Hoofdstuk 8

■■

8 Tanken in 2020

■■

8.1 Verbrandingsreacties en energie
1 a Bij de verbranding van benzine ontstaat ook veel warmte en geluid.
b Een rendement van 25% betekent dat van alle beschikbare chemische energie slechts 25% om-gezet wordt in bewegingsenergie.
c Er moet dus minder warmte en geluid ontstaan. Dat kan door:
– de verbranding in de motor te optimaliseren,
– de warmte op te vangen en die op een of andere manier ook weer om te zetten in bewegingsenergie.

2 een stof bevat het element: bij verbranden van die stof ontstaat onder andere:
waterstof H2O
zwavel SO2
koolstof CO2

3 Geef eerst het reactieschema in woorden. Welke stof is onmisbaar bij verbrandingen? Maak eerst het aantal C atomen en H atomen kloppend. Maak tot slot het aantal O atomen kloppend.
a Zuurstof is bij alle verbrandingen onmisbaar.
waterstof + zuurstof  water of waterdamp
2 H2(g) + O2(g)  2 H2O(g)
b methaan + zuurstof  koolstofdioxide + water CH4(g) + 2 O2(g)  CO2(g) + 2 H2O(l)
c alcohol + zuurstof  koolstofdioxide + water C2H6O(l) + 3 O2(g)  2 CO2(g) + 3 H2O(l)
d Je moet hier als laatste stap alle coëfficiënten met twee vermenigvuldigen.
hout + zuurstof  koolstofdioxide + water
Maak eerst het aantal C en H atomen kloppend.
C65H82O24(s) + …O2(g) 65 CO2(g) + 41 H2O(l)
Nu staan er rechts 652 + 41 = 171 O atomen.
In de formule van hout staan al 24 O atomen. Je hebt er dus nog 171-24 = 147 nodig. Dat betekent dat vóór de formule van zuurstof een getal 147 : 2= 73,5 komt.
C65H82O24(s) + 73,5 O2(g) 65 CO2(g) + 41 H2O(l)
Door alle coëfficiënten met twee te vermenigvuldigen, krijg je hele getallen:
2 C65H82O24(s) + 147 O2(g) 130 CO2(g) + 82 H2O(l)

4 a Je moet een hoeveelheid dieselolie verbranden en de ontstane gassen met behulp van een pomp door een joodoplossing leiden. Als de dieselolie zwavel bevat, ontstaat bij de verbranding zwaveldioxide. Daardoor zal de joodoplossing na enige tijd ontkleuren.
b reagens toont aan waarneming
custardpoeder
wit kopersulfaat
kalkwater
joodoplossing
vlammetje
houtspaander H2O(l) en (g)
H2O(l) en (g)
CO2(g)
SO2(g)
H2(g)
O2(g) lichtgeel(wit) wordt donkergeel
wit wordt blauw
helder wordt troebel
bruin wordt kleur-loos
Je hoort een knalletje
gloeit fel op

5 –

6 Door blussen met water sluit je de zuurstof-toevoer af en daalt de temperatuur.

7 Een brand in een oliepijpleiding kun je blussen door de toevoer van olie te stoppen.
In een bos kun je (brand)gangen kappen, waar-door een bosbrand zich niet verder kan uitbreiden.

8 a Er komt energie (beweging, warmte, geluid) vrij bij de verbranding van benzine.
Het is dus een exotherme reactie.
b Je moet weliswaar eerst energie toevoeren, maar als de reactie eenmaal loopt, gaat die vanzelf door waarbij warmte vrijkomt.

9 a Bij de verbranding van benzine ontstaan koolstof-dioxide en water, CO2(g) en H2O(l).
b Geef eerst het reactieschema in woorden. Welke stof is onmisbaar bij verbrandingen? Maak eerst het aantal C atomen en H atomen kloppend. Maak tot slot het aantal O atomen kloppend.
benzine + zuurstof  koolstofdioxide + water C7H16(l) + 11 O2(g)  7 CO2(g) + 8 H2O(l)
c Denk eraan dat in een molecuul MTBE een zuur-stofatoom voorkomt. Bij het kloppend maken van de O atomen is dat van belang.
MTBE + zuurstof  koolstofdioxide + water C8H18O(l) + 12 O2(g)  8 CO2(g) + 9 H2O(l)
d Bij een verbrandingsreactie moet een brandstof met zuurstof (een gas) reageren. Als de brandstof dan ook een gas is, kunnen die twee gassen beter mengen, waardoor de moleculen van de brandstof beter met de moleculen van zuurstof in contact kunnen komen.
e De molecuulformule van diesel, C10H22(l), geeft aan dat diesel uit grotere moleculen bestaat dan benzine, C7H16(l). Het kookpunt van diesel ligt dus hoger dan dat van benzine. Diesel gaat dus pas bij hogere temperaturen over in de dampfase. De ontbrandingstemperatuur van diesel is dus hoger dan die van benzine.
f Als je zwavel verbrandt, ontstaat zwaveldioxide, SO2(g). Deze stof ontstaat ook bij de verbranding van zwavelhoudende diesel.

■■

8.2 Volledige en onvolledige verbranding

10 –

11 a In de gebieden waar de vlam blauw gekleurd is, is sprake van volledige verbranding. Dat is te vergelijken met de blauwe vlam van de brander. Dat is dus onderaan en aan de buitenkant van de vlam tot halverwege. Dat is ook logisch omdat onderaan de temperatuur van de vlam het hoogst is en aan de buitenkant is contact met zuurstof het beste mogelijk.
b Op de gele plekken vindt de onvolledige verbran-ding plaats. Ook dat is te vergelijken met de bran-der. Bovenin is de vlam wat meer afgekoeld en binnenin is het contact met zuurstof minder.

12 a Bij het verbranden van diesel ontstaat meer roet dan bij het verbranden van benzine. In een dieselmotor worden druppeltjes dieselolie ingespoten. Binnenin zo´n druppeltje vindt soms onvolledige verbranding plaats door gebrek aan zuurstof. Er ontstaat roet. Bij een benzinemotor verdampt de brandstof eerst. De damp wordt in de cilinders gemengd met zuurstof. De verbranding kan zo goed en volledig verlopen.
b De temperatuur van de gassen wordt door het additief sterk verhoogd.
c Dan kan de koolstof, (het roet in de uitlaatgassen) beter verbranden.
d C(s) + O2(g)  CO2(g)

13 a Het lijkt best logisch: voor het ontstaan van CO(g) is minder zuurstof nodig dan voor dat van CO2(g).
b Nee, want als je de brander in de waakstand, (luchtregelring omhoog, gele vlam) hebt staan, vindt er een onvolledige verbranding plaats. Als daarbij dan CO(g) zou ontstaan, zou dat heel ge-vaarlijk zijn, omdat CO(g) een erg giftig gas is.

14 –

15 a Als mensen in een caravan slapen, gebeurt dat in een kleine en afgesloten ruimte. Als in diezelfde ruimte een slecht werkende kachel staat, dan is dat gevaarlijk. In huis is de ