Inleiding
Introductie
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 deze module gaan jullie een advies uitbrengen. Jullie adviseren op welke manier een chemische fabriek het best een bepaald product kan maken.
Het product kan via twee productieroutes bereid worden. Welke route is de groenste?
Wat ga je doen?
Wat ga je doen?
Jullie gaan:
- Engage: nadenken over chemie en duurzaamheid.
- Explore: de 12 principes voor groene chemie toepassen.
- Explain: leren over atoomeconomie, rendement, E-factor en Q-factor.
- Elaborate: adviseren welke productieroute voor titaandioxide het groenst is.
- Evaluate: evalueren wat je geleerd hebt.
In de tabel staat hoeveel lessen je hier ongeveer mee bezig bent.
| Activiteit |
Max. aantal lessen |
| Engage Activiteit 1 |
0,5 |
| Explore Activiteit 2 |
0,5 |
| Explain Activiteit 3 |
2 |
| Explain Activiteit 4 |
1 |
| Explain Activiteit 5 |
1 |
| Explain Activiteit 6 |
2 |
| Evaluate Activiteit 7 |
3 |
| Totaal |
10 |
Wat ga je leren?
Je leert de volgende begrippen kennen:
| preventie |
katalyse |
blokschema |
| atoomeconomie |
katalysator |
homogene reactor |
| rendement |
synthese |
heterogene reactor |
| E-factor |
additiereactie |
scheidingsmethoden |
Q-factor =
vervuilingscoëfficient |
eliminatiereactie |
recirculeren |
| energie efficiënt |
condensatiereactie |
energiediagram |
| energiebalans |
isomerisatiereactie |
endotherm |
| (hernieuwbare) grondstof |
substitutiereactie |
exotherm |
| reactiemechanisme |
warmtewisselaar |
|
Leerdoelen
Wat moet je kennen en kunnen:
- Voor een proces de atoomeconomie uitrekenen.
- Voor een proces de E-factor berekenen.
- Via een molberekening de maximale hoeveelheid product uitrekenen.
- Het rendement van een reactie uitrekenen.
- Bij verwarmen en afkoelen de energieuitwisseling uitrekenen met Q = m · c · ΔT
- Bij faseovergang de energieuitwisseling berekenen met Q = m · C
- De reactiewarmte berekenen uitgaande van vormingswarmten.
- Een Q-factor voor een proces vaststellen aan de hand van gevarengegevens.
- De twaalf principes van de ‘groene’ chemie gebruiken om productieprocessen te vergelijken.
- Chemische reactie herkennen als een: additie; substitutie; eliminatie; condensatie of isomerisatie.
- Bij een proces het blokschema opstellen.
Engage
Activiteit 1
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 |
|
Explore
Activiteit 2
Aan de slag 1: "Groener"? - teamopdracht
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 op wikipedia .
Deze principes kun je toepassen om aan te geven in hoeverre een chemisch proces ‘groen’ is. Je gaat dit nu zelf doen. Werk samen met twee andere leerlingen. Voer met je groep twee voorschriften van ‘de blauwe fles’ uit.
Welk voorschrift is groener? Baseer je keuze op de twaalf principes van de Groene Chemie. Geef minstens twee argumenten gebaseerd op de principes zoals op wikipedia aangegeven.
De blauwe fles - Voorschrift 1
Benodigdheden:
- 20,0 gram glucose
- 16,0 gram kaliumhydroxide
- 1,0 mg methyleenblauw
- 600 mL water.
- pH papier
- erlenmeyer 1 L met stop of een plastic frisdrankfles met schroefdop
Uitvoering:
- Vul een erlenmeyer van 1 L met 600 mL water.
- Voeg 16,0 g kaliumhydroxide toe.
- Schud/roer zo lang totdat alle kaliumhydroxide is opgelost.
- Meet de pH van de oplossing. Noteer de waarde.
- Voeg 20,0 g glucose toe. Zorg dat alles oplost.
- Voeg 1,0 mg methyleenblauw toe en zorg dat het goed oplost.
- Schud de inhoud nog een keer goed.
- Noteer je waarneming.
- Zet de fles weg en wacht.
- Bij een duidelijke verandering mag je nog een keer goed schudden.
- Zet de fles weer weg en wacht.
- Herhaal de bovenstaande twee stappen een paar keer.
- Meet na 30 minuten nogmaals de pH. Noteer deze waarde.
De blauwe fles - Voorschrift 2
Benodigdheden:
- 2,40 g ascorbinezuur
- 75 mg natriumwaterstofcarbonaat
- 3,0 mg methyleenblauw
- 1,00 g natriumchloride
- 36 mg blauw kopersulfaat, \(\small{C}{u}{S}{O}_{{4.5}}{H}_{{2}}{O}\)
- 600 mL water
- pH papier
- erlenmeyer 1 L met stop of een plastic frisdrankfles met schroefdop
Uitvoering:
- Breng in een erlenmeyer van 1 L 600 mL water.
