Duurzaamheid en milieu (Scheikunde vwo), les 1: Uitleg

• newEditor
• Scheikunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 4-6

Introductie

Uitleg over duurzaamheid en milieu op vwo-niveau: C/H-verhouding en CO₂ per joule, emissies (CO₂, NOx, SO₂) en broeikaseffect, koolstofkringloop, technieken uit biomassa, koelwater, grenswaarde en calamiteiten, levenscyclus en wereldvraagstukken. Met woordweb, zes controlevragen en twee animaties.

Koeltorens van een centrale: damp stijgt op, de warmte gaat de lucht in (foto: Vsatinet, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · TECHNOLOGIE · DUURZAAMHEID

Duurzaamheid en milieu

Examenstof scheikunde vwo

Les 1 van 3: uitleg. Les 2 is de examentraining, les 3 de terugblik met quiz. Syllabus: T3.1, T4.1, T5.1, T5.2, T6.1 t/m T6.4. Image credit: Vsatinet / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · TECHNOLOGIE · DUURZAAMHEID

Wat ga je kunnen?

Ik kan brandstoffen vergelijken op CO₂ per joule en emissies, technieken uit biomassa beoordelen, gevolgen van een productieproces geven en een keuze met levenscycli beargumenteren.

Waarom is groen bij chemie nooit één simpel antwoord?

Verwacht: biobrandstof, CO₂, uitstoot, afval, recycling, transport, kosten, energie, voedsel. Groepeer na afloop in brandstoffen, milieu en gezondheid, en levenscyclus. Maak duidelijk dat de les steeds vraagt om een afweging met argumenten. Syllabus T5 en T6.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · TECHNOLOGIE · DUURZAAMHEID

C/H-verhouding en CO₂ per joule

• Bij volledige verbranding wordt elk C-atoom CO₂ en waterstof wordt H₂O: alleen koolstof levert CO₂.

• Hoe hoger de C/H-verhouding, hoe meer CO₂ er per joule vrijkomt. Waterstofgas (H₂) geeft geen CO₂.

• Gegeven (J mol⁻¹): C 3,94·10⁵, CH₄ 8,90·10⁵, C₈H₁₈ 5,47·10⁶ en C₂H₅OH 1,37·10⁶.

• CO₂ per MJ = mol CO₂ per mol brandstof ÷ energie per mol. C: 2,54 mol; CH₄: 1,12 mol.

• C₈H₁₈ en C₂H₅OH geven allebei 1,46 mol CO₂ per MJ: per joule geen verschil.

Syllabus T5.2: C/H-verhouding en de relatie met de hoeveelheid CO₂ per joule. De verbrandingswarmtes (Binas/ScienceData) staan als gegeven op de dia. Uitwerking: C: 1 mol CO₂ per 3,94·10⁵ J = 2,54 mol per MJ. CH₄: 1 ÷ 8,90·10⁵ = 1,12 mol per MJ. C₈H₁₈ + 12,5 O₂ → 8 CO₂ + 9 H₂O: 8 ÷ 5,47·10⁶ = 1,46 mol per MJ. C₂H₅OH + 3 O₂ → 2 CO₂ + 3 H₂O: 2 ÷ 1,37·10⁶ = 1,46 mol per MJ. Kijkvraag: waarom geven octaan en ethanol per joule ongeveer evenveel CO₂? Antwoord: ethanol heeft per C-atoom minder H, maar bevat al zuurstof; per mol CO₂ komt bij beide ongeveer evenveel energie vrij. Veelgemaakte fout: denken dat een biobrandstof per joule minder CO₂ geeft bij verbranding. Het voordeel van biobrandstof zit in de kringloop, niet in de verbrandingsreactie.

Animatie (schematisch): bij meer CO₂ keert meer infraroodstraling terug naar de aarde

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · TECHNOLOGIE · DUURZAAMHEID

Emissies: CO₂, NOx en SO₂

• CO₂ komt uit de koolstof van de brandstof. Het houdt infrarode straling vast: het broeikaseffect.

• Meer CO₂ geeft een versterkt broeikaseffect: er keert meer warmtestraling naar de aarde terug.

• NOx (NO en NO₂) ontstaat uit N₂ en O₂ uit de lucht bij hoge temperatuur: N₂ + O₂ → 2 NO.

• SO₂ komt uit zwavel in de brandstof: S + O₂ → SO₂. Aardgas bevat weinig zwavel.

