H5 Reacties in beweging
48
5 Reacties in beweging
Katalysatoren brengen welvaart
Praktijk
1 Bijvoorbeeld: de productie van de chemische industrie is voor 80% afhankelijk van katalyse. Een katalysator zorgt ervoor dat een apparaat of machine minder energie verbruikt.
Katalyse kan een oplossing zijn voor onze toekomstige energie- en brandstofvoorziening.
2 Hij nam waar dat een zetmeeloplossing na verhitting niet werd omgezet in een glucose-oplossing, maar dat dit wel gebeurde als er zwavelzuur aan werd toegevoegd, zonder dat de hoeveelheid zwavelzuur veranderde.
3 Hij ontdekte dat fijn verdeeld platina de reactie tussen waterstof en zuurstof kon versnellen.
4 Zn(s) + 2H (aq)+ → Zn (aq) + H (g)2+ 2 5 2 H (g) + O (g)2 2 →2 H O(l)2
6 In de algemene reactievergelijking van het Fischer-Tropschproces is de molaire verhouding H2(g) : CO(g) = (2n+1) : n. Bij grotere ketenlengtes (n >> 1) is dit nagenoeg gelijk aan 2 : 1. 7 Biomassa bestaat voor een groot deel uit cellulosevezels, die weer zijn opgebouwd uit koolstof,
waterstof en zuurstofatomen, die ook aanwezig zijn in synthesegas.
8 a Kobalt gaat als katalysator lang mee en produceert lange koolstofketens. Economische
berekeningen kunnen uitwijzen dat het rendabeler is om de kobaltballetjes als katalysator te gebruiken dan een andere katalysator.
b Kobalt is gevoelig voor zwavelverbindingen. De biomassa mag dus niet te veel
zwavelverbindingen bevatten.
c Mogelijke antwoorden zijn:
– er is relatief weinig katalysator voor nodig; – de doorstroming van gassen blijft beter in stand; – het reactieoppervlak is relatief groot.
1
Reactiewarmte meten
Opdrachten
1 a Bij het verbranden van aardgas komt warmte vrij, het is dus een exotherm proces. b Voor het fotosyntheseproces is zonlicht nodig, het is dus een endotherm proces.
c Als water op je hand verdampt, krijg je het gevoel dat het kouder wordt. Het verdampingsproces
neemt kennelijk warmte op en is dus endotherm.
d Voor het ontleden van water is voortdurend elektrische energie nodig. Het is dus een endotherm
proces. H6 Evenwichten 65 e 3 3 7 8 3 2 2 [H O ][HCO ] 4,5 10 4,0 10 [HCO ] [CO ] [CO ] K= + − = ⋅ − = ⋅ − × − ; 78 3 2 [HCO ] 4,5 10 11 [CO ] 4,0 10 − − − ⋅ = = ⋅ ;
dus [HCO3–] : [CO2] = 11 : 1.
f Als je voedingspatroon veel invloed zou hebben op de zuurgraad van je bloed zou je ademhaling
steeds ontregeld zijn. Dat is (gelukkig) niet het geval.
Nova © Uitgeverij Malmberg H6 Evenwichten 65 e 3 3 7 8 3 2 2 [H O ][HCO ] 4,5 10 4,0 10 [HCO ] [CO ] [CO ] K= + − = ⋅ − = ⋅ − × − ; 78 3 2 [HCO ] 4,5 10 11 [CO ] 4,0 10 − − − ⋅ = = ⋅ ;
dus [HCO3–] : [CO2] = 11 : 1.
f Als je voedingspatroon veel invloed zou hebben op de zuurgraad van je bloed zou je ademhaling
steeds ontregeld zijn. Dat is (gelukkig) niet het geval. H5 Reacties in beweging
49
2 De waterstofbruggen tussen de watermoleculen zijn relatief sterk en talrijk. Daardoor is relatief veel energie nodig om ze te verbreken.
3 a De temperatuur in de warmtemeter is afgenomen, dus de reagerende stoffen hebben warmte van het
water opgenomen. Het is dus een endotherme reactie.
b De reagerende stoffen hebben warmte opgenomen, dus de chemische energie is tijdens de reactie
toegenomen.
c In de reactiewarmte ΔE voor die stof d in J mol–1
4 a M(Ca) = 40,08 g mol–1; er is aanwezig: 0,500 = 1,25 102
40,08 − = ⋅ m n = M mol Ca(s).
100,0 mL 1,00 M zoutzuur bevat: 100,0·10–3 L × 1,00 mol L–1 = 1,00·10–1mol H+(aq). Ca(s) en H+(aq) zijn dus in een molverhouding van 1,25·10–2 : 1,00·10–1 = 1 : 8,02 aanwezig.
In de reactievergelijking reageren Ca(s) en H+(aq) in een molverhouding van 1 : 2. Zoutzuur is dus in overmaat aanwezig.
b Q = c · m · ΔT
c = 4,20·103J kg–1 K–1
Totale massa m = massa zoutzuur + massa Ca(s) = 100,0 mL × 1,05 g mL–1 + 0,500 g = 105,5 g. De temperatuurtoename ΔT = 45,0 °C – 22,4 °C = 22,6 °C. Dit is ook in kelvin.
De door de oplossing opgenomen warmte
Q = c ⋅ m ⋅ ∆T = 4,20·103 × 105,5∙10–3 × 22,6 = 1,001·104J. Dit is de hoeveelheid warmte die door de oplossing is opgenomen. In deze reactie heeft 0,500 g Ca(s) = 1,25·10–2mol Ca(s) gereageerd.
Omdat alle reactiewarmte wordt overgedragen aan de oplossing is de reactiewarmte:
4 5 2 1,001·10 J = 8,01·10 1,25·10 mol E − − ∆ = − J mol–1. 5 a + 4 4 NH Cl(s) NH (aq) + Cl (aq)→ −
b Dit is een endotherm proces, omdat de temperatuur van de oplossing is gedaald. c Q = c · m · ΔT
c = 4,20·103J kg–1 K–1
Totale massa m = massa water + massa NH4Cl(s) = 100,0 + 3,5 = 103,5 g De afname van de temperatuur ΔT = 27,6 – 29,8 = – 2,2 K
De door het water afgestane warmte Q = c ⋅ m ⋅ ∆T = 4,20·103 × 103,5·10–3 × –2,2 = –9,563·102 J.
M(NH4Cl) = 53,491 g mol–1(Binas tabel 98)
Er is 3,5 2
53,491 6,543·10
m n =
M = = − mol NH4Cl(s) opgelost.
Q = – 9,563·102J is de hoeveelheid warmte die door het water is afgestaan en overgedragen aan het oplossen van 6,543∙10–2mol NH4Cl(s).
De oploswarmte, ΔE = -Q = 2 4 2 9,563 · 10 1,5·10 6,543 · 10− − − = J mol–1.
6 a Volgens Binas tabel 28B is de stookwaarde van Gronings aardgas 32⋅106J per m3. De totaal geleverde energie is dan 32⋅106J m–3 × 2500 m3 = 4,8⋅1010J.
Het rendement is dan: nut 10
10 tot 7,5 10 100% 100% 94% 8,0 10 η = ⋅ = ⋅ × = ⋅ E E
In de eerste oplage van Nova leeropdrachtenboek 4 vwo/gymnasium staat een foutieve meetwaarde: 75 GJ moet 45 GJ zijn.
b De niet-nuttig gebruikte energie gaat verloren als warmte naar buiten, bijvoorbeeld door de
afvoerpijp of schoorsteen.
Nova © Uitgeverij Malmberg
H5 Reacties in beweging
49
2 De waterstofbruggen tussen de watermoleculen zijn relatief sterk en talrijk. Daardoor is relatief veel
energie nodig om ze te verbreken.
3 a De temperatuur in de warmtemeter is afgenomen, dus de reagerende stoffen hebben energie van het
water opgenomen. Het is dus een endotherme reactie.
b De reagerende stoffen hebben energie opgenomen, dus de chemische energie is tijdens de reactie
toegenomen.
c In de reactiewarmte ΔE voor die stof d in J mol–1
4 a M(Ca) = 40,08 g mol–1; er is aanwezig: 0,500 = 1,25 102
40,08 -= × m n = M mol Ca(s).
100,0 mL 1,00 M zoutzuur bevat: 100,0·10–3 L × 1,00 mol L–1 = 1,00·10–1 mol H+(aq). Ca(s) en H+(aq) zijn dus in een molverhouding van 1,25·10–2 : 1,00·10–1 = 1 : 8,02 aanwezig.
In de reactievergelijking reageren Ca(s) en H+(aq) in een molverhouding van 1 : 2. Zoutzuur is dus in overmaat aanwezig.
b Q = c · m · ΔT
c = 4,20·103 J kg–1 K–1
Totale massa m = massa zoutzuur + massa Ca(s) = 100,0 mL × 1,05 g mL–1 + 0,500 g = 105,5 g. De temperatuurtoename ΔT = 45,0 °C – 22,4 °C = 22,6 °C. Dit is ook in kelvin.
De door de oplossing opgenomen warmte
Q = c × m × DT = 4,20·103 × 105,5·10–3 × 22,6 = 1,001·104 J. Dit is de hoeveelheid warmte die door de oplossing is opgenomen.
In deze reactie heeft 0,500 g Ca(s) = 1,25·10–2 mol Ca(s) gereageerd.
Omdat alle reactiewarmte wordt overgedragen aan de oplossing is de reactiewarmte:
4 5 2 1,001·10 J = 8,01·10 1,25·10 mol E - -D = - J mol–1. 5 a + 4 4 NH Cl(s) NH (aq) + Cl (aq)®
-b Dit is een endotherm proces, omdat de temperatuur van de oplossing is gedaald. Dus -bij het
oplossen heeft ammoniumchloride energie opgenomen.
c Q = c · m · ΔT
c = 4,20·103 J kg–1 K–1
massa water = 100,0 × 0,998 = 99,8 g water
Totale massa m = massa water + massa NH4Cl(s) = 100,0 + 3,5 = 103,5 g De afname van de temperatuur ΔT = 27,6 – 29,8 = – 2,2 K
De door het water afgestane warmte Q = c × m × DT = 4,20·103 × 103,5·10–3 × –2,2 = –9,563·102 J.
M(NH4Cl) = 53,491 g mol–1 (Binas tabel 98)
Er is 3,5 2 53,491 6,543·10 m n = M -= = mol NH4Cl(s) opgelost.
Q = – 9,563·102 J is de hoeveelheid warmte die door het water is afgestaan en overgedragen aan het oplossen van 6,543·10–2 mol NH
4Cl(s). De oploswarmte, ΔE = -Q = 2 4 2 9,563 · 10 1,5·10 6,543 · 10 -- = J mol–1.
6 a Volgens Binas tabel 28B is de stookwaarde van Gronings aardgas 32×106J per m3. De totaal geleverde energie is dan 32×106J m–3 × 1500 m3 = 4,8×1010 J.
Het rendement is dan: nut 10
10 tot 4,5 10 100% 100% 94% 4,8 10 = E = = E
In de eerste oplage van het opdrachtenboek staat een foutieve meetwaarde: 75 GJ moet 45 GJ zijn.
b De niet-nuttig gebruikte energie gaat verloren als warmte naar buiten, bijvoorbeeld door de
afvoerpijp of schoorsteen.
Nova © Uitgeverij Malmberg H6 Evenwichten 65 e 3 3 7 8 3 2 2 [H O ][HCO ] 4,5 10 4,0 10 [HCO ] [CO ] [CO ] K = + − = ⋅ − = ⋅ − × − ; 78 3 2 [HCO ] 4,5 10 11 [CO ] 4,0 10 − − − ⋅ = = ⋅ ;
dus [HCO3–] : [CO2] = 11 : 1.
f Als je voedingspatroon veel invloed zou hebben op de zuurgraad van je bloed zou je ademhaling
steeds ontregeld zijn. Dat is (gelukkig) niet het geval.
H6 Evenwichten 65 e 3 3 7 8 3 2 2 [H O ][HCO ] 4,5 10 4,0 10 [HCO ] [CO ] [CO ] K= + − = ⋅ − = ⋅ − × − ; 78 3 2 [HCO ] 4,5 10 11 [CO ] 4,0 10 − − − ⋅ = = ⋅ ;
dus [HCO3–] : [CO2] = 11 : 1.
f Als je voedingspatroon veel invloed zou hebben op de zuurgraad van je bloed zou je ademhaling
steeds ontregeld zijn. Dat is (gelukkig) niet het geval. H5 Reacties in beweging
50 *7 a CH (g) + 2 O (g) 4 2 → CO (g) + 2 H O(l)2 2
b Bij T = 298 K en p = p0is Vm = 2,45·10–2 m3mol–1. In 1,0 m3methaan zit dus
2 m 1,0 40,8 2,45 10− = = = ⋅ V n V mol CH4(g).
1,0 mol CH4(g) levert 8,90·105 J warmte op (Binas tabel 56).
1,0 m3methaan levert dus 40,8 mol × 8,90·105 J mol–1 = 3,6·107 J warmte op. c Mogelijke antwoorden zijn:
– Het Gronings aardgas is geen zuiver methaan, maar bevat ook nog stikstof en ethaan. – Het water komt bij de stookwaarde in tabel 28B vrij als waterdamp.
– De omstandigheden waaronder is gemeten zijn niet helemaal vergelijkbaar.
d De stookwaarde van Gronings aardgas is 32·106 J m–3, ofwel 8,9 kWh m–3. De totale verbruikte energie van het Groningse aardgas = 500 000 m3per dag. Dit is 32·103600 246×500 000× =185⋅106J s–1 = 185 MJ s–1 = 185 MW. Of: 3 8.9·10 500 000 24 − × = 185 MW.
Het nuttige vermogen is 90 MW. Het rendement is dus: nut tot 90 100% 100% = 49% 185 E E
η
= ⋅ = × e 51 1,85·10 9,4·10 J s8 7 -1 100 × = f Q = c · m · ΔT, dus T Q c m ∆ =⋅ ; c = 4,18·103J kg–1 K–1; de massa van 3,0 m3water is:
m = ρ ∙ V = 0,9982∙103 × 3,0 = 2,9946∙103kg.
De toegevoerde energie per seconde verwarmt het water dat per seconde door de rivier stroomt.
Dat betekent dat 9,4 103 7 3 7,5
4,18 10 2,9946 10
T ⋅
∆ = =
⋅ × ⋅ °C.
g De temperatuur van het water stijgt van15,0 °C tot 15,0 °C + 7,5 °C = 22,5 °C.
De centrale hoeft dus nog niet te worden stilgelegd.
*8 M(C8H18) = 8 × 12,01 + 18 × 1,008 = 114,22 g mol–1.
40 liter benzine heeft een m = ρ ∙ V = 40 L × 0,72∙103g L–1 = 2,88∙104g. Dit staat gelijk aan 2,88 104 2,52 102
114,22 m n = M ⋅ = = ⋅ mol benzine.
Dit zijn dus 2,52∙102 × 8 = 2,017∙103mol C-atomen.
Het molair rendement is dan:2,017 10 mol nuttig gebruikte C-atomen 100% 81%3 2500 mol ingevoerde C-atomen
⋅ ⋅ =
2
Reactiewarmte berekenen
Opdrachten
9 a Omdat de energie-inhoud van stoffen mede wordt bepaald door de temperatuur moeten de
deelnemende stoffen aan het begin en het eind van de reactie dezelfde temperatuur hebben. De druk moet aan het begin en het eind van de reactie ook hetzelfde zijn, omdat anders een deel van de energie in arbeid is omgezet.
b 3 C(s) 4 H (g)+ 2 →C H (g)3 8
Het aardgasverbruik per seconde is:
500 000 m3 dag–1 = 500 / (24 × 3600) = 5,79 m3 s–1
Het door de centrale verbruikte vermogen is dus 5,79 × 32 ∙ 106 = 185 ∙ 108 J = 185 MW.
50 *7 a CH (g) + 2 O (g) 4 2 → CO (g) + 2 H O(l)2 2
b Bij T = 298 K en p = p0is Vm = 2,45·10–2 m3mol–1. In 1,0 m3methaan zit dus
2 m 1,0 40,8 2,45 10− = = = ⋅ V n V mol CH4(g).
1,0 mol CH4(g) levert 8,90·105 J warmte op (Binas tabel 56).
1,0 m3methaan levert dus 40,8 mol × 8,90·105 J mol–1 = 3,6·107 J warmte op. c Mogelijke antwoorden zijn:
– Het Gronings aardgas is geen zuiver methaan, maar bevat ook nog stikstof en ethaan. – Het water komt bij de stookwaarde in tabel 28B vrij als waterdamp.
– De omstandigheden waaronder is gemeten zijn niet helemaal vergelijkbaar.
d De stookwaarde van Gronings aardgas is 32·106 J m–3, ofwel 8,9 kWh m–3. De totale verbruikte energie van het Groningse aardgas = 500 000 m3per dag. Dit is 32·103600 246×500 000× =185⋅106J s–1 = 185 MJ s–1 = 185 MW. Of: 3 8.9·10 500 000 24 − × = 185 MW.
Het nuttige vermogen is 90 MW. Het rendement is dus: nut tot 90 100% 100% = 49% 185 E E
η
= ⋅ = × e 51 1,85·10 9,4·10 J s8 7 -1 100 × = f Q = c · m · ΔT, dus T Q c m ∆ =⋅ ; c = 4,18·103J kg–1 K–1; de massa van 3,0 m3water is:
m = ρ ∙ V = 0,9982∙103 × 3,0 = 2,9946∙103kg.
De toegevoerde energie per seconde verwarmt het water dat per seconde door de rivier stroomt.
Dat betekent dat 9,4 103 7 3 7,5
4,18 10 2,9946 10
T ⋅
∆ = =
⋅ × ⋅ °C.
g De temperatuur van het water stijgt van15,0 °C tot 15,0 °C + 7,5 °C = 22,5 °C.
De centrale hoeft dus nog niet te worden stilgelegd.
*8 M(C8H18) = 8 × 12,01 + 18 × 1,008 = 114,22 g mol–1.
40 liter benzine heeft een m = ρ ∙ V = 40 L × 0,72∙103g L–1 = 2,88∙104g. Dit staat gelijk aan 2,88 104 2,52 102
114,22 m n = M ⋅ = = ⋅ mol benzine.
Dit zijn dus 2,52∙102 × 8 = 2,017∙103mol C-atomen.
Het molair rendement is dan:2,017 10 mol nuttig gebruikte C-atomen 100% 81%3 2500 mol ingevoerde C-atomen
⋅ ⋅ =
2
Reactiewarmte berekenen
Opdrachten
9 a Omdat de energie-inhoud van stoffen mede wordt bepaald door de temperatuur moeten de
deelnemende stoffen aan het begin en het eind van de reactie dezelfde temperatuur hebben. De druk moet aan het begin en het eind van de reactie ook hetzelfde zijn, omdat anders een deel van de energie in arbeid is omgezet.
b 3 C(s) 4 H (g)+ 2 →C H (g)3 8 H5 Reacties in beweging
50 *7 a CH (g) + 2 O (g) 4 2 → CO (g) + 2 H O(l)2 2
b Bij T = 298 K en p = p0is Vm = 2,45·10–2 m3mol–1. In 1,0 m3methaan zit dus
2 m 1,0 40,8 2,45 10− = = = ⋅ V n V mol CH4(g).
1,0 mol CH4(g) levert 8,90·105 J warmte op (Binas tabel 56).
1,0 m3methaan levert dus 40,8 mol × 8,90·105 J mol–1 = 3,6·107 J warmte op. c Mogelijke antwoorden zijn:
– Het Gronings aardgas is geen zuiver methaan, maar bevat ook nog stikstof en ethaan. – Het water komt bij de stookwaarde in tabel 28B vrij als waterdamp.
– De omstandigheden waaronder is gemeten zijn niet helemaal vergelijkbaar.
d De stookwaarde van Gronings aardgas is 32·106 J m–3, ofwel 8,9 kWh m–3. De totale verbruikte energie van het Groningse aardgas = 500 000 m3per dag. Dit is 32·103600 246×500 000× =185⋅106J s–1 = 185 MJ s–1 = 185 MW. Of: 3 8.9·10 500 000 24 − × = 185 MW.
Het nuttige vermogen is 90 MW. Het rendement is dus: nut tot 90 100% 100% = 49% 185 E E
η
= ⋅ = × e 51 1,85·10 9,4·10 J s8 7 -1 100 × = f Q = c · m · ΔT, dus T Q c m ∆ =⋅ ; c = 4,18·103J kg–1 K–1; de massa van 3,0 m3water is:
m = ρ ∙ V = 0,9982∙103 × 3,0 = 2,9946∙103kg.
De toegevoerde energie per seconde verwarmt het water dat per seconde door de rivier stroomt.
Dat betekent dat 9,4 103 7 3 7,5
4,18 10 2,9946 10
T ⋅
∆ = =
⋅ × ⋅ °C.
g De temperatuur van het water stijgt van15,0 °C tot 15,0 °C + 7,5 °C = 22,5 °C.
De centrale hoeft dus nog niet te worden stilgelegd.
*8 M(C8H18) = 8 × 12,01 + 18 × 1,008 = 114,22 g mol–1.
40 liter benzine heeft een m = ρ ∙ V = 40 L × 0,72∙103g L–1 = 2,88∙104g. Dit staat gelijk aan 2,88 104 2,52 102
114,22 m n = M ⋅ = = ⋅ mol benzine.
Dit zijn dus 2,52∙102 × 8 = 2,017∙103mol C-atomen.
Het molair rendement is dan:2,017 10 mol nuttig gebruikte C-atomen 100% 81%3 2500 mol ingevoerde C-atomen
⋅ ⋅ =
2
Reactiewarmte berekenen
Opdrachten
9 a Omdat de energie-inhoud van stoffen mede wordt bepaald door de temperatuur moeten de
deelnemende stoffen aan het begin en het eind van de reactie dezelfde temperatuur hebben. De druk moet aan het begin en het eind van de reactie ook hetzelfde zijn, omdat anders een deel van de energie in arbeid is omgezet.
b 3 C(s) 4 H (g)+ 2 →C H (g)3 8
Nova © Uitgeverij Malmberg H6 Evenwichten 65 e 3 3 7 8 3 2 2 [H O ][HCO ] 4,5 10 4,0 10 [HCO ] [CO ] [CO ] K = + − = ⋅ − = ⋅ − × − ; 78 3 2 [HCO ] 4,5 10 11 [CO ] 4,0 10 − − − ⋅ = = ⋅ ;
dus [HCO3–] : [CO2] = 11 : 1.
f Als je voedingspatroon veel invloed zou hebben op de zuurgraad van je bloed zou je ademhaling
steeds ontregeld zijn. Dat is (gelukkig) niet het geval.
H6 Evenwichten 65 e 3 3 7 8 3 2 2 [H O ][HCO ] 4,5 10 4,0 10 [HCO ] [CO ] [CO ] K= + − = ⋅ − = ⋅ − × − ; 78 3 2 [HCO ] 4,5 10 11 [CO ] 4,0 10 − − − ⋅ = = ⋅ ;
dus [HCO3–] : [CO2] = 11 : 1.
f Als je voedingspatroon veel invloed zou hebben op de zuurgraad van je bloed zou je ademhaling
steeds ontregeld zijn. Dat is (gelukkig) niet het geval. H5 Reacties in beweging
51
c In de reactie uit vraag b wordt de reactiewarmte alleen bepaald door de vormingswarmte van
propaan, omdat de beginstoffen uitsluitend niet-ontleedbare stoffen zijn met vormingswarmte nul.
10 a H O(l)2 →H O(g)2
De verdampingswarmte is dus: (–2,42 – (–2,86))⋅105J mol–1 = +0,44⋅105J mol–1. b De ΔE >0, dus de verdamping van water is een endotherm proces.
c Bij verdamping laten de watermoleculen elkaar helemaal los. De waterdeeltjes trekken elkaar
echter sterk aan door waterstofbruggen. Het kost energie om deze waterstofbruggen tussen de watermoleculen te verbreken.
11 a C H (g) + 5 O (g) 3 8 2 → 3 CO (g) + 4 H O(l)2 2
b ΔE = (3 × Ev(CO2) + 4 × Ev(H2O)) – (1 × Ev(C3H8) + 5 × Ev(O2))
ΔE = (3 × –3,935 + 4 × –2,86) ⋅105 – (1 × –1,04 + 5 × 0)⋅105
=
–22,2⋅105J mol–1. Deze waarde komt overeen met de waarde van de verbrandingswarmte in Binas tabel 56.c
12 a M(C12H22O11) = 342,30 g mol–1Binas tabel 98). 1 58,0 1,694 10 342,30 n n = M − = = ⋅ mol sacharose
1 mol sacharose heeft een verbrandingswarmte van –56,47⋅105J mol–1. 1,694⋅10–1mol sacharose heeft dus een verbrandingswarmte van 1,694⋅10–1mol × –56,47⋅105J mol–1 = –9,57⋅105 J = –9,57⋅102kJ. b Een mogelijke verklaring voor een iets lagere energiewaarde :
– Er zijn ook andere koolhydraten en suikers in de energiedrank aanwezig met een lagere energiewaarde.
c 1 cal = 4,184 J, dus 1 kcal = 4,184 kJ. 850 kJ = 850 203
4,184 = kcal.
d 100 g250 g 15 min 38 min× = .