- Voeg 75 mg natriumwaterstofcarbonaat toe.
- Schud/roer zo lang totdat alle natriumwaterstofcarbonaat is opgelost.
- Meet de pH van de oplossing. Noteer de waarde.
- Voeg 2,40 g ascorbinezuur toe. Zorg dat alles oplost.
- Voeg 1,00 g natriumchloride toe. Zorg dat alles oplost.
- Voeg 3,0 mg methyleenblauw toe en zorg dat het goed oplost.
- Voeg als laatste 36 mg blauw kopersulfaat toe.
- Schud de inhoud nog een keer goed.
- Noteer je waarneming.
- Zet de fles weg en wacht.
- Bij een duidelijke verandering mag je nog een keer goed schudden.
- Zet de fles weer weg en wacht.
- Herhaal de bovenstaande twee stappen een paar keer.
- Meet na 30 minuten nogmaals de pH. Noteer deze waarde.
Explain
Activiteit 3
03 - individueel
In activiteit 6 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 deze activiteit leer je vier 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
- Vervuilingscoëfficiënt Q
Bekijk de uitleg:
Maak van het
werkblad alle opgaven.
Activiteit 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.
Activiteit 4 - 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
Activiteit 4 - 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
Activiteit 4 - Energiebalansen chemische processen
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.
Activiteit 4 - 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
Activiteit 4 - Reactiewarmte
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.
Activiteit 5 - 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
Activiteit 5 - 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 = .....
06 - individueel
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.
Activiteit 6
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.
07 - 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.
Aan de slag 2: Wat is beter? - teamopdracht
Maak met je buurman/vrouw eerst de onderstaande vragen. Breng vervolgens een beargumenteerd advies uit over welke route het beste is voor de productie van titaandioxide.
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.
- Geef een waarde aan de vervuilingscoëfficient Q en beargumenteer deze.
- 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).
Evaluate
Activiteit 7 - Lesuur 1
De module ‘Groene chemie’ gaat over het zo duurzaam mogelijk chemie bedrijven. Uitgangspunt is dat er bij chemische processen zo weinig mogelijk (schadelijke) stoffen ontstaan en gebruikt worden. Hiervoor moet je een aantal begrippen en formules kennen, berekeningen kunnen maken en inzicht in processen hebben.
Voor evaluatie-activiteiten trekken we drie lesuren uit. De bedoeling is dat jij test of je klaar bent met deze module. Als dat niet het geval is, zul je dus nog aanvullend leerwerk moeten verrichten.
Evaluatie-activiteiten in lesuur 1
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. Daarvoor gebruik je een werkblad. 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
In het volgende deel van de les ga je in tweetallen overleggen aan de hand van de ingevulde werkbladen. Je speelt elkaars docent en probeert de aantekeningen op je werkblad te verbeteren.
Stap 3
In de derde fase van deze les bespreekt de docent samen met de klas de module. Daarbij is het zaak dat de leerlingen vooral datgene vragen wat ze nog niet weten/kunnen. Zorg er met z’n allen voor dat zoveel mogelijk probleempjes aandacht krijgen.
Stap 4
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’.
Activiteit 7 - Lesuur 2 en 3
Evaluatie-activiteiten in lesuur 2
Stap 1 In het eerste 1/3 deel van de les bespreek je in tweetallen hetgeen je thuis hebt gedaan in stap 4 van evaluatieles 1. Je speelt elkaars docent en concentreert je op problemen volgens het al eerder genoemde principe: steeds meer studietijd aan steeds minder onderwerpen besteden. Daarbij is het zaak dat degene die docent speelt, probeert te helpen door het stellen van vragen. Helpen door het geven van de juiste antwoorden, leidt tot lui leren of wel passief leren door degene die het nog niet weet/kan. Als er inhoudelijke problemen zijn waar je met z’n tweeën niet uitkomt, roep je de hulp van de docent of andere leerlingen in.
Stap 2 Ieder tweetal levert bij de docent elektronisch vier toetsvragen aan.
- 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 …?
Stap 3
In het derde deel van de les gebruikt de docent een paar van de gemaakte vragen om met de leerlingen te praten over de leerstof. De andere toetsvragen die de docent van de leerlingen heeft gekregen of nog gaat krijgen, gebruikt hij om een toets te ontwerpen voor de volgende les.
Stap 4
Thuis bereid je je voor op de laatste toets die je in de volgende les ter afsluiting van deze module gaat maken. Het wordt een perfecte toets, want de docent gebruikt vragen die jullie zelf hebben gemaakt. Bij het voorbereiden van de toets kan het natuurlijk helpen dat je contact opneemt met andere leerlingen.
Samen kennen jullie namelijk alle vragen die er gesteld kunnen worden.
Evaluatie-activiteiten in lesuur 3
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.
