Hoofdstuk 16 Op weg naar duurzame energie 16.1 De zon als

Hoofdstuk 16 Op weg naar duurzame energie
16.1 De zon als energiebron
2
a
Vm = 24,5 L / mol
1 m3 ≙ 1000 L
mol
1
?
?=
L
24,5
1000
1 • 1000;24
= 40,81 mol
5
1 m3 methaan ≙ 40,81 mol
mol
1
40,80
g
16,043
?
? = Error! = 654,81 g ≙ 0,65481 kg
1 MJ ≙ 103 kJ
kJ
32 • 103
?
?=
b
c
3
4
kg
0,65481
1
32 • 103 • 1;0
= 4,9 • 104 kJ / kg
65481
Beide brandstoffen zijn gassen en worden vervoerd per pijplijn. Aardgas
levert meer energie per m3 dus hoeft er minder gas getransporteerd te
worden en is het dus goedkoper.
Bij de verbranding van aardgas komt CO2 vrij, dat bijdraagt aan het
versterkt broeikaseffect. Om dat te voorkomen moet het CO2
afgevangen worden.
a
Het voertuig hoeft dus een van de te reageren stoffen niet mee te
nemen. Het gewicht is dus minder. Dat betekent betere prestatie en
dus brandstofbesparring.
b
Het Siliciumoxide dat ontstaat is een vaste stof en zet zich dus af in de
brandstofcel
a
CO2 uitstoot
Milieu
kolen
ja
zerogeengas
Nee, de CO2
wordt afgevangen
Ja want kolen Nee door de
waterstof
Nee
Nee
verontreiniging
veiligheid
duurzaamheid
5
bevatten
zwavel wat
dan vrijkomt
als SO2
brandbaar
Brandstof is
eindig
vergassing zijn de
verontreinigingen
er uit gehaald
Brandgevaar,
explosiegevaar
Brandstof is
eindig
Brandgevaar,
explosiegevaat
Hangt af van de
productie van
het waterstof.
b
koolstof wordt omgezet in koolstofmonooxide en waterstof. Dus moet
er nog een stof bij die de elementen waterstof en zuurstof bevat
c
CO2 dat ontstaat uit reactie van CO met water. Verder moeten ook
verontreinigende stoffen zoals SO2 en NOx verwijderd worden.
a
6CO2 (g) + 6H2O (l) → C6H12O6 (s) + 6O2 (g)
b
C6H12O6 (s) → 2C2H5OH (aq) + 2CO2 (g)
ethanol mag ook genoteerd worden als C2H6O
c
De grond waar je de suikerbieten verbouwd wordt ontrokken aan
landbouwgrond. Daardoor kan er minder voedsel geproduceerd
worden.
d
CO2 uitstoot
duurzaamheid
Stookwaarde
Bio-ethanol
Minder uitstoot omdat
de vrijgekomen CO2
ook vast is gelegd in
het suikerriet
Ja want suikerriet is
hernieuwbaar
22 • 109 J/ m3
Benzine
Veel uitstoot
Nee want fossiele
brandstoffen zijn
eindig
33 • 106 J/ m3
omrekenen stookwaarde
ρethanol = 0,80 • 103 kg/ m3
ρbenzint = 0,72 • 103 kg / m3
1m3 weegt 0,80 • 103 kg
1m3 weegt 0,72 • 103 kg
J
kg
9
22 • 10 0,80 • 103
?
1
?=
J
33 • 109
?
kg
0,72 • 103
1
22 • 109 • 1;0
33 • 109 • 1;0
6 J / kg ? =
6
=
28
•
10
3
80 • 10
72 • 103 = 46 • 10 K / kg
dus benzine levert per kg veel meer energie
6
7
a
De koolwaterstoffen moeten hernieuwbare stoffen zijn
De energie voor het proces moet duurzame energie zijn.
b
Kleiner want ook al komt er bij het proces evenveel energie vrij, er zal
altijd wat energieverlies optreden.
a
Je hebt geen uitstoot van CO2
Er worden ook geen andere milieuvervuilende stoffen zoals SO 2 en NOx
uitgestoten.
b
doorsnede is πr2
Als je de doorsnede verdubbeld verdubbel je de straat dus wordt de
doorsnede 4x zo groot. Dus kan er vierkeer zoveel gas doorheen
stromen
16.2 Brandstofcellen
a
basis
CH4 → CO2
hulpdeeltjes
CH4 + H2O → CO2 + H+
massabalans
CH4 + 2H2O → CO2 + 8H+
ladingbalans
CH4 + 2H2O → CO2 + 8H+ + 7e─
basis
AsO43─ → AsO32─
hulpdeeltjes
AsO43─ + H+ → AsO32─ + H2O
massabalans
AsO43─ + 2H+ → AsO32─ + H2O
ladingbalans
AsO43─ + 2H+ + e─ → AsO32─ + H2O
of met hulpdeeltjes H2O en OH─
basis
AsO43─ → AsO32─
hulpdeeltjes
AsO43─ + H2O → AsO32─ + OH─
massabalans
AsO43─ + H2O → AsO32─ + 2OH─
ladingbalans
AsO43─ + H2O + e─ → AsO32─ + 2OH─
basis
NH3 → N2
hulpdeeltjes
NH3 → N2 + H+
massabalans
2NH3 → N2 + 6H+
ladingbalans
2NH3 → N2 + 6H+ + 6e─
9
a
Bij de productie van waterstof zijn fossiele brandstoffen gebruikt dus is
er wel CO2 uitgestoten
b
Het afvangen van de CO2 bij de productie. Het is dan nog wel de vraag
wat er met de CO2 moet gebeuren.
c
Een lange levensduur betekend dat de katalysatoren langer meegaan
en dus minder geproduceerd hoeven te worden.
d
Een COOH groep kan in waterig milieu een H+ afstaan. Een naburige
COOH
COO
H+
-
-
? COO
COOH
COO─ groep kan die H+ weer opnemen. Op deze wijze kan een H+ ion
worden doorgegeven.
`
10
e
Het gebruikt van waterstof is zeer schoon en duurzaam. Het hangt dus
af van hoe het waterstof wordt geproduceerd of waterstof duurzaam is.
Dus moet de waterstof of uit biomassa komen of als het gemaakt wordt
door electrolyse van water dan moet dat gebeuren met duurzame
energie.
f
basis
hulpdeeltjes
massabalans
ladingbalans
g
Op het land waar het suikerriet voor de bio-ethanol wordt geteeld kan
geen voedsel geteeld worden.
a
In tekst staat dat hydrazine met zuurstof reageert tot stikstof en water
C2H6O
→ CO2
C2H6O + H2O
→ CO2 + H+
C2H6O + 3H2O → 2CO2 + 12H+
C2H6O + 3H2O → CO2 + 12H+ + 12e─
de totaal reactie is dan
N2H4 + O2 → N2 + 2H2O
halfvergelijking van zuurstof in waterig milieu
O2 + 2H2O +4e─ → 4OH─
(tabel 49)
dus de andere halfvergelijking is dan
N2H4 + 4OH─ → N2 + 4H2O + 4e─
b
e
M
-
-
+
oplossing
van N2 H4
OH
N2
H2 O
platina vrije
electroden
-
O2
H2 O
membraam dat
OH- ionen doorlaat
c
Geen platina electroden
Hydrazine is gemakkelijk te tanken omdat het een vloeistof is
d
Hydrazine is giftig
e
Nee want bij een waterstofbrandstofcel moet H+ doorgegeven worden
terwijl het bij de hydrazine cel om OH─ gaat
11
12
f
De andere halfvergelijking is in beide gevallen dezelfde dus moet
hydrazine een sterkere reductor zijn dan waterstof. De
standaarelektrodepotentiaal is de lager (negatief) dus is het
potentieelverschil groter
g
Voorbeelden van juist antwoorden zijn :
Welke batterij is het goedkoopst?
