De Delftse Leerlijn Scheikunde: module 6b: Groene chemie en evenwichten 2012

4,322 views
4,277 views

Published on

Published in: Education
0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total views
4,322
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
1,848
Actions
Shares
0
Downloads
16
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

De Delftse Leerlijn Scheikunde: module 6b: Groene chemie en evenwichten 2012

  1. 1. ColofonGroene Chemie en EvenwichtenDe oorspronkelijke module Groene Chemie is ontwikkeld door:Kitty Jansen-Ligthelm, Scheldemondcollege, Vlissingen, Miek Scheffers- Sap,Gymnasium Beekvliet, Sint-Michelsgestel, Arno Verhofstad, Dr.Knippen-bergcollege, Helmond. Coach: Véronique van der Reijt, FontysLerarenopleiding Tilburg.De aangepaste versie Groene Chemie en Evenwichten voor 5 VWO isontwikkeld door Aonne Kerkstra, Juleke van Rhijn en Jan van Rossum,auteurs van de Delftse Leerlijn met medewerking van Sander Haemers,Stanislascollege, Pijnacker, Else Henneke, Lindecollege, Wolvega en Bregjevan den Berg, Hervormd Lyceum Zuid, Amsterdam.SamenwerkingDe module Groene Chemie is tot stand gekomen in samenwerking met:Phil de Wit-Dolfin, Ruud Robbe, Fer Klinckhamers en Paul Dessens, TronoxPigments (Holland) B.V. RozenburgProf. Dr. Isabel Arends, Technische Universiteit Delft© 2010 De Vereniging van de Nederlandse Chemische Industrie (VNCI),Den Haag.Het auteursrecht op dit onderwijsmateriaal voor Nieuwe Scheikunde berust bij deVNCI te Den Haag.De VNCI is derhalve de rechthebbende zoals bedoeld in de hieronder vermeldecreative commons licentie.VNCI en door hen ingehuurde auteurs hebben bij de ontwikkeling van de modulesgebruik gemaakt van materiaal van derden. Bij het verkrijgen van toestemming, hetachterhalen en voldoen van de rechten op teksten, illustraties, enz. is de grootstmogelijke zorgvuldigheid betracht. Mochten er desondanks personen of instantieszijn die rechten menen te kunnen doen gelden op tekstgedeeltes, illustraties, enz.van een module, dan worden zij verzocht zich in verbinding te stellen met de VNCI.Hoewel het materiaal met zorg is samengesteld en getest is het mogelijk dat dezeonjuistheden en/of onvolledigheden bevatten. VNCI aanvaardt derhalve geen enkeleaansprakelijkheid voor enige schade, voortkomend uit (het gebruik van) ditmateriaal. Voor dit onderwijsmateriaal geldt een Creative CommonsNaamsvermelding-Niet-Commercieel-Gelijk delen 3.0 Nederland licentiehttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/nl/Aangepaste versies hiervan mogen alleen verspreid worden indien het in het colofonwordt vermeld dat het een aangepaste versie betreft, onder vermelding van de naamvan de auteur van de wijzingen.Bij deze aangepaste versies mag geen gebruik gemaakt worden van de opmaak vande Delftse Leerlijn.Delft, augustus 2012
  2. 2. 1. Contextvragen 4 1.1 Inleiding 5 1.2 Groene Chemie 6 1.3 Groener productieproces 8 1.4 Eindopdracht en contextvragen 82. Hoe groen is een productieproces? 11 2.1 Atoomeconomie 12 2.2 Rendement 14 2.3 E-factor 15 2.4 Q-factor 16 2.5 MAC-waarde 16 2.6 Oefenopgaven 183. Energiebalansen 21 3.1 Energie-effect 22 3.2 Energiebalans van fysische processen 23 3.3 Energiebalans van chemische processen 25 3.4 Reactie-energie 28 3.5 Hergebruik energie in een chemische fabriek 32 3.6 Oefenopgaven 334. Evenwichtsreacties 36 4.1 Omkeerbare reacties 37 4.2 Energiediagrammen van mengsels 40 4.3 Chemische evenwichten 45 4.4 Beïnvloeden van een evenwichtsreactie 50 4.5 Oefenopgaven 545. Proceschemie 57 5.1 Het proces 58 5.2 Blokschema 59 5.3 Batchproces en continu proces 62 5.4 Minifabriekjes 63 5.5 Massabalans 65 5.6 Oefenopgaven 696. Eindopdracht en productieprocessen 74 Eindopdracht 74 6.1 Eindopdracht Titaandioxide productie 76 6.2 Titaandioxide productie 77 6.3 Eindopdracht Adipinezuur productie 83 6.4 Adipinezuur productie 84
  3. 3. 1. Contextvragen
  4. 4. Groene Chemie 5 Twintig jaar geleden is in de chemische industrie een nieuwe ontwikkeling ontstaan: de Groene Chemie ook wel Duurzame Chemie genoemd. In ECOreizen is de definitie van duurzame ontwikkeling behandeld: ‘een ontwikkeling waarin tegemoet gekomen kan worden aan de behoeften van huidige generaties zonder de mogelijkheden weg te nemen dat toekomstige generaties in hun behoeften kunnen voorzien’. De invulling van duurzame ontwikkeling op het gebied van de chemie wordt Groene Chemie genoemd. Groene Chemie is het herontwerpen en toepassen van chemische processen en producten. Dit gebeurt op een dusdanige manier dat het gebruik en de aanmaak van schadelijke stoffen vermindert of zelfs voorkomen kan worden. Welke mogelijkheden heeft de chemische industrie om processen schoner te maken, minder energie en grondstoffen te gebruiken en de eindproducten zuiverder en minder schadelijk te maken? 1.1 Inleiding In de chemische industrie is men doordrongen van het feit dat de grondstoffen op kunnen raken en dat ook het milieu beschermd moet worden. Men probeert zodanig te werk te gaan dat er duurzamere producten worden ontwikkeld met behulp van nieuwe technologieën. Mo- gelijkheden worden onderzocht om zo weinig mogelijk energie te gebruiken en om duurzame energie te gebruiken. De chemische industrie is in elk land een hele belangrijke industrietak met enorme financiële belangen. Er wordt heel veel geld verdiend, maar de kosten van de productieprocessen zijn ook hoog. Om productieprocessen duurzaam te maken moeten bedrijven hoge investeringen doen. Deze investeringen moeten vervolgens weer worden terugverdiend door bijvoorbeeld besparingen op het gebied van energie en milieu. Hierbij kun je denken aan nieuwe productieroutes, die minder energie verbruiken. Maar ook aan een zuiniger omgaan met grondstoffen, minder afval produceren en het verminderen van het watergebruik. Wereldwijd zijnFiguur 1: affiche van het Rachel onderzoekers bezig met het ontwikkelen van nieuwe technologieën, die deCarson Homestead voor eenconferentie over Groene Chemie economische en ecologische prestaties van productieprocessen verbeteren. Daarnaast wordt ook aandacht geschonken aan de mogelijkheid om het product te recyclen tot weer hetzelfde product of een ander product van hoge kwaliteit. Opdracht 1 Maak in groepjes een mindmap over de volgende vraag: “Welke maatregelen kan een fabrikant nemen om zijn productieproces duurzamer te maken?” Bespreek het klassikaal na.
  5. 5. Groene Chemie 6 In de module ECOreizen is al ingegaan op de mogelijkheden die de industrie heeft om vormen van duurzame energie te gebruiken. In de module Groene Chemie gaan we in op het verduurzamen van productieprocessen in de chemische industrie. Daarbij kijken we naar de grondstoffen, de afvalstromen, de eindproducten en de procestechnologie. VragenFiguur 2: module ECOreizen 1. Hieronder staan een aantal grote wereldindustrieën genoemd. Neem de tabel over en plaats in het vak ernaast de naam van een product, dat in deze industrie wordt geproduceerd. industrie product Grondstofwinning Petrochemische industrie Farmaceutische industrie Kunststof industrie Voedings- en genotmiddelenindustrie Verf en coatingindustrie Cosmetische industrie Recycling 1.2 Groene Chemie De doelstellingen van Groene Chemie zijn het verlagen van het gebruik van gevaarlijke en schadelijke stoffen, het recyclen van afvalstoffen en het verlagen van het energieverbruik. In de chemische industrie wordt steeds meer naar deze zaken gekeken. De chemische industrie wordt steeds milieuvriendelijker, dus ‘groener’. In 1993 hebben Paul Anastas en zijn medewerkers, toen werkzaam bij het Environmental Protection Agency (EPA) in de Verenigde Staten, de twaalf uitgangspunten voor groene chemie geformuleerd in het “US Green Chemistry Program”. Deze twaalf principes voor de Groene Chemie worden inmiddels wereldwijdFiguur 3: Paul Anastas algemeen geaccepteerd. Sinds 2007 is in Europa het REACH-programma van kracht. Hierin wordt van bedrijven geëist dat ze gegevens beschikbaar stellen waaruit blijkt dat hun producten veilig zijn.