*13 a De stookwaarde van propaan = 93,8·106 J m–3.
Het molair volume bij 273 K en p = p0 = 2,241⋅10–2 m3mol–1, dus de verbrandingswarmte van propaan is: 93,8·106 J m–3 × 2,241⋅10–2 m3mol–1 = –21,02⋅105J mol–1.
De verbrandingswarmte volgens Binas tabel 56 is: –22,19⋅105J mol–1.
Nova © Uitgeverij Malmberg
H5 Reacties in beweging
51
c In de reactie uit vraag b wordt de reactiewarmte alleen bepaald door de vormingswarmte van
propaan, omdat de beginstoffen uitsluitend niet-ontleedbare stoffen zijn met vormingswarmte nul.
10 a
H O(l)
2®
H O(g)
2De verdampingswarmte is dus: (–2,42 – (–2,86))×105J mol–1= +0,44×105J mol–1. b De ΔE >0, dus de verdamping van water is een endotherm proces.
c Bij verdamping laten de watermoleculen elkaar helemaal los. De watermoleculen trekken elkaar
echter sterk aan door waterstofbruggen. Het kost energie om deze waterstofbruggen tussen de watermoleculen te verbreken.
11 a C H (g) + 5 O (g) 3 8 2 ® 3 CO (g) + 4 H O(l)2 2
b ΔE = (3 × Ev(CO2) + 4 × Ev(H2O)) – (1 × Ev(C3H8) + 5 × Ev(O2))
ΔE = (3 × –3,935 + 4 × –2,86) ×105 – (1 × –1,04 + 5 × 0)×105
=
–22,2×105J mol–1. Deze waarde komt overeen met de waarde van de verbrandingswarmte in Binas tabel 56.c
12 a M(C12H22O11) = 342,30 g mol–1Binas tabel 98). 1
58,0
1,694 10
342,30
n
n =
M
-=
=
×
mol sacharose1 mol sacharose heeft een verbrandingswarmte van –56,47×105J mol–1. 1,694×10–1mol sacharose heeft dus een verbrandingswarmte van 1,694×10–1mol × –56,47×105J mol–1= –9,57×105J = –9,57×102kJ. b Een mogelijke verklaring voor een iets lagere energiewaarde :
– Er zijn ook andere koolhydraten en suikers in de energiedrank aanwezig met een lagere energiewaarde.
c 1 cal = 4,184 J, dus 1 kcal = 4,184 kJ. 850 kJ =
850
203
4,184
=
kcal.d
100 g
250 g 15min 38min
´
=
.*13 a De stookwaarde van propaan = 93,8·106J m–3.
Het molair volume bij 273 K en p = p0= 2,241×10–2m3mol–1, dus de verbrandingswarmte van propaan is: 93,8·106J m–3× 2,241×10–2m3mol–1= –21,02×105 J mol–1.
De verbrandingswarmte volgens Binas tabel 56 is: –22,19×105J mol–1. C3H8(g) + 5 O2 (g) 3 CO2(g) + 4 H2O(I) 4 · -2,86 3 · -3,935 +1,04 (C3H8) 3 C(s) + 4 H2(g) + 5 O2(g) E(·10 5 J)
∆E
= - 22,19 J mol-1 01_589228_NVSK_4VG_UWB_BW.indd 51 28/03/2019 14:36H6 Evenwichten 65 e 3 3 7 8 3 2 2 [H O ][HCO ] 4,5 10 4,0 10 [HCO ] [CO ] [CO ] K= + − = ⋅ − = ⋅ − × − ; 78 3 2 [HCO ] 4,5 10 11 [CO ] 4,0 10 − − − ⋅ = = ⋅ ;
dus [HCO3–] : [CO2] = 11 : 1.
f Als je voedingspatroon veel invloed zou hebben op de zuurgraad van je bloed zou je ademhaling
steeds ontregeld zijn. Dat is (gelukkig) niet het geval. H5 Reacties in beweging
52 b Mogelijke verklaringen zijn:
– In Binas tabel 28B staat dat het geproduceerde water als waterdamp vrijkomt.
Zoals je in een eerdere vraag hebt gezien, kost de verdamping van 1 mol water 0,44 105 J mol–1. Omdat er bij de verbranding van 1 mol propaan 4 mol water vrijkomt, betekent dit dat er 4 × 0,44·105J mol-1= 1,76·105 J mol–1aan warmte wordt verbruikt voor de verdamping van water. Omgerekend zou de berekening van de verbrandingswarmte van propaan uit de stookwaarden dus 21,02·105 J mol–1 + 1,76·105 J mol–1 = 22,78·105 J mol–1zijn. Deze waarde klopt beter.
– De temperatuur in Binas tabel 56 is anders (298 K) dan in Binas tabel 28B (273 K).
*14 a De reactievergelijking is: 6 CO (g) + 6 H O(l) C H O (s) + 6 O (g)2 2 → 6 12 6 2
b Omdat de fotosynthesereactie omgekeerd is aan de verbranding van glucose, is de
reactiewarmte = negatieve verbrandingswarmte: ∆E = +28,16⋅105Jmol–1 ΔE = (1 × Ev(C6H12O6) + 6 × Ev(O2) – (6 × Ev(CO2) + 6 × Ev(H2O))),
dus 28,16⋅105J mol–1 = (Ev(C6H12O6) + 6 × 0) – (6 × –3,935·105 + 6 × –2,86⋅105), dus Ev(C6H12O6) = 28,16·105 (6 × –3,935·105 + 6 × –2,86·105)
= –12,61·105J mol–1 = –1,261 MJ mol–1
15 a Dodecaan bevat 12 koolstofatomen, dus in de algemene fischer-tropschreactievergelijking is
n = 12. De reactievergelijking wordt dan:
2 12 26 2
12 CO(g) (2 12 1) H (g)+ × + →C H (g) 12 H O(g)+ , dus
2 12 26 2
12 CO(g) + 25 H (g) →C H (g) + 12 H O(g)
b De reactiewarmte van de vorming van 1 mol C12H26(g) bedraagt:
ΔE = (1 × Ev(C12H26) + 12 × Ev(H2O(g)) – (25 × Ev(H2) + 12 × Ev(CO)) = ((–3,53 + 12 × –2,42) – (25 × 0 + 12 × –1,105))∙105J mol–1 = –19,3∙105J mol–1. Dit is een negatieve waarde, dus het Fischer-Tropschproces is een exotherm proces.
3
Reactiesnelheid
Opdrachten 16 a H (g) + I (g)2 2 →2 HI(g) b [HI] (7,0 0,0) 1,4 mol L1 5,0 − − ∆ = = 3 1 1 1 [HI] 1,4 8,8 10 mol L s 2 2 (80 0) s t − − − ∆ = + = = ⋅ ∆ × − 17 a 2 NO(g)+2 H (g)2 →N (g)+2 H O(g)2 2b De beginconcentraties worden berekend door het aantal mol te delen door het volume van het
reactievat.
[ ]
NObegin 0,10 2,0 10 2 5,0 − = = ⋅ mol L-1.[ ]
2 2 begin 0,20 H 4,0 10 5,0 − = = ⋅ mol L-1. 01_589228_NOVA_SK_4VG_UWB_BW.indd 52 03/01/2019 09:24Nova © Uitgeverij Malmberg H6 Evenwichten 65 e 3 3 7 8 3 2 2 [H O ][HCO ] 4,5 10 4,0 10 [HCO ] [CO ] [CO ] K= + − = ⋅ − = ⋅ − × − ; 78 3 2 [HCO ] 4,5 10 11 [CO ] 4,0 10 − − − ⋅ = = ⋅ ;
dus [HCO3–] : [CO2] = 11 : 1.
f Als je voedingspatroon veel invloed zou hebben op de zuurgraad van je bloed zou je ademhaling
steeds ontregeld zijn. Dat is (gelukkig) niet het geval. H5 Reacties in beweging
53
Deze concentraties worden ingevuld in een omzettingstabel. Omdat op tijdstip t1de helft van de oorspronkelijke hoeveelheid H2(g) over is, is de eindconcentratie H2(g) gelijk aan 2,0⋅10–2mol L–1. Dat betekent dat er tijdens de reactie –2,0⋅10-2mol L–1 H2(g) is omgezet.
Volgens de reactievergelijking moet er dan ook –2,0⋅10–2mol L–1NO(g) zijn omgezet en zijn er +1,0⋅10–2mol L–1 N2(g) en +2,0⋅10–2mol L–1 H2O(g) gevormd. Als deze waarden in de
omzettingstabel worden ingevuld, kunnen de concentraties op tijdstip t1worden berekend:
concentratie (mol L–1) [NO] [H2] [N2] [H2O]
begin 2,0⋅10–2 4,0⋅10–2 0,0 0,0
omgezet –2,0⋅10–2 –2,0⋅10–2 +1,0⋅10–2 +2,0⋅10–2
eind(t1) 0 2,0⋅10–2 1,0⋅10–2 2,0⋅10–2
c Het tijdstip t1ligt bij het punt waar de concentratie H2(g) is gedaald naar 2,0⋅10–2mol L–1. Op t1is de [NO] nul geworden, het gevolg is dat de reactie is afgelopen. De [H2] blijft daarom vanaf t1 constant.
d Bij het schetsen van het verloop van de concentraties haal je de begin- en eindconcentraties uit de
omzettingstabel en plaatst deze concentraties bij tijdstip t0en t1. Je schetst dan kromme lijnen van het beginpunt naar het eindpunt, waarbij je ervan uitgaat dat de concentraties geleidelijk minder snel veranderen. 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 01_589228_NOVA_SK_4VG_UWB_BW.indd 53 03/01/2019 09:24
H6 Evenwichten 65 e 3 3 7 8 3 2 2 [H O ][HCO ] 4,5 10 4,0 10 [HCO ] [CO ] [CO ] K= + − = ⋅ − = ⋅ − × − ; 78 3 2 [HCO ] 4,5 10 11 [CO ] 4,0 10 − − − ⋅ = = ⋅ ;
dus [HCO3–] : [CO2] = 11 : 1.
f Als je voedingspatroon veel invloed zou hebben op de zuurgraad van je bloed zou je ademhaling
steeds ontregeld zijn. Dat is (gelukkig) niet het geval. H5 Reacties in beweging
54
e De reactiesnelheid bij hogere temperatuur is geschetst met een stippellijn.
Bij hogere temperatuur is de reactiesnelheid in het begin hoger, maar omdat de concentraties van de deelnemende stoffen daardoor sneller dalen, neemt de reactiesnelheid ook sneller af. De reactie is dus eerder afgelopen.
18 a Bepaal de y-waarde bij t = 0 minuten en bij 2,0 minuten.
5 1 6 1 1 1 2[X] (1,7 3,4)·10 molL2 120 s 7,1·10 mol L s s t − − − − − ∆ − = − = − = ∆ ×
b Bepaal de y-waarde bij t = 4,0 minuten en bij 5,0 minuten. 5 8 1 1 2 2[X] (0,60 0,85)·102 60 2,1·10 mol L s s t − − − − ∆ − = − = − = ∆ ×
c In vraag a wordt de reactiesnelheid in het begin van de reactie berekend, terwijl in vraag b de
reactiesnelheid later in de reactie wordt bepaald. In vraag b zijn de concentraties van de beginstoffen lager, dus is de reactiesnelheid in vraag b ook lager.
19 a C H (g) 11 24 →zeoliet-Y s( ) C H (g) + C H (g)6 14 5 10
b Dit is heterogene katalyse, omdat de katalysator zich in een andere fase bevindt dan de reagerende
stoffen.