Welke batterij is het veiligst?
Welke batterij is het eenvoudigs te plaatsen en te bedienen?
a
Calciumhydride is een zout want het is een verbinding van een metaal
(Ca) met een niet metaal (H)
b
Ca (s) + H2(g) → CaH2 (s)
c
absorberen en oplossen is beide geen goed benaming want het wordt
via een chemische reactie omgezet in een andere stof.
d
De reactie moet omkeerbaar zijn om het waterstof vrij te maken. Het
calciumhydride moet wel bewaard kunnen worden, maar de ontleding
moet onder redelijke omstandigheden mogelijk zijn.
a
Onder het vergiftigen van de katalysator verstaan we dat het oppervlak
bedekt wordt zodat het zijn functie niet meer goed kan uitoefenen.
b
negatieve elektrode
H2 (l) + 2OH─ (aq) → 2H2O (l) +2e─
positieve elektrode
O2 (l) + 2H2O(l) + 4e─ → 4OH─ (aq)
c
OH─ ionen gaan van de positieve elektrode (daar ontstaan ze nl) naar
de negatieve elektrode (daar reageren ze weer weg)
d
e
M
-
-
+
H2
O2
OH
-
H2 O
13
a
basis
hulpdeeltje
massabalans
ladingbalans
H2S(aq)
H2S(aq)
H2S(aq)
H2S(aq)
→
→
→
→
S(s)
S(s) + H+ (aq)
S(s) + 2H+ (aq)
S(s) + 2H+(aq) + 2e─
b
1 jaar = 365 • 24 • 60 • 60 = 31536000 s
1,0 mA dus 1,0 mC per seconde dus hij moet 31536 C leveren
constante van Faraday F = 9,64853365 • 104 C / mol
mol
1
?
C
9,6485 • 104
31536
31536 • 1;9
? = 6453365 • 104 = 0,327 mol e─
H2S : e─ = 1 : 2
dus 0,5 • 0,327 =0,163 mol H2S
mol
g
1
34,081
0,163
?
? = Error! = 5,6 g H2S
c
basis
hulpdeeltjes
massabalans
ladingbalans
(CH2O)n
(CH2O)n
(CH2O)n
(CH2O)n
→ CO2
+ H2O → CO2 + H+
+ nH2O → nCO2 + 4n H+
+ nH2O → nCO2 + 4n H+ + 4ne─
16.3 Opslag van elektrische energie
14
a
In een loodaccu reageert het zwavelzuur met het loodoxide onder
vorming van loodsulfaat en water. De concentratie zwavelzuur zal dus
steeds kleiner worden en dus de accu leger. Omdat de dichtheid
afhankelijk is van de concentratie zwavelzuur kun je de dichtheid
gebruiken om te bepalen hoe vol de accu nog is.
b
Bij een te hoge spanning kan de reactie t snel gaan en kan de
loodelektrode die bedekt is met loodsulfaat op sommige plekken bloot
komen te liggen zodat het ontstane H+ bij de elektrode elektronen
kunnen opnemen waarbij H2 ontstaat.
15
a
elektrodes
_
oplossing van
natriumtribromide
pomp
16
membraam
+
motor
oplossing van
natriumdisulfide
pomp
b
bij de positieve elektrode wordt Br3─ omgezet in 3Br ─ Hier krijg je dus
een tekort aan positieve ionen (Na+)
Bij de negatieve elektrode wordt 2S2─ omgezet naar S42─ Hier krijg je
een overschot aan positieve ionen (Na+)
Om elektrisch neutraal te blijven moeten dus de Na+ ionen van rechts
naar links gaan
c
Bij het opladen wordt de motor vervangen door een spanningsbron. De
reactie gaan nu anderom dus aan de minpool (want daar zijn de
elektronen beschikbaar)
S42 ─ + 2e─ → 2S2─
d
Omdat de reacties nu andersom gaan zullen de Na+ ionen weer terug
moeten dus van links naar rechts.