  6. 6. Groene Chemie 7De groene chemie van Twaalf principes voor de Groene ChemieL’Oreal18 .02 .2010Ook de cosmetica industrie 1. Preventiebuigt zich steeds meer over Vorming van afval moet zoveel mogelijk worden voorkomen.duurzame productie. Hetcosmeticaconcern L’Oreal 2. Atoomeconomieprobeert bij het ontwikkelen Er moeten productiemethoden ontwikkeld worden, waarbij zo veel mogelijkvan nieuwe producten te van de beginstoffen in het eindproduct verwerkt zijnwerken volgens de 12 princi-pes van de Groene Chemie. 3. Minder gevaarlijke chemische productiemethoden Ontwerp waar mogelijk productiemethoden die zo weinig mogelijk schade toebrengen aan mens en milieu. 4. Ontwikkelen van veiliger chemische producten Let er bij de ontwikkeling van producten op dat ze doen wat ze moeten doen, terwijl de toxiciteit minimaal moet zijn. 5. Veiliger oplosmiddelenOnderzoekers bij L’Oréal Beperk tijdens de productie zo veel mogelijk het gebruik van oplosmiddelenhebben Xylose, een natuurlijk en als deze toch noodzakelijk zijn gebruik dan oplosmiddelen die nietsuiker extract van beukenhout schadelijk zijn voor het milieu.(en een hernieuwbaaringrediënt) gebruikt om eennieuwe actieve stof, Pro-Xylane, 6. Energie-efficiënt ontwerpenvoor de huid te ontwikkelen. Gebruik zo weinig mogelijk energie, probeer processen uit te voeren bijDeze bereiding is geïnspireerd relatief lage temperaturen en lage druk. Probeer de energie die vrijkomt bijop een nieuwe chemische een proces weer te gebruiken.reactie, gepubliceerd in 2000door Prof. André Lubineau vande universiteit van Paris-Sud. 7. Gebruik van hernieuwbare grondstoffenDe reactie vermindert het Zorg er voor dat grondstoffen zo veel mogelijk hernieuwbaar zijn.aantal stappen om C-glycoside,de chemische familie waartoe 8. Reacties in weinig stappenPro-Xylane behoort, te Vermijd veel stappen in een productieproces, want dit betekent ook dat erverkrijgen met 4 stappen. meer grondstoffen nodig zijn en dus ook dat er meer vervuiling kanBovendien stelt deze reactieL’Oreal in staat om water te ontstaan.gebruiken als oplosmiddel inplaats van het gebruik van 9. Katalyseorganische oplosmiddelen. Gekatalyseerde reacties zijn efficiënter dan niet-gekatalyseerde reacties.De industriële processen omdeze stof te synthetiseren 10. Ontwerpen met het oog op afbraakworden ook geoptimaliseerd opeen milieuvriendelijke manier: Ontwerp chemische producten waaruit bij afbraak stoffen ontstaan die zichspeciale aandacht wordt niet ophopen in het milieu maar afgebroken worden tot onschadelijkegeschonken aan de hoeveelheid producten.afval die ontstaat tijdens dechemische processen op grote 11. Tussentijdse analyse met het oog op preventie vanschaal om een zo laag milieuverontreinigingmogelijke EnvironmentalFactor (milieufactor) of E- Ontwerp en gebruik analysemethoden die tijdens het productieprocesfactor te verkrijgen. controleren of er schadelijke bijproducten ontstaan, zodat tijdig ingegrepen kan worden tijdens het proces.
  7. 7. Groene Chemie 8Brabant wil voorop lopenmet groene chemie 12. Ontwikkel veilige chemieDinsdag 28 juni 2011 Raoul Kies de stoffen bij een chemisch proces zó, dat het risico van ongevallenCartens zoals explosies, brand en uitstoot van schadelijke stoffen zo klein mogelijk wordt. Samengevat Processen die gebaseerd zijn op de twaalf principes van Groene Chemie: • zijn veiliger; • gebruiken minder grondstoffen en energie; • geven minder vervuiling; • zijn soms goedkoper dan traditionele processen.DEN BOSCH - De provincieNoord-Brabant presenteerde inBrussel samen met Zeeland, VraagOost- en West-Vlaanderen en 2. Hieronder staan een aantal voorbeelden genoemd van toepassingen inzon 100 bedrijven een plan de Groene Chemie. Geef aan bij welk(e) principe(s) ze horen.voor een duurzame chemische a. Een kunststof maken uitgaande van het afval van suikerriet.industrie. Uitgangspunt is dater nieuwe materialen worden b. Het ontwerpen van plastic tassen die afbreekbaar zijn in het milieu.gemaakt uit landbouwresten c. Het gebruik van bio-ethanol in het vervoer.die kunststoffen kunnen gaan d. Fabriek A levert verwarmd water aan fabriek B, die het gebruiktvervangen. voor het verwarmen van zijn uitgangsstoffen.Doordat olie als grondstofsteeds schaarser wordt, stijgtde prijs. De chemische industrietussen Moerdijk en Zeebrugge 1.3 Groener productieproceswil nu geleidelijk overstappennaar deze groene chemie en Er zijn drie manieren om een chemische productieproces ‘groener’ te maken:moet uitgroeien tot koploper in a. Opnieuw ontwerpen van een productieproces, waarbij gebruik wordtEuropa. gemaakt van minder gevaarlijke en/ of duurzame grondstoffen.Voor de ontwikkeling van deze b. Gebruik maken van minder gevaarlijke omstandigheden: lageregroene chemie wordt dekomende tien jaar zon 250 temperaturen, lagere druk, katalysatoren en minder (gevaarlijke)miljoen euro uitgetrokken. Op oplosmiddelen.het terrein van kunststoffen- c. Gebruik van een productieproces met minder reactiestappen.producent Sabic in Bergen opZoom moet een campus komen Vragenwaar ook andere bedrijven 3. Leg uit waarom het beter is om verontreiniging te voorkomen.neerstrijken die zich bezighouden met deze nieuwe 4. Leg uit waarom een verbeterde katalysator, een productieprocesontwikkeling. Volgens Sabic ‘groener’ zal maken.komt er ook steeds meer vraag 5. Wanneer je een productieproces kan laten verlopen zonder oplosmiddel,naar duurzaam gemaakt plastic, scheelt dit een scheidingsmethode. Leg deze stelling uit.vooral voor de toepassing inconsumentenproducten zoalstelevisies, autos en telefoons.De gebruikte landbouwresten 1.4 Eindopdracht en contextvragenzullen vooral uit Brabant enZeeland komen, wat ook goed Productieprocessen en het zuiveren van afvalstromen verlopen via eennieuws is voor agrarische aantal stappen. In deze module leer je hoe productieprocessen enbedrijven die hieraan kunnen afvalstromen in een blokschema kunnen worden weergeven en hoe je aangaan verdienen. reactie-energieën en vervuilingwaarden kunt rekenen. In de eindopdracht ga je voor twee belangrijke producten onderzoeken wat het meest duurzame
  8. 8. Groene Chemie 9 proces is om die stoffen te maken als je rekening houdt met de principes van Groene Chemie. Deze twee producten zijn: • adipinezuur, het werkzame bestanddeel van ibuprofen • titanium(IV)oxide, een stof die onder andere gebruikt wordt in de luchtvaartindustrie, in zonnecellen, in de verfindustrie en in de farmaceutische industrie. Film Bekijk de film van het productieproces van Titaandioxide, TiO2, bij Tronox. Dit productieproces komt in de eindopdracht terug. Vraag 6. Leg uit waarom de naam titaandioxide onjuist is.Figuur 4: Tronox chemie Eindopdracht Binnen een straal van 10 km van jullie leefomgeving wordt een chemische fabriek gepland, die titaan(IV)oxide en adipinezuur gaat produceren. Voor deze fabriek is een vergunning aangevraagd bij de gemeente. De gemeenteraad vraagt het chemisch adviesbureau “Green Chemisty” om op grond van chemische argumenten advies uit te brengen over de productieroutes. In het advies moet aangegeven worden voor welke productieroute het bedrijf een vergunning kan krijgen De klas is het chemisch adviesbureau “Green Chemistry”. De docent is projectleider van het adviesbureau. Er zijn verschillende teams van 4 personen. Je moet met je team een advies uit brengen over de productieroutes van titaan(IV)oxide en over de productieroutes van adipinezuur. Er wordt door de gemeenteraad gevraagd om in je advies over de productieroutes een voorkeur aan te geven voor één van de twee routes. Verwerk in je advies ook de antwoorden op de contextvragen. Contextvragen • Welke aspecten zijn van belang bij beide productieprocessen en hoe weeg je die tegen elkaar af? • Welk advies geef je t.a.v. de keuze van de meest groene productieroute. Elk team kiest in eerste instantie voor één van de producten titaan(IV)oxideFiguur 5: logo chemisch of adipinezuur. Vervolgens splitst elk team zich op in twee subgroepen.adviesbureau De ene subgroep gaat de eindopdracht uitvoeren voor productieproces 1. De andere subgroep voert de eindopdracht uit voor het productieproces 2.
  9. 9. Groene Chemie 10Vervolgens brengt het totale team een advies uit met betrekking tot demeest groene productieroute.Bekijk de beide productieprocessen door de ogen van een “groene”chemicus aan de hand van de twaalf principes van de groene chemie.Om de eindopdracht te kunnen uitvoeren hebben jullie eerst kennis nodigvan:• Groene productieprocessen (hoofdstuk 2)• Energiebalansen (hoofdstuk 3)• Evenwichten (hoofdstuk 4)• De proceschemie (hoofdstuk 5)Figuur 6: impressie van Groene Chemie
  10. 10. 2. Hoe groen is een productieproces?
