Deeltoets TB151-II Uitwerking vraagstuk 1)
a) Ontvangst: straling van de zon (zonlicht)
Afstaan: straling van de aarde (warmte-straling, IR van zwart lichaam) Verschil: golflengte
Achtergrond: Spiro eq. 2.1: λpeak= 2.9 x 106 [nm.K]/T[K]
Dus de piek golflengte neemt af met toenemende temperatuur van het lichaam dat de straling uitzendt.
Tzon (oppervlak) ≈ 6000 K. Taarde (oppervlak) ≈ 288K.
b) Een gas is een broeikasgas als ze een deel van de infra-rood (IR) warmtestraling, afkomstig van het aardeoppervlak, absorbeert en vervolgens verstrooit. Het netto- effect is vasthouden van de warmte in de atmosfeer, die daardoor als in een broeikas de aarde aan het oppervlak opwarmt.
Broeikasgassen zijn, naast CO2 :water H2O, methaan CH4, ChloroFluorhydroCarbons CFC’s/ CFK's ChloorFluor Koolwaterstoffen (CFC-11, CFC-12), en lachgas N2O.
c) De belangrijkste rol die wolken spelen voor de totale energiebalans van de aarde is rechtstreekse weerkaatsing van zonlicht terug de ruimte in. Dit teruggekaatste deel draagt dus verder niet bij aan de energiehuishouding van het systeem aarde.
Dit effect of deze eigenschap van de aarde is de albedo.
d) De energiebalans van de atmosfeer:
1. systeemgrens: atmosfeer: ― ruimte
― aardoppervlak dus inclusief wolken
2. energiestromen. Zonlicht: in, uit de ruimte uit, naar oppervlak
uit, naar ruimte (van wolken & oppervlak: albedo) (verschil absorptie atmosfeer/wolken)
IR-straling: in, van aardoppervlak.
uit, van atmosfeer/wolken Æ ruimte uit, van atmosfeer/wolken Æ oppervlak (verschil netto-uitstraling Æ ruimte) verdampingsenergie: van oppervlak Æ atmosfeer/wolken
thermische energie: van oppervlak Æ atmosfeer (zie ook Spiro p. 109)
Andere effecten dan de Albedo:
• uitzenden van IR-straling Æ ruimte/ oppervlak
• “vasthouden” IR-straling = broeikaseffect
• wolken: deel hydrologische cyclus: verdamping/condensatie/regen/run-off naar zee/verdamping etc.
• atmosfeer: directe opname warmte aardoppervlak
e) SO2 beinvloed in hoofdzaak de vorming van wolken. Ze reageert tot sulfaat- aerosolen, die geschikte “cloud-condensation-nuclei” vormen. Daarnaast vergroten deze aerosolen direct de verstrooiing van (zon)licht in de atmosfeer. Waardoor de Albedo van de atmosfeer ook toeneemt. Dus zowel het directe effect van sulfaat- aerosolen als het indirecte effect (wolkvorming) zijn gunstig: ze hebben een werking tegengesteld aan het broeikaseffect omdat ze de hoeveelheid straling die het
aardoppervlak bereikt verkleinen.
f) SO2 – sulfaat aerosolen zijn “cloud-condensation-nuclei” of CCN’s,
condensatiekernen voor waterdamp in de atmosfeer. Natuurlijke bronnen: (p. 113 Spiro) vulkanen; sulfaten uit biologische bronnen; terpenen uit naaldbossen;
(vluchtige koolwaterstoffen uit natuurlijke bron); stof/zand; roet en bosbranden.
Uitwerking vraagstuk 2)
Naast het broeikaseffect is de vernieting van de ozonlaag het tweede mondiale milieuthema.
a) De afbraak van de ozonlaag wordt mondiaal gezien als een probleem omdat de
ozonlaag UV-straling aanwezig in zonlicht tegenhoudt. UV-straling is schadelijk voor mens, dier en plant? Afbraak van de ozonlaag zal naar verwachting leiden tot een explosie van het aantal gevallen van huidkanker.
b) Een radicaal is een atoom of (brokstuk van) een molecuul waarin zich tenminste een ongepaard electron bevindt? Daarom is een radicaal zo reactief, omdat dit ongepaarde electron een verhoogde energietoestand vertegenwoordigd. Bij interactie met andere moleculen of atomen is geeft deze verhoogde energietoestand een verhoogde kans op het verlopen van een chemische reactie naar een lagere energietoestand.
c) De algemene vergelijking voor de vorming van radicalen in de atmosfeer is een endotherme reactie die verloop onder de invloed van licht, te weten een foton met energie-inhoud E = hν
De reactie is bijvoorbeeld te schrijven als X2 + hν Æ 2X˚
X3 + hν Æ X2 + X˚ Of CxHyXÆ CxHy˚+X˚
De reactie voor de vorming van het hydroxyl radicaal uit water begint bijvoorbeeld met de splitsing van een ozonmolecuul (zie voor andere mechanismes Spiro):
O3 + hν Æ O2* + O*
Waarna 'geëxciteerde zuurstof' voldoende energie heeft voor de vorming van twee hydroxylradicalen; zo kloppen ook de elementbalansen voor de reactie.
