Bookkeeper - h.hofstede

Oefenmateriaal T3 Zuren en basen en redox
Bookkeeper
Papier bestaat hoofdzakelijk uit cellulose. In papier is ook water aanwezig. Cellulose wordt door water
langzaam gehydrolyseerd. H+ ionen versnellen dit proces. Papier kan door de afbraak van cellulose uit
elkaar vallen. Inktsoorten uit vroegere tijden bevatten vaak opgeloste ijzer(III)zouten. In het water dat in
papier aanwezig is, zijn daarom gehydrateerde Fe3+ ionen, Fe(H2O)63+ , aanwezig. Deze gehydrateerde
ionen gedragen zich als een zwak zuur (zie Binas-tabel 49). Daardoor treedt vooral op plaatsen waar een
oude inktsoort op het papier aanwezig is, een versnelde afbraak van de cellulose op. Onder de inkt
wordt de cellulose dikwijls zo sterk aangetast dat het papier er helemaal verdwijnt. De inkt vreet zich
door het papier heen. Dit verschijnsel staat bekend als inktvraat.
2 2p
Geef de vergelijking van de reactie waarmee kan worden verklaard dat een oplossing die Fe(H2O)63+
ionen bevat, zuur is.
Hoewel papier geen oplossing is, kent men aan papier toch een pH toe. De pH van papier wordt
wereldwijd op dezelfde manier gemeten: 2,00 gram papier wordt in zeer kleine stukjes geknipt. Deze
hoeveelheid materiaal wordt gedurende één uur geëxtraheerd met 100,0 mL gedestilleerd water. Na het
verwijderen van de stukjes papier wordt direct de pH gemeten.
Met behulp van bovenstaande methode heeft men gemeten dat de pH van het papier van een bepaald
boek 5,10 is. Het boek bevatte 250 gram papier.
2 2p
Bereken hoeveel mmol H+ aanwezig is in het papier van dat boek. Neem aan dat alle H+ uit het papier
is opgelost in de 100,0 mL water en dat alle H+ in de oplossing afkomstig is van het papier.
Als het zuur in het papier met een base wordt geneutraliseerd voordat de inkt zich door het papier heeft
gevreten, gaat het papier langer mee. Dit effect wordt nog versterkt wanneer op en in het papier een
extra voorraad van die base wordt aangebracht. Men spreekt dan van een alkalische reserve.
Bij een moderne ontzuringsmethode van papier, de bookkeepermethode, gebruikt men
magnesiumoxide.
De alkalische reserve wordt uitgedrukt als het massapercentage MgO in het papier. Het is de bedoeling
dat papier dat met de bookkeepermethode is ontzuurd, na de behandeling minimaal een alkalische
reserve van 0,60 massaprocent magnesiumoxide heeft. Van iedere partij ontzuurd papier wordt direct na
de behandeling dit massapercentage bepaald. Het voorschrift van deze bepaling luidt als volgt:
voorschrift
Weeg 1,0 g van het ontzuurde papier af.
Breng het over in een erlenmeyer en pipetteer hierbij 20,0 mL 0,100 M
zoutzuur.
Zorg ervoor dat alle basische stoffen uit het papier hebben gereageerd.
Titreer daarna het overgebleven zoutzuur met 0,100 M natronloog.
Noteer het aantal mL toegevoegde natronloog.
Bij zo’n bepaling was voor de titratie van het overgebleven zoutzuur 16,7 mL natronloog nodig.
3 4p
Ga door berekening na of in het ontzuurde papier inderdaad 0,60 massaprocent (of meer) aan
magnesiumoxide aanwezig is.
EDTA
Oplossingen van natriumzouten van ethyleendiaminetetra-azijnzuur (EDTA) worden vaak gebruikt bij
titraties om het gehalte van sommige metaalionen in een oplossing te bepalen. EDTA is een vierwaardig
zwak zuur; het wordt vaak aangeduid met H4Y. Bij titraties met EDTA maakt men meestal gebruik van
een oplossing van het zout Na2H2Y. Dit zout is in water als volgt geïoniseerd:
Na2H2Y → 2 Na+
+ H2Y2–
H2Y2– is een amfolyt en kan dus als zuur en als base reageren.
4 3p
Geef de vergelijking van de reactie waarbij H2Y2–als zuur met water reageert en ook de vergelijking
van de reactie waarbij H2Y2–als base met water reageert.
Noteer je antwoord als volgt:
als zuur: …
als base: …
Een Na2H2Y oplossing kan worden gebruikt ter bepaling van het gehalte aan Ca 2+ en Mg2+ in
bijvoorbeeld bronwater. Bij zo’n bepaling reageren de Ca 2+ ionen en de Mg2+ ionen uitsluitend met
ionen Y4–.
Ter bepaling van het gehalte aan Ca2+ en het gehalte aan Mg2+ in een bepaald soort bronwater werden
twee titraties met Na2H2Y oplossing uitgevoerd. In beide gevallen werd uitgegaan van 250 mL
bronwater.
Bij de eerste titratie werd met een bufferoplossing de pH van de te titreren oplossing vooraf op 10,0
gebracht. Tijdens deze titratie traden de volgende reacties op:
H2Y2– + 2OH– → Y4– + 2H2O
Ca2+ + Y 4– → CaY2–
Mg2+ + Y4– → MgY2–
Bij de tweede titratie werd met een andere bufferoplossing de pH van de te titreren oplossing vooraf op
12,0 gebracht (T = 298 K). Daarbij sloeg alle Mg2+ als magnesiumhydroxide neer. Het neerslag werd
afgefiltreerd en het filtraat werd getitreerd.
Bij de eerste titratie was 5,34 mL 0,0122 M Na2H2Y oplossing nodig.
Bij de tweede titratie was voor het filtraat 4,72 mL 0,0122 M Na 2H2Y oplossing nodig.
5 3p
Bereken van het onderzochte bronwater het gehalte aan Ca2+ in mg per liter.
6 2p
Bereken van het onderzochte bronwater het gehalte aan Mg2+ in mg per liter.
Ky-auto
Personenauto's die op benzine rijden, produceren koolstofdioxide. In december 1997 is in Kyoto (Japan)
afgesproken dat in 2012 de hoeveelheid koolstofdioxide per gereden km gemiddeld met minstens 40%
moet zijn teruggebracht. Daarom doet de auto-industrie uitgebreide research om de uitstoot van
koolstofdioxide te verlagen. Eén van de onderzoeken richt zich op een auto uitgerust met een
elektromotor. De elektrische stroom voor de elektromotor wordt geleverd door een zogenoemde directe
methanol-brandstofcel.
In figuur 1 is de directe methanol-brandstofcel met elektromotor schematisch weergegeven.
In het vervolg van deze opgave duiden we zo’n cel kortheidshalve aan met brandstofcel.
In compartiment I van de brandstofcel wordt een mengsel van methanol en water geleid. In
compartiment II wordt zuurstof (lucht) geleid. Aan de poreuze platina-elektroden (EI en EII) treden de
volgende halfreacties op:
CH3OH + H2O  CO2 + 6 H+ + 6 eO2 + 4 H+ + 4e─  2 H2O
(halfreactie 1)
(halfreactie 2)
Tussen de poreuze elektroden bevindt zich een membraan dat alleen H + ionen doorlaat.
Koolstofdioxide en waterdamp worden uit de brandstofcel afgevoerd.
7 2p
Leg uit of de elektronen via de elektromotor stromen van EI naar EII of van EII naar EI.
Een auto die is uitgerust met deze brandstofcel hoeft alleen methanol te tanken. Het water dat voor
halfreactie 1 nodig is, wordt geleverd door halfreactie 2. Omdat er in compartiment II meer water
ontstaat dan voor halfreactie 1 nodig is, wordt een deel van dat water afgevoerd.
8 3p
Leid aan de hand van de gegeven halfreacties af hoeveel procent van het in compartiment II gevormde
water moet worden afgevoerd.
Zink
Bij de winning van zink uit zinkerts blijft doorgaans 95 % van het gedolven gesteente achter in de vorm
van zuur slib. Dit slib wordt gedumpt in door dijken omgeven bassins. In april 1998 is bij een zinkmijn
in Spanje een dijk van zo’n bassin doorgebroken. Tussen de vijf en zeven miljoen m 3 slib stroomde
weg. Een deel van het slib kon met dijken tot stilstand gebracht worden. Een ander deel kwam in een
belangrijk natuurgebied terecht en veroorzaakte de dood van vele vissen en vogels. Naar aanleiding van
deze milieuramp verscheen in een Nederlandse krant commentaar van een grondstoffendeskundige:
TekstFragment 1
Neem wat ijzersulfide, het glimmende mineraal pyriet; zinksulfide of kopersulfide
mag ook. Vermaal het. Voeg water toe. Doe de lakmoesproef. De oplossing zal
zuur blijken. Zwavelzuur, kan nadere analyse nog onthullen. Mits op voldoende
grote schaal uitgevoerd, is dit het recept voor een milieuramp. De schaal van een
ertsmijn bijvoorbeeld. Overal waar sulfidisch gesteente aan de oppervlak wordt
gebracht, ontstaan grote hoeveelheden zuur afvalslib. Dat is een chemische
onvermijdelijkheid.
Naar : de Volkskrant van 9 mei 1998
In de eerste regel worden ijzersulfide en pyriet genoemd. In het krantenbericht wordt daarmee één en
dezelfde stof bedoeld. De formule van deze stof is FeS2 en pyriet is de triviale naam ervan. De stof is
opgebouwd uit ionen.
9 2p
10 2p
Leg aan de hand van formules van ionen uit of ijzersulfide een juiste systematische naam voor pyriet is.
Ga er daarbij vanuit dat er twee soorten ijzerionen bestaan.
Beschrijf hoe de vermelde lakmoesproef moet worden uitgevoerd en wat je dan waarneemt.
Pyriet wordt door zuurstof uit de lucht en water omgezet tot een oplossing die, behalve H + ionen, ook
Fe3+ ionen en SO42 ionen bevat. Deze reactie is een redoxreactie.
De vergelijking van de halfreactie van FeS2 is hieronder onvolledig weergegeven :
FeS2 + H2O  Fe3+ + SO42 + H+
In deze vergelijking ontbreken de elektronen en er moeten nog coëfficiënten worden geplaatst.
11 3p
Geef de volledige vergelijking van de halfreactie van FeS2.
12 2p
Leid met behulp van deze halfreactie en de halfreactie van zuurstof de totale reactievergelijking af van
deze omzetting van pyriet door zuurstof en water.
Volgens deskundigen is de dambreuk ontstaan doordat onder de dijken mergel aanwezig is. Mergel
bevat onder andere calciumcarbonaat. Het calciumcarbonaat reageerde met de grote hoeveelheid H +
ionen uit het slib. De dam verloor door deze reactie zijn stabiliteit en brak door.
13 3p
Geef de vergelijking van de reactie tussen het calciumcarbonaat in de mergel en de H+ ionen waardoor
de dampbreuk is ontstaan. Neem aan dat het calciumcarbonaat met H + ionen reageerde in de
molverhouding 1 : 2
Ruim vier maanden na de ramp werd in de pers melding gemaakt van scherpe kritiek op de
opruimingswerkzaamheden:
TekstFragment 2
Niet alleen kwam de waterzuivering pas een maand geleden op gang, ook twijfelt
men of de speciaal aangelegde installatie en het meertje waarin het sterk verzuurde
slib werd geneutraliseerd met natriumcarbonaat, goed heeft gefunctioneerd
Naar : NRC Handelsblad van 10 september 1998
In een scheikundeles worden de tekstfragmenten besproken. Een leerling brengt naar voren dat er
waarschijnlijk veel natriumcarbonaat nodig is om al het zure slib te neutraliseren. Het natriumcarbonaat
moet naar het meertje worden vervoerd. Het meertje is wellicht niet goed bereikbaar. Dit zou wel eens
één van de redenen kunnen zijn waarom de neutralisatie van het zure slib zo langzaam verloopt.. De
leerling krijgen de opdracht een berekening uit te voeren om te schatten hoeveel natriumcarbonaat maar
het meertje moet worden vervoerd.