  11. 11. Groene Chemie 12 De chemische industrie heeft belang bij het produceren van een goed en bruikbaar product. Zo’n productieproces kent vaak een aantal stappen en wordt dan een ‘synthese’ genoemd. Elke ontwerper van syntheses wil de maximale hoeveelheid product maken uitgaande van zo min mogelijk beginstoffen. Er wordt niet alleen gestreefd naar een zo hoog mogelijk rendement, maar men wil ook bereiken dat zoveel mogelijk atomen van de be- ginstoffen in het eindproduct terecht komen. Milieuproblematiek speelt eveneens een belangrijke rol bij het ontwerpen van een synthese. Hoe moet een ontwerper van syntheses rekening houden met deze factoren? 2.1 Atoomeconomie Bij het ontwerpen van productieprocessen moet je ervoor zorgen dat zoveel mogelijk atomen uit de beginstoffen in het eindproduct terecht komen. Door gebruik te maken van het begrip atoomeconomie kun je berekenen welk percentage van de atomen van de beginstoffen in het gewenste eindproduct komt. Atoomeconomie is gedefinieerd als: m gewenst product atoomeconomie  x100% m alle producten m is de massa In plaats van atoomeconomie wordt ook vaak de term atoomefficiency gebruikt. Hoe groter de atoomeconomie hoe efficiënter het productieproces is. Vragen 1. Leg uit welk productieproces op basis van atoomeconomie groener is, een productieproces met een atoomeconomie van 30% of 65%? Voorbeeld Door methanol met azijnzuur te laten reageren, ontstaat de esterFiguur 1: productieproces van methylethanoaat en water:een product uitgaande van 2verschillende beginstoffen H O H H O H+ H C C H H H H C O + H C C H O C H + O H H H O H H 32,04 60,06 74,08 18,02
  12. 12. Groene Chemie 13 Bovenstaande massaverhouding is afgeleid uit de molaire massa’s van de reagerende stoffen. Uit dit voorbeeld blijkt dat uit 32,04 gram methanol en 60,06 gram azijnzuur maximaal 74,08 gram methylethanoaat en 18,02 gram water gevormd kan worden. Voor het product methylethanoaat kun je nu berekenen: 74,08 atoomeconomie  x100%  80, 43% 74,08  18,02 Je kunt ook de term atoomefficiency gebruiken, de atoomefficiency is hier dus 80,43%. Vragen 2. Leg uit of het mogelijk is om de definitie van atoomeconomie te schrijven als: m gewenst product atoomeconomie  x100% m alle beginstoffen 3. We gaan de productie van melkzuur, C3H6O3, via fermentatie vergelijken met een chemische synthese van melkzuur. Methode 1: synthese van melkzuur via een biotechnologisch proces Glucose uit maïs of bietsuiker wordt m.b.v. micro-organismen omgezet in melkzuur. Dit fermentatieproces duurt 4 tot 6 dagen. a. Geef de reactievergelijking van dit fermentatieproces. b. Bereken de atoomeconomie voor methode 1. Methode 2: chemische synthese van melkzuur Reactie 1: Ethanal reageert met blauwzuur tot lactonitril.Figuur 2: structuurformule vanmelkzuur C2H4 O + HCN  C3H5ON Reactie 2: Lactonitril reageert met zwavelzuur tot melkzuur en ammoniumsulfaat. 2 C3H5ON + H2SO4 + 4 H2O  2 C3H6O3 + NH4 2 SO4 c. Geef de reactievergelijking van de totale reactie, door reactie 1 en 2 op te tellen. d. Bereken de atoomeconomie voor methode 2. e. Leg uit welke methode het predicaat Groene Chemie krijgt.
  13. 13. Groene Chemie 14 2.2 Rendement Atoomeconomie is een theoretisch begrip: bij een gegeven synthese is de atoomeconomie een vast percentage. Atoomeconomie kun je gebruiken wanneer je verschillende syntheses met elkaar wil vergelijken. In de praktijk spelen ook andere factoren mee, bijvoorbeeld niet alle beginstoffen zijn even zuiver en niet alle reacties zijn aflopend. Daarom gebruiken chemici het begrip ‘rendement’. Rendement wordt als volgt omschreven: praktische opbrengst rendement  x100% theoretische opbrengst De theoretische opbrengst is de massa die volgens een kloppende reactievergelijking zou ontstaan bij een aflopende reactie. Dit is dus een ideale situatie, wat in de praktijk bijna nooit voorkomt. De praktische opbrengst is de massa van het product, zoals die bij een bepaalde synthese in een chemische fabriek gevormd wordt. De praktische opbrengst is bijna altijd lager dan de theoretische opbrengst. Vragen 4. Tijdens het hoogovenproces wordt ijzererts (Fe2O3) met koolstofmono- oxide omgezet in ijzer en koolstofdioxide volgens onderstaande reactie: Fe 2O3  s  + 3 CO  g   2 Fe  s  + 3 CO 2  g  a. Bereken de atoomeconomie van ijzer. b. Bereken de theoretische ijzer opbrengst als 160 ton ijzererts reageert. c. Bereken het rendement als er tijdens bovenstaand proces uit 160 ton ijzererts 90 ton ijzer ontstaat.Figuur 3: staalproductie 5. Maleïnezuuranhydride is een belangrijk tussenproduct in de fabricage van geneesmiddelen, pigmenten en geur- en kleurstoffen. DSM is een grote producent van deze stof. Maleïnezuuranhydride wordt gemaakt volgens onderstaande reactie: O C HC + 4, 5 O 2 HC O + 2 CO2 + 2 H2 O C O benzeen zuurstof maleïnezuuranhydride De reactievergelijking in molecuulformules:
  14. 14. Groene Chemie 15 2 C6H6  l   9 O2  g   2 C 4H2O3  s   4 CO 2  g   4 H2O  l  a. Bereken de atoomeconomie van deze reactie. b. Bereken het rendement als uit 100 kg benzeen 100 kg maleïnezuuranhydride ontstaat. 2.3 E-factor Atoomeconomie is een zeer goed bruikbare methode om bij verschillende syntheses voor één product de geproduceerde hoeveelheden afval te vergelijken. Bij het bepalen van de atoomeconomie wordt echter geen rekening gehouden met de milieuproblematiek. Een reactie waarbij tonnen koolstofdioxide wordt geproduceerd is een grotere vervuiler dan een reactie waarbij alleen tonnen water vrij komen. Het is daarom vaak belangrijker om bij een synthese te kijken naar de hoeveelheid afval die ontstaat per kg van een bepaald product. In 1992 is door professor Roger Sheldon van de TU Delft een nieuwe waarde geïntroduceerd om van een synthese te bepalen hoe groen deze is: de E-factor. Bij de bepaling van de E-factor mag je de massa’s van water weglaten, water is geen vervuilende stof. Voor de massa van het gewenste product moet de praktische opbrengst worden ingevuld. m alle producten  m gewenste product m afval E-factor   m gewenste product m gewenste product De E-factor de hoeveelheid afval per kg productFiguur 4: de E-factor De E-factor is klein voor een synthese waarin weinig niet-bruikbare bijproducten zijn. Onder een bijproduct verstaan we alle producten behalve het gewenste product of water. In onderstaande tabel staat een overzicht van de belangrijkste chemische industrieën. Hierin is weergegeven hoe groot de productie is en de waarden van de E-factor. industrie productie (ton) E-factor (kg afval/ kg product) 6 8 Olie industrie 10 -10 < 0,1 Bulk chemie 102-106 < 1-5 Fijn chemie 102-104 5 tot 50Bron: R.A Sheldon, Chem & Farmaceutische 10-103 25 tot >100Ind., December 1992, p. 904 industrie
  15. 15. Groene Chemie 16 Vragen 6. Voor de productie van zuurstof op laboratoriumschaal wordt KClO3 ontleed: a. Bereken de theoretische opbrengst van O2 uit 40,0 g KClO3 b. Bereken de E-factor bij een rendement voor O2 van 100 %. c. Bereken de E-factor bij een rendement voor O2 van 67 %. 2.4 Q-factor Behalve de hoeveelheid afval die wordt geproduceerd, is ook het soort afval belangrijk. Tien ton water kan weinig kwaad, terwijl één gram waterstof- cyanide (HCN) veel kwaad kan aanrichten. In de atoomeconomie en de E- factor wordt dit aspect niet meegenomen. Daarom heeft professor Roger Sheldon ook een vervuilingsfactor Q ingevoerd. Onder de Q-factor verstaan we de mate waarin een stof vervuilend/ gevaarlijk is. Bijvoorbeeld: Water Q=0 Niet schadelijke zouten zoals NaCl Q=1 Giftige producten Q = 100 … 1000 De waarde van Q is willekeurig gekozen en je kunt deze dus niet in een handboek opzoeken. De totale invloed van het geproduceerde afval op het milieu krijg je dan door de E-factor te vermenigvuldigen met de Q-factor. 2.5 MAC-waarde In het milieu komen veel stoffen voor, die schadelijk zijn voor de gezondheid van mensen. Deze stoffen worden geproduceerd tijdens allerlei dagelijkse processen. • Als een kopieerapparaat werkt, ontstaat er ozon(g). • In een zwembad is er chloor(g) in de lucht aanwezig. • Door schoonmaken met ammonia komt er ammoniak(g) in de lucht. De Q-factor is slechts een indicatie voor de schadelijkheid van een stof. Voor de gezondheid van mens en dier is het van belang om precies te wetenFiguur 5: de MAC-waarde voorlasrook, waaraan een lasser hoeveel van zo’n stof aanwezig mag zijn in het milieu.mag worden blootgesteld is per Daarom heeft men van een groot aantal schadelijke stoffen de MAC-waarde1 april 2010 aangescherpt en is bepaald. De MAC-waarde geeft de hoeveelheid stof aan die maximaalnu 1 mg m-3 aanwezig mag zijn in 1,0 m3 lucht.
