spm1510-07_08; - Opdracht/Deeltoets II;
20 maart 2008, 10.45-12.45 uur
Deze deeltoets bestaat uit 3 vraagstukken EN een bonusvraag. De beschikbare tijd is 2 uur.
Je mag uitsluitend gebruiken: een rekenmachine, schrijfmateriaal, het formuleblad en het periodiek systeem.
Lees alle vraagstukken eerst snel door, en deel dan je tijd in per vraagstuk. Succes! NB: u start met een saldo van 10 punten; totaal aantal punten te behalen is 100 (excl. Bonusvraag).
Gebruik systeemdenken om je antwoorden te formuleren, te beargumenteren, en te motiveren! Succes!
Vraagstuk 1. Broeikaseffect (30 punten)
a. Teken een systeemdiagram van de aarde/atmosfeer waarmee je duidelijk maakt hoe het
broeikaseffect in elkaar steekt, en hoe het versterkt broeikaseffect (waarschijnlijk) samenhangt met het opwarmen van de oceanen, het smelten van ijskappen en gletschers enz.
b. Leg met uw diagram uit b. en de Wet van Stefan-Boltzmann uit waarom het broeikaseffect nodig is voor het leven op aarde.
Om het versterkt broeikaseffect te bestrijden is onder andere in 1997 het Kyoto-protocol opgesteld.
Daarin is onder andere opgenomen de wereldwijde uitstoot van CO2 te beperken. In oude stortplaatsen van afval ontstaat door bacteriële afbraak van organisch materiaal stortgas, dat bestaat uit +/-50%
methaan (CH4) en 50% CO2. Relatief eenvoudige maatregelen als afdekken van de stort en affakkelen van het stortgas leveeren een bijdrage aan het terugdringen van de versterking van het broeikaseffect, en kunnen worden aangemeld als zgn. Clean Development Projects onder het Kyoto Protocol.
c. Benoem en verklaar dit met een eenvoudig systeemdiagram van een stortplaats, GWP en je kennis van het broeikaseffect.
Naast een gemiddelde temperatuurstijging heeft het versterkt broeikaseffect nog andere (indirecte) gevolgen. Hoewel niet al deze gevolgen algemeen aanvaardt zijn, worden er nu reeds maatregelen genomen (adaptation) om voorbereid te zijn op verwachte ontwikkelingen.
d. Noem naast het smelten van ijskappen/gletschers en het opwarmen van de oceanen nog twee directe of indirecte gevolgen. Beargumenteer twee te nemen maatregelen.
e. Beargumenteer (noem de belangrijkste redenen) waarom het terugdringen van de CO2 uitstoot (mitigation) zo lastig is.
Het ‘atmospheric window’ wordt gebruikt ter evaluatie van de sterkte van de broeikaswerking van een broeikasgas. De analyse kan worden weergegeven in een grafiek. Op de horizontale as van zo’n grafiek staat de golflengte van straling.
f. Wat is het ‘atmospheric window’? Wat staat er op de verticale as van de grafiek die wordt gebruikt in zo’n analyse?
g. Leg uit hoe je met laboratoriummetingen, veldmetingen en het atmospheric window het global warming potential van een ‘suspect’ gas, bijvoorbeeld SF6 kunt bepalen.
Vraagstuk 2. Radicalen (30 punten)
Radicalen hebben in de atmosfeer grote invloed op de gassen die daar aanwezig zijn. Ozon (O3) is één van die gassen. Ozon kan worden geplitst door licht met de juiste golflengte. Daarbij ontstaat dan zuurstof en een aangeslagen zuurstof radicaal O*. Radicalen hebben veel invloed op
verontreinigingen in de atmosfeer door hun grote reactiviteit.
a. Wat is een radicaal? Waarom zijn radicalen zo reactief?
b. Radicalen spelen een rol in kettingreacties. Geef de drie onderdelen van een willekeurige kettingreactie in de atmosfeer weer en geef aan welke rol radicalen daar spelen.
Een aangeslagen zuurstofradicaal O* kan reageren zodat hydroxylradicalen (OH*) worden gevormd.
Voor deze reactie is een tweede stof nodig die aanwezig is in de atmosfeer.
c. Geef de reactie waarbij die hydroxylradicalen ontstaan. Welke stof is naast het aangeslagen zuurstofradicaal nodig voor de reactie?
Zonlicht heeft invloed op reacties met radicalen. Zonder zonlicht kunnen bepaalde reacties niet verlopen.
d. Waarom kunnen sommige reacties niet verlopen zonder zonlicht?
e. Noem een lokaal milieuprobleem dat samenhangt met radicaalreacties en zonlicht.
