Industrie en groene chemie (Scheikunde havo), les 2: Examentraining

• newEditor
• Scheikunde
• Middelbare school
• havo
• Leerjaar 4,5

Introduction

Leerlingen oefenen met acht examenvragen: een blokschema lezen, atoomeconomie en E-factor berekenen, een keuze toelichten en een proces beoordelen.

Chemiecomplex Chemelot in Sittard-Geleen, vanuit de lucht (foto: NED2011, CC BY 3.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Examentraining

Industrie en groene chemie: zo pak je examenvragen aan

Les 2 van 3. Laat leerlingen in tweetallen overleggen bij de open vragen. Image credit: NED2011 / Wikimedia Commons, CC BY 3.0

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Wat ga je kunnen?

Ik kan een blokschema lezen, atoomeconomie en E-factor berekenen en een keuze in een proces toelichten.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Zo pak je een examenvraag aan

• 1. Lees: wat is het proces, welke gegevens en welke vraag staan er?

• 2. Zoek: volg de stofstromen in het schema of schrijf de reactievergelijking op.

• 3. Reken of redeneer: gebruik de formule of noem keuze, effect en afweging.

• 4. Controleer: eenheden, afronding en of je antwoord bij de vraag past.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Vraagtype 1: een blokschema lezen

• Het schema hoort bij de synthese van methanol: CO + 2 H₂ → CH₃OH.

• Elk blok is een apparaat, elke genummerde pijl een stofstroom.

• Volg per pijl welke stoffen erlangs gaan en waar ze heen gaan.

Syllabus T1.2 en T1.1 (blokschema, stofstromen, recirculatie). Vergelijking gecontroleerd: links C 1, O 1, H 4; rechts C 1, O 1, H 4.

Welke stoffen stromen door pijl 3?

A

Methanol, op weg naar de opslag

B

Onomgezet CO en H₂, terug naar de reactor

C

Afval, op weg naar de verbranding

D

Alleen water dat de scheider verlaat

Syllabus T1.1 (recirculatie). Pijl 3 loopt van de scheider terug naar de ingang: dat is onomgezette beginstof. Verwachte fout: het product kiezen, dat verlaat het proces via pijl 4. Image credit: Eigen figuur

Pijl 3 wordt afgevoerd als afval. Wat is het gevolg?

A

De atoomeconomie van de reactie daalt

B

Er ontstaat minder afval

C

Er is meer grondstof nodig per kg methanol

D

De scheider heeft minder werk

Syllabus T1.1 en T1.4. Zonder recirculatie gaat onomgezette beginstof verloren, dus meer grondstof en meer afval per kg product. De atoomeconomie volgt uit de reactievergelijking en verandert niet. Verwachte fout: de atoomeconomie kiezen. Image credit: Eigen figuur

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Vraagtype 2: atoomeconomie en E-factor

• Vergisting van glucose: C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂. Gewenst product: ethanol.

• Molaire massa's: glucose 180,16; ethanol 46,07; koolstofdioxide 44,01 g mol⁻¹.

• Atoomeconomie = massa gewenst product / massa alle beginstoffen × 100%.

• E-factor = massa afval / massa gewenst product. De rest van de beginstoffen is afval.

Syllabus T1.5. Vergelijking gecontroleerd: links C 6, H 12, O 6; rechts C 4 + 2, H 12, O 2 + 4. De formules staan in een examenvraag bij de vraag.

Wat is de atoomeconomie van deze vergisting voor ethanol?

A

51,1%

B

25,6%

C

48,9%

D

67,7%

2 × 46,07 = 92,14 g ethanol (92,136). Beginstoffen: 180,16 g glucose. 92,14 / 180,16 × 100% = 51,1%. Controle: de CO₂ is 2 × 44,01 = 88,02; 92,14 + 88,02 = 180,16. 25,6% komt van de coëfficiënt 2 vergeten (46,07 / 180,16), 48,9% is het deel dat CO₂ wordt (88,02 / 180,16), 67,7% komt van 92,14 / (92,14 + 44,01).

2,0 ton beginstoffen geeft 0,80 ton ethanol. E-factor?

Afval = 2,0 − 0,80 = 1,2 ton. E-factor = 1,2 / 0,80 = 1,5 (twee significante cijfers). Controle: 1,5 × 0,80 = 1,2. Verwachte fouten: 2,5 (2,0 / 0,80, delen door de beginstoffen) en 0,67 (0,80 / 1,2, breuk omgedraaid).

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Vraagtype 3: een keuze toelichten

• Een toelichting heeft drie delen: de keuze, het effect en de afweging.

• Voorbeeld: een katalysator laat de reactie bij lagere temperatuur snel genoeg gaan, dus is er minder energie nodig.

• Noem ook een nadeel of een beperking als de vraag om een afweging vraagt.

Syllabus T1.3 en T1.4 (reactieomstandigheden, ondermaat/overmaat, kwalitatieve energiebeschouwing).

Beginstof A is goedkoop, B is duur. De fabriek neemt A in overmaat. Waarom?

A

De atoomeconomie van de reactie stijgt

B

De dure beginstof reageert bijna volledig

C

Er blijft na de reactie niets over

D

De reactie geeft dan meer warmte af

Syllabus T1.4 (ondermaat/overmaat). Met overmaat A reageert vrijwel alle B. Er blijft wel A over, dat is te scheiden en terug te voeren. De atoomeconomie volgt uit de vergelijking en verandert niet. Verwachte fout: kiezen dat er niets overblijft.

Een katalysator laat het proces bij lagere temperatuur lopen. Groen voordeel?

A

Er ontstaan geen nevenreacties meer

B

Het rendement wordt altijd 100%

C

De beginstoffen worden hernieuwbaar

D

Er is minder energie nodig

Syllabus T1.3 en T1.4 (reactieomstandigheden, energie). Lagere temperatuur betekent minder verwarmingsenergie. Een katalysator geeft geen garantie op 100% rendement of het verdwijnen van alle nevenreacties.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Vraagtype 4: een proces beoordelen

• Bij een beoordeling gebruik je gegevens: atoomeconomie, E-factor, grondstof, energie en afval.

• Atoomeconomie volgt uit de reactievergelijking, de E-factor uit wat er in de fabriek echt gebeurt.

• Recycling en recirculatie lijken op elkaar, maar recirculatie blijft binnen één proces.

Syllabus T1.4, T1.5 en T1.6. Vraagtype uit het examen: een gegeven proces beoordelen op groene chemie en een voorstel doen voor aanpassing.

De atoomeconomie is 100%, maar de E-factor is 3,0. Hoe kan dat?

A

In de praktijk ontstaat afval door nevenreacties en onvolledige omzetting

B

Atoomeconomie en E-factor meten dezelfde afval, dus dit kan niet

C

Een hoge atoomeconomie betekent altijd een laag rendement

D

De E-factor gaat alleen over energiegebruik

Syllabus T1.5. Atoomeconomie kijkt alleen naar de vergelijking, de E-factor naar al het afval in de praktijk, ook door nevenreacties, onvolledige omzetting en hulpstoffen. De afleiders zijn typische misvattingen: de twee grootheden zijn niet gelijk, en E-factor gaat niet over energie.

Oude PET-flessen worden omgesmolten tot korrels voor nieuwe producten. Welk begrip?

A

Recirculatie

B

Nevenreactie

C

Recycling

D

Onvolledige omzetting

Syllabus T1.6 en T1.4 (recycling). Gebruikte producten worden grondstof voor nieuwe. Verwachte fout: recirculatie, maar dat is terugvoeren binnen één proces.

Welk vraagtype vind jij het lastigst?

1

Een blokschema lezen

2

Atoomeconomie en E-factor

3

Een keuze toelichten

4

Een proces beoordelen

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Tips voor op het examen

• Teken of volg bij een blokschema elke stofstroom met je vinger: wat gaat erin, wat komt eruit?

• Reken atoomeconomie altijd met de coëfficiënten uit de kloppende vergelijking.

• Schrijf bij een toelichting de drie delen op: keuze, effect, afweging.