  16. 16. Groene Chemie 17 De MAC-waarde is de maximaal aanvaardbare concentratie in mg m-3 lucht. In BINAS tabel 97A vind je van een aantal gevaarlijke stoffen de MAC- waarde. In de module ECOreizen is het begrip “ppm” en “ppb” al besproken. Vaak wordt de MAC-waarde uitgedrukt in ppm. Rekenvoorbeeld De maximaal aanvaardbare concentratie, de MAC-waarde, voor waterstofdisulfide is 10 volume-ppm. Bij 1 volume-ppm gaat het om 1 volume-eenheid per 106 volume eenheden. Dus: in 1,0 dm3 lucht mag 10 x 1,0 x 10-6 dm3 H2S voorkomen. Dat is dan 1,0 x 10-5 dm3 of 1,0 x 10-2 cm3 H2S per 1,0 dm3 lucht. Aceton Aceton (ook bekend onder de namen dimethylketon en 2-propanon) is een vloeistof die veel als oplosmiddel wordt gebruikt (onder andereFiguur 6: blik aceton nagellakremover in het dagelijks leven). Aceton is na glucose de tweede brandstof voor de hersenen, en de enige die in het menselijk lichaam Waarschuwingen en gevormd kan worden uit vetten. Wanneer de hoeveelheid suiker in het veiligheidsmaatregelen bloed van een suikerpatiënt niet goed genoeg wordt geregeld, kan men soms aceton in zijn adem ruiken. Aceton is een vluchtige en brandbare vloeistof. Het smeltpunt ligt bij -95,4 °C en het kookpunt is 56,53 °C. In het laboratorium wordt het Klasse F soms gebruikt om glaswerk na het wassen goed te drogen (afspoelen Licht ontvlambaar met aceton om het water te verwijderen, en dan even wachten of droge H-zinnen: 225- lucht doorblazen om de aceton de kans te geven te verdampen).Risico (H) 319-336 Hoewel aceton giftig is, is huidcontact minder erg dan vele andereen P-zinnen: 210- oplosmiddelen. Aceton werkt ook desinfecterend. Bij iemand die diabetesveiligheid 261-305-338- heeft, kan in het lichaam ook aceton ontstaan, wat tot gezondheids-(P) 351 schade kan leiden. zie veiligheidsin-Omgang formatieblad Brandveilig. Gescheiden van VragenOpslag sterk oxiderende 7. Laat met een berekening zien dat de vermelde MAC-waarde voor aceton stoffen. van 500 ppm op het etiket niet overeenkomt met 750 mg m-3.MAC- 500 ppm; 750 8. In Binas tabel 97A staat de MAC-waarde van een aantal stoffenwaarde mg m-3 vermeld. a. Leg uit welke relatie er is tussen de MAC-waarde en de Q-factorFiguur 7: gegevens aceton b. Leg uit of een proces met een lage E-factor en een hoge Q-factor beter of slechter voldoet aan de principes van de Groene Chemie dan een proces met een hoge E-factor en een lage Q-factor.
  17. 17. Groene Chemie 18 2.6 OefenopgavenTitanium Opgave 1 In hoofdstuk 1 zijn de twaalf principes van de Groene Chemie gegeven. Met de begrippen atoomeconomie, E-factor en Q-factor kun je een deel van het productieproces beschrijven. Er zijn nog andere factoren die mee bepalen of een productieproces wel of niet voldoet aan de principes van de Groene Chemie.In 1791 ontdekte William Gregor Hier worden een aantal factoren genoemd bij verschillende productie-een nog onbekend element in het processen.mineraal ilmeniet. In 1795herontdekte Martin HeinrichKlaproth het element, ditmaal in Leg uit welke van de twaalf principes worden beïnvloed door de factor, dierutielerts en hij noemde het in de opgave verandert.titanium naar de titanen uit deGriekse mythologie. a. Een reactie waarbij chloroform (trichloormethaan) als oplosmiddelOmdat het metaal sterk, licht en gebruikt wordt, versus een reactie met water als oplosmiddel, versuserg corrosiebestendig is, en een reactie zonder oplosmiddel.bovendien bestand tegen b. Een reactie die plaats vindt bij een temperatuur van 200°C versus eenextreme temperatuurschom-melingen, worden titaniumlege- reactie die bij kamertemperatuur plaats vindt.ringen veel toegepast bij de c. Een reactie waarbij een droogmiddel gebruikt wordt, versus eenconstructie van vliegtuigen en reactie waarbij geen droogmiddel gebruikt hoeft te worden.raketten.Daarnaast wordt titanium veel d. Een reactie waarbij een zuivering plaats moet vinden m.b.v.voor sieraden gebruikt. kristallisatie, versus een zuivering m.b.v. destillatie.Voornamelijk omdat het sterk, e. Een synthese waarbij de beginstoffen uit aardolie afkomstig zijn,anti-allergeen en goedbewerkbaar is. versus een reactie waarbij de beginstoffen uit biomassa komen.Titanium wordt hoofdzakelijk(ongeveer 95%) gebruikt in de Opgave 2vorm van titanium(IV)oxide Titanium kan op twee manieren uit het erts worden gewonnen.(TiO2); een intens wit pigment(titaanwit) in verf, papier en In de eerste reactie reageert het erts met het metaal magnesium:kunststoffen. Verf mettitanium(IV)oxide reflecteert TiO2  s  + 2 Mg  s   Ti  s  + 2 MgO  s infrarood licht zeer goed,waardoor het veel wordt gebruiktin de astronomie. De tweede reactie is de elektrolyse van het erts:Als legering in fietsen, golfclubs,brilmonturen, laptopbehuizingen, TiO2  s   Ti  s  + O 2  g horlogekasten en huissleutelsvanwege de kleine massadicht-heid. a. Bereken de atoomeconomie voor beide reacties.Als materiaal voor prothesen, b. Welke van beide reacties is ‘groener’?bijvoorbeeld voor eenheupimplantaat, omdat het c. Zuurstof is een belangrijk bijproduct en kan worden verkocht.biologisch inert is: het menselijk Bereken de atoomeconomie als zuurstof wordt opgevangen en verkocht.lichaam stoot dit niet af en het isniet giftig.In scheepsschroeven vanwege de Opgave 3goede bestendigheid tegen Fenol (C6H5OH) is een giftige stof die vroeger als grondstof diende voor dezeewater. productie van bakeliet (de eerste kunststof). Ook wordt fenol gebruikt om zenuwen in het lichaam stil te leggen. Hieronder staan twee processen voor de productie van fenol C6H5OH.
  18. 18. Groene Chemie 19 proces 1 OH + H2SO 4 + 2 NaOH + Na2SO 3 + 2 H2OCalciumchlorideCalciumchloride (CaCl2) is het De totaalvergelijking voor proces 1 luidt:calciumzout van zoutzuur. Hetlost erg goed op in water en is C6H6 + H2SO 4 + 2 NaOH  C6H5 OH + Na 2SO3 + 2 H2Ohygroscopisch. Bij kamertempe-ratuur is het een vaste stof. Het rendement van dit proces is 88%. proces 2 HO O CH3 OH CO Cu, Mg + O2 140 °C 240 °CCalciumchloride is erg De totaalvergelijking voor proces 2 luidt:goedkoop, want het is in feiteeen afvalproduct van bepaaldeindustriële processen, vooral C6H5 CH3 + 2 O 2  C6H5 OH + CO 2 + H2Ovan het Solvayproces voor devervaardiging van natriumcar- Het rendement van proces 2 is 75%.bonaat (soda).Wereldwijd worden miljoenen a. Bereken voor zowel proces 1 als proces 2 de atoomeconomie en de E-tonnen calciumchloride gepro- factor.duceerd. Het wordt gebruiktals:vochtvreter: het droogt lucht, Natriumsulfiet kan gebruikt worden als conserveringsmiddel in witte wijn.maar ook andere gassen. Het b. Bereken de atoomeconomie als natriumsulfiet wel gebruikt kan worden.reageert met het water(damp)uit de te drogen omgeving, tot c. Leg uit welk proces de grootste Q-factor zal hebben.een soort pekel.voedingsverbeteraar (E 509) Opgave 4als zuurgraadregelaar en me- Je kunt op twee manieren calciumchloride, CaCl2, maken door zoutzuur tetaalbinder; het wordt vaak ookgebruikt als vervanger van laten reageren met calciumcarbonaat, CaCO3(s), of met calciumsulfiet,keukenzout CaSO3(s) en daarna in te dampen. Zoutzuur is een HCl oplossing. In hetals strooizout om sneeuw en eerste geval ontstaat als bijproduct CO2(g), in het tweede geval SO2(g). Inijs op de weg te verwijderen.Het is minder schadelijk voor de onderstaande reactievergelijkingen wordt de totaalreactie gegeven.bodem en planten dan hetnormaal gebruikte natrium- Reactie 1: CaCO3 (s) + 2 HCl(aq)  CaCl2 (s) + CO2 (g) + H2O(l)chloride.bindingsversneller:calciumchloride is een verhar- Reactie 2: CaSO3 (s) + 2 HCl(aq)  CaCl2 (s) + SO2 (g) + H2O(l)dingsversneller die bij toevoe-ging aan beton het verharden Reactie 1 verloopt met een rendement van 95% en het rendement vanversnelt. De chloride-ionen reactie 2 is 97%.kunnen echter betonrotveroorzaken. Gebruik van dezestof in betonmengsels is dan a. Bereken voor beide processen de atoomeconomie en de E-factor.ook verboden.
  19. 19. Groene Chemie 20b. Ga voor beide processen na wat de Q-factor van zal zijn. Betrek hierin de MAC-waarde van de reactieproducten.c. Leg uit welke productiewijze van calciumchloride beter voldoet aan de eisen van Groene Chemie. Wat je nu moet weten • Hoe je de atoomeconomie van een productieproces kunt berekenen. • Wat de relatie is tussen de atoomeconomie en de Groene Chemie. • Hoe je het rendement van een productieproces berekent. • Hoe je de E-factor van een productieproces kunt berekenen. • Wat de relatie is tussen de E-factor en de Groene Chemie. • Wat de invloed is van bijproducten op de E-factor. • Wat de Q-factor aangeeft. • Wat de relatie is tussen Q-factor en de MAC-waarde. • Welke relatie er is tussen de MAC-waarde en de Groene Chemie.
