Hfst 8 Evenwichten

paragraaf 8.1 Chemische industrie

2 Zelfhelende autolakken zorgen er voor dat kleine beschadigingen die je normaal gesproken niet repareert wel gerepareerd worden. Het materiaal blijft dan beschermd tegen corrosie.Inteligente verpakkingen die de houdbaarheid meten maken zorgen er voor dat er minder onnodig wordt weggegooid.

3 a reactieschema N2 (g) + H2(g) → NH3 (g)kloppend maken N2 (g) + 3H2(g) → 2NH3 (g)

b reactieschema NH3 (g) + O2 (g) → HNO3(l) + NO(g) + H2O (l)kloppend maken 8NH3 (g) + 15O2 (g) → 4HNO3(l) + 4NO(g) + 10H2O (Er zijn meerdere oplossingen mogelijk)

C NH3 + HNO3 → NH4NO3

4 a Minder kosten voor transport van de grondstoffenb ammoniumfosfaat en ammoniumsulfaat.

Paragraaf 8.2 Ammoniumnitraat in het groot

7 Bij een continu proces heb je hoge kosten voor de bouw van de fabriek Het continue proces is volledig geautomatiseerd dus heb je weinig personeel nodig dus slecht voor de werkgelegenheid. Bij een batch proces zijn de kosten voor de bouw laag, maar heb je veel personeel nodig dus dat is goed voor de werkgelegenheid

8 a

b NH3 moet gescheiden worden van H2 en N2

c De temperatuur moet onder het kookpunt van ammoniak komen ,maar nog boven de kookpunten van H2 en N2 blijven.Kookpunt NH3 is 240 K , kookpunt N2 77K en kookpunt H2 is 20,3 KDus mengsel afkoelen tot onder 240 K

d N2 en H2 reageren in de verhouding 1 : 3. Wil niet een van beide stoffen zich ophopen in het proces dan zullen ze in deze verhouding toegevoegd moeten worden omdat ze ook in deze verhouding verdwijnen.

9 a Bij een exotherme reactie komt warmte vrij. Hierdoor kan de reactie steeds sneller gaan en zal de mengsel steeds warmer worden zodat je een drukopbouw in je systeem kunt krijgen en je die gevaarlijk kan zijn.

b Je kunt de vrijgekomen warmte gebruiken voor verwarming van de grondstoffen of elders in een proces.

10 a ten gevolge van de hoge temperatuur bewegen de deeltjes sneller waardoor ze meer botsen en dus meer effectieve botsingen dus een snellere reactieten gevolge van hoge druk heb je een hogere concentratie dus meer botsingen en dus een snellere reactie..

b Zodat er veel plaats is om te reageren.c Werken bij lage temperatuur en lage druk brengt minder kosten met zich mee

omdat de grondstoffen minder verwarmd hoeven te worden en er hoeven minder eisen aan de installatie gesteld te worden omdat je bij lagere druk werkt.

11 a 9000 kg H2 M(H2) = 2,016 g / mol

? = = 4464 kmol H2

? = = 1488 kmol N2

M(N2) = 28,02 g / mol

? = = 4,170 • 104 kg N2

b maximaal gevormd 4,170 • 104 + 9000 = 5,070 • 104 kg NH3 (totale massa blijft gelijk)rendement is 15 % dus • 5070 • 104 = 7604 kg NH3

c Ja want rendement betekent dat je ergens moet vermenigvuldigen met 0,15. Het maakt niet uit of je dat bij het aantal mol doet of bij de massa.

