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

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

Introductie

Leerlingen oefenen met acht examenvragen: stofstromen in een blokschema berekenen, atoomeconomie en E-factor uitrekenen, een keuze toelichten en een procesaanpassing beoordelen.

Destillatiekolom (100 m) van een raffinaderij, Keulen, 2014 (foto: Uwe Aranas, CC BY-SA 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: CEphoto, Uwe Aranas / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Wat ga je kunnen?

Ik kan stofstromen en atoomeconomie berekenen, een keuze toelichten en een procesaanpassing beoordelen.

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 of schrijf de kloppende vergelijking op.

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

• 4. Controleer: eenheden, significante cijfers en of de massabalans klopt.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Vraagtype 1: stofstromen berekenen

• Synthese van methanol: CO₂ + 3 H₂ → CH₃OH + H₂O.

• Per uur gaat 1,00 kmol CO₂ en 3,00 kmol H₂ vers de reactor in.

• Per doorgang reageert 25% van elke beginstof; de rest gaat terug via pijl 4.

• Schrijf per stroom op: welke stoffen, hoeveel mol, in welke richting.

Syllabus T1.1, T1.2 en R&A3.1. Vergelijking kloppend: links C 1, O 2, H 6; rechts C 1, H 4 + 2, O 1 + 1. Stationaire toestand: reactor in = vers + recycle; 25% reageert, dus de totale stroom CO₂ de reactor in is 1,00 / 0,25 = 4,00 kmol per uur. De figuur: pijl 2 is de toevoer naar de reactor, pijl 4 het gas dat terugkeert, pijl 5 de vloeistof naar de kolom.

Hoeveel kmol CO₂ stroomt per uur door pijl 2?

A

1,25 kmol

B

4,00 kmol

C

3,00 kmol

D

0,25 kmol

Syllabus T1.2. In de reactor reageert per uur 1,00 kmol CO₂ (alle verse CO₂ wordt uiteindelijk omgezet). Dat is 25% van de stroom door pijl 2, dus 1,00 / 0,25 = 4,00 kmol. Controle: pijl 4 voert 3,00 kmol terug, plus 1,00 vers is 4,00. 1,25 komt van 1,00 × 1,25, 3,00 is alleen de recycle, 0,25 het percentage zelf. Image credit: Eigen figuur

Bereken de massa H₂ in kg die per uur door pijl 4 stroomt.

Reactor in: 3 × 4,00 = 12,0 kmol H₂; reageert 25%, dus 3,00 kmol; terug via pijl 4: 12,0 − 3,00 = 9,00 kmol. M(H₂) = 2,016 g mol⁻¹ (Binas), dus 9,00 kmol × 2,016 kg kmol⁻¹ = 18,1 kg per uur (drie significante cijfers). Controle: 18,1 / 2,016 = 8,98, afgerond 9,00. Verwachte fouten: 6,05 kg (alleen de verse H₂, 3,00 kmol) en 24,2 kg (12,0 kmol, de stroom door pijl 2). Image credit: Eigen figuur

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Vraagtype 2: atoomeconomie en E-factor

• Voor methanol uit CO₂ en H₂ (zelfde reactie): gewenst product is methanol.

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

• E-factor = massa afval / massa gewenst product.

• Reken met coëfficiënten uit de kloppende vergelijking en molaire massa's uit Binas.

Syllabus T2.2. In een examenvraag staan de formules in de tekst bij de vraag. Molaire massa's (Binas): CO₂ 44,01; H₂ 2,016; CH₃OH 32,04; H₂O 18,02 g mol⁻¹.

Wat is de atoomeconomie van de methanolsynthese voor methanol?

A

36,0%

B

69,6%

C

64,0%

D

72,8%

Beginstoffen: 44,01 + 3 × 2,016 = 50,06 g; methanol 32,04 g. 32,04 / 50,06 × 100% = 64,0%. Controle: water 18,02 / 50,06 = 36,0% en 64,0 + 36,0 = 100. 36,0% is het waterdeel, 69,6% komt van 3 × H₂ vergeten (32,04 / 46,03) en 72,8% van alleen CO₂ als beginstof (32,04 / 44,01).