  20. 20. 3. Energiebalansen
  21. 21. Groene Chemie 22 In de chemische industrie gebruikt men veel energie. Met energie moet je zuinig omspringen 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 de energieba- lans van een bepaald proces geldt de wet van behoud van energie: energie gaat nooit verloren. 3.1 Energie-effect Chemische reacties Elke chemische reactie heeft een energie-effect. Bij een exotherme reactie, bijvoorbeeld een verbranding, komt energie vrij. Dit komt omdat de reagerende stoffen energie afstaan aan de omgeving. Bij een endotherme reactie, bijvoorbeeld een ontledingsreactie moet er voortdurend energie toegevoerd worden. De reagerende stoffen nemen energie op van de omgeving. Figuur 1: blokschema van een exotherm en een endotherm proces. Faseovergangen Niet alleen bij chemische reacties maar ook bij het oplossen van stoffen en bij faseovergangen treedt een energie-effect op. Faseovergangen waarbij energie aan de omgeving wordt afgestaan, bijvoorbeeld, stollen en condenseren, zijn exotherm. Faseovergangen waarbij energie vanuit de omgeving wordt opgenomen, bijvoorbeeld, koken en smelten, zijn endotherm. Bij een exotherm proces geeft de stof energie af.Figuur 2: de fase overgangen, Bij een endotherm proces neemt de stof energie op.S=vast, L=vloeistof en G=gas Vragen 1. Leg van onderstaande processen uit of het exotherm of endotherm is: a. Het sublimeren van joodkristallen. b. De reactie tussen waterstofgas en zuurstofgas.. c. De fotosynthese. d. Het bevriezen van water.
  22. 22. Groene Chemie 233.2 Energiebalans van fysische processenHet verwarmen of afkoelen van een stof behoort tot de fysische processen.Hierbij kan ook een faseverandering optreden.De energiebalans van een fysisch proces is gebaseerd op de wet van behoudvan energie en beschrijft de verandering van de totale hoeveelheid energie(∆E) van het proces. Deze verandering wordt bepaald door het verschil in dehoeveelheid energie die het proces ingaat en de hoeveelheid energie die bijhet proces vrijkomt. Energie wordt uitgedrukt in Joule (J).Fysische processen• Verwarmen van een stof Hierbij geldt als formule voor de benodigde energie: Q = cmΔT c de soortelijke warmte van de stof in kJ kg-1K-1 (Binas tabel 8 t/m 12) m de massa van de stof in kg ΔT = (Teind -Tbegin) is de temperatuurverandering• Faseverandering van een stof Hierbij geldt als formule voor de benodigde energie: Q  Cm C de smeltwarmte of de verdampingswarmte van de stof in kJ kg-1 (Binas tabel 8, 10 t/m 12) m de massa van de stof in kgVoorbeeld 1: Verwarmen loodJe hebt 50 kg lood bij 20 °C. Je verwarmt het lood naar 45 °C.a. Bereken de energie opname Q.b. Stel de energiebalans op.c. Geef het resultaat weer in een energiediagram.Gegeven:mlood = 50 kgclood = 0,128∙103 J kg-1K-1a. energie opnameQ = cmΔTQ = 0,128∙103 x 50 x 25 = + 1,6∙105 JHet plusteken betekent dat het een endotherm proces is: energie opname.Figuur 3: blokschema verwarmen van lood
  23. 23. Groene Chemie 24 b. energiebalans E1 is de energie-inhoud van het lood bij het begin. E2 is de energie-inhoud van het lood aan het einde van het proces. De energie balans is: E1 + Q = E2 Q = E2 – E1 > 0 c. energiediagram De energie-inhoud E2 van het lood bij 45°C is 1,6∙105 J hoger dan de energie-inhoud E1 van het lood bij 20°C.Lood wordt sinds 5000-4500 Het verwarmen van lood van 20°C tot 45 °C is een endotherm proces.v.Chr. gebruikt omdat hetwijdverspreid op aardevoorkomt en eenvoudig kanworden bewerkt. Alchemistendachten dat lood het oudstemetaal was en associeerden hetmet de planeet Saturnus. In hetRomeinse Rijk werden lodenpijpen gebruikt om water tetransporteren die in sommigegevallen 2000 jaar later nogsteeds in gebruik zijn.In de jaren 1980-90 ontstondhet besef dat lood schadelijk isvoor het milieu met als gevolgdat het gebruik ervan aanbanden werd gelegd. Inautobrandstoffen werd loodvervangen door andere stoffen Figuur 4: energiediagram verwarmen van looden loden pijpleidingen werdenvervangen door pijpleidingen inkunststof, (verzinkt) staal of Voorbeeld 2: Afkoelen en bevriezen van waterkoper. 10 kg water van 0°C wordt afgekoeld tot 10 kg ijs van - 20°C a. Bereken in 2 stappen de totale energie afgifte. b. Stel de energiebalans op. c. Geef het resultaat weer in een energiediagram. Gegeven: mwater = 10 kg cijs = 2,2∙103 J kg-1K-1 (soortelijke warmte ijs) Cwater = -334∙103 J kg-1 (stollingswarmte water) a. energie afgifte Het stollen van het water is een faseovergang. Stap 1: Stollen van het water tot ijs: Qstollen = C x m = -334∙103 x10 = -3,34∙106 J Het ijs wordt daarna afgekoeld van 0°C naar -20°C. Stap 2: Afkoelen van ijs: Qafkoelen = cmΔT = 2,2∙103 x 10 x 20 = - 4,4∙105 J Optellen van stap 1 en stap 2 geeft de totale energie afgifte. Qtotaal = -3,34∙106 - 4,4∙105 = - 3,78∙106 J = -3,8∙106 J Het minteken betekent dat het een exotherm proces is: energie afgifte.
  24. 24. Groene Chemie 25Figuur 5: blokschema bevriezen en afkoelen van waterb. energiebalansE1 is de energie-inhoud van het water bij 0°CE2 is de energie-inhoud van het ijs bij -20°C.De energie balans is: E1 + Qtotaal = E2Qtotaal = E2 - E1 < 0c. energiediagramDe energie-inhoud E2 van het ijs bij -20°C is 3,8∙106 J lager dan de energie-inhoud E1 van het water bij 0°C.Het bevriezen van water van 0°C tot ijs van – 20 °C is een exotherm proces.Figuur 6: energiediagram bevriezen en afkoelen van waterVraag2. Bereken hoeveel energie er nodig is om 3,0 m3 water te verhitten van 25 °C tot 95 °C.3. Bereken hoeveel energie er vrijkomt wanneer 100 kg stoom wordt afgekoeld van 200 °C tot water van 20 °C.3.3 Energiebalans van chemische processenDe energiebalans van een chemisch proces is ook gebaseerd op de wet vanbehoud van energie en beschrijft de verandering van de totale hoeveelheid
  25. 25. Groene Chemie 26 energie (∆E) van het proces. Deze verandering wordt bepaald door het verschil in energie-inhoud van de beginstoffen en de energie-inhoud van de reactieproducten van een chemische reactie. ΔEreactie = Ereactieproducten - Ebeginstoffen Bij een exotherme reactie geeft de reagerende stof energie af, het teken is negatief: ∆E<0. Bij een endotherme reactie neemt de reagerende stof energie op, het teken is positief: ∆E>0. Bij een chemisch proces ontstaan dus reactieproducten, die een andere energie-inhoud bezitten dan de beginstoffen. Om het energie-effect van een chemische reactie te kunnen berekenen, maken we gebruik van de vormingsenergie van stoffen. Vormingsenergie Onder de vormingsenergie van een stof verstaan we de energieverandering die optreedt bij de vorming van één mol van die stof uit de niet-ontleedbare stoffen bij T = 298 K en p = p0 . De vormingsenergieën van de niet- ontleedbare stoffen zijn op nul gesteld. In plaats van vormingsenergie wordt vaak de term vormingswarmte gebruikt. De vormingsenergie (vormingswarmte) van een groot aantal stoffen kun je vinden in Binas tabel 57A en 57B.Bij de vorming van sommigestoffen komt veel energie vrij.Zo is de vormingsreactie van Vragenaluminiumjodide uit de 4. Geef de vergelijking voor de vorming van methanol uit de niet-elementen een zeer heftige ontleedbare stoffen in molecuulformules. Zoek in Binas dereactie. Bij gebruik van een vormingsenergie van methanol op en leg uit of de vorming vanovermaat jood ontstaan paarse methanol een exotherm of een endotherm proces is.walmen van jooddamp. 5. Leg uit of bij de volgende reactievergelijkingen de reactie-energie gelijk is aan de vormingsenergie. Ag+(aq) + Brˉ (aq) → AgBr (s) 2 Na (s) + Cl2 (g) → 2 NaCl (s) De energiebalans van chemische processen kun je opstellen op basis van vormingsenergieën van stoffen. Voorbeeld 3: De vorming van methaan(g) bij T = 298 K en p = p0. C  s  + 2 H2  g   CH4  g 
  26. 26. Groene Chemie 27Figuur 7: blokschema van de vorming van methaanEnergiebalansΔEvorming = −0,76∙105 J mol-1Er komt bij de vorming van CH4 0,76∙105 J mol-1 energie vrij.EnergiediagramFiguur 8: energiediagram van de vorming van methaanVoorbeeld 4: De ontleding van water(l) bij T = 298 K en p = p0.Volgens de wet van energiebehoud is de energie die nodig is voor hetontleden van een verbinding gelijk aan het tegenovergestelde van devormingsenergie.H2O  l  H2  g   ½ O2  g
  27. 27. Groene Chemie 28Thermiet Figuur 9: blokschema van de ontleding van waterThermiet is een mengsel vaneen metaal en een fijn verdeeldmetaaloxide, dat extreem heetkan branden. Om deze zoge- Energiebalansnoemde thermietreactie te ΔEontleding = - ΔEvorming = + 2,86∙105 J mol-1 H2Olaten optreden moet dit meng- Er is voor de ontleding van H2O(l) 2,86∙105 J mol-1 energie nodig.sel aan de voorwaarde voldoendat het metaalpoeder minderedel is dan het metaal in het Energiediagrammetaaloxide.Het bekendste en meestgebruikte thermietmengsel iseen mengsel van aluminium-poeder en ijzer(III)oxide. Ditgeeft de volgende reactie:Fe2O3(s) + 2Al(s) → Al2O3(s) +2Fe(s);ΔE = -851.5 kJ mol-1Hierbij komt zeer veel reactie-energie vrij; temperaturen vanboven de 3000 Kelvin zijn nietongewoon, waarbij vloeibaarijzer ontstaat. De reactieverloopt meestal vlot maardoorgaans niet explosief.Bij exothermisch lassen wordt Figuur 10: energiediagram van de ontleding van waterdeze reactie gebruikt; hetovergebleven gesmolten ijzervormt een nieuwe lasverbi-ding. 3.4 Reactie-energieDe ontsteking van het mengselis niet zo eenvoudig. Er is zeer Met behulp van de vormingsenergieën van stoffen, kun je de reactie-energieveel warmte nodig om de uitrekenen. De reactie-energie is het verschil tussen de vormingsenergieënreactie te starten. Zelfsroodgloeiend thermiet zal niet van de reactieproducten en de vormingsenergieën van de beginstoffen.ontbranden, het moet witgloei-end (ca. 2000-2500 K) zijn. Ereactie   Evorming  reactieproducten    Evorming  beginstoffen Sommige thermietgebruikersgeven de voorkeur aan hetchemisch aansteken van ther- Voorbeeld 5: Koolstofdioxide reageert met waterstofgas totmiet. Dat gebeurt bijvoorbeeld koolstofmono-oxide en water bij T = 298 K en p = p0.door middel van een hoopjekaliumpermanganaat en enkele CO2  g   H2  g   CO  g   H2O  l druppels glycerine.