12 a reactie 1reactie schema CH4(g) + H2O (g) → H2 (g) + CO (g)kloppend maken CH4(g) + H2O (g) → 3H2 (g) + CO (g)reactie 2reactie schema CO(g) + H2O (g) → CO2 (g) + H2 (g) (is al kloppend)

b CH4 , H2O, CO, H2 en CO2

c reactie 1CH4 (g) → C (s) + 2H2 ∆E = 0,75 • 105 J / molH2O (g) → H2 (g) + 1/2 O2 (g) ∆E = 2,42 • 105 J / molC (s) + 1/2 O2 (g) → CO (g) ∆E = -1,105 • 105 J / mol

∆E = ( 0,75 + 2,42 ─ 1,105) • 105 = 4,28 • 105 J / mol

kmol kg1 2,016? 9000

kmol H2 kmol N2

3 14464 ?

kmol kg1 28,02

1488 ?

reactie 2CO (g) → C (s) + 1/2 O2 (g) ∆E = 1,105 • 105 J / molH2O (g) → H2 (g) + 1/2 O2 (g) ∆E = 2,42 • 105 J / molC (s) + O2 (g) → CO2 (g) ∆E = -3,935 • 105 J / mol

∆E = (1,105 + 2,42 ─ 3,935) • 105 = -0,41 • 105 ≙ -4,1 • 104 J / mol

d reactie 3reactie schema CH4 (g) + O2 (g) → CO (g) + H2 (g)kloppend maken 2CH4 (g) + O2 (g) → 2CO (g) + 4H2 (g)

reactie 4reactieschema CH4 (g) + O2 (g) → CO2 (g) + H2O (g)kloppend maken CH4 (g) + 2O2 (g) → CO2 (g) + 2H2O (g)

e reactie 3CH4 (g) → C (s) + 2H2 ∆E = 0,75 • 105 J / molC (s) + 1/2 O2 (g) → CO (g) ∆E = -1,105 • 105 J / mol

∆E = (0,75 ─ 1,105) • 104

reactie 4CH4 (g) → C (s) + 2H2 ∆E = 0,75 • 105 J / molC (s) + O2 (g) → CO2 (g) ∆E = -3,935 • 105 J / molH2 (g) + 1/2 O2 (g) → H2O(g) ∆E = -2,42 • 105 J / mol

∆E = ( 0,75 ─ 3,935 ─ 2 • 2,42) • 105 = -8,04• 105 J / mol

f extractie want je maakt gebruikt van het verschil in oplosbaarheid in methoxymethaan

g

13 a H2 en N2

b Hoe meer methaan hoe meer waterstof er ontstaan en hoe meer lucht je toevoegd des te meer stikstof krijg je in de productstroom. Door te verhouding van lucht en methaan te veranderen verander je ook de verhouding tussen waterstof en stikstof in de product stroom

14 a Stap 1reactieschema NH3 + O2 → NO + H2Okloppend maken 4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O

Stap 2Reactieschema NO + O2 → NO2

kloppend maken 2NO + O2 → 2NO2

Stap 3Reactieschema NO2 + H2O → HNO3 + NO kloppend maken 3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO

b ammoniak en water

c Het stikstof (en ook de andere gassen in lucht) zal nl niet reageren en lucht is veel goedkoper dan zuivere zuurstof.

d N2 en O2 (de andere gassen die in lucht zitten)

e Het stikstof(+ de andere gassen) zal zich ophopen.

f 1,00 kg NH3

? = = 0,0587 kmol NH3

NH3 : HNO3 = 1 : 1 (NH3 : NO = 1 : 1 en NO : NO2 : HNO3 = 1 : 1 : 1)

dus ook 0,0587 mol HNO3

? = = 3,70 kg HNO3

rendement = • 100 = • 100 = 94,6 %

kmol kg1 17,031? 1,00

kmol kg1 63,013

0,0587 ?

g

h Continu proces want het is bulkchemie

15 a NH3 + HNO3 → NH4NO3

b Het water moet verdampt worden.

c NH4+ (aq) + NO3

─ (aq) → NH4NO3

d

e 10 ton NH4NO3 1 ton ≙ 103 kg

? = = 124,9 kmol NH4NO3

NH4NO3 : NH3 = 1 : 2 (NH4+ : NH3 = 1 : 1 en NO3

─ : NH3 = 1 : 1)

dus 2 • 124,9 = 249,9 kmol NH3

? = = 4,3 • 103 kg

dus 4,3 ton NH3

8.3 Wat beïnvloedt het evenwicht

kmol kg1 80,043? 10 • 103

kmol kg1 17,031

249,9 ?