e
links Na+ en Br─ en rechts Na+ en S42─
f
Br3─ is een sterkere oxidator dan S2─ want de reactie verloopt dus moet
Br ─ een zwakkere reductor zijn dan S42─ (Bij een spontane reactie zijn
de ontstane oxidator en reductor altijd zwakker dan de oorspronkelijke
oxidator en reductor want de halfvergelijking van de oxidator staat
boven de halfvergelijking van de reductor)
a
basis
hulpdeeltjes
massabalans
ladingbalans
b
V2+ → V3+ + e ─
VO2+ → VO2+
VO2+ 2H+ → VO2+ + H2O
VO2+ 2H+ → VO2+ + H2O
VO2+ 2H+ + e ─ → VO2+ + H2O
17
c
bij stroomlevering reageert de oxidator bij de positieve pool (elektrode
krijgt lading door reactie) dus bij begin van stroom levering hebben we
voornamelijk VO2+ bij de positieve elektrode dus de kleur is dan geel
d
Bij de negatieve elektrode reageert de reductor dus hebben we daar in
het begin van de stroomlevering voornamelijk V2+ dus de kleur is paars.
e
Bij de positieve elektrode gaat de kleur van geel via groen (mengkleur
van geel en blauw) naar blauw en bij de negatieve elektrode gaat de
kleur van paars via een mengkleur naar groen. Dus door de
verandering van de kleur kun je zien in hoeverre de accu leeg is.
a
De dichtheden zijn zo belangrijk omdat die ervoor zorgen dat de lagen
niet mengen. De metalen zullen niet oplossing in het elektrolys, maar
onderling zouden ze wel goed mengen. Dus het ene metaal moet een
kleinere dichtheid hebben dan de elektrolyt en het andere metaal moet
een grotere dichtheid hebben dan de elektrolyt. Zo blijven de lagen
gescheiden.
b
Magnesium is de negatieve elektrode dus magnesium ionen moeten in
oplossing gaan zodat de elektronen achter blijven.
negatieve elektrode
Mg → Mg2+ + 2e ─
positieve elektrode
Mg2+ + 2e─ → Mg
c
Je kunt hem weer opladen omdat de stoffen die moeten reageren bij de
omgekeerde reactie aanwezig zijn in of bij de elektrode.
d
We hebben hier te maken met gesmolten magnesium dus is het
standaardpotentieel is afhankelijk van de concentratie van de
magnesium . Deze is verschillend in zuiver magnesium en in de
magnesium antimoon legering. dus heb je een verschillende
standaardpotentieel.
e
Mg(l)
gesmolten zout
Sb-Mg (l)
f
_
Mg2+
stroombron
+
Voor de reactie Mg2+ + 2e─ → Mg moeten de Mg2+ ionen in het
elektrolyt aanwezig zijn. De verdwenen Mg2+ ionen worden wel weer
aangevuld aan de andere elektrode maar om snel doorgeven te kunnen
worden in het elektrolyt moeten ze hierin aanwezig zijn.
18
g
De gebruikte stoffen zijn goedkoop
De stoffen zijn in grote hoeveelheid aanwezig..
De batterij kan vele malen worden opgeladen.
a
positieve elektrode dus hier reageert de oxidator
Br2 + 2e─ → 2Br ─
b
negatieve elektrode
H2 → 2H+ + 2e─
c
Ze laten het waterstof langs een poreuze elektrode stromen. Het waterstof
absorbeert aan de poreuze elektrode en kan zo reageren.
d
Uit de ontstane waterstofbromide oplossing kan weer waterstof en broom
ontstaan.
e
Er gaan wel 2 vloeistofstromen langs de elektrodes, maar hier gaat ook nog
een gasstroom langs de elektrode.