Een foton met een golflengte van 10 nm heeft juist voldoende energie voor het splitsen van CO2 in CO* en O*.
f. Bereken de hoeveelheid energie nodig voor het splitsen van CO2. g. Welke frequentie heeft dit foton.
h. Kan CO2 ook worden gesplitst door fotonen met een golflengte groter dan 10 nm? Waarom (niet)?
i. Geef de elektronenconfiguratie voor een edelgas onder gebruikmaking van het periodiek systeem
Vraagstuk 3. Zwavelcyclus (30 punten)
Onderstaande figuur uit Spiro geeft de mondiale zwavelcyclus weer. De eenheid is in Tg S/yr. Deze eenheid is zo gekozen om de getallen vergelijkbaar te maken. Bijvoorbeeld is de hoeveelheid
‘Biogenic gases’ die per jaar de atmosfeer in gaat significant groter dan 4 Tg per jaar (Tera Gram per jaar).
Analyse met ‘Atmospheric Window’
0 4000 8000 12000 16000 20000 24000 Golflengte (nm)
??
a. Welke rekenkundige operatie is uitgevoerd om de getallen in de figuur vergelijkbaar te maken?
b. Uit de figuur is niet duidelijk of ergens in de wereld netto accumulatie van zwavel plaatsvindt.
Beschrijf gedetailleerd de procedure hoe je dit (met onder andere de informatie uit het diagram) kunt bepalen, en welke theorie/formules je daarbij gebruikt. Nota Bene: je hoeft de beschreven methode niet uit te voeren! Geef wel aan welke keuzes je zou maken en waarom.
c. In welke vorm vindt de uitstoot van zwavel uit een olieraffinaderij bijna uitsluitend plaats?
d. Is het voorkomen van zwaveluitstoot in een raffinaderij uitgevoerd als een brongerichte of end-of- pipe maatsregel? Beschrijf de loop van zwavel in een raffinaderij kort (systeemaanpak!) en licht daarmee uw antwoord toe.
e. Beargumenteer voor welk(e) milieuthema(’s) rekening moet worden gehouden met de uitstoot van zwavel van raffinaderijen?
Bonusvraag: duurzame energie (10 punten)
Een kenmerk van duurzame energie is dat ze (veel) ruimte vraagt. Zoals bekend is ruimte een relatief schaars goed in Nederland. Leg kort uit hoe uw systeemanalyse eruit zou zien waarmee u uw advies aan de Minister van Vrom (Ruimtelijke Ordening en Milieu) resp. de Minister van Financiën zou onderbouwen ten aanzien van de verdeling van subsidiegelden onder de per 1 april 2008 van kracht zijnde “Subsidieregeling Duurzame Energie”.
Formuleblad en Periodiek systeem
Energie: Ekin = ½ m⋅v2 [J]
Q = Cp⋅m⋅∆T [J]
Wmax = Qh⋅(Th – Tc) / Th
Qc= Qh – Wmax = Qh ⋅ Tc / Th
[J]
10 31
2 19 1 2
r Q . Q
E= ⋅ − ⋅ ⋅
Avogadro: N = 6,022 ⋅ 1023 [moleculen/mol]
Straling: λpiek
piek
c
=T [m]
S = k⋅T4 (k = 5,67 * 10-8 [W/m2]) E = h⋅f = h⋅c/λ [J]
h = 6.62608⋅10-34 [Js]
c = 3,000⋅108 [m/s]
Heisenberg: ∆ ∆( ) 4 x mv h
⋅ ≥ π
Ideaal gas: p⋅V = n⋅R⋅T
(R = 0,0821 [atm L K-1]) (L = liter) R = 8.31451 [J/(K*mol)]
Zuurgraad: pH=-log[H+]
1 18
1A 8A
1 2
H 2 13 14 15 16 17 He
1.008 2A 3A 4A 5A 6A 7A 4.003
3 4 5 6 7 8 9 10
Li Be B C N O F Ne
6.941 9.012 10.81 12.01 14.01 16.00 19.00 20.18
11 12 13 14 15 16 17 18
Na Mg Al Si P S Cl Ar
22.99 24.31 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 26.98 28.09 30.97 32.07 35.45 39.95
19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
39.10 40.08 44.96 47.88 50.94 52.00 54.94 55.85 58.93 58.69 63.55 65.38 69.72 72.59 74.92 78.96 79.90 83.80
37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Ge Sb Te I Xe
85.47 87.62 88.91 91.22 92.91 95.94 (98) 101.1 102.9 106.4 107.9 112.4 114.8 118.7 121.8 127.6 126.9 131.3
55 56 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86
Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Sn Bi Po At Rn
132.9 137.3 138.9 178.5 180.9 183.9 186.2 190.2 192.2 195.1 197 200.6 204.4 207.2 209 (209) (210) (222)
87 88 89 104 105 106 107 108 109 110 111 112
Fr Ra Ac Unq Unp Unh Uns Uno Une Uun Uuu Uub (223) 226 (227)
58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
140.1 140.9 144.2 (145) 150.4 152.0 157.3 158.9 162.5 164.9 167.3 168.9 173.0 175.0
90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
232.0 (231) 238.0 (237) (244) (243) (247) (247) (251) (252) (257) (258) (259) (260)