Ze moeten uitgaan van de volgende veronderstellingen
· 3 miljoen m3 zuur slib moet in het meertje worden geneutraliseerd;
· 50 volumeprocent van het slib bestaat uit vast, niet zure bestanddelen;
· de pH van de te neutraliseren vloeistof is 2,5;
· het natriumcarbonaat wordt aangevoerd in de vorm van soda (Na 2CO3 · 10H2O);
· natriumcarbonaat en H+ ionen reageren in de molverhouding 1 : 2
14 5p
Bereken met deze veronderstellingen hoeveel kg soda naar het meertje moet worden vervoerd. De
massa van een mol Na2CO3 · 10H2O is 286,2 g
1
Fe(H2O)63+ + H2O ⇆ FeOH(H2O)52+ + H3O+
2
pH = 5,10  [H3O+] = 10–5,1 = 7,9 . 10–6 mol /L
in 100 ml dus 7,9 . 10–7 mol
in 250 g papier dus 125 . 7,9 . 10–7 = 9,9 . 10–5 mol H+ dus 9,9 . 10–2 mmol H+
3
20 – 16,7 = 3,3 ml 0,100 M
dus H+ = 3,3 . 0,100 = 0,33 mmol
H+ : MgO = 2 : 1
0
Dus gereageerd
mmol MgO
33;2
M (MgO)= 40,31
0,165 mmo ≙ 0,165 . 40,31 = 6,6 mg MgO
6
percentage =
. 100 = 0,66 % dus meer dan 0,60 %
6;1000
EDTA
H2Y2– + H2O →
H2Y2– + H2O →
HY3– + H3O+
H3Y– + OH–
4
als zuur :
als base
5
4,72 ml 0,0122 M reageert met de Ca2+
verhouding H2Y2– : Ca2+ = 1 : 1
gereageerd 4,72 . 0,0122 = 0,0576 mmol H2Y2–
dus aanwezig 0,0576 mmol Ca2+
M (Ca2+) = 40,08
0,0576 . 40 ,08 = 2,308 mg Ca2+ in 250 ml
dus 4. 2,3 = 9,23 mg /L
6
5.34 – 4,72 = 0,62 heeft gereageert met Mg2+
0,62 . 0,0122 = 0,00756 mmol H2Y2–
verhouding ook 1 : 1
dus ook 0,00756 mmol Mg2+
M(Mg2+) = 24,31
0,0756 . 24,31 = 0,1839 mg Mg2+ in 250 ml
dus 4 . 0,21 = 0,736 mg/L
Ky-auto
7
in compartiment I worden de elektronen afgestaan en in compartiment II worden de elektronen
opgenomen. De elektronen stromen dus van compartiment I naar II .`
8
CH3OH + H2O  CO2 + 6 H+ + 6 e- 4x
O2 + 4 H+ + 4e─  2 H2O
6x +
4 CH3OH + 4 H2O + 6 O2 + 24 H+  4 CO2 + 24 H+ + 12 H2O
corrigeren voor stoffen na en voor de pijl geeft
4 CH3OH + 6 O2  4 CO2 + 8 H2O
dus 8 van de 12 dus 67 %
Zink
9
In ijzersulfide zitten of Fe3+ en S2– ionen en zou dan de formule Fe2S3 moeten hebben of er zitten Fe2+
en S2– ionen in er zou dan de formule FeS moeten hebben. Dus is ijzersulfide geen goede naam voor
FeS2
10
Maak een blauw lakmoes papiertje vochtig met de ontstane oplossing. Als het papiertje rood wordt dan
was de oplossing zuur.
11
FeS2 + 8 H2O
FeS2 + 8 H2O
12
O2 + 4H+ + 4e– → 2H2O
15x
FeS2 + 8 H2O → Fe3+ + 2SO42– + 16 H+ + 15 e–
4x
15 O2 + 60 H+ + 4 FeS2 + 32 H2O → 30 H2O + 4 Fe3+ + 64 H+
15 O2 + 4 FeS2 + 2 H2O → 4 Fe3+ + 4 H+
→ Fe3+ + 2SO42– + 16 H+
→ Fe3+ + 2SO42– + 16 H+ + 15 e–
13
CaCO3 + 2H+ → Ca2+ + H2O + CO2
14
3 · 106 m3 slib ≙ 1,5 · 106 m3 vloeistof ≙ 1,5 · 109 L
massabalans kloppend
ladingbalans kloppend
pH = 2,5  [H+] = 10-2,5 =3,16 · 10─3 mol / L
hoeveelheid H+ = 1,5 · 109 · 3,16 · 10─3 =4,74 · 106 mol
Na2CO3 + H+ = 1 : 2 dus 2 · 4,74 · 106 = 9,49 · 106 mol Na2CO3
9,49 · 106 · 286,2 = 2,7 · 109 g natriumcarbonaat
corrigeren voor H2O en H+ geeft