███ Accu opladen
De Li-ion-accu is tegenwoordig de meest gebruikte oplaadbare batterij in telefoons en I-pods. De Li-ion batterij bestaat uit twee halfcellen, die worden gescheiden door een membraan, dat voor kleine ionen doorlaatbaar is. Elektrode A bestaat uit een mengsel van koolstof en lithium. Elektrode B is bedekt met lithiumkobaltoxide, LiCoO2. De ruimte tussen de elektroden is gevuld met een elektrolyt.
Als de Li-ion batterij wordt opgeladen treden de volgende reacties op:
Elektrode A: Li+ + C + e– LiC
Elektrode B: LiCoO2 CoO2 + Li+ + e–
2p 1 Leg uit welk deeltje de elektronenacceptor is tijdens het opladen.
2p 2 Leg uit aan welke elektrode de negatieve kant van de spanningsbron aangesloten moet worden tijdens het opladen.
1p 3 Geef de totale reactievergelijking tijdens het opladen.
3p 4 Leg uit in welke richting de ontstane lithium-ionen zich tijdens het opladen door het elektrolyt verplaatsen.
Tijdens de World Solar Challenge in Australië rijden zelfgebouwde auto’s 3000 km op elektrische energie uit zonnecellen, die wordt opgeslagen in Li-ion accu’s. Het ontwerpteam had voor dit type accu gekozen omdat de Li-ion accu de gunstigste verhouding energie/massa heeft.
2p 5 Leg uit waarom de energie/massa-verhouding van belang is bij het gebruik van Li-ion batterijen in elektrische auto’s.
Het ontwerpteam van de ‘Red Engine’ heeft er niet voor gekozen om brandstofcellen in hun zonneauto te bouwen.
2p 6 Leg uit wat het verschil is tussen de werking van een brandstofcel en een oplaadbare accu.
███ Bioethanol of biobutanol? (scheikunde algemeen vragen)
Bioethanol kan op grote schaal geproduceerd worden door vergisting van afvalstromen uit de suikerindustrie.
2p 7 Geef de reactievergelijking van de vergisting van glucose tot bio-ethanol.
4p 8 Leg uit of de door vergisting verkregen bio-ethanol een CO2-neutrale brandstof is. Maak hierbij onderscheid tussen de productiefase en de gebruiksfase.
Een nieuwe techniek voor de productie van bio-ethanol maakt gebruik van een speciale stam groene algen. De algen produceren in grote bassins rechtstreeks ethanol uit koolstofdioxide en nog een andere stof.
2p 9 Geef de reactievergelijking van de vorming van bio-ethanol door deze stam algen. Hierbij ontstaat behalve bio-ethanol nog een andere stof.
Het gevormde bio-ethanol is lastig te scheiden van de algen.
2p 10 Leg uit welke scheidingsmethode geschikt is voor het isoleren van de gevormde bio-ethanol uit de bassins met algen.
Amerikaanse biotechnologen hebben een andere bio- brandstof gemaakt, isobutanol. Zie de afbeelding voor de structuurformule van isobutanol.
2p 11 Bereken de C/H verhouding in bioethanol en isobutanol.
2p 12 Leg uit of een hogere C/H verhouding leidt tot een hogere of een lagere uitstoot in gram CO2 per gram brandstof.
Isobutanol heeft een hogere verbrandingswarmte dan bioethanol.
2p 13 Geef hiervoor een verklaring.
Een auto rijdt 390 km op een volle tank bioethanol.
2p 14 Bereken de actieradius van deze auto op een volle tank isobutanol.
Vergeleken met benzine is de uitstoot van stikstofoxiden bij bioethanol ongeveer 1450 maal zo hoog. De ontbrandingstemperatuur van bioethanol is 363 °C. Isobutanol heeft een ontbrandingstemperatuur van 460 °C.
2p 15 Leg uit of bij biobutanol het gehalte aan stikstofoxiden in de uitlaat lager of hoger zal zijn dan bij bioethanol.
2p 16 Noem drie redenen waarom een hoge uitstoot van stikstofoxiden een negatieve invloed heeft op het milieu.
verbrandingswarmte
bioethanol 26,7 · 109 J kg-1 isobutanol 33,0 · 109 J kg-1
Antwoorden
███ Accu opladen
1 maximumscore 2
– Een elektronenacceptor neemt elektronen op 1p
– Het Li+ deeltje neemt een elektron op om het metaal Li te vormen 1p 2 maximumscore 2
Opladen is een vorm van elektrolyse. Bij de negatieve elektrode worden de elektronen van de spanningsbron opgenomen/ bevindt zich de sterkste oxidator 1p.
De lithium/koolstof staaf is dus de negatieve elektrode. 1p 3 maximumscore 1
LiCoO2 + C → LiC + CoO2
4 maximumscore 3
– aan de positieve elektrode worden Li+ ionen gevormd: 1p – aan de negatieve elektrode worden Li+ ionen opgenomen: 1p – de Li+ ionen verplaatsen zich tijdens het opladen van de positieve elektrode (of de lithiumkoolstofelektrode) naar de negatieve elektrode (of de lithiumkobaltoxide elektrode): 1p
5 maximumscore 2
– hoe groter de energie/massaverhouding hoe meer energie er per kg batterij kan worden opgeslagen: 1p
– hoe minder energie verloren gaat door het extra gewicht van de accu’s in de auto: 1p
6 maximumscore 2
– bij een brandstofcel moeten tijdens het gebruik voortdurend reagentia (of brandstoffen) worden toegevoerd en reactieproducten afgevoerd: 1p – bij een elektrochemische cel blijven alle reagerende stoffen en reactieproducten in de elektrochemische cel aanwezig: 1p
███ Bioethanol of biobutanol?
7 maximumscore 2
C6H12O6 → 2 C2H6O + 2 CO2
– formules juist en aan juiste kant van de reactiepijl: 1p – coëfficiënten juist: 1p
8 maximumscore 4
– bij de vorming van 1 molecuul glucose worden 6 moleculen CO2 uit de lucht opgenomen: 1p
– bij de productiefase, de vergisting van glucose, worden per molecuul glucose weer twee moleculen CO2 aan de lucht afgestaan: 1p
– bij de gebruiksfase, de verbranding van bioethanol, worden per twee moleculen bioethanol vier moleculen CO2 aan de lucht afgestaan: 1p – netto worden er evenveel moleculen CO2 uit de lucht opgenomen als er door vergisting en verbranding weer aan de lucht worden toegevoerd: 1p 9 maximumscore 2
2 CO2 + 3 H2O → C2H6O + 3 O2
– molecuulformules juist en aan juiste kant van reactiepijl: 1p – coëfficiënten juist: 1p
10 maximumscore 2
– in het bassin is water gemengd met bioethanol: 1p – dus destillatie: 1p
11 maximumscore 2
– in bioethanol zijn 2 C-atomen en 6 H-atomen, dus de C/H verhouding is 2/6 = 0,33: 1p
– in biobutanol zijn 4 C-atomen en 10 H-atomen, dus de C/H verhouding is 4/10 = 0,40: 1p
12 maximumscore 2
– hoe groter de C/H verhouding hoe minder H-atomen er per C-atomen aanwezig zijn: 1p
– dus hoe hoger de CO2 uitstoot per gram brandstof: 1p 13 maximumscore 2
– een molecuul biobutanol heeft meer C- en H-atomen dan een molecuul bioethanol: 1p
– hoe meer C- en H- atomen in een molecuul hoe hoger de verbrandingswaarde: 1p
14 maximumscore 2
– de verbrandingswaarde van 1 kg isobutanol is 33,0/26,7 = 1,24 zo groot als de verbrandingswaarde van 1 kg bioethanol: 1p
– de actieradius op biobutanol is 1,24 × 390 km = 484 km: 1p 15 maximumscore 2
– hoe hoger de ontbrandingstemperatuur hoe meer stikstofoxiden bij de verbranding ontstaan: 1p
– bij biobutanol zal de uitstoot van stikstofoxiden hoger zijn dan bij bioethanol: 1p
16 maximumscore 2
juiste gevolgen: zure depositie, smog, schadelijk en schaadt ozonlaag – drie juiste gevolgen: 2p
– twee juiste gevolgen: 1p