17 a statischb dynamisch want er lossen ionen op maar er slaat evenveel ionen weer neerc statischd dynamisch want er wordt steeds jood uitgewisseld tussen de 2 lagen alleen

veranderd de concentraties niet meer.

18 Alleen een oplossing waarvan de kleur niet meer veranderd want als de kleur veranderd dan worden er nog stoffen omgezet (stofeigenschappen veranderen)

19 Juiste reactievergelijking is

Cu (H2O)62+ + 4Br ─ (aq) ⇄ CuBr4

2─ (aq) + 6H2O (l)

a Cu(H2O)62+ en SO4

2─ en H2O

b De kleur gaat van blauw naar groen

c

d Cu(H2O)62+ , CuBr4

2─ , Br ─ , SO42─ en K+ (en H2O)

20 a onjuist want bij evenwicht zijn de snelheden gelijk.b Onjuist want de verhouding is afhankelijk van de beginsituatie en de ligging

van het evenwichtc Juist want de reactie gaan gewoon door alleen de concentratie veranderen

niet meer omdat er even gevormd wordt als er weg reageert.

21 a Het evenwicht moet zich eerst instellen want in bij de start is de snelheid van de teruggaande reactie nog nul en is de snelheid van de heengaande reactie het groots. Naarmate er meer product ontstaat neemt de heengaande reactie af en neemt de teruggaande reactie toe tot beide aan elkaar gelijk zijn. Dan pas is er evenwicht.

b Als je geen gesloten systeem hebt dan kan een van de stoffen uit het reactiemengsel verdwijnen zodat het evenwicht verschuift naar de kant van de verdwenen stof.

22 a Je begint met 120 mol H2 en in evenwicht is er nog 45 mol over dus gereageerd 120 ─ 45 = 75 molverhouding 1 : 3 : 2 dus kun je het schema invullen (zwart is gegeven)

N2 (g) + 3H2 ⇄ 2NH3

begin 40 120 0reactie 25 75 50evenwicht 15 45 50dus nog 15 mol N2 over

b dus 50 mol NH3 gevormd\

c

d Door toevoegen van katalysator op t = 0 zal het evenwicht zich sneller instellen.Door toevoegen van katalysator op tev zullen beide reacties versnellen, maar de concentraties blijven constant

e van mol naar gram is vermenigvuldigen met molmassa dus zowel ontstane hoeveelheid als de theoretische hoeveelheid vermenigvuldig je met het zelfde getal. De deling van ontstane gedeeld door theoretisch veranderd dus niet. Dus maakt het niet uit of je van aantal mol of aantal gram uit gaat.

f maximaal kan er 80 mol ontstaan ( N2 : NH3 = 1 : 2)

rendement = • 100 = 63 %

23 a

b

8.4 Hoe verhoog je het rendement

25 a K =

b K = 9,1 • 10─12 dus erg klein dus [CO2] is veel en veel groter dan [CO]

c Ze bedoelen dat je veel van de stof(fen) voor de pijl heb (aan de linkerkant van de pijl)

26 a 2NO2 ⇄ N2O4 of N2O4 ⇄ 2NO2

K = K =

b K = = 8,6 K = = 0,12

27 a I2 (g) + H2 (g) ⇄ 2HI (g)

b Qc =

c Qp =

d tijdstip t1 omgezet 1,00 ─ 0,50 = 0,50 mol H2 (idem I2)H2 : HI = 1 : 2 dus 2 • 0,50 = 1,00 HI gevormd

e Op tijdstip t1 is s1 (heengaande) groter dan s2 (teruggaande) want de concentraties van I2 en H2 nemen nog af

f Na t2 nemen de concentratie van I2 en H2 niet meer af dus is er evenwicht. Dat betekent dan s1 en s2 gelijk zijn.