O* + H2O Æ 2 HO˚
d) De (algemene) reactievergelijkingen op voor katalytische afbraak van ozon:
(katalytische species = X);
Initiatie:
de vorming van een radicaal X˚; volgens de reactie boven gegeven.
X˚; kan ook zuurstof radicaal zijn:
Of O3 + hν Æ O2 + O˚
Of N2O+ hν Æ N2 + O˚
Propagatie:
X˚ + O3 Æ XO˚ + O2
XO˚ + O Æ X˚+ O2
Dus ozon wordt afgebroken, en X˚ wordt steeds terugge vormd
Deze cyclus wordt alleen beeindigd als het radicaal X˚ wordt 'gevangen' en er een zgn.
Terminatie reactie of beeindiging optreedt. Zie hiervoor Spiro.
e) Welke katalytische species X spelen een rol bij de afbraak van de ozonlaag? Noem minstens 2 van zulke stoffen of ‘species’. Hoe kan de katalytische afbraak van ozon volgens het mechanisme bedoeld in deelvraag d) worden beeindigd?
Chloor, Broom, Fluor verbindingen in CFK; bijvoorbeeld CFKÆ HCFK˚ + Cl˚
N2O
CH4/ H2O Æ OH˚
f) Het (Ant)arctische gat in de ozonlaag groeit sterk in het voorjaar omdat dan de zon gaat schijnen.
Onder e) genoemde typen luchtverontreiniging nemen gedurende de donkere wintermaanden steeds toe. Zodra de zon gaat schijnen is vindt er als het ware een explosie plaats van de initiatie reactie, en wordt er in korte tijd zoveel ozon afgebroken door propagatie dat een 'gat' in de ozonlaag ontstaat.
Zie Spiro voor de vormingsreacties van ozon die het gat in de wintermaanden weer ten dele herstellen.
Uitwerking vraagstuk 3)
a) Efoton = hv h = 6.626 *10-34 [ J.s.]
[J] = [J.s.] * [s-1]
V = frequentie ([s-1] of Hƶ)
Gegeven is echter de golflengte λ ([nm]) = 10-9 [M]) λ = c/v Ù v = c/λ
c = lichtsnelheid (3*108 [m/s]) Dus Efoton = h * c/λ
UV (300nm) = 6.626 * 10-34 * 3* 108/ 300*10-9 Efoton = 6.626* 10-19 [J]
IR (9000 nm) = 6.626 * 10-34 * 3 * 108/9000 * 10-9
= 0.22 * 10-19 [J]
Verhouding Euv : EIR = 30 : 1 = 1/λuv : 1/ λIR = λIR/λuv : 1 b) Deze bewering is niet juist:
IR-straling richt geen schade aan zoals UV-straling in zonlicht, omdat de energie per foton te klein is om chemische reacties in de huid te initieren (bijvoorbeeld de beschadiging van DNA).
c) Valentie-electronen zijn die electronen van een atoom die zich in de buitenste orbitalen bevinden; daardoor zijn ze doorslaggevend voor het karakter van zo’n atoom in een chemische binding.
d) Het aantal valentie-electronen van Xy = 6 (ns = 2 np = 4).
e) Er ontbreken 2 electronen voor het voldoen aan de octet-regel.
Xy kan dus zijn Ne (-2) = O (periodiek systeem) Ar (-2) = S
Kr (-2) = Se
Xe (-2) = Te
Rn (-2) = Po
Magenta = opvullen ns-orbitalen
Geel = opvullen np-orbitalen Blauw = opvullen (n-1) nd-orbitalen Groen = opvullen (n-1) f-orbitalen
f) Xy is tweewaardig, en zal dus de verbinding CaXy vormen.
g) De ionisatie energie van Xy is kleiner dan die van fluor F. Ionisatie-energie = energie nodig om één electron van het atoom te verwijderen: (Zumdahl, p. 327)
Xy Æ Xy+ + e- (Zumdahl, p. 328):
Deze neemt af als we van rechts naar links in het periodiek systeem gaan, omdat electronen sterker gebonden zijn naarmate ideaal gas configuratie beter wordt benaderd. Tevens neemt ze af als we naar hogere groepen gaan (en neemt toe), i.e.
naar beneden in het periodiek systeem, omdat de electronen zich op grotere afstand van de nucleus bevinden. Dit effect is blijkbaar groter dan de grotere aantrekkingskracht van de meer geladen atoomkern.
h) <deze vraag hoort nu bij de stof van blok III> structuren worden tzt. Toegevoegd.
De procedure voor het bereiken van de Lewis-structuur is:
1. sommeer alle valentie-electronen.
2. Teken één paar electronen als binding tussen elk paar atomen.
3. Verdeel de overige valentie-electronen zo dat aan de octet regel wordt voldaan.
1) SO2: S = 6 0 = 6 Æ totaal in SO2 18 valentie-electronen.
2) O-S-O
3) <O=S=O> klopt niet: totaal = 16 VE.
<O=S=O> klopt niet: S voldoet niet aan octet-regel.
O-S=O voldoet: 18 VE’s, octet-regel.
resonantie
<structuren toevoegen>
O=S-O
CO32- stap 1) C = 4 O = 3 x 6
2- = 2 totaal 24 VE’s
stap 2) O-C-O klopt niet: 26 VE’s
| O
O-C=O klopt niet: 24 VE’s, + octet-regel
resonantie
O-C-O | O
