Inleiding
Introductie
Inleiding
In de afgelopen tien tot twintig jaar vindt in de chemische industrie een nieuwe ontwikkeling plaats: de Groene Chemie.
Groene Chemie is een basisgedachte om zo duurzaam mogelijk chemie te bedrijven. Centraal staat dat er bij chemische processen zo weinig mogelijk (schadelijke) stoffen ontstaan en gebruikt worden.
In plaats van hoofdstuk 11 doorwerken, mag je deze module doen. UIteindelijk lever je de eindopdracht in.
Wat ga je leren?
Leerdoelen
Wat moet je kennen en kunnen:
- Je kunt de atoomeconomie van een proces uitrekenen.
- Je kunt de E-factor van een proces berekenen.
- Je kunt met behulp van een molberekening de maximale hoeveelheid product uitrekenen.
- Je kunt het rendement van een reactie uitrekenen.
- Je kunt de formule : Q = m · c · ΔT toepassen
- Je kunt bij een faseovergang de energieuitwisseling berekenen met Q = m · C
- Je kunt met behulp van vormingswarmten de reactiewarmte berekenen.
- De twaalf principes van de ‘groene’ chemie gebruiken om productieprocessen te vergelijken
- Je kunt bij een proces het blokschema opstellen.
Deel 1: inleiding
01 - individueel
Groene chemie is duurzame chemie. En dat komt goed uit, want dit is niet alleen schoner, maar vaak ook goedkoper! De chemische industrie is in Nederland een hele belangrijke industrietak waarin veel geld in omgaat. Er wordt veel geld verdiend, maar er zijn ook hoge kosten. En het is natuurlijk de kunst om deze kosten zo laag mogelijk te houden.
Duurzaam is een echt modewoord.
Geef in twee zinnen weer waar jij bij het woord duurzaam aan denkt.
02 - individueel
Hieronder staan een aantal industrieën genoemd die veelvuldig voorkomen.
Plaats in het vak ernaast een product, dat hoort bij het proces.
| Proces |
Product |
| Grondstofwinning |
|
| Zware chemische industrie |
|
| Farmaceutische industrie |
|
| Polymere materialen industrie |
|
| Voedings- en genotsmiddelen industrie |
|
| Metallurgische industrie |
|
| Verf- en coatingsindustrie |
|
| Cosmetische industrie |
|
| Recycling |
|
Deel 2: 12 principes
Groene Chemie is dus een nieuwe, interessante kijk op het verlagen van het gebruik van gevaarlijke en schadelijke stoffen, het recyclen van afvalstoffen, alsmede het verlagen van het energieverbruik. Dit zijn de doelstellingen van Groene Chemie.
Er zijn intussen twaalf principes opgesteld voor de groene chemie, die algemeen worden geaccepteerd. Bekijk deze in binastabel 97F.
Deze principes kun je toepassen om aan te geven in hoeverre een chemisch proces ‘groen’ is. Beantwoord de volgende vragen:
Welke uitgangspunten van de groene chemie komen aan bod bij:
a. de productie van melkzuur door blauwalgen?
b. de vorming van bio-ethanol uit biomassa?
c. het gebruik van aluminiumoxide bij de productie van propeen uit propaan-1-ol, dat niet deelneemt aan de reactie?
Deel 3: blokschema's
Blokschema's
Blokschema’s
Processen die plaatsvinden in een chemische fabriek breng je in kaart in een zogenaamd blokschema, waarbij in ieder blok een stap uit het proces plaatsvindt. Zo’n stap is bijvoorbeeld een reactie, scheiding of andere bewerking. Je verbindt de blokken door middel van lijnen, waarbij alle stoffen staan, die een blok binnengaan of uitkomen.
Een blokschema ziet er als volgt uit:
Blokschema
Scheiden en recirculeren
Scheiden en recirculeren
Mengsels die ontstaan tijdens de chemische reactie, worden na afloop gescheiden. Hierbij worden diverse scheidingsmethoden gebruikt, zoals filtreren, indampen, destilleren en extraheren. De uitgangsstoffen die nog niet zijn omgezet, worden teruggeleid in de reactor via een recirculatielus.
05 - individueel
Koppel de scheidingsmethode aan het juiste principe waarop deze berust.
| Scheidingsmethode |
Principe |
| 1. Filtratie |
A. Deeltjesgrootte |
| 2. Destilleren/ indampen |
B. Kookpunt |
| 3. Extraheren/strippen |
C. Oplosbaarheid |
| 4. Adsorberen |
D. Adsorptievermogen |
| 5. Chromatograferen |
E. Adsorptievermogen/oplosbaarheid |
1 = ..... 2 = ..... 3 = ..... 4 = ..... 5 = .....