*20 a Juist, reactiesnelheden zijn hoger bij hogere temperaturen, omdat de kinetische of
bewegingsenergie van de moleculen van de beginstoffen toeneemt. Daardoor wordt de benodigde activeringsenergie lager.
b Juist, omdat door samenpersen de concentratie van beide gassen stijgt. Bij hogere concentratie
verloopt een reactie sneller.
c Onjuist, omdat bij gebruik van een katalysator alleen de activeringsenergie wordt verlaagd. De
reactiewarmte bij een exotherme reactie wordt uitgedrukt in J mol–1. Per mol gereageerde stof blijft de reactiewarmte hetzelfde, ook al verloopt de reactie sneller.
*21 a IJzer en kobalt zijn de meest geschikte katalysatoren om brandstoffen mee te maken, omdat deze
beter betaalbaar zijn dan ruthenium en voldoende lange koolstofketens uit synthesegas kunnen produceren.
b IJzer is gevoeliger voor zwavelverbindingen, dus moet het synthesegas, dat afkomstig is van
zwavelhoudende grondstoffen, vaak worden gezuiverd.
c Men kan dan kiezen voor kobalt als katalysator, omdat dit minder gevoelig is voor
zwavelverbindingen. H5 Reacties in beweging
54
e De reactiesnelheid bij hogere temperatuur is geschetst met een stippellijn.
Bij hogere temperatuur is de reactiesnelheid in het begin hoger, maar omdat de concentraties van de deelnemende stoffen daardoor sneller dalen, neemt de reactiesnelheid ook sneller af. De reactie is dus eerder afgelopen.
18 a Bepaal de y-waarde bij t = 0 minuten en bij 2,0 minuten.
5 1 8 1 1 1 2[X] (1,7 3,4)10 molL2 120 s 7 10 mol L s,1 s t = = =
b Bepaal de y-waarde bij t = 4,0 minuten en bij 5,0 minuten. 5 8 1 1 2 2[X] (0,60 0,85)·102 60 2,1·10 mol L s s t -- - -D -= - = - = D ´
c In vraag a wordt de reactiesnelheid in het begin van de reactie berekend, terwijl in vraag b de
reactiesnelheid later in de reactie wordt bepaald. In vraag b zijn de concentraties van de beginstoffen lager, dus is de reactiesnelheid in vraag b ook lager.
19 a C H (g) 11 24 ¾¾¾¾¾®zeoliet-Y s( ) C H (g) + C H (g)6 14 5 10
b Dit is heterogene katalyse, omdat de katalysator zich in een andere fase bevindt dan de reagerende
stoffen.
*20 a Juist, reactiesnelheden zijn hoger bij hogere temperaturen, omdat de kinetische of
bewegingsenergie van de moleculen van de beginstoffen toeneemt. Daardoor wordt de benodigde activeringsenergie lager.
b Juist, omdat door samenpersen de concentratie van beide gassen stijgt. Bij hogere concentratie
verloopt een reactie sneller.
c Onjuist, omdat bij gebruik van een katalysator alleen de activeringsenergie wordt verlaagd. De
reactiewarmte bij een exotherme reactie wordt uitgedrukt in J mol–1. Per mol gereageerde stof blijft de reactiewarmte hetzelfde, ook al verloopt de reactie sneller.
*21 a IJzer en kobalt zijn de meest geschikte katalysatoren om brandstoffen mee te maken, omdat deze
beter betaalbaar zijn dan ruthenium en voldoende lange koolstofketens uit synthesegas kunnen produceren.
b IJzer is gevoeliger voor zwavelverbindingen, dus moet het synthesegas, dat afkomstig is van
zwavelhoudende grondstoffen, vaak worden gezuiverd.
c Men kan dan kiezen voor kobalt als katalysator, omdat dit minder gevoelig is voor
zwavelverbindingen.
Nova © Uitgeverij Malmberg H6 Evenwichten 65 e 3 3 7 8 3 2 2 [H O ][HCO ] 4,5 10 4,0 10 [HCO ] [CO ] [CO ] K= + − = ⋅ − = ⋅ − × − ; 78 3 2 [HCO ] 4,5 10 11 [CO ] 4,0 10 − − − ⋅ = = ⋅ ;
dus [HCO3–] : [CO2] = 11 : 1.
f Als je voedingspatroon veel invloed zou hebben op de zuurgraad van je bloed zou je ademhaling
steeds ontregeld zijn. Dat is (gelukkig) niet het geval. H5 Reacties in beweging
55
4
Beïnvloeding reactiesnelheid
Opdrachten
22 a Een effectieve botsing is een botsing tussen moleculen of atomen van de beginstoffen die tot een
reactie leidt.
b – De snelheid van bewegen van de moleculen van de beginstoffen moet voldoende hoog zijn.
– De moleculen moeten op de juiste plek tegen elkaar botsen.
c In deze botsing tussen atoom A en molecuul C-B is sprake van een niet-effectieve botsing, omdat
na afloop van de botsing atoom A en molecuul C-B ongewijzigd zijn.
23 a Het is een heterogene katalysator, omdat het rhodium als metaal zich in een andere (vaste) fase
bevindt dan het vloeibare hex-1-een.
b – Rhodium werkt als katalysator voor deze reactie. Omdat daardoor de activeringsenergie van de
reactie wordt verlaagd, stijgt de reactiesnelheid.
– Het rhodium zweeft fijn verdeeld rond in de vloeistof. Daardoor is er een groot
contactoppervlak tussen de vloeistof en de katalysator, waardoor de reactiesnelheid stijgt.
24 a Bij iedere 10 K stijging verdubbelt de reactiesnelheid. Bij 20 K stijging wordt de reactiesnelheid
dus 2 · 2 = 4× hoger. Dus zijn de aardappels bij die temperatuur na 20/4 = 5 minuten gaar.
b 170 17
10 = , dus 217× sneller = ongeveer 130 000 × sneller.
25 Hoe groter het contactoppervlak tussen twee reagerende stoffen in een heterogeen mengsel is, hoe
sneller de reactie verloopt. Om te kunnen exploderen moet het melkpoeder zo veel mogelijk in contact zijn met de zuurstof in de lucht. Als het melkpoeder op een hoopje ligt, is de verdelingsgraad hoog, maar het contactoppervlak tussen melkpoeder en de lucht laag. Het zal dan niet exploderen.
26 Er kunnen verschillende factoren meespelen, zoals de verdelingsgraad, de concentratie of de aan- of
afwezigheid van een katalysator.
Ook de reactiewarmte is van invloed: Wanneer een reactie sterk exotherm is zal hij ook sneller verlopen omdat de reactiewarmte gebruikt kan worden om de activeringsenergie te overwinnen.
