombinding (verschil in elektronegativiteit tussen Si en H: 1,7-2,1 = 0,40) Het siliciumatoom in deze stoffen heeft een 4 omringing/ tetraëderstructuur. Bij SiHCl3, SiH2Cl2 en SiH3Cl valt het centrum van de partiële ladingen op de chlooratomen niet samen met de partiële lading op het siliciumatoom (en bij SiCl4 wel). Tussen moleculen SiHCl3, SiH2 Cl2 en SiH3Cl zijn dus dipool-dipoolbindingen aanwezig. notie dat het siliciumatoom in deze stoffen een 4 omringing / tetraëderstructuur heeft notie dat de effecten van de polaire bindingen elkaar niet opheffen bij SiHCl3, SiH2Cl2 en SiH3Cl en conclusie 4 Cl is elektronegatiever dan Si. In SiCl vallen de centra van Vraag 19. 2p Leg uit welke soort binding(en) tussen de moleculen van de siliciumverbindingen de grootste bijdrage levert (leveren) aan de hoogte van het kookpunt. maximumscore 2 Een juist antwoord kan als volgt zijn geformuleerd: Bij SiHCl3, SiH2Cl2 en SiH3Cl zijn behalve de vanderwaalsbinding ook dipool-dipoolbindingen aanwezig. Als tussen moleculen een dipooldipoolbinding aanwezig is, geeft dat een verhoging van het kookpunt. Als hier de dipool-dipoolbinding bepalend zou zijn voor de hoogte van het kookpunt, zou het kookpunt van de stof SiHCl3 hoger kunnen zijn dan dat van SiCl4. De kookpunten nemen echter toe naarmate de molecuulmassa toeneemt. Dat wijst erop dat de vanderwaalsbinding bepalend is voor de hoogte van het kookpunt. notie dat stoffen met een dipool-dipoolbinding tussen de moleculen een hoger kookpunt kunnen hebben dan stoffen (met vergelijkbare molecuulmassa) met alleen vanderwaalsbindingen tussen de moleculen notie dat de kookpunten toenemen naarmate de molecuulmassa toeneemt en conclusie Wanneer een onjuist antwoord op vraag 19 het consequente gevolg is van een onjuist antwoord op vraag 18, dit niet opnieuw aanrekenen. Pagina 32
Vraag 20. 5p Vul het blokschema aan door in het onderstaande blokschema de ontbrekende pijlen te tekenen. Geef bij alle pijlen de ontbrekende stofstromen aan met de volgende nummers: 1 SiH3Cl 4 SiCl4 2 SiH2Cl2 5 H2 3 SiHCl3 6 HCl maximumscore 5. uitstroom van 1,2,3,4,5 uit R1 naar S1 en uitstroom van 1,2,3,5 van boven uit S1 (zie tekst: ' Behalve SiHCl3 en waterstof ontstaan nog allerlei andere reactieproducten in R1. De Pagina 33
voornaamste reactieproducten en hun kookpunten staan vermeld in tabel 1. De siliciumverbindingen die in R1 worden gevormd, hebben verschillende kookpunten.' als afval' en ' De in R1 ontstane stoffen AlCl3, FeCl2 en FeCl3 worden in R1 al direct afgevoerd vandaar boven uit R1 1,2,3,4 en 5 Vervolgens zie tekst: 'Het mengsel van gassen en vloeistoffen dat overblijft, wordt in S1 gedestilleerd bij 308 K. In alle destillatiestappen in dit proces komt (komen) de stof(fen) met het laagste kookpunt boven uit de destillatiekolom.' De stoffen 1,2 en 3 hebben.een kookpunt < 308 K en komen met waterstofgas boven uit destillatiekolom S1 en instroom naar S2. uitstroom van 1,2,5 boven uit S2 naar buiten en naar S3 en uitstroom van 3 onder uit S2. zie tekst: ' In S2 wordt het uit S1 afkomstige mengsel gedestilleerd bij 303 K, waardoor zeer zuiver SiHCl3 wordt verkregen.' dus 1,2 en 5 boven uit S2 en onderuit S2 komt 3. uitstroom van 5,6 boven uit S3 en uitstroom van 1,2,3,4 onder uit S3 naar (de instroom van) R1/S1 zie tekst: ' - In reactor R2 wordt het SiHCl3 met waterstof weer omgezet tot gasvormig silicium en HCl. In R2 vindt dus de omgekeerde reactie plaats van R1. Het silicium rijpt hierbij op een kristallisatiekern van zeer zuiver silicium. Zo ontstaat een staaf vast silicium (EGS). - 'SiHCl3 reageert in R2 echter ook met het in R2 gevormde HCl, waarbij SiCl4 en H2 ontstaan. In R2 reageert niet al het SiHCl3 met H2, waardoor slechts een rendement van 30% wordt behaald.' Boven uit uit R2 komt dus 3,4,5 en 6. Instroom in S3: 1,2,3,4,5,6 zie tekst: - ' In S3 wordt het gasmengsel afkomstig uit S2 en R2 gebracht. In S3 worden waterstof en HCl gescheiden van de siliciumverbindingen.' - 'De siliciumverbindingen worden weer teruggevoerd in het proces' Bovenuit S3 komen 5 en 6 Onder uit S3 komen 1,2,3,4 die tussen R1 en S1 weer in het peoces worden geleid. uitstroom van 5 boven uit S4 naar R2 uitstroom van 6 onder uit S4 naar (de instroom in) R1 zie tekst: ' In S4 worden waterstof en HCl van elkaar gescheiden, waarna ze elk worden teruggevoerd in het proces. Pagina 34