g Het aantal deeltjes voor de pijl en na de pijl is gelijk dus veranderd de druk niet tussen t1 en t3

h platina-asbest is katalysator want de insteltijd van het evenwicht is verkort.

i

28 Qc = = = 19,6 > 2,0 dus nog geen evenwicht

tijd mol H2 mol I2 mol HIt0 1,00 1,00 0t1 0,50 0,50 1,00t2 0,20 0,20 1,60t3 0,20 0,20 1,60

29 a Kp =

b tabel 51

298 K Kp = 6,8 • 105

500 K Kp = 2,0 • 10 ─1

c De hoeveelheid ammoniak is het groots als Kp het grootst is dus bij 298 K

d Kp =

e Ka = 1/ Kd

f de evenwichtsvoorwaarde is altijd gekoppeld aan de reactie want anders weet je niet welke van de twee K's je hebt.

30 Fe3+(aq) + SCN─ (aq) ⇄ FeSCN2+ (aq)

K =

a stap 2 Je verhoogt de concentratie SCN─ hier door is er geen evenwicht meer. De concentratie breuk is te klein en moet weer terug richting de oorspronkelijke waarde. Doorvoor moeten de concentraties onder de streep kleiner worden en boven de streep groter dus het evenwicht verschuift naar rechts.stap 3 Je verhoogt de concentratie Fe3+ hierdoor ie er geen evenwicht meer De concentratie breuk is te klein en moet weer terug richting de oorspronkelijke waarde. Doorvoor moeten de concentraties onder de streep kleiner worden en boven de streep groter dus het evenwicht verschuift naar rechts.

b Bij verwarmen wordt de kleur van het mengsel lichter dus er is minder FeSCN2+ en meer Fe3+ en SCN─ dus is de Kc kleiner geworden.

c Bij temperatuur verhoging verschuift het evenwicht richting de endotherme kant. Dus de reactie van rechts naar links is endotherm

d Alle concentraties worden de helft kleiner (volume wordt 2x zo groot hoeveelheid blijft gelijk)

e Qc wordt kleiner want onder de streep staat 2x een concentratie en boven de streep maar 1x dus Qc is bij verdunnen de helft van Kc

f Omdat Qc ongelijk is aan Kc is er geen evenwicht Qc moet weer gelijk worden aan Kc en dus groter dus moet de concentratie onder de pijl kleiner worden en boven de pijl groter tot geld Qc = Kc en dan is er weer evenwicht. Dus dit verklaart waarom de buis met het mengsel uiteindelijk minder lichter wordt dan de joodoplossing.

g

de lijn van Fe2+ en SCN─ mag ookboven de lijn van FeSCN2+ zitten ( de lijnen gaan dan naar elkaar toe)

31 a H2 (g) + I2 (g) ⇄ 2HI (g)begin 0,10 0,20 0reactie 0,030 0,030 0,060evenwicht 0,070 0,170 0,060concentratie 0,035 0,085 0,030 (Volume is 2 L)

b I2 is in overmaat dus H2 bepaald theoretische hoeveelheidH2 : HI = 1 : 2 dus 0,20 mol HI

rendement = • 100 = • 100 = 30 %

c

d

e rode lijnen bij c en d

f Kc =

g Kc = = = 0,73

32 -verwarmenbij verwarmen schuift het evenwicht naar de endotherme kant dus kleiner opbrengst

- stof toevoegen die met CO reageertDoor het wegnemen van CO verschuift het evenwicht naar links dus kleinere opbrengst (Qc > Kc)

- samenpersenBij samenpersen vergroot je de concentratie. Bij drukverhoging verschuift het evenwicht naar de kant van de minste deeltjes dus hogere opbrengst. (Qc <Kc)

- methanol wegnemenBij het wegnemen van methanol verschuift het evenwicht naar rechts dus hogere opbrengst (Qc < Kc)

- waterstof toevoegenBij toevoegen waterstof verschuift het evenwicht naar rechts dus hogere opbrengst (Qc< Kc)