  28. 28. Groene Chemie 29Bereken de reactie-energie en geef het resultaat weer in een energie-diagram.Vormingsenergie beginstoffenCO2(g): ΔEvorming = −3,935∙105 J mol-1H2(g): ΔEvorming = 0 Vormingsenergie is altijd gelijk aan nul voor niet-ontleedbare stoffenVormingsenergie reactieproductenH2O(l): ΔEvorming = −2,86∙105 J mol-1CO(g): ΔEvorming = −1,105∙105 J mol-1Figuur 11: blokschema van de vorming van CO en H2OEnergiebalansΔEreactie = (ΔEvorming CO + ΔEvorming H2O) – ΔEvorming CO2ΔEreactie = −1,105∙105 −2,86∙105 - (-3,935∙105 )= - 3,00∙103 J mol-1Het is een exotherme reactie, er komt 3,00∙103 J aan energie vrij.EnergiediagramFiguur 12: energiediagram van de vorming van CO en H2OVragen6. Geef de reactievergelijking van de verbranding van methaan.
  29. 29. Groene Chemie 30Het explosief nitroglycerine Bereken met behulp van vormingsenergieën de reactie-energie voor deheeft een heel lage verbranding van 1,00 mol methaan.activeringsenergie en kan al Geef het resultaat weer in een energiediagram.door schokken ontploffen. 7. Geef de vergelijking voor de ontleding van 1,00 mol ammoniumchlorideAlfred Nobel slaagde erin in ammoniakgas en waterstofchloridegas.bruikbaar dynamiet te maken Bereken met behulp van vormingsenergieën de reactie-energie voor dedoor het instabielenitroglycerine te combineren ontleding van 1,00 mol ammoniumchloridemet kiezelgoer, een poreus Geef het resultaat weer in een energiediagram.gesteente. Daarmee was het 8. Geef de vergelijking voor de vorming van ethaan uit etheen endynamiet stabiel, maar het waterstof.kiezelgoer verminderde ook de Bereken met behulp van vormingsenergieën de reactie-energie voor deexplosieve werking. Er werd vorming van 1,00 mol ethaan.dus zo veel mogelijk glyceryl-trinitraat en zo weinig mogelijk Geef het resultaat weer in een energiediagram.kiezelgoer in dynamietverwerkt. Dat kon knap 9. Koolstofdisulfide, CS2, is een vloeistof die al bij lage temperatuurgevaarlijk zijn. Bij een hogere verbrandt, waarbij o.a. zwaveldioxide(g) ontstaat.temperatuur laat een gedeelte De verbrandingsenergie bedraagt – 1,074∙105 J mol-1.van het glyceryltrinitraat los Bereken met behulp van dit gegeven en tabel 57 de vormingsenergievan het kiezelgoer: het dyna-miet gaat ‘zweten’. Daardoor van CS2.wordt het vrijwel net zo schok- Geef het resultaat weer in een energiediagram.gevoelig en onbetrouwbaar alsvloeibaar glyceryltrinitraat. Het Activeringsenergiedynamiet dat het meest Sommige exotherme reacties verlopen spontaan, maar de meeste reactiesverkocht werd, begon al bij moeten op gang worden gebracht. Denk maar aan het branden van32°C te zweten, zodat hetvooral bij warm weer oppassen aardgas, het gas moet eerst worden aangestoken voor het gaat branden. Jegeblazen was. voert dus eerst energie toe om het aardgas te laten branden. Je bent als het ware de reactie aan het activeren. De benodigde energie hiervoor noemen we de activeringsenergie ∆Eact. Door activeringsenergie toe te voeren komen de beginstoffen in een geactiveerde toestand ook wel overgangstoestand genoemd. De geactiveerde toestand vormt als het ware een energiedrempel tussen begin- en eindtoestand. Vanuit deze toestand beginnen de stoffen pas te reageren en worden de reactieproducten gevormd. De activeringsenergie wordt ook in het energiediagram weergegeven. Omdat de ∆Eact altijd wordt toegevoerd,Inmiddels zijn er springstoffen ligt het energieniveau van de geactiveerde toestand altijd hoger dan deontwikkeld die niet alleen eengrotere explosieve kracht energieniveaus van de beginstoffen en de reactieproducten. In figuur 13 isbezitten, maar vooral een veel dit voor een exotherme reactie schematisch weergegeven.hogere activeringsenergiehebben. Slaan, elektrischevonken en zelfs een branderzijn niet voldoende om dezeenergiedrempel te overwinnenen een reactie te latenbeginnen. Dat lukt alleen meteen geschikte ontsteker.
  30. 30. Groene Chemie 31Bij de productie vanammoniak, NH3, de grondstofvoor kunstmest wordt ookgebruik gemaakt van eenkatalysator. De activerings-energie (EA) voor de reactietussen stikstof en waterstofwordt door de katalysatorverlaagd, waardoor er eenminder hoge temperatuur endruk nodig is.De katalysator zorgt ervoor datde bindingen tussen de atomenvan de N2 en H2 moleculensneller verzwakt en verbrokenworden. De activeringsenergiein het proces met katalysatorkan wel tot vier maal lager zijnten opzichte van het proceszonder katalysator. Figuur 13: energiediagram van een exotherme reactie Vragen 10. Teken het energiediagram met activeringsenergie voor een endotherme reactie. 11. Propeen kan worden omgezet in cyclopropaan, dit is een isomerisatie- reactie. De reactie-energie is 0,20∙105 J mol-1. De activeringsenergie is 2,72∙105 J mol-1. a. Geef de reactievergelijking in structuurformules. b. Teken het energiediagram van deze reactie en geef daarin de activeringsenergie en de reactie-energie aan. Activeringsenergie en katalysator Eén van de 12 principes van de Groene Chemie zegt dat gekatalyseerde reacties efficiënter zijn dan niet-gekatalyseerde reacties. Een katalysator is een stof die een bepaalde reactie sneller laat verlopen zonder bij die reactie verbruikt te worden. De katalysator komt dan ook niet voor in de reactievergelijking. Een katalysator verlaagt de activeringsenergie waardoor een reactie gemakkelijker kan verlopen. De energiedrempel tussen de begin- en eindtoestand wordt lager. De energieniveaus van de beginstoffen en deReacties op de katalysator- reactieproducten blijven bij gebruik van een katalysator gelijk. Dit betekentoppervlakte stap voor stap (wit dat het verschil tussen de energieniveaus, de reactie-energie, hetzelfde= stikstof, blauw = waterstof,grijs = katalysator) blijft. In figuur 14 is dit schematisch weergegeven.
  31. 31. Groene Chemie 32Figuur 14: energiediagram van een exotherme reactie met en zonder katalysatorVragen12. Teken in het energiediagram van vraag 10 het energieverloop van de endotherme reactie als een katalysator wordt toegevoegd.13. Gegeven is de reactie: CO(g) + NO 2 (g)  CO 2 (g) + NO(g) ∆Ereactie = - 2,24∙105 J mol-1 De activeringsenergie voor deze reactie is 1,34∙105 J . a. Teken het energiediagram van deze reactie. b. Leg uit hoe groot de activeringsenergie is van de reactie: CO2 (g) + NO(g)  CO(g) + NO2 (g) c. Leg uit wat er met de activeringsenergie gebeurt als er een katalysator wordt toegevoegd. Geef dit in het energiediagram aan.3.5 Hergebruik energie in een chemische fabriekHet is belangrijk dat een chemische fabriek zo weinig mogelijk energieverbruikt.Verminderen van het gebruik van fossiele brandstoffen is kostenbesparenden beperkt de uitstoot van CO2.Men probeert daarom zoveel mogelijk om de warmte die vrijkomt bijexotherme reacties via warmtewisselaars af te geven aan stoffen die vooreen proces opgewarmd moeten worden. Dit gebeurt volgens hettegenstroomprincipe: de vloeistof die de warmte opneemt (blauwe pijlen)stroomt in tegengestelde richting langs het gas of vloeistof dat de warmteafstaat (rode pijlen). Zie figuur 15.