dit betekent 5 uit S4 naar R2 EN EEN DEEL VAN 5 WORDT AFGEVOERD!* dit betekent dat 6 uit S4 naar de instroom van HCL voor R1 wordt gevoerd.* * Waarom moet je HCl aan het proces worden toegevoerd? In R1: Si(MGS) + 3 HCl --? SiHCl3 + H2 1 mol SiHCl3 komt overeen met 1 mol H2 In R2: SiHCl3 + H2 --> Si + 3 HCl (rendement 30%) Nevenreactie: SiHCl3 + HCl --> SiCl4 + H2 In R1 wordt per mol SiHCl3 3 mol HCl gebruikt. In R2 wordt slechts een deel van HCl teruggevormd. Tevens wordt er HCl gebruikt voor de nevenreactie, terwijl het gevormd SiCl4 na ar teruglieden in S1 wordt afgevoerd. Conclusie: Er met dus HCl aan het productieproces worden toegevoerd! Indien uit het antwoord blijkt dat geen HCl van buiten hoeft te worden aangevoerd maximaal 4 punten Opmerking Wanneer in een overigens juist antwoord geen enkele spui is aangegeven of een spui op een andere plek is aangegeven, hiervoor geen scorepunt in mindering brengen. Vraag 21. 2p Geef twee aspecten waarom de aanwezigheid van boor gevolgen heeft voor de roosteropbouw van het silicium. Maximumscore 2 Een voorbeeld van een juist antwoord is: De atoomstraal van B (88 pm) is anders/kleiner dan van Si (117 pm), (waardoor de atomen op andere onderlinge afstand komen te liggen dan in zuiver Si.) Daarnaast heeft Boor covalentie 3 en silicium covalentie 4. (Als een B atoom drie atoombindingen vormt met omringende Si atomen, ontstaan andere bindingshoeken dan in zuiver Si). notie dat B een andere/kleinere atoomstraal heeft dan Si (waardoor de atomen op andere onderlinge afstand komen te liggen dan in zuiver Si) notie dat B een andere covalentie heeft dan Si (waardoor mogelijk andere bindingshoeken in het rooster ontstaan) Vraag 22. 2p Leg uit van welk element uit tabel 2 het grootste gedeelte wordt verwijderd uit het silicium als gevolg van het Czochralski-proces. Pagina 35
Maximumscore 2 Een juist antwoord kan als volgt zijn geformuleerd: Een lage waarde van K betekent dat de concentratie van een element in vast silicium laag is vergeleken bij de concentratie in vloeibaar silicium. Koper heeft de laagste waarde van K, dus zal van koper het grootste gedeelte worden verwijderd uit het silicium. notie dat een lage waarde van K betekent dat de concentratie van een element in vast silicium laag is vergeleken bij de concentratie in vloeibaar silicium conclusie Vraag 23. 3p Bereken vanaf welke concentratie in mol L 1 boor in vloeibaar silicium het gehalte boor in de siliciumstaaf boven de 1,0 deeltjes-ppb komt. De dichtheid van vast silicium bij de smelttemperatuur bedraagt 2,2 10 3 kg m 3. Maximumscore 3 Een juiste berekening leidt tot de uitkomst 1 10 7 (mol L 1 ). 2,2.10 3 1 L Si(s) heeft een massa van 2,2.10 3 kg dat is ----------- mol Si(s) = 78,3 mol Si(s) 10 9 deeltjes Si bevat 1 deeltje B 78,3 28,09 78,3 mol Si(s)/L bevat ---------- mol B(s) /L = 7,83.10-8 mol B(s) /L 10 9 Cs 7,83.10-8 Cl = ------------- = -------------- = 1.10-7 K 8.10-1 omrekening van de dichtheid van silicium naar de molariteit silicium (in zuiver silicium): de dichtheid van Si delen door de molaire massa van Si (via Binas-tabel 99: 28,09 g mol 1 ) berekening van de molariteit boor in vast silicium: de molariteit Si delen door 1,0 10 9 berekening van de molariteit boor in vloeibaar silicium: de molariteit boor in vast Si delen door K Pagina 36
Over dit lesmateriaal Colofon Auteur Dick Naafs Laatst gewijzigd 26 May 2016 om 15:11 Licentie Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding 3.0 Nederlands licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding vrij bent om: het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden. Meer informatie over de CC Naamsvermelding 3.0 Nederland licentie Aanvullende informatie over dit lesmateriaal Van dit lesmateriaal is de volgende aanvullende informatie beschikbaar: Leerniveau VWO 6; Leerinhoud en Scheikunde; doelen Eindgebruiker leerling/student Moeilijkheidsgraad gemiddeld Studiebelasting 3 uur en 0 minuten Trefwoorden 99,999999999% zuiver silicium, acetyleen, biogasfabricage uit afval, ethyn, heet, muscon, nitromusks Pagina 37