Volgens velen zullen zogenoemde biobrandstoffen in de toekomst belangrijk worden. Een voorbeeld van een biobrandstof is alcohol (ethanol) die aan benzine wordt toegevoegd. Het tekstfragment dat hieronder is afgedrukt, is ontleend aan een artikel over een nieuw proces voor de fabricage van ethanol. Lees dit tekstfragment en beantwoord daarna onderstaande vragen.
In veel landen wordt ernaar gestreefd om in benzine het percentage ethanol van biologische oorsprong, zoals EcoEthanolTM, te verhogen.
In het Iogen-proces ontstaat bij de omzetting van de cellulose uit stro behalve glucose ook xylose, C5H10O5.
Bij de vergisting (fermentatie) van xylose ontstaan dezelfde stoffen als bij de vergisting van glucose.
Het mengsel van alcohol en benzine dat in Californië wordt gemaakt (zie regels 86 t/m 92), kan zonder problemen en zonder aanpassingen aan de motor worden gebruikt. Dat komt omdat de stookwaarde van het mengsel maar weinig verschilt van de stookwaarde van benzine. De stookwaarde geeft aan hoeveel energie (in joule) een bepaalde hoeveelheid brandstof (kg voor vaste stoffen, m3 voor vloeistoffen en gassen) kan leveren (zie Binas-tabel 28B).
De toename van de hoeveelheid koolstofdioxide in de atmosfeer bij gebruik van een bepaalde brandstof wordt niet alleen veroorzaakt door de verbranding van die brandstof.
Ook tijdens het productieproces en het transport van zo’n brandstof komt koolstofdioxide vrij.
Hieronder zijn drie staafdiagrammen gegeven, waarin wordt weergegeven hoe groot de toename is van de hoeveelheid koolstofdioxide in de atmosfeer bij gebruik van een aantal brandstoffen.
Opvallend aan de staafdiagrammen is het grote verschil tussen ethanol uit maïs en EcoEthanolTM. In het tekstfragment staan gegevens waarmee dit verschil is te verklaren.
In het artikel wordt globaal beschreven hoe het productieproces van EcoEthanolTM verloopt.
Er wordt niet vermeld dat:
− de toegevoegde enzymen volledig aan het vaste lignine adsorberen;
− de gist doorgroeit tijdens de fermentatie;
− de gist door filtratie wordt afgescheiden, waarna een deel wordt hergebruikt en de resterende gist wordt
verkocht als bakkersgist of als veevoer of wordt gebruikt als brandstof bij het proces.
In het artikel wordt vrijwel niet ingegaan op scheidingsmethoden die tijdens het proces ook nodig zijn om uiteindelijk zuivere ethanol te verkrijgen.
16.2 brandstofcellen
Biobrandstofcel
Examen Scheikunde 1,2 1e tijdvak 2009
De bacterie Rhodoferax ferrireducens leeft in anaëroob milieu (zuurstofloze omstandigheden).
Voor zijn energievoorziening zet deze bacterie glucose om tot onder andere koolstofdioxide.
Bij de omzetting van glucose tot koolstofdioxide is glucose reductor.
Als oxidator in het anaërobe milieu treedt Fe3+ op, dat wordt omgezet tot Fe2+.
De reactie, en de functie van de bacteriën daarbij, is onderzocht.
Daartoe werden proeven uitgevoerd waarbij glucose-oplossingen en oplossingen met Fe3+ werden samengevoegd zowel in aanwezigheid van de bacteriën als zonder bacteriën.
Zonder bacteriën treedt geen reactie op.
De onderzoeksresultaten van een proef met bacteriën en een proef zonder bacteriën zijn verzameld in de onderstaande twee diagrammen.
Uit de diagrammen kan worden afgeleid dat per molecuul glucose bij de halfreactie voor de omzetting van glucose tot koolstofdioxide, 24 elektronen vrijkomen.
Men heeft onderzocht of de omzetting van glucose door Rhodoferax ferrireducens kan worden gebruikt in een elektrochemische cel om stroom op te wekken.
De elektrochemische cel bestaat uit twee halfcellen.
De ene halfcel van de elektrochemische cel bestaat uit een poreuze elektrode van grafiet die is geplaatst in een gebufferde glucose-oplossing.
Op en rond de elektrode bevinden zich de bacteriën.
Om te voorkomen dat zuurstof in de oplossing terechtkomt, wordt stikstofgas doorgeleid.
De pH van de oplossing moet 6,90 zijn.
Daarom is aan het stikstofgas wat koolstofdioxide toegevoegd en aan de glucose-oplossing wat NaHCO3.
De hoeveelheid koolstofdioxide die aan het stikstofgas wordt toegevoegd is zodanig dat in de oplossing de concentratie koolzuur voortdurend gelijk is aan 0,011 mol L–1.
De elektronen die bij de omzetting van glucose vrijkomen, worden overgedragen aan de elektrode.
In de andere halfcel bevindt zich de oxidator. Dat is in de elektrochemische cel niet Fe3+, maar zuurstof.
Deze halfcel bestaat uit een elektrode, eveneens van grafiet, die is geplaatst in een bufferoplossing (ook pH = 6,90), waar lucht doorheen wordt geleid.
Als de twee elektroden worden verbonden, gaat een elektrische stroom lopen. De zuurstof uit de lucht wordt daarbij omgezet volgens:
O2 + 4 H+ + 4 e– → 2 H2O
De ontstane elektrochemische cel wordt een biobrandstofcel genoemd.
De cel heeft gedurende een proefperiode van 600 uur een stroom geleverd van 0,20·10–3 A
(A is ampère; 1 ampère = 1 C s–1).
Van de omgezette glucose werd 83% gebruikt voor de stroomlevering.
16.3 Opslag van elektrische energie
De fotonenboer
Examen Scheikunde havo 2016 1e tijdvak
Een type batterij dat tegenwoordig weer in de belangstelling staat, is de zogenoemde flow-batterij.
Een voorbeeld hiervan is de vanadium-redox-flow-batterij.
Deze oplaadbare batterij wordt afgekort als VRFB (V is het symbool van het element vanadium).
In de onderstaande figuur is deze batterij schematisch weergegeven.
Met de formules bij de elektroden zijn de omzettingen zowel bij het opladen als bij de stroomlevering weergegeven.
In de VRFB kan elektrische energie worden opgeslagen die wordt geproduceerd door bijvoorbeeld zonnecellen. De twee halfcellen in de VRFB zijn verbonden met relatief grote opslagtanks die zijn gevuld met een zwavelzuuroplossing waarin ook vanadiumverbindingen zijn opgelost.
De elektrolyt wordt rondgepompt (‘flow’) langs de elektroden.
De elektroden reageren zelf niet mee in de redoxreacties.
Beide halfcellen zijn van elkaar gescheiden door een membraan dat alleen H+ ionen kan doorlaten.
Wanneer de batterij nog niet is opgeladen, bevatten de linker-halfcel en de daarop aangesloten tank een oplossing waarin vanadylionen (VO2+) als enige vanadium bevattende deeltjes voorkomen.
De rechter-halfcel en de daarop aangesloten tank bevatten een oplossing waarin vanadium(III)sulfaat als enige vanadium bevattende stof is opgelost.
Tijdens het opladen van de batterij vinden aan de elektroden de volgende halfreacties plaats:
elektrode A: VO2+ + H2O → VO2+ + 2 H+ + e–
elektrode B: V3+ + e– → V2+
Zowel tijdens het opladen als tijdens de stroomlevering bewegen H+ ionen in de VRFB van de ene naar de andere halfcel.
Onderstaand tekstfragment gaat over de toepassing van een VRFB in de praktijk van een boerenbedrijf.
tekstfragment 1
De opslagtanks bevatten elk 3,0 m3 elektrolytoplossing.
Een belangrijke eigenschap van flow-batterijen is de zogenoemde energiedichtheid van de elektrolytoplossing. Dit is de hoeveelheid energie die per kg elektrolytoplossing kan worden geleverd.
De energiedichtheid wordt uitgedrukt in Wh kg–1 (wattuur per kg).
De fotonenboer gebruikt de opgeslagen energie nu nog in zijn eigen bedrijf. In de toekomst zou de energie die is opgeslagen in de elektrolytoplossingen, kunnen worden toegepast in elektrische auto’s die zijn uitgerust met een VRFB.
In een publicatie over die toepassing is figuur 2 opgenomen.
Figuur 2
In deze tekening wordt het tanken van elektrolyt bij de fotonenboer voorgesteld als het tanken van benzine bij auto’s met een benzinemotor.
Bij een auto met een VRFB zal het tanken echter anders moeten worden uitgevoerd.
16.4 Duurzame batterijen
Loodaccu’s recyclen
Scheikunde havo 2016 1e tijdvak
Volgens een studie van de United Nations Environment Programme worden wereldwijd ieder jaar 325 miljoen loodaccu’s geproduceerd met een gemiddelde massa van 17,2 kg.
De samenstelling van deze accu’s is hieronder weergegeven.
Helaas hebben loodaccu’s een beperkte levensduur. Kapotte accu’s worden op grote schaal gerecycled. Het metaal lood dat uit de accu’s wordt teruggewonnen, is niet alleen afkomstig uit het lood maar ook uit de
loodverbindingen. Het terugwinnen van lood uit accu’s levert geld op, want lood is een waardevol metaal.
Hieronder is het blokschema weergegeven van het recycleproces. blokschema
In ruimte I worden de accu’s in kleine stukjes gemalen en wordt de zwavelzuuroplossing verwijderd.
Ruimte II is een grote bak met water.
Het polypropeen drijft op het water en wordt van het oppervlak afgeschoven.
De andere materialen (lood, loodverbindingen en polychlooretheen) zakken naar de bodem.
Deze materialen worden naar een oven (ruimte III) overgebracht en daar samen met koolstof verhit tot 1400 °C.
In deze oven smelt het lood en treden verschillende reacties op.
Bij deze reacties ontstaan zogenoemde ovengassen.
Koolstofdioxide, zwaveldioxide en waterstofchloride vormen de hoofdbestanddelen van deze ovengassen.
In ruimte III ontstaat ook vloeibaar lood uit de loodverbindingen.
De vergelijking van één van de reacties die optreedt in ruimte III is hieronder weergegeven.
PbO2 (s) + C (s) → Pb (s) + CO2 (g) reactie 1
Zwaveldioxide en waterstofchloride die in ruimte III ontstaan, mogen niet in de lucht worden geloosd.
Zwaveldioxide en waterstofchloride worden uit de ovengassen verwijderd.
Op de uitwerkbijlage is het blokschema uitgebreid met de ruimtes IV tot en met VII.
Met behulp van dat uitgebreide blokschema kan de verwijdering van zwaveldioxide en waterstofchloride uit de ovengassen worden weergegeven.
De verwijdering van zwaveldioxide en waterstofchloride verloopt als volgt:
− In ruimte IV worden de ovengassen in contact gebracht met een overmaat natronloog. Hierbij ontstaan
opgelost natriumsulfiet, opgelost natriumchloride en opgelost natriumcarbonaat.
− In ruimte V worden de sulfietionen met behulp van zuurstofmoleculen omgezet tot sulfaationen.
− In ruimte VI wordt zoveel zwavelzuuroplossing toegevoegd dat alle hydroxide-ionen worden omgezet tot
watermoleculen en alle carbonaationen worden omgezet tot koolstofdioxidemoleculen.
− In ruimte VII wordt de oplossing gedeeltelijk ingedampt. Het natriumsulfaat dat daarbij uitkristalliseert, kan
worden gebruikt bij het maken van glas of wasmiddel.
16.5 Toepassing
Zink
Vwo examen scheikunde 1,2 2009 2e tijdvak
Zink wordt onder andere toegepast als bescherming van ijzeren voorwerpen zoals hekken, vuilcontainers, vangrails en auto’s.
Op de website van een bedrijf dat zink produceert, staat beschreven hoe zink en diverse bijproducten worden gemaakt, uitgaande van zinkerts.
De tekstfragmenten die in deze opgave voorkomen, zijn ontleend aan deze website. tekstfragment 1
tekstfragment 2
Op de website wordt uiteraard de vaste stof niet met stof X aangeduid, maar met de naam van die stof.
Wanneer zinkoxide ‘oplost’ in verdund zwavelzuur, treedt een reactie op.
In de ruwe zinksulfaatoplossing komen cadmium en koper voor in de vorm van de metaalionen Cd2+ en Cu2+.
De fabriek stelt de volgende eisen aan stof X:
1 Stof X moet Cd2+ en Cu2+ kunnen omzetten tot Cd respectievelijk Cu.
2 Stof X mag geen reactieproducten opleveren die later een extra scheiding noodzakelijk maken.
tekstfragment 3
Lood en aluminium fungeren bij deze elektrolyse als onaantastbare elektroden.
Bij de zuivering (zie tekstfragment 2) ontstaat dus een mengsel van twee metalen: koper en cadmium.
De fabriek wil beide metalen afzonderlijk verkopen.
Het mengsel van koper en cadmium moet dus worden gescheiden.
De scheiding van dit mengsel verloopt in een aantal stappen.
Eerst wordt het mengsel behandeld met een overmaat verdund zwavelzuur.
Daarna zijn nog enkele stappen nodig om beide metalen afzonderlijk te verkrijgen.
In tekstfragment 3 worden de elektroden aangeduid met de termen ‘anode’ en ‘kathode’. Uit het tekstfragment is op te maken dat de anode de positieve elektrode is en de kathode de negatieve.
Hieronder staat een vereenvoudigd blokschema van de zinkfabriek.
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.
Leeromgevingen die gebruik maken van LTI kunnen Wikiwijs arrangementen en toetsen afspelen en resultaten
terugkoppelen. Hiervoor moet de leeromgeving wel bij Wikiwijs aangemeld zijn. Wil je gebruik maken van de LTI
koppeling? Meld je aan via info@wikiwijs.nl met het verzoek om een LTI
koppeling aan te gaan.
Maak je al gebruik van LTI? Gebruik dan de onderstaande Launch URL’s.
Arrangement
IMSCC package
Wil je de Launch URL’s niet los kopiëren, maar in één keer downloaden? Download dan de IMSCC package.
Wikiwijs lesmateriaal kan worden gebruikt in een externe leeromgeving. Er kunnen koppelingen worden gemaakt en
het lesmateriaal kan op verschillende manieren worden geëxporteerd. Meer informatie hierover kun je vinden op
onze Developers Wiki.