  32. 32. Groene Chemie 33 Figuur 15: schematische weergave van een warmtewisselaar Dit proces wordt bijvoorbeeld toegepast bij de raffinage van ruwe aardolie. De fracties die onder in de destillatietoren worden afgetapt hebben nog een vrij hoge temperatuur en worden gebruikt om de ruwe aardolie op te warmen. Vragen 14. In een tegenstroomwarmtewisselaar wordt 12 kg rookgas per seconde van 700 K afgekoeld met water van 333 K. De waterstroom van 15 kg/s warmt op tot 363 K. Soortelijke warmte rookgas: 1000 J kg-1K-1 Soortelijke warmte water: 4200 J kg-1K-1 Bereken de temperatuur van het rookgas bij het verlaten van de warmtewisselaar. Ga er hierbij vanuit dat alle warmte die het rookgas afstaat aan het water ten goede komt. 15. In een hoogoven koelt men het ontstane vloeibare ijzer (7500 ton per dag) af van 1811 K tot 298 K. a. Zoek het smeltpunt op van ijzer in Binas. b. Bereken hoeveel warmte per dag hierbij moet worden afgevoerd. c. Bereken hoeveel m3 water men per dag kan verhitten van 290 K tot 350 K met de warmte die door het ijzer wordt afgestaan. 3.6 Oefenopgaven Opgave 1 In hoogovens wordt het metaal ijzer gemaakt door ijzererts te laten reageren met behulp van koolstof: Fe2O3  s   3 C  s   2 Fe  s   3 CO  g  a. Bereken de reactie-energie van deze reactie. b. Geef de resultaten weer in een energiediagram. In de hoogoven wordt per dag 7500 ton ijzer geproduceerd.Figuur 16: hoogoven in werking c. Bereken hoeveel warmte er per dag nodig is of ontstaat.en staalfabriek Opgave 2 In een spiritusbrander zit behalve een kleine beetje blauwe kleurstof hoofdzakelijk ethanol(l), C2H5OH(l). a. Geef de reactievergelijking voor de volledige verbranding van ethanol(l)
  33. 33. Groene Chemie 34 b. Bereken de reactie-energie van deze reactie. c. Geef de resultaten weer in een energiediagram. Opgave 3 Een fabriek produceert per dag 1000 ton ethanol(l). Bij de productie van 1,0 mol ethanol ontstaat 0,45∙105 J mol-1. a. Bereken hoeveel J energie er per dag vrijkomt. De energie die vrijkomt wordt gebruikt om water te verhitten. b. Bereken hoeveel ton water je kunt verhitten van 20 tot 100 ºC met deze hoeveelheid energie. Je mag energieverliezen buiten beschouwing laten. Opgave 4Figuur 17: spiritusbrander Carbid is CaC2(s); de chemische naam is calciumcarbide. Het wordt gemaakt door krachtig verhitten van calciumcarbonaat (marmer) en koolstof (steenkool):Carbidschieten is eenplaatselijk gebruik in sommige CaCO3  s  + 4 C  s   CaC2  s  + 3 CO  g zuidelijke, noordelijke en oos-telijke streken van Nederland. De vormingsenergie van carbid is -12 kJ mol-1.Het vindt gewoonlijk plaats op a. Bereken de reactie-energie per mol carbid.of rond oudjaar. b. Teken het energiediagram van deze reactie. De benodigde energie kan voor een deel verkregen worden door verbranding van het gevormde koolstofmono-oxide. Men verbrandt alle verkregen koolstofmono-oxide en gebruikt de vrijgekomen energie om de oven te verwarmen. De verbrandingsenergie van CO(g) bedraagt -283 kJ mol-1.Carbid wordt in een melkbus c. Bereken hoeveel kJ nog per mol nog nodig is nadat allegelegd en enigszins natgemaakt verbrandingsenergie van CO(g) is toegevoerd aan de oven.met water, waarna de bus (Als je vraag a niet hebt, neem dan aan dat de reactie-energie + 870 kJwordt afgesloten met het mol-1 carbid is).deksel. Het zich vormendeethyn wordt door een kleingaatje in de bus ontstoken en Als je carbid overgiet met water ontstaat ethyn, C2H2(g), ook wel acetyleenontploft met een dreunende genoemd. Tevens ontstaat calciumhydroxide volgens onderstaandeknal, waarbij de deksel van de reactievergelijking:bus schiet en tientallen metersverderop terechtkomt. Het is CaC2  s  + H2O  l   C2H2  g  + Ca  OH 2  s belangrijk om voorzichtig te zijnbij carbidschieten, er zijn Van het gas ethyn wordt een deel verbrand om de energie te leveren dierisico’s aan verbonden. nog nodig is voor de bereiding van het carbid. d. Bereken hoeveel mol ethyn verbrand moet worden om de rest van de voor de oven benodigde energie te leveren. Gebruik Binas tabel 56. Opgave 5 Olie van 400 K wordt met een snelheid van 2 kg s-1 toegevoerd aan een tegenstroom warmtewisselaar. De soortelijke warmte van deze olie is 1880 J kg-1K-1 De olie moet afkoelen tot 350 K. Er is koelwater van 280 K
  34. 34. Groene Chemie 35 beschikbaar. Na het verlaten van de warmtewisselaar hebben olie en koelwater dezelfde temperatuur. Bereken hoeveel kg koelwater per seconde nodig is om dit te bereiken. Opgave 6 In een bepaalde warmtewisselaar wordt de warmte volgens het tegenstroomprincipe overgedragen van een olie op water. In een vereenvoudigde voorstelling bestaat de warmtewisselaar uit twee concentrische buizen. Een opengewerkt gedeelte zie je hiernaast. De olie stroomt met een snelheid van 20 kg s-1 door de binnenbuis en koelt daarbij af van 120 °C tot 50 °C. Het water stroomt in tegengestelde richting met een snelheid van 12 kg s-1 door de ruimte tussen de binnen- en de buitenbuis. De temperatuur van het binnenkomende water is 10 °C. De soortelijke warmte van het water is 2,2 keer zo groot als die van de olie. Hoewel de warmtewisselaar aan de buitenkant geïsoleerd is gaat toch 4 % van de door de olie overgedragen warmte verloren aan de omgeving. Bereken de temperatuur van het uitstromende water.Figuur 18: opengewerktewarmtewisselaar Wat je nu moet weten • Wat een exotherm en een endotherm proces is met het bijbehorende teken. • Hoe je de energiebalans van fysische processen berekent. • Hoe je de energiebalans van chemische processen berekent. • De energiebalans weergeven in een energiediagram. • Wat we onder vormingsenergie verstaan. • Hoe je de reactie-energie berekent. • Wat is de activeringsenergie? • Wat is de invloed van een katalysator op de activeringsenergie? • Het effect van een katalysator weergeven in een energiediagram.
  35. 35. 4. Evenwichtsreacties
  36. 36. Groene Chemie 37 Vrijwel alle reacties die je toe nu toe hebt gehad waren reacties waarbij de beginstoffen na afloop waren verdwenen. Uit de reactieproducten werden de beginstoffen niet terug gevormd. We noemen dit aflopende reacties. Maar in de praktijk is het vaak zo dat niet alle beginstoffen worden omgezet in reactieproducten. Er ontstaat dan een mengsel van beginstoffen en reactieproducten. Dit verlaagt de atoomeconomie en dat wil de fabrikant niet. Hoe komt het dat er een mengsel ontstaat en hoe kunnen we de samenstelling van het mengsel beïnvloeden? Vragen 1. Geef de reactievergelijkingen voor: a. De elektrolyse van water. b. De knalgasreactie. c. De fotosynthese, groene planten nemen koolstofdioxide en water op. d. De verbranding van glucose in het lichaam. e. Wat valt op aan deze reacties? 4.1 Omkeerbare reacties Uit vraag 1 blijkt dat bovengenoemde reacties, afhankelijk van de reactieomstandigheden, twee kanten op kunnen. Dit noemen wij omkeerbare reacties. Demonstratie-experiment 1: Ontleden en vormen van water Onderzoeksvraag Is de ontleding van water omkeerbaar? Uitvoering • Sluit een toestel van Hoffman aan op een voeding. • Bepaal bij welke spanning (V) nog juist een reactie aan de elektroden zichtbaar is. • Sluit een brandstofcel aan op een fles waterstof. • Bepaal de spanning (V) die de brandstofcel levert. Waarnemingen Noteer je waarnemingen en formuleer je conclusie. Theorie Water kun je ontleden in de niet-ontleedbare stoffen waterstof en zuurstof. Dit is een sterk endotherme reactie. Bij de elektrolyse van water moet er voortdurend elektrische energie worden toegevoerd. De ontleding van waterFiguur 1: toestel van Hoffman heeft een ∆E = + 2,86∙105 J per mol H2O(l).
