Vraag 8Zonnebrandstof
Schreef je op papier? Maak een foto van je uitwerking op papier. Je foto blijft privé en de nakijker leest hem. Zet je naam er niet op.
Hoe pak je dit aan?
- Bij deze vraag heb je de vormingswarmten van de andere stoffen nodig, die vind je in Binas-tabel 57A of ScienceData-tabel 9.2.
- In de reactievergelijking zie je welke stoffen beginstoffen zijn en welke reactieproducten zijn.
- De coëfficiënten voor de stoffen geven aan hoeveel mol van elke stof meetelt in de berekening.
- Daarna laat je de berekening stap voor stap zien tot je bij de reactiewarmte per mol IPA uitkomt.
Hier verliezen leerlingen punten
- Let op het minteken van de vormingswarmten uit de tabel, want daar gaat het bij deze berekening vaak mis.
- Vergeet de coëfficiënten niet, ook niet bij stoffen waarvan je de vormingswarmte al kent.
- Schrijf de eenheid J per mol IPA bij je eindantwoord, anders mis je een deel van de punten.
Met een gratis account wordt je antwoord nagekeken per scorepunt, volgens het officiële correctievoorschrift. Wat je hier typt, blijft bewaard.
De vraag als tekst
tekstfragment “Iedere dertig minuten vangt de aarde een hoeveelheid zonlicht op waarmee we de hele wereld een jaar lang van energie kunnen voorzien. Hier ligt voor ons de uitdaging. We moeten gebruikmaken van deze mogelijkheid.” Met deze woorden opende toenmalig kroonprins Willem Alexander in 2011 een seminar in Dresden. naar: www.groenegrondstoffen.nl Wetenschappers hebben iets bedacht om zonlicht te kunnen gebruiken als ‘zonnebrandstof’. Voor deze zonnebrandstof wordt zonne-energie gebruikt die is opgevangen door zonnecellen, om water te ontleden tot waterstof en zuurstof. De gevormde waterstof wordt vervolgens door de genetisch aangepaste bacteriesoort R. eutropha met koolstofdioxide omgezet tot de zonnebrandstof isopropylalcohol (IPA). Dit proces is vereenvoudigd weergegeven in figuur 1a. figuur 1 zonnecel elektrode A CO 2 elektrode B reactor met zoutoplossing 4 H + + O H 2 2 2 H O 2 H + H 2 H O H bacterie H + CO IPA 2 2 H C C C H H H H 1a. reactor voor het maken van zonnebrandstof 1b. structuurformule IPA Het proces in figuur 1a heeft overeenkomsten met de natuurlijke fotosynthese. Beide processen hebben bijvoorbeeld zonlicht als energiebron nodig.
Isopropylalcohol (IPA) is een triviale naam. De structuurformule van IPA is in figuur 1b weergegeven.
Een van de stappen in het proces waarbij bacteriën IPA produceren, is de omzetting van waterstof tot waterstofionen met behulp van ‘hydrogenasen’. Een hydrogenase is een enzym met in het reactieve deel onder andere ijzeratomen. In figuur 2 is een fragment van een hydrogenase vereenvoudigd weergegeven. Het zwavelatoom in de restgroep van de cysteïne-eenheid is gebonden aan een ijzeratoom ( Fe ) in plaats van aan een waterstofatoom. Deze binding is op te vatten als een atoombinding. figuur 2 Fe Cys Thr
De omzetting van waterstof tot waterstofionen door het enzym is een halfreactie.
De wetenschappers hebben onderzocht of het mogelijk is om bacteriën doelgericht IPA te laten produceren. Daarvoor hebben ze een experiment uitgevoerd waarbij waterstof en koolstofdioxide worden geleid door een suspensie van bacteriën in een verdunde zoutoplossing. De bacteriën kunnen zich in dit mengsel voortplanten. De groei van het aantal bacteriën in het mengsel werd gemeten. Hiervoor werd een maat gebruikt die de ‘optische dichtheid’ wordt genoemd. Hoe hoger de optische dichtheid, hoe meer bacteriën er in het mengsel aanwezig waren. Ook de productie van IPA door de bacteriën werd in de tijd gemeten. Beide resultaten zijn weergegeven in figuur 3. figuur 3 3,0 optische dichtheid 2,5 2,0 200 concentratie 1,5 150 IPA (mg L −1 ) 1,0 100 0,5 50 0 0 0 20 40 60 80 100 120 tijd (uren) Legenda verloop optische dichtheid verloop concentratie IPA Als hun voedingsstoffen (zoals de zoutoplossing) opraken, stoppen de bacteriën met zich te vermenigvuldigen en gaan ze IPA produceren. In het beschreven experiment gebeurt dit wanneer de optische dichtheid van 2,4 is bereikt.
Om IPA van het reactiemengsel te scheiden, wordt de suspensie met bacteriën gefiltreerd. Het filtraat bevat water en onder andere opgelost IPA. Hieraan wordt vervolgens zo veel keukenzout toegevoegd dat IPA en water zich als twee lagen van elkaar scheiden. Deze scheidingsmethode heet ‘uitzouten’. Door toevoeging van het zout raken alle watermoleculen betrokken bij de hydratatie van ionen uit het keukenzout. IPA-moleculen vormen dan waterstofbruggen met elkaar en niet meer met watermoleculen. Op de uitwerkbijlage zijn twee IPA-moleculen weergegeven.
Het proces dat beschreven wordt in deze opgave en wordt samengevat in figuur 1a, heeft eigenschappen van een batchproces.
IPA is een energiedrager en heeft een hoge energiedichtheid. De energie-dichtheid van een brandstof is de hoeveelheid energie die vrijkomt bij de volledige verbranding van een bepaalde hoeveelheid van die brandstof. De energiedichtheid van vloeibare brandstoffen wordt vaak uitgedrukt in megajoule per liter ( MJ L –1 ). De volledige verbranding van IPA is hieronder met een vergelijking weergegeven. 2 C H O (l) + 9 O (g) → 6 CO (g) + 8 H O (l) 3 8 2 2 2 De reactiewarmte van deze reactie is −20,1∙10 5 J mol –1 IPA.
Laat door middel van een berekening zien dat de reactiewarmte van de volledige verbranding van IPA gelijk is aan −20,1∙10 5 J mol –1 IPA. – Gebruik Binas-tabel 57A of ScienceData-tabel 9.2. – Gebruik voor de vormingswarmte van IPA: −3,18∙10 5 J mol –1 .