Syllabus T5.2: optredende emissies bij verbranding (CO₂, NOx, SO₂) en het (versterkte) broeikaseffect. Wat te zien: links weinig CO₂ en één van de vier infraroodstippen keert terug, rechts meer CO₂ en drie van de vier. De animatie is schematisch: in werkelijkheid kaatst CO₂ de straling niet terug als een spiegel maar neemt hem op en zendt hem in alle richtingen weer uit. Kijkvraag: wat verandert er in de rechterhelft en wat betekent dat voor de temperatuur van de aarde? Reacties kloppen: N₂ + O₂ → 2 NO (2 N, 2 O); S + O₂ → SO₂. NOx ontstaat ook uit stikstofverbindingen in de brandstof, bijvoorbeeld in steenkool. Voorstel beoordelen: een koelere vlam geeft minder NOx maar meestal een lager rendement. Image credit: Eigen animatie

Animatie: koolstof gaat bij biomassa rond, bij fossiele brandstof komt er CO₂ in de lucht bij

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · TECHNOLOGIE · DUURZAAMHEID

Biomassa en de koolstofkringloop

• Planten leggen CO₂ vast: 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂. Verbranden zet dit koolstof weer vrij.

• Bij biomassa is de kringloop kort: planten haalden die CO₂ kort daarvoor uit de lucht.

• Bij fossiele brandstof komt koolstof uit de ondergrond: de CO₂ in de lucht neemt netto toe.

• Biobrandstof is dus niet CO₂-vrij: teelt, kunstmest en transport kosten ook energie.

Syllabus T5.2: verschil in hoeveelheid CO₂ tussen biobrandstof en fossiele brandstof via de koolstofkringloop. Wat te zien: boven loopt de koolstof rond tussen plant en centrale en blijft de CO₂-balk gelijk; onder komt koolstof uit de ondergrond en stijgt de balk. Kijkvraag: waarom blijft de balk boven gelijk? Reactie fotosynthese klopt: 6 C, 12 H en 18 O aan beide kanten. Veelgemaakte fout: stellen dat biomassa geen CO₂ uitstoot; de uitstoot is er wel, maar de koolstof was recent vastgelegd. Bij hout kan die kringloop tientallen jaren duren, dat komt terug in de training. Image credit: Eigen animatie

Waarom geeft methaan per joule minder CO₂ dan koolstof?

A

De H-atomen leveren energie, maar geen CO₂

B

Methaan verbrandt onvolledig tot CO

C

Methaan bevat meer koolstof per mol

D

Methaan levert minder energie per mol

Bij volledige verbranding levert alleen koolstof CO₂. Methaan (CH₄) en koolstof geven allebei 1 mol CO₂ per mol, maar methaan levert met zijn vier H-atomen 8,90·10⁵ J in plaats van 3,94·10⁵ J: 1,12 tegen 2,54 mol CO₂ per MJ. Verwachte fouten: onvolledige verbranding erbij halen, of denken dat methaan minder energie per mol levert (het is juist meer). Syllabus T5.2.

Vul in

Een fossiele brandstof voegt koolstof uit de ondergrond toe aan de lucht; bij een biobrandstof hebben planten dat koolstof eerst vastgelegd, dus is de kringloop korter.

fossiele

biobrandstof

vastgelegd

uitgestoten

synthetische

Goed: fossiele, biobrandstof, vastgelegd. Verwachte fout: biobrandstof en fossiele brandstof omdraaien. Syllabus T5.2.

Vergistertank van een biogasinstallatie op een boerderij (foto: Florian Gerlach, CC BY-SA 3.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · TECHNOLOGIE · DUURZAAMHEID

Technieken voor energie uit biomassa

• Verbranden: droge biomassa geeft warmte; natte biomassa moet eerst drogen en dat kost energie.

• Vergisten: bacteriën zonder zuurstof maken biogas (CH₄ en CO₂) uit mest en gewasresten.

• Fermenteren: gist maakt ethanol uit suiker: C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂.

• Vergassen: biomassa met weinig zuurstof en stoom geeft synthesegas, een mengsel van CO en H₂.