16.4 Duurzame batterijen
19
20
a
Cadmium en kwik zijn zware metalen en dus erg giftig. Na gebruik kunnen ze
zeker niet geloosd worden en ook recyclen is lastig.
b
Het metaal wordt verhit zodat het zink verdampt dus het proces kost energie.
c
Er hoeft minder ijzer en zink uit erts geproduceerd worden. Dat scheelt dus
zowel grondstoffen en energie.
d
Als een oplaadbare batterij lading kwijtraakt, dan blijf je aan het opladen terwijl
je de energie niet gebruikt. Dus kun je beter wegwerp batterijen gebruiken die
gerecycled kunnen worden.
a
Li → Li+ + e─
2H2O +2e─ → H2 + 2OH─
2x
1x
2Li + 2H2O → 2Li+ + H2 + 2OH─
21
b
Lithium is een erg sterke reductor. Hij staat onder water als oxidator en zal
dus met water reageren. (Lithium is een zeer onedel metaal net al natrium en
kalium en deze reageren heftig met water)
c
De reststroom zou je knnen gebruiken voor verwarmen als dat ergens nodig is
of je zou het kunnen gebruiken bij een eventuele elektrolyse
d
Je weet niet het complete recycle proces, maar op basis van de gegevens kun
je concluderen dat het bedrijf dat lithiumbatterijen op dezelfde wijze als
nikkermetaalhydride batterijen het groenste proces gebruikt. Argumenten
hiervoor zijn:
het kost veel energie om vloeibare stikstof te verkrijgen.
De reststroom wordt elders ingezet.
a
Koper is een metaal en loodoxide is een zout. Een zout kan niet oplossen in
een vloeibaar metaal.
b
In tabel 66A staat dat nitreuze dampen een mengsel van stikstofoxiden zijn.
Volgens tabel 48 staat 2 halfvergelijkingen van een salperzuur oplossing (H+ +
NO3) waarbij stikstofoxiden ontstaan
NO3─ + 4H+ + 3e─ → NO + 2H2O
NO3─ + 2H+ + e─ → NO2 + H2O
dus een mengsel van NO en NO2
nl
c
Nitreuze dampen zijn volgens Binas tabel 97A zeer giftige dampen bij
inademen, gevaarlijk bij inwendig gebruik, bij contact met huid en ogen en ze
zijn brand en explosiegevaarlijk
d
verdund salpeterzuur dus de halfvergelijking met de minste H+
NO3─ + 2H+ + e─ → NO2 + H2O
2x
2+
─
Cu → Cu + 2e
1x
2NO3─ + 4H+ + Cu → 2NO2 + 2H2O + Cu2+
Sn
→ Sn(OH)62─
Sn + OH─
→ Sn(OH)62─
─
Sn + 6OH
→ Sn(OH)62─
Sn + 6OH─
→ Sn(OH)62─ + 4e─
e
basis
hulpdeeltje
massabalans
ladingbalans
f
Extractie : het zilver lost veel beter op in het gesmolten zink dan in het smolten
lood.
Destillatie : het mengsel van zilver en zink wordt in een vacuumoven verhit.
Het zink verdampt, het zilver blijft achter.
g
het mengsel van natriumhydroxide en natriumnitraat moet verwarmd worden
om het te laten smelten.
Het zink moet verwarmd worden om het te laten smelten.
het mengsel van zink en zilver moet verwarmd worden om het te destilleren.
h
Het gaat in dit proces vooral om het terugwinnen van allerlei dure metalen.
Blijkbaar is het de moeite waard om de stoffen te recyclen.
16.5 Toepassingen
Kerosine uit zeewater
1
0,040 % CO2 dus per 1 L 0,0004 L CO2
Vm = 24,5 L
Mol
1
?
L
24,5
0,0004
?