27 a Dat leidt tot de volgende berekening:
ΔE = (1 × Ev(C) + 4 × Ev(NaCl) – (Ev(CCl4) + 4 × Ev(Na) = (1 × 0 + 4 × –4,11·105 ) – (– 1,28·105 + 4 × 0) = –15,2·105 J mol–1
b Bij een hogere temperatuur zullen er tussen de moleculen meer effectieve botsingen plaatsvinden.
Hierdoor zal de reactie sneller verlopen.
Eindopdracht Fischer-Tropschproces
28 a Uit strategische en milieutechnische overwegingen willen sommige landen en overheden minder
afhankelijk zijn van aardolie. Met het FT-proces kunnen brandstoffen worden gemaakt uit hernieuwbare grondstoffen (biomassa).
b Een katalysator verlaagt de benodigde activeringsenergie van een reactie. Waarschijnlijk heeft het
FT-proces een hoge activeringsenergie.
c De reactievergelijking voor de productie van C8H18(g) in de reactor is:
2 8 18 2
8 CO(g) + 17 H (g)→C H (g) 8 H O(g)+
De reactiesnelheid van de reactie is 20 kmol per minuut. Per seconde is dat dan
3 2 1 20 10 mol 3,3 10 mols 60 s − ⋅ = ⋅ .
Nova © Uitgeverij Malmberg
H5 Reacties in beweging
55
4
Beïnvloeding reactiesnelheid
Opdrachten
22 a Een effectieve botsing is een botsing tussen moleculen of atomen van de beginstoffen die tot een
reactie leidt.
b – De snelheid van bewegen van de moleculen van de beginstoffen moet voldoende hoog zijn.
– De moleculen moeten op de juiste plek tegen elkaar botsen.
c In deze botsing tussen atoom A en molecuul C-B is sprake van een niet-effectieve botsing, omdat
na afloop van de botsing atoom A en molecuul C-B ongewijzigd zijn.
23 a Het is een heterogene katalysator, omdat het rhodium als metaal zich in een andere (vaste) fase
bevindt dan het vloeibare hex-1-een.
b – Rhodium werkt als katalysator voor deze reactie. Omdat daardoor de activeringsenergie van de
reactie wordt verlaagd, stijgt de reactiesnelheid.
– Het rhodium zweeft fijn verdeeld rond in de vloeistof. Daardoor is er een groot
contactoppervlak tussen de vloeistof en de katalysator, waardoor de reactiesnelheid stijgt.
24 a Bij iedere 10 K stijging verdubbelt de reactiesnelheid. Bij 20 K stijging wordt de reactiesnelheid
dus 2 · 2 = 4× hoger. Dus zijn de aardappels bij die temperatuur na 20/4 = 5 minuten gaar.
b 170 17
10 = , dus 2
17 ×sneller = ongeveer 130 000 × sneller.
25 Hoe groter het contactoppervlak tussen twee reagerende stoffen in een heterogeen mengsel is, hoe
sneller de reactie verloopt. Om te kunnen exploderen moet het melkpoeder zo veel mogelijk in contact zijn met de zuurstof in de lucht. Als het melkpoeder op een hoopje ligt, is de verdelingsgraad hoog, maar het contactoppervlak tussen melkpoeder en de lucht laag. Het zal dan niet exploderen.
26 Er kunnen verschillende factoren meespelen, zoals de verdelingsgraad, de concentratie of de aan- of
afwezigheid van een katalysator.
Ook de reactiewarmte is van invloed: Wanneer een reactie sterk exotherm is zal hij ook sneller verlopen omdat de reactiewarmte gebruikt kan worden om de activeringsenergie te overwinnen.
27 a Dat leidt tot de volgende berekening:
ΔE = (1 × Ev(C) + 4 × Ev(NaCl) – (Ev(CCl4) + 4 × Ev(Na) = (1 × 0 + 4 × –4,11·105 ) – (– 1,28·105 + 4 × 0) = –15,2·105 J mol–1
b Bij een hogere temperatuur zullen er tussen de moleculen meer effectieve botsingen plaatsvinden.
Hierdoor zal de reactie sneller verlopen.
Eindopdracht Fischer-Tropschproces
28 a Uit strategische en milieutechnische overwegingen willen sommige landen en overheden minder
afhankelijk zijn van aardolie. Met het FT-proces kunnen brandstoffen worden gemaakt uit hernieuwbare grondstoffen (biomassa).
b Een katalysator verlaagt de benodigde activeringsenergie van een reactie. Waarschijnlijk heeft het
FT-proces een hoge activeringsenergie.
c De reactievergelijking voor de productie van C8H18(g) in de reactor is:
2 8 18 2
8 CO(g) + 17 H (g) C H (g) 8 H O(g)® +
De reactiesnelheid van de reactie is 20 kmol per minuut. Per seconde is dat dan
3 2 1 20 10 mol 3,3 10 mols 60 s -× = × .
(200 – 30)/10 = 17 × 10 °C, dus 217 × sneller, dus ongeveer 130 000 × sneller.
H6 Evenwichten 65 e 3 3 7 8 3 2 2 [H O ][HCO ] 4,5 10 4,0 10 [HCO ] [CO ] [CO ] K= + − = ⋅ − = ⋅ − × − ; 78 3 2 [HCO ] 4,5 10 11 [CO ] 4,0 10 − − − ⋅ = = ⋅ ;
dus [HCO3–] : [CO2] = 11 : 1.
f Als je voedingspatroon veel invloed zou hebben op de zuurgraad van je bloed zou je ademhaling
steeds ontregeld zijn. Dat is (gelukkig) niet het geval. H5 Reacties in beweging
56
d Als de 200 kmol ingevoerde CO(g) volledig zou worden omgezet in C8H18(g), dan zou er
3 1 200 10 mol 417 mols 8 60 s − ⋅ =
× C8H18(g) worden geproduceerd. Dit betekent een rendement van
2
nuttige uitvoer 100% 3,3 10 100% 79%
theoretisch maximale uitvoer 417
⋅
⋅ = × =
e Mogelijk goede antwoorden zijn:
– de reactieomstandigheden aanpassen zoals de temperatuur of druk; – de katalysator vernieuwen of schoonmaken;
– de overgebleven beginstoffen opnieuw invoeren in de reactor; – een andere katalysator inzetten.