Syllabus T3.1: redeneren over chemische technieken voor energieproductie uit biomassa op basis van een beschrijving. Wat te zien: een vergistertank van een biogasinstallatie. Kijkvraag: welke techniek past bij natte mest en welke bij droog hout? Antwoord: vergisten bij nat, verbranden of vergassen bij droog. Reactie fermentatie klopt: links 6 C, 12 H en 6 O; rechts 2 × C₂H₆O en 2 × CO₂ geven samen 6 C, 12 H, 6 O. Vergassen is globaal C + H₂O → CO + H₂, een endotherme reactie, dus er is energie nodig om het proces gaande te houden. Veelgemaakte fout: vergisten en fermenteren door elkaar halen. Vergisten geeft een gas uit een mengsel van stoffen, fermenteren geeft ethanol uit suiker. Image credit: Florian Gerlach (Nawaro) / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Hopen houtsnippers van gehakte struiken in Namibië, een vorm van biomassa (foto: GIZ-project, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · TECHNOLOGIE · DUURZAAMHEID

Energie per kilogram

• Energie per kg = energie per mol ÷ molaire massa. Dat bepaalt hoeveel je moet vervoeren.

• C₈H₁₈: 47,9 MJ kg⁻¹. C₂H₅OH: 29,7 MJ kg⁻¹, want ethanol bevat al zuurstof in het molecuul.

• H₂ geeft ruim 140 MJ kg⁻¹, maar een kilogram gas neemt veel ruimte in: opslag is het probleem.

• Natte, ijle biomassa heeft weinig energie per kg: drogen en transport tellen mee in de balans.

Syllabus T5.1: energiegebruik en de verhouding energie/massa; transport van grondstoffen en producten. Uitwerking: C₈H₁₈: 5,47·10⁶ J mol⁻¹ ÷ 0,11422 kg mol⁻¹ = 4,79·10⁷ J kg⁻¹. C₂H₅OH: 1,37·10⁶ ÷ 0,04607 = 2,97·10⁷ J kg⁻¹. H₂: 2,86·10⁵ ÷ 0,002016 = 1,42·10⁸ J kg⁻¹. Kijkvraag: waarom is energie per kg belangrijk bij biomassa die ver vervoerd wordt? Veelgemaakte fout: alleen naar energie per mol kijken zonder de molaire massa mee te nemen. Image credit: GIZ Bush Control and Biomass Utilisation Project / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Koolzaadveld in Surrey (Engeland): de zaden leveren olie voor biodiesel (foto: Doctor spelling, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · TECHNOLOGIE · DUURZAAMHEID

Wat telt mee in de CO₂-balans?

• Tel de hele keten mee: teelt, kunstmest, machines, transport, verwerking en gebruik.

• Kunstmest kost energie bij de productie en kan lachgas (N₂O) vrijmaken, een sterk broeikasgas.

• Bos kappen voor een plantage maakt eerst opgeslagen koolstof vrij: een start met een tekort.

• Land voor energiegewassen is niet beschikbaar voor voedsel. Reststromen scoren vaak beter.

Syllabus T5.1 (afval, grondstofgebruik, milieu-aspecten, transport) en T6.4 (wereldvoedselvoorziening). Wat te zien: een koolzaadveld, een gewas voor biodiesel. Kijkvraag: welke stappen vóór het verbranden kosten energie of geven broeikasgassen? Veelgemaakte fout: een biobrandstof automatisch duurzaam noemen. Een goed antwoord weegt keten, landgebruik en voedsel af. Image credit: Doctor spelling / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Zet op volgorde: bio-ethanol uit suikergewas

1

Suiker vrijmaken uit het gewas

2

Ethanol als brandstof gebruiken

3

Gewas verbouwen en oogsten

4

Gist laat de suiker fermenteren

5

Ethanol uit het mengsel destilleren

Volgorde: teelt en oogst, suiker vrijmaken, fermentatie met gist, destillatie, gebruik. Verwachte fout: destilleren vóór fermenteren zetten. Eerst moet er ethanol gemaakt zijn. Syllabus T3.1.

Koeltorens van een centrale: damp stijgt op, de warmte gaat de lucht in (foto: Vsatinet, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · TECHNOLOGIE · DUURZAAMHEID

Koelwater

• Een fabriek of centrale voert overtollige warmte af met koelwater uit rivier, zee of koeltoren.

• Warm lozen verwarmt het oppervlaktewater: O₂ lost slechter op bij hogere temperatuur.

• Met minder zuurstof en snellere stofwisseling komt het leven in het water onder druk te staan.

• Een koeltoren laat water verdampen: minder warmte naar het water, maar water gaat verloren.