? = Error!= 1,6 · 10-5 mol CO2
2
oplosbaarheid CO2 in water bij 298 K is 33,5 · 10-3 mol / L dus > 1,6 · 10-5
3
CO2 (g) + OH- (l) → HCO3- (aq)
2H2O +2e- → H2 + 2OH2H2O → O2 + 4H+ + 4e-
4
negatieve elektrode
positieve elektrode
5
Bij de positieve elektrode ontstaan H+ die met HCO3- kunnen reageren
HCO3- + H+ → CO2 + H2O
6
Per overgedragen elektron ontstaat een H+ en een OH- Een deel van de H+
zal met de HCO3- reageren dus de de pH zal toenemen.
7
CO2 + H2 → CO + H2O
8
schema
kloppend
9
CO2 + H2 → CO + H2O
11CO + 23H2 → C11H24 + 11H2O
CO + H2 → C11H24 + H2O
11CO + 23H2 → C11H24 + 11H2O
11x
1x
11CO2 + 11H2 + 11 CO + 23H2 → 11CO + 11H2O + C11H24 + 11H2O
gelijke stoffen samen nemen en corrigeren voor gelijke stoffen geeft
11CO2 + 34H2 → C11H24 + 22H2O
dus 11 : 34 (ongeveer 1 : 3)
10
Bij opdacht 4 blijkt dat per mol 2 mol H2 4 mol H+ ontstaat waaruit weer 4 mol
CO2 ontstaat dus H2 : CO2 = 1 : 2. Je hebt 1 op 3 nodig dus extra waterstof is
nodig.
11
CO2 wordt weer omgezet in brandstof
dat scheelt fosiele brandstoffen
dus minder uitstoot CO2 dat is gunstig voor het versterkt broeikaseffect.
12
Er is energie nodig voor de elektrolyse van de natriumcarbonaatoplossing
Er is energie nodig voor het Fisscher-Tropsch proces
Libellen
13
Beide stoffen zijn neutraal dus kan er geen H+ overgedragen zijn want dan
zou de lading moeten veranderen.
14
C20H13N3O8 + 2H+ + 2e─
15
De omzetting is de omzetting van de oxidator dus heb je een reductor nodig.
16
C6H8O6
→ C20H15N3O8
→ C6H6O6 + 2H+ + 2e─
Lithium-ion-batterijen printen in 3D
17
Kleine accu's zijn nodig om in te bouwen in kleine apparaten zoals implantaten
en brilmonturen.
→ FePO4 + Li+
→ FePO4 + Li+ + e─
18
basis
ladingbalans
LiFePO4
LiFePO4
19
In LiFePO4 zitten Fe2+ ionen en in FePO4 zitten Fe3+ ionen dus Fe2+ is de
reductor.
20
basis
hulpdeeltje Li+
massabalans
ladingbalans
21
In Li4Ti5O12 is de negatieve lading 24 - dus positieve lading moet dat ook zijn
dus 4 • 1+ en 5 • 4+
In Li7Ti5O12 is de negatieve lading 24. Het litium ion kan alleen maar 1+ zijn
dus moet de lading van de titaan ionen veranderd zijn. Alleen de titaan ionen
kunnen elektronen opnemen. Dus 3 van de 5 titaanionen zijn overgegaan in
Ti3+. Dus de titaanionen zijn opgetreden als oxidator
22
Omdat lithium ionen in de ene halfvergelijk ontstaan en in de andere reageren
moeten ze in het elektrolyt aanwezig zijn. Anders zou de reactie van de
reductor niet kunnen plaatsvinden.
→ Li7Ti5O12
Li4Ti5O12 + Li+ → Li7Ti5O12
Li4Ti5O12 + 3Li+ → Li7Ti5O12
Li4Ti5O12 + 3Li+ + 3e─ → Li7Ti5O12
e-
23
+
Li 4 Ti 5 O12
elektrolyt
LiFePO4
Li +
24
De accu is oplaadbaar, want de reactieproducten zijn vast en blijven aan de
elektrode zitten. Bij het opladen gaan de Li+ ionen weer van links naar rechts