33 a Na de pijl (4 mol deeltjes) staan meer deeltjes dan voor de pijl (2 mol deeltjes) dus drukverlaging geeft een hoger rendement.

b Bij temperatuur verlaging verschuift het evenwicht richting exotherme kant dus voor hoog rendement lage temperatuur nodig

34 a na de pijl staan de minste deeltjes (2 mol tegen 4 mol) dus hoge druk zal het rendement verhogen.

b Apparatuur moet drukbestendig zijn betekent meer kosten. De reactor moet onder druk gehouden worden betekend meer energie kosten.

c De reactie naar recht is exotherm dus hoge temperatuur is ongunstig voor rendement.

d lage temperatuur betekent een lage reactiesnelheide Bij een hoge temperatuur is het rendement wel laag, maar de reactiesnelheid

is veel hoger dus je hebt uiteindelijk sneller product. Hoge druk is gunstig voor rendement dus een logische keuze.

35 a 27 % rendement b evenwicht is nog niet bereikt als mengsel uit de reactor komtc 400 K

36 a toename stof voor de pijl dus hoger rendementb toename stof voor de pijl dus hoger rendementc geen effect alleen insteltijd tot evenwicht wordt versneltd bij verhoging van temperatuur verschuift het evenwicht richting endotherme

kant dus lager rendement.e Bij verhoging van de druk verschuift het evenwicht naar de kant van de

minste deeltjes dus hoger rendement (na de pijl 2 mol en voor de pijl 3 mol deeltjes)

g lage temperatuur aanwezigheid katalysator en onder hoge druk.

8.5 Beter met groene chemie

37 a Voorkomen is beter omdat de omgeving dan niet vervuild wordt en het niet opgeruimd hoeft te worden.

b Een katalysator laat het proces efficienter verlopen zodat lagere druk en temperatuur mogelijk is.

c Oplosmiddelen zijn praktisch altijd schadelijke stoffen en er treedt in het proces altijd wat verlies van oplosmiddel op wat de omgeving vervuilt

38 a 2 Atoomeconomie (alles wordt gebruikt)7 Gebruik hernieuwbare grondstoffen

b 4 minder schadelijk10 afbraak

c 7 Gebruik hernieuwbare grondstoffen d 6 gebruik vrijgekomen energiee 2 atoomeconomief 11 Controle zorg er voor dat het proces efficient kan blijven verlopen.

Storingen worden tijdig ontdekt.

39 a

b Om het water wat tot stoom verhit wordt voor te verwarmenc Het water kun je hergebruiken door het weer te verwarmen tot stoom en in blok 1

leiden.

40 a Energie nodig om de grondstoffen voor te verwarmen zodat de reactor op een temperatuur van 500 K blijftEr komt energie vrij om de productstroom af te koelen tot het ammoniak vloeibaar wordt.

b Je kunt de warmte van de productstroom gebruiken om de grondstoffen voor te verwarmen.

c Doordat deze katalysator bij lage druk en lagere temperatuur werkt bespaar je veel doorlopend veel proces kosten. Hiermee kunnen de eenmalige hogere kosten van de katalysator ruim betaald worden.

d Voordeel is dat de katalysator in de reactor blijft en niet uit de productstroom gehaald moet worden om weer in het proces ingezet te worden.

e Normaal moeten voor de reactie zowel waterstof als stikstof in contact komen met de katalysator. Als de katalysator de stikstof vastlegt dan hoeft er alleen nog waterstof bij voor de reactie. Je hebt dan meer botsingen waarbij een reactie plaats kan vinden en dus een snellere reactie. Bij dezelfde verblijftijd in de reactor zal dus het rendement verhogen.

41 a Als de kunstmest langzaam vrijkomt zal er minder kunstmest wegspoelen met het regenwater en in het oppervlakte water terecht komen.

b Voordeel is snellere werking voor de plantenNadeel is verstoring van het natuurlijke grondsysteem.

c De planten kunnen dan het voedsel makkelijk uit de lucht opnemen en je hoeft deze voedingsstoffen dus niet toe te voegen.

d Nadeel is weer verstoring van het natuurlijke proces.