• Warmte: Q = m·c·ΔT, met c = 4,18·10³ J kg⁻¹ K⁻¹ voor water.

Syllabus T4.1: gevolgen van het gebruik van (koel)water. Wat te zien: koeltorens met waterdamp. Kijkvraag: welke gevolgen heeft het lozen van warm koelwater? Verklaring op microniveau: O₂(g) ⇌ O₂(aq) is exotherm naar rechts, dus een hogere temperatuur verschuift het evenwicht naar links en lost er minder zuurstof op. De waarde van c voor water staat in Binas/ScienceData. Veelgemaakte fout: denken dat koeltorens geen water gebruiken. Image credit: Vsatinet / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Voormalige kolencentrale in Bridgeport (Connecticut, VS) met rood-witte schoorsteen (foto: Quintin Soloviev, CC BY 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · TECHNOLOGIE · DUURZAAMHEID

Uitstoot en grenswaarde

• Een grenswaarde is de hoogst toegestane concentratie of uitstoot van een stof.

• Uitstoot per uur = concentratie × volumestroom, bijvoorbeeld mg m⁻³ × m³ h⁻¹.

• Voorbeeld (fictief): 2,0·10⁵ m³ h⁻¹ rookgas met 50 mg SO₂ per m³ geeft 1,0·10¹ kg SO₂ per uur.

• Maatregelen kiezen bij de stof: ontzwavelen, een filter, een koelere vlam of een katalysator.

Syllabus T4.1: uitstoot en grenswaarde. De waarden zijn fictief en dienen om te rekenen. Uitwerking: 2,0·10⁵ × 50 = 1,0·10⁷ mg = 1,0·10¹ kg per uur. Eventueel omrekenen van ppm naar mg per m³ met het molair volume; dat staat dan als gegeven in de opgave. Veelgemaakte fout: mg en kg niet omrekenen, of de concentratie vergelijken met de grenswaarde zonder eenheden gelijk te maken. Image credit: Quintin Soloviev / Wikimedia Commons, CC BY 4.0

Olieraffinaderij Mina Al-Ahmadi (Koeweit) in de nacht, met kolommen vol licht

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · TECHNOLOGIE · DUURZAAMHEID

Risico bij calamiteiten

• Een calamiteit is een ongeluk met grote gevolgen: brand, explosie, lek of uitval van koeling.

• Het risico hangt af van de stof (giftig, brandbaar), de hoeveelheid, de omstandigheden, de omgeving.

• Valt de koeling uit bij een exotherme reactie, dan loopt de temperatuur snel op (op hol geslagen).

• Maatregelen: minder voorraad, afstand tot woonwijken, noodstop, bluswateropvang en een noodplan.

Syllabus T4.1: risico bij calamiteiten voor milieu en gezondheid. Wat te zien: een raffinaderij in de nacht. Kijkvraag: welke gevolgen heeft een lek van een giftig gas of een brand voor mens en milieu? Bluswater en gelekte stoffen kunnen in oppervlaktewater terechtkomen; opvangbassins beperken dat. Veelgemaakte fout: alleen over de kans nadenken. Risico is kans én gevolg. Image credit: Grubb / Wikimedia Commons, publiek domein

Installatie voert 8,4·10⁷ J s⁻¹ af; water mag 5,0 K warmer. Kg water per s?

A

2,0·10⁴ kg

B

4,0·10⁶ kg

C

1,7·10⁸ kg

D

4,0·10³ kg

m = Q ÷ (c·ΔT) = 8,4·10⁷ ÷ (4,18·10³ × 5,0) = 4,0·10³ kg per s (twee significante cijfers). Verwachte fouten: ΔT vergeten (8,4·10⁷ ÷ 4,18·10³ = 2,0·10⁴), c in kJ invullen (4,0·10⁶) en vermenigvuldigen met ΔT (1,7·10⁸). Syllabus T4.1.

Welke maatregel verkleint het risico van een op hol geslagen exotherme reactie?

A

Meer voorraad grondstof in de reactor

B

Noodkoeling en een noodstop in de installatie

C

Koelwater met hogere temperatuur gebruiken

D

Het bluswaterbassin kleiner maken

Noodkoeling en een noodstop voeren warmte af en stoppen de reactie. De andere opties vergroten het risico of de gevolgen. Syllabus T4.1.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · TECHNOLOGIE · DUURZAAMHEID

Levenscyclus en keuzes

• Een levenscyclus loopt van grondstofwinning via productie, transport en gebruik naar afdanking of recycling.