  37. 37. Groene Chemie 38Door waterstof en zuurstof met elkaar te laten reageren in een brandstofcelkan je elektrische energie opwekken. De vorming van water is een sterkexotherme reactie met∆E = - 2,86∙105 J per mol H2O(l).In figuur 2 is dit schematisch weergegeven. De onderbroken blauwe pijlgeeft het veranderen van de energie weer tijdens het verlopen van dereactie. Zowel de ontledingsreactie van water (in figuur 1 de reactie naarrechts) als de vormingsreactie van water (in figuur 1 de reactie naar links)heeft een hoge activeringsenergie.Figuur 2: Het energiediagram van een omkeerbare reactie.Bij de vorming van water levert een brandstofcel maximaal 1,23 V, maar bijeen spanning van 1,23 V vindt er geen zichtbare ontleding van water plaats.De ontleding van water is omkeerbaar maar wel onder verschillendeomstandigheden.Je kunt uit figuur 2 afleiden dat de activeringsenergie voor deontledingsreactie van water een groot verschil vertoont met deactiveringsenergie voor de vormingsreactie van water. Dit is inovereenstemming met de waarneming bij demonstratie-experiment 1 dat despanning hoger moet zijn dan 1,23 V. Blijkbaar wordt bij de ontleding vanwater bij 1,23 V de activeringsenergie niet overwonnen.De reactie in de brandstofcel moet snel kunnen verlopen om energie tekunnen leveren. In een waterstofbrandstofcel verloopt de reactie naar linkssnel, omdat de platina-elektroden in de cel de reactie katalyseren.
  38. 38. Groene Chemie 39 Vraag 2. Teken een energiediagram, zoals in figuur 2, waarbij de vorming van water in de brandstofcel verloopt in aanwezigheid van platina- elektroden. Demonstratie-experiment 2: Mengsel van N2O4(g) en NO2(g) Onderzoeksvraag Is de splitsing van N2O4(g) in NO2(g) omkeerbaar? Uitvoering • N2O4 is een kleurloos gas, NO2 is een bruin gas. • Neem drie ampullen die gevuld zijn met een mengsel van N2O4(g) en NO2(g). • Zet de ampullen in drie bekerglazen met water, waarvan de temperatuur respectievelijk 0ºC, 20 ºC en 50 ºC is. • Wacht enkele minuten en vergelijk de kleuren. • Neem daarbij de ampul bij 20 ºC als referentie. • Verwissel nu de ampullen bij 0ºC en 50 ºC en vergelijk na enige minuten weer de kleuren.Figuur 3: Demonstratie- Waarnemingenexperiment 2: een foto met drie Noteer alle waarnemingen en formuleer je conclusie.ampullen gevuld met een NO2 /N2O4 gasmengsel bij 0ºC, 20ºC Theorieen 50ºC. Als bij een omkeerbare reactie ∆Ereactie klein is en ∆Eact = 0, dan kan de reactie vaak spontaan in twee richtingen verlopen. Bijvoorbeeld de reactie N2O4 (g)  2NO2 (g)  heeft een klein energieverschil van ∆Ereactie = + 5,81∙104 J per mol N2O4. Er hoeft maar een kleine hoeveelheid energie toegevoerd te worden om stikstofdioxide te vormen. De waarnemingen bij het experiment laten zien dat bij lage temperatuur het mengsel lichter van kleur wordt en bij hoge temperatuur wordt het mengsel donkerder. Na verwisselen wordt de donkere buis weer lichter en de lichte buis weer donkerder. Demonstratie-experiment 2 laat niet alleen zien dat bovengenoemde reactie omkeerbaar is, maar ook dat er altijd een mengsel van NO2(g) en N2O4(g) aanwezig is. Namelijk bij lage temperatuur wordt het mengsel lichter, maar niet kleurloos. Dat wil dus zeggen dat ook bij lage temperatuur er nog steeds NO2(g) naast N2O4(g) aanwezig is. Analyse van het gasmengsel bij de hoge temperatuur heeft laten zien dat er nog steeds N2O4(g) naast NO2(g) aanwezig is. Dus er is voortdurend een mengsel van beginstof en reactieproduct aanwezig. Waarbij de verhouding N2O4/ NO2 bepaald wordt door de temperatuur.
  39. 39. Groene Chemie 40Vraag3. Beantwoord onderstaande vragen over demonstratie-experiment 2. a. Geef de reactievergelijking voor de reactie die plaats vindt als het gasmengsel afkoelt. b. Geef de reactievergelijking voor de reactie die plaats vindt als het gasmengsel wordt verwarmd. c. Welke factor bepaalde in dit experiment de richting van de omkeerbare reactie?4.2 Energiediagrammen van mengselsDemonstratie-experiment 2 laat zien dat in alle gevallen een mengsel vanNO2(g) en N2O4(g) aanwezig is. Er zijn nu niet alleen beginstoffen envervolgens reactieproducten aanwezig, maar een mengsel van die twee. Alswe nu het energieverloop van de reactie weergeven in een diagram hebbenwe een iets ander type energiediagram nodig waarvan een voorbeeldweergeven wordt in figuur 4a. Het verschil met de energiediagrammen uitparagraaf 3.4 is dat nu niet de energie van de overgangstoestand wordtweergegeven, maar de energie van het mengsel. Wederom links op dehorizontale as de situatie waarbij alleen beginstoffen aanwezig zijn: 100%N2O4(g). Helemaal rechts op de horizontale as de situatie waarbij alleenreactieproducten aanwezig zijn: 100% NO2(g). Het gele gebied geeft aanwaar een mengsel van NO2(g) en N2O4(g) aanwezig is.Als nu de vergelijking uit paragraaf 3.4Ereactie   E vorming  reactieproducten    Evorming  beginstoffen voor de berekening van ΔEreactie gebruikt wordt om het energieverloop alsfunctie van de samenstelling uit te rekenen, ontstaat er een rechte lijntussen begin en eindniveau, zie figuur 4a.Bovenstaande vergelijking voor ∆Ereactie blijkt niet geldig te zijn voor mengsels.Dit komt omdat het mengen van stoffen op zich zelf al een energie effectgeeft. Bijna altijd is de energie van een mengsel lager dan de som van devormingsenergieën van de stoffen in het mengsel. Dit mengeffect zorgt er-voor dat het energiediagram geen rechte lijn laat zien zoals in figuur 4a,maar een curve met een minimum zoals weergegeven in figuur 4b.
  40. 40. Groene Chemie 41Figuur 4a: Het energiediagram van de omkeerbare reactie N2O4 (g)  2NO2 (g) als functie van de samenstelling van het reactiemengsel in volume percentages zonderenergie effect door menging.Figuur 4b: Het werkelijke energiediagram van de omkeerbare reactie als functie vande samenstelling van het reactiemengsel in volume percentages. Let op ∆Ereactie is nuook afhankelijk van de temperatuur.Dit mengeffect zorgt ervoor dat de energie van een mengsel afhankelijk wordtvan de temperatuur. Daarom gebruiken we in energiediagrammen vanmengsels nu het symbool E(T) op de y-as waarbij het subscript (T) aangeeftdat de E afhankelijk is van de temperatuur. Deze afhankelijkheid van detemperatuur geldt ook voor ∆Ereactie. Dat dit zo moet zijn kan je al opmakenuit het feit dat de vormingsenergieën in Binas tabel 57 zijn gegeven bij 298 K,wat aangeeft dat deze bij een andere temperatuur een andere waarde
  41. 41. Groene Chemie 42hebben. Om verwarring te voorkomen schrijven we ∆Ereactie (T) als we de reactieenergie bij een evenwichtsreactie bedoelen, dus de reactie energie in een E(T)diagram.In het gele gebied laat figuur 4b een curve met een minimum zien. In eenenergiediagram van een evenwichtsreactie, een E(T) diagram, geeft de positievan het minimum aan bij welke samenstelling E(T) de laagste waarde heeft.De curve in figuur 4b laat zien dat als het mengsel 28% NO2 en 72% N2O4bevat E(T) de kleinste waarde heeft. De aanwezigheid van een minimum, desamenstelling bij dit minimum, maar ook de raaklijn aan de curve bij gegevensamenstelling zijn bepalend voor het verloop van een omkeerbare reactie.Daarom gaan we hier wat dieper op in.Belangrijk is dat de positie van het minimum alleen wordt bepaald door∆Ereactie (T). De foto’s in figuur 5 laten zien hoe dit werkt. Figuur 5.1 laat ziendat als ∆Ereactie = 0 het minimum precies in het midden ligt. In figuur 5.2 is tezien dat als ∆Ereactie(T) kleiner dan nul is het minimum meer naar rechts ligt.Figuur 5.3 laat zien dat als ∆E reactie(T) nog kleiner wordt het minimum nogmeer naar rechts ligt. Het omgekeerde is ook waar, als ∆Ereactie(T) groter is dannul is, zal het minimum meer links liggen. Omdat ∆Ereactie(T) afhangt van detemperatuur en van de soorten stoffen in het reactiemengsel wordt de positievan het minimum ook bepaald door de soort stof en de temperatuur.Figuur 5: De energiediagrammen van drie verschillende mengsels. Op de foto’s iseen ketting te zien die tussen twee magneten hangt. De magneten stellen de niveausvan de vormingsenergieën voor. De curve van de ketting geeft een kwalitatievevoorspelling van het energiediagram van een mengsel.1: de situatie als ∆Ereactie(T) = 0, de beginstoffen en producten komen evenveel voor.2: ∆Ereactie(T) < 0 het minimum schuift naar de kant van de producten.3: ∆Ereactie(T) << 0 het minimum schuift nog verder naar de rechterkant.Even terug naar het energiediagram van de omkeerbare reactieN2O4 (g)  2NO2 (g) zoals weergegeven in figuur 6. De curve geeft weer hoe de verandering vande energie van het reactiemengsel afhangt van de samenstelling. Belangrijkis het minimum in de curve. In figuur 6 laat de onderbroken blauwe pijl naarrechts zien dat bij gedeeltelijke omzetting van N2O4(g) in NO2(g) er energievrijkomt. Terwijl de volledige omzetting van N2O4(g) in NO2(g) een

×