8.6 Toepassingen

Methanol

1 Kp =

2 Bij hogere temperatuur wordt Kp kleiner dus wordt de concentratie CH3OH kleiner en de concentratie H2 en CO groter. Bij hogere temperatuur verschuift het evenwicht naar de endotherme kant dus reactie 1 is naar links endotherm en dus naar rechts exotherm.

3 Je krijgt de beste opbrengst bij hoge temperatuur (want dan snelle reactie ook al ligt het evenwicht dan links) en hoge druk omdat dan het evenwicht naar rechts verschuift (minste deeltjes)

4 Stikstof moet verwijderd worden omdat het zich anders ophoopt in het systeem want het reageert niet weg.

5 Destillatie want ze verschillen in kookpunt (Tabel 11)methanol kp 338 K en water 373 K.

6

Ureum

7 ureum is H2NCONH2 dus molecuulformule is CH4ON2 M = 12,01 + 4 • 1,008 +16,00 + 2 • 14,01 = 60,062ammoniumnitraat NH4NO3 M = 80,043 g / mol (Tabel 98)Zowel in ureum als in ammoniumnitraat zitten 2 stikstofatomen omdat de molmassa van ammoniumnitraat groter is dan van ureum zitten in 1 Kg ureum meer mol dan in 1 Kg ammoniumnitraat dus 1 kg ureum levert meer stikstof dan 1 kg ammoniumnitraat

Met berekening (hoeft niet)ureumureum is H2NCONH2 dus molecuulformule is CH4ON2 M = 12,01 + 4 • 1,008 +16,00 + 2 • 14,01 = 60,062

mol g1 60,062? 1,0 • 103

? = = 16,65 mol ureumureum : N = 1 : 2 (er zitten 2 stikstofatomen in een molecuul ureum)dus 33,30 mol Nammoniumnitraat NH4NO3 M = 80,043 g / mol (Tabel 98)

mol g1 80,043? 1,0 • 103

? = = 12,5 mol ammoniumnitraatammoniumnitraat : N = 1 : 2 (er zitten 2 stikstofatomen in de verhoudingsformule)dus 25,0 mol N dus minder dan bij ureum

8

9 lager want de reactie in reactor 2 is endotherm

10 lage druk om het evenwicht naar de kant van de meeste deeltjes (CO2 en 2NH3) te verschuiven en hoge temperatuur om het evenwicht naar de endotherme kant van reactie 1 te verschuiven (CO2 en 2 NH3).

11 ureum heeft 2 NH2 groepen dus kan H-bruggen vormen met watermoleculen.

12 destillatie want ze verschillen in kookpunt (ureum heeft meer mogelijkheden tot H-bruggen dan water en heeft een hogere molecuulmassa dus hoger kookpunt)

PET-flessen

13 Geen gebruik van kleurstoffen bij PET flessen dan kan het nl gerecycled wordenGeen gebruik van metaallagen zodat het gerecycled kan worden.

14 PET is niet afbreekbaar dus is het nadelig om het te begraven. Als PET verbrand wordt ontstaat er CO2 wat bijdraagt aan het broeikaseffect.

15 Gescheiden inleveren van PET flessen zodat je een schone stroom hebt om te recyclen. Onderzoek doen zodat je bv ook de PET met kleurstoffen kunt recyclen.

16 Hiermee bedoelen ze dat er geen verschil meer is tussen nieuw gemaakte PET en gerecyclede PET.

17 Deze doelstellingen hebben voornamelijk te maken met het besparen van grondstoffen.

18 Ja want al het PET kan op deze manier weer gebruikt worden.

19

20 Nee er zijn geen extra grondstoffen nodig want uit het proces komen 1,2 ethaandiol en DMT in dezelfde verhouding als ze nodig zijn om de PET te maken. In bovenstaande schema moet methanol toegevoegd worden maar dezelfde hoeveelheid komt weer vrij bij het maken van de PET. (in praktijk zal er altijd wat verlies optreden)