• Vergelijk alternatieven met dezelfde functie, bijvoorbeeld per liter drank die verpakt wordt.

• Per fase tellen afval, energiegebruik en energiebron, grondstoffen, milieu-aspecten, recycling en transport.

• Een voordeel in de ene fase kan een nadeel in een andere geven: een lichtere verpakking is soms lastiger te recyclen.

• Een goed voorstel geeft een keuze met argumenten uit meerdere fasen.

Syllabus T5.1 (vergelijken van processen) en T6.1 en T6.2 (levenscycli, voorstellen voor een keuze tussen alternatieven). Kijkvraag: in welke fase zit de grootste belasting van een product dat lang meegaat? Veelgemaakte fout: alleen de fase met het opvallendste probleem beoordelen. Een product met een zuinige productie kan in de gebruiksfase veel energie kosten.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · TECHNOLOGIE · DUURZAAMHEID

Chemie en wereldvraagstukken

• Chemie draagt bij aan wereldvraagstukken, maar veroorzaakt ook problemen: elke oplossing vraagt een afweging.

• Voedsel: kunstmest en gewasbescherming verhogen de opbrengst. Te veel kunstmest vervuilt grond en water.

• Energie en klimaat: biomassa en accu's helpen bij duurzame energie. CO₂ houdt infrarode straling vast.

• Drinkwater: destilleren en membranen scheiden zout en vervuiling van water.

• Grondstoffen en vervuiling: recycling wint stoffen terug en zuivering haalt afvalstoffen uit afvalwater.

Syllabus T6.3 en T6.4: maatschappelijke betekenis van de chemie en de wereldvraagstukken wereldvoedselvoorziening, duurzame energievoorziening, (drink)watervoorziening, beschikbaarheid van grondstoffen, opwarming van de aarde en vervuiling van de aarde, gerelateerd aan chemische concepten. Elektrolyse van water en de accu staan in het onderwerp Elektrochemische cellen. Kijkvraag: kies een vraagstuk en noem een chemisch concept dat erbij hoort. Veelgemaakte fout: vraagstukken los noemen zonder het concept (bijvoorbeeld scheiden, reactie, recycling) te benoemen.

Noem een product met zware gebruiksfase.

Verwacht: een auto, wasmachine, koelkast of gloeilamp, producten die veel energie gebruiken tijdens het gebruik. Een goed antwoord noemt de gebruiksfase en een reden. Verwachte fout: alleen de productie noemen. Syllabus T6.1.

Wat vond je vandaag het lastigst?

1

CO₂ per joule en C/H-verhouding

2

Technieken uit biomassa

3

Koelwater, uitstoot en calamiteiten

4

Levenscyclus en wereldvraagstukken

Gebruik de uitslag om te bepalen welk onderdeel je nog eens met een voorbeeld doorneemt. Syllabus T3 t/m T6.

Welke duurzame keuze is lastiger dan ze lijkt?

Persoonlijke reflectie, geen goed of fout. Verwacht: biobrandstof, elektrisch rijden, verpakkingen, voedsel. Laat de leerling het koppelen aan een afweging uit de les (keten, land, transport).

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · TECHNOLOGIE · DUURZAAMHEID

Begrippen (1/2)

• biomassa: organisch materiaal van planten en dieren dat als brandstof of grondstof dient

• C/H-verhouding: aantal C-atomen ten opzichte van H-atomen in een brandstof; hoger geeft meer CO₂ per joule

• emissie: uitstoot van stoffen naar lucht, water of bodem, bijvoorbeeld CO₂, NOx en SO₂

• koolstofkringloop: koolstof gaat rond tussen lucht, planten en brandstof

• versterkt broeikaseffect: extra opwarming doordat meer CO₂ meer infraroodstraling vasthoudt

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · TECHNOLOGIE · DUURZAAMHEID

Begrippen (2/2)

• koelwater: water dat overtollige warmte uit een proces afvoert

• grenswaarde: hoogst toegestane concentratie of uitstoot van een stof

• calamiteit: ongeluk met grote gevolgen, zoals brand, explosie of een lek

• levenscyclus: alle fasen van een product, van grondstof tot afval of recycling

• wereldvraagstukken: grote vraagstukken als voedsel, energie, drinkwater, grondstoffen, opwarming en vervuiling