12 kg beginstof geeft 5,0 kg product; 20 kg oplosmiddel wordt afval. E-factor?

A

5,4

B

0,19

C

1,4

D

6,4

Afval = (12 − 5,0) + 20 = 27 kg; E = 27 / 5,0 = 5,4 (twee significante cijfers). Controle: 5,4 × 5,0 = 27. 0,19 is de omgekeerde breuk (5,0 / 27), 1,4 komt van het oplosmiddel vergeten (7 / 5,0) en 6,4 van alle massa in (32 / 5,0) delen door het product.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Vraagtype 3: een keuze toelichten

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

• Voor een scheiding noem je het verschil in stofeigenschap dat je gebruikt.

• Bij reactieomstandigheden weeg je snelheid, opbrengst, nevenreacties, energie en veiligheid af.

Syllabus T1.3 en T2.1 (reactieomstandigheden, nevenreacties, kwalitatieve energiebeschouwing) met R&A2.2 voor het beargumenteren van een scheidingsmethode.

Waarom kies je destilleren om methanol van water te scheiden?

A

Ze mengen niet en verschillen in dichtheid

B

Ze mengen goed en verschillen in kookpunt

C

Ze mengen goed en verschillen in deeltjesgrootte

D

Ze mengen niet en verschillen in kookpunt

Syllabus R&A2.2 en T1.3. Methanol en water mengen volledig, dus bezinken of decanteren werkt niet; destilleren berust op het verschil in kookpunt (Binas). De afleiders combineren een verkeerd mengbaarheidsargument met een verkeerde of juiste eigenschap.

Hogere temperatuur geeft meer product per uur maar ook meer nevenreacties. Afweging?

A

Minder afval, want de reactie verloopt sneller

B

Meer afval, maar altijd een hoger rendement

C

Meer product per uur en minder energiegebruik

D

Meer product per uur, maar meer afval en energie

Syllabus T2.1 (reactieomstandigheden, nevenreacties). Sneller reageren geeft meer product per uur; nevenreacties en verwarmingsenergie kosten afval en energie. De afleiders laten het nadeel weg of beweren iets onjuists over rendement en energie.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Vraagtype 4: een voorstel beoordelen

• Bij een beoordeling noem je het aspect, het effect met gegevens, de afweging en een conclusie.

• Atoomeconomie volgt uit de reactie, de E-factor uit alle afval in de praktijk.

• Recirculatie blijft binnen één proces, recycling is hergebruik na gebruik.

Syllabus T1.1, T2.1 en T2.2 (voorstellen voor aanpassingen beoordelen).

Onomgezette A wordt nu als afval gestort. Voorstel: terugvoeren naar de reactor. Gevolg?

A

E-factor daalt, atoomeconomie blijft gelijk

B

E-factor daalt, atoomeconomie stijgt

C

E-factor blijft gelijk, atoomeconomie stijgt

D

E-factor stijgt, atoomeconomie blijft gelijk

Syllabus T2.2 en T1.1. Minder afval per kg product geeft een lagere E-factor. De atoomeconomie volgt uit de reactievergelijking en verandert niet. Verwachte fout: denken dat de atoomeconomie meestijgt.

Noem een voor- en nadeel van recirculatie.

Voordeel: minder afval en minder grondstof per kg product, hogere benutting van beginstoffen. Nadeel: extra energie voor pompen, scheiden en verwarmen of koelen, grotere installatie. Fout: alleen het voordeel noemen.

Welk vraagtype vind jij het lastigst?

1

Stofstromen berekenen

2

Atoomeconomie en E-factor

3

Een keuze toelichten

4

Een voorstel beoordelen

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · INDUSTRIE · GROENE CHEMIE

Tips voor op het examen

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

• Bij een recirculatie rekent de stroom door de reactor met vers plus recycle, niet alleen met vers.

• Schrijf bij een beoordeling vier delen op: aspect, effect met gegevens, afweging, conclusie.