Atoomeconomie, E-factor, rendement
Aanhet einde van dit deel ga je straks een advies uitbrengen welk productieproces van titaandioxide het groenst is. Hoe kun je echter aangeven hoe groen een productieproces is? En of het ene proces groener is dan het andere?
Je hebt al 12 principes leren kennen, waar groene chemie aan moet voldoen.
In dit deel leer je drie begrippen kennen, waarmee je op een kwantitatieve manier een indruk kan krijgen van hoe groen een synthese is.
Deze begrippen zijn:
- Atoomeconomie
- Rendement
- E-factor
Bekijk de uitleg in de link op deze pagina.
Uitleg begrippen atoomeconomie, rendement en E-factor.
Maak van het werkblad alle opgaven.
Deel 4 - Energiebalansen
Energiebalansen
In de chemische industrie gebruikt men veel energie. Met energie moet je zuinig omgaan, niet alleen vanwege het milieu maar ook vanwege de kosten. Een slecht energiebeheer kan een fabricageproces onrendabel maken. Zowel de toevoer als de afvoer van energie in een proces kost namelijk geld.
Je krijgt een goed beeld van de toevoer en afvoer van energie, als je een energiebalans over het proces opstelt. Voor energie geldt de ‘Wet van behoud van energie’: energie gaat nooit verloren. De energie die je in een proces stopt, komt er ook weer uit.
Exotherm is een proces waarbij energie vrijkomt.
Endotherm is een proces waarbij juist energie nodig is.
Je bekijkt nu energiebalansen van fysische processen (verwarmen van stoffen en fase-overgangen) en van chemische processen.
Er wordt hierbij gebruik gemaakt van de eenheid Kelvin. Het nulpunt van Kelvin wordt ook wel het absolute nulpunt genoemd. Dit zou het punt moeten zijn waarbij alle atomen niet meer bewegen. Dit punt ligt 273,15 graden onder het nulpunt graden celsius. Als iets 1 °C warmer wordt, wordt het ook 1 K warmer.
Energiebalansen fysische processen
Energiebalansen van fysische processen
Voor het verwarmen van een stof geldt voor de benodigde energie:
Q= m*c*∆T
m is de massa van de stof in kg
c is de soortelijke warmte van de stof in kJ/kg*K
∆T is de temperatuurverandering
Bij faseverandering van een stof geldt voor de benodigde energie:
Q = m*C
m is de massa van de stof in kg
C is de smeltwarmte of de verdampingswarmte van de stof in kJ/kg
Via het onderstaande stappenplan kun je een energiebalans opstellen.
Stap 1: stel een blokschema op
Stap 2: bereken de warmtetoevoer
Stap 3: stel de energiebalans op en werk deze uit
Voorbeeld 1
Voorbeeld 1: Bevriezen en afkoelen
Hoeveel warmte komt er vrij bij het omzetten van 10 kg water van 0°C in 10 kg ijs van - 20°C?
m(water) = 10 kg
\(\small{c}\) ijs = \(\small{2},{{10.10}}^{{3}}\) J/kg.K
C ijs = \(\small{{334.10}}^{{3}}\) J/kg
∆T = – 20 – 0 = -20 °C
Stap 1 - Process
Stap 2 - Solidification
Stollen van het water tot ijs:
Q stollen =
\(\small{m}\cdot{C}={10}\cdot-{{334.10}}^{{3}}{J}\)
\(\small=-{3},{{34.10}}^{{6}}{J}\)
Afkoelen van het ijs:
Q afkoelen =
\(\small{m}\cdot{c}\cdot∆{T}={10}\cdot{2},{{10.103}}^{{3}}\cdot-{20}=-{4},{2}\cdot{{10}}^{{5}}{J}\)
Q totaal =
\(\small-{3},{{34.10}}^{{6}}-{4},{2}.{{10}}^{{5}}=-{3},{7}.{{10}}^{{6}}{J}.\)
(Het minteken betekent dat er energie wordt onttrokken aan het proces.)
Stap 3 - Energie diagram
Energiebalansen van chemische processen
Energiebalansen van chemische processen kun je opstellen op basis van vormingswarmten van stoffen.
De vormingswarmte is de energie die nodig is om een verbinding te vormen uit de niet-ontleedbare stoffen oftewel de elementen.
Voorbeeld 2
Voorbeeld 2: Vormingswarmte
Bereken de vormingswarmte van het volgende proces:
C(s)+2H2(g)→CH4(g)C(s)+2H2(g)→CH4(g)
Stap 1 - Process
Stap 2 - Formule
C(s)+2H2(g)→CH4(g)C(s)+2H2(g)→CH4(g)
∆EEvorming=−0,76=−0,76 ∙ 105J105J/molmol CH4CH4
Stap 3 - Grafiek
Reactiewarmte
In onderstaand filmpje wordt kort uitgelegd hoe je kunt rekenen met vormingswarmtes. In de tekst daaronder wordt dat nogmaals herhaald.
Uitleg rekenen met vormingswarmtes
Reactiewarmte
Gebruik de vormingswarmten van stoffen om de reactiewarmte uit te rekenen.
Voorbeeld 3: Reactiewarmte
Koolstofdioxide reageert met waterstofgas tot koolstofmonoxide en water:
\(\small{C}{O}_{{2}}{\left({g}\right)}\) + \(\small{H}_{{2}}{\left({g}\right)}\) → \(\small{C}{O}{\left({g}\right)}\) + \(\small{H}_{{2}}{O}{\left({l}\right)}\)
Hoe groot is de reactiewarmte voor deze reactie?
Je kunt deze totaalreactie, theoretisch gedacht, opbouwen uit meerdere reacties:
- Je ontleedt \(\small{C}{O}_{{{2}}}\) eerst in de niet-ontleedbare stoffen: \(\small{C}{O}_{{2}}{\left({g}\right)}\)→\(\small{C}{\left({s}\right)}+{O}_{{2}}{\left({g}\right)}\) Hiervoor geldt: ∆\(\small{E}\)ontleding\(\small{C}{O}_{{{2}}}=-\)∆\(\small{E}\)vorming\(\small{C}{O}_{{{2}}}\)
- Vervolgens reageren de ontstane elementen en het waterstofgas met elkaar:
- Vormingsreactie water: \(\small{H}_{{2}}{\left({g}\right)}\)+\(\small½{O}_{{2}}{\left({g}\right)}\)→\(\small{H}_{{2}}{O}{\left({l}\right)}\), ∆\(\small{E}\)vorming\(\small{H}_{{2}}{O}\)
- Vormingsreactie koolstofmonooxide: \(\small{C}{\left({s}\right)}\)+\(\small½{O}_{{2}}{\left({g}\right)}\)→\(\small{C}{O}{\left({g}\right)}\), ∆\(\small{E}\)vorming\(\small{C}{O}\)
Stap 1 - Process
Stap 2 - Stoffen
Ingaande stoffen
\(\small{C}{O}_{{2}}\) : ∆\(\small{E}\)vorming = \(\small−{3},{935}\) ∙\(\small{{10}}^{{5}}{J}\)/\(\small{m}{o}{l}{C}{O}_{{2}}\)
∆\(\small{E}\)ontleding = \(\small+{3},{935}\)∙\(\small{{10}}^{{5}}{J}\)/\(\small{m}{o}{l}{C}{O}_{{2}}\)
\(\small{H}_{{2}}:\) ∆\(\small{E}\)vorming = \(\small{0}\)
Uitgaande stoffen
\(\small{H}_{{2}}{O}:\) ∆\(\small{E}\)vorming = \(\small−{2},{86}\) ∙\(\small{{10}}^{{5}}{J}\)/\(\small{m}{o}{l}{H}_{{2}}{O}\)
\(\small{C}{O}:\) ∆\(\small{E}\)vorming = \(\small−{1},{105}\) ∙\(\small{{10}}^{{5}}{J}\)/\(\small{m}{o}{l}{C}{O}\)
∆\(\small{E}_{{{r}{e}{a}{c}{t}{i}{e}}}\) = ∆\(\small{E}\)ontleding \(\small{C}{O}_{{2}}\) + ∆\(\small{E}\)vorming \(\small{C}{O}\) + ∆\(\small{E}\)vorming \(\small{H}_{{2}}{O}\) =
\(\small+{3},{935}\) ∙\(\small{{10}}^{{5}}−{2},{86}\)∙\(\small{{10}}^{{5}}−{1},{105}\)∙\(\small{{10}}^{{5}}\) = - \(\small{0},{03}\) ∙\(\small{{10}}^{{5}}{J}\)
Er komt \(\small{0},{03}\) ∙\(\small{{10}}^{{5}}{J}\) vrij aan warmte. Wil je het reactiemengsel niet in temperatuur laten stijgen,
dan moet er aan warmte \(\small{0},{03}\)∙\(\small{{10}}^{{5}}{J}\) worden afgevoerd \(\small{\left({Q}=∆{E}\right.}\)reactie\(\small\)\)
Stap 3 - Grafiek
04 - individueel
Maak de opgaven van het werkblad.
Opdracht
De reactie tussen etheen en stoom, waarbij ethanol wordt gevormd, is een evenwichtsreactie. Men zal dus uit het reactiemengsel het niet-gereageerde etheen terug willen winnen om weer te laten reageren.
Beredeneer hoe je uit het reactiemengsel etheen kunt terugwinnen
Teken van het proces met de gegevens die je nu kent een blokschema.
Deel 5: Eindopdracht Groene chemie
In de plaats van de papieren eindopdracht kan een experimentele worden uitgevoerd. Deze opdracht zal in de klas worden uitgedeeld en worden toegelicht.
Binnen een straal van 10 km van jullie huis wordt een nieuwe chemische fabriek gebouwd. In deze fabriek wordt titaandioxide gemaakt. Je kunt titaandioxide tegenkomen in bijvoorbeeld cosmetica- en sportartikelen, in autolakken, tijdschriften, kleding, zonnecellen en zelfs tandpasta.
Het product kan via twee productieroutes bereid worden: het sulfaatproces en het chlorideproces.
Er wordt door de buurtraad een advies gevraagd over een voorkeur voor één van de twee routes. Daarvoor is het nodig dat je de routes beter gaat bestuderen.
Opdracht - individueel
Bestudeer in je eentje het werkblad Groene Chemie Eindopdracht . Vul na het grondig doorlezen van het werkblad de tabel op de laatste pagina's in. Dit helpt je bij het vervolg van deze opdracht.
Teamopdracht
Je werkt in tweetallen. In het werkblad staan twee productieprocessen beschreven voor de productie van titaanoxide, namelijk het sulfaatproces en het chlorideproces. De ene werkt het sulfaatproces uit en de ander het chlorideproces. Ten slotte beargumenteer je met de gegevens welk proces het beste is volgens de regels van de groene chemie. Dit werk moet je inleveren bij de docent. De vragen die bij elk proces moeten worden beantwoord staan hieronder.
Vragen:
- Geef het proces weer in een blokschema.
- Stel de reactievergelijking op.
- Bereken de atoomeconomie.
- Bereken de E-factor in het geval dat de bijproducten niet gebruikt kunnen worden.
- Zoek op of er toepassingen bestaan voor de bijproducten en geef aan of dit invloed heeft op de grootte van E.
- Bereken ΔE voor het hele proces.
- Bekijk het proces door de ogen van een ‘groene’ chemicus aan de hand van de twaalf principes van de groene chemie. Deel hierbij per principe een ++, +, 0, - of -- uit.
Het advies bestaat uit een eenduidig advies en een onderbouwing. In totaal gebruik je daar tussen de 300 en 500 woorden voor (ongeveer 3/4 A-4tje).
Deel 6: evaluatie
Tot slot gaan we de evalueren of je alles hebt onthouden van de leerdoelen.
In de introductie van deze module, onder het kopje ‘Wat ga je leren?’ zijn de leerdoelen geformuleerd. Het is belangrijk dat jij zelf controleert of je ook echt helemaal klaar bent.
Stap 1
In het eerste 1/3 deel van deze les orden je de leerdoelen die in de introductie onder ‘Wat ga je leren’ benoemd zijn, opnieuw. Daarnaast probeer je te achterhalen wat je al weet of al kunt en waar je nog op moet studeren. Je komt daar achter door met de computer of met pen en papier met korte steekwoorden per leerdoel in kaart te brengen wat je al weet/nog niet weet.
Stap 2
Na deze eerste evaluatieles is het zaak dat je thuis of ergens anders minimaal een uur geconcentreerd in je eentje studeert. Het begint ermee dat je eerst de aantekeningen op je werkblad fatsoeneert. Daarna ga je studeren.
Daarbij concentreer je je niet op de onderwerpen die je al weet of kunt, maar op datgene dat nog niet ‘lekker’ zit. (Principe: steeds meer studietijd aan steeds minder onderwerpen besteden.) Uiteindelijk is het natuurlijk zaak dat alles wat je hebt moeten leren gestructureerd opgeborgen is in je hoofd, op een manier dat je het er bijvoorbeeld tijdens een proefwerk of een examen makkelijk ‘uit kunt halen’.
Tot slot lever je 4 toetsvragen aan volgens onderstaande aanwijzigingen.
- Toetsvraag 1 heeft betrekking op begrippen kennen. Mogelijke startformulering van deze vraag: wat is het verschil tussen … en …?
- Toetsvraag 2 heeft betrekking op formules kennen. Mogelijke startformulering van deze vraag: hoe reken je het rendement uit van…?
- Toetsvraag 3: heeft betrekking op berekeningen kunnen maken. Mogelijke startformulering van deze opdracht: reken het rendement uit van het proces…
- Toetsvraag 4: heeft betrekking op inzicht in processen. Mogelijke startformulering van deze vraag: is de volgende reactie een … of een …?
De docent maakt met behulp van alle vragen die hij van de leerlingen krijgt een korte toets die afgenomen wordt in de eerste helft van de derde evaluatieles.
In de tweede helft van die derde les wordt die toets besproken.
De docent geeft de juiste antwoorden door en iedere leerling kijkt de eigen toets na. Dat is dan tevens het einde van deze module.
Oefenen met invullen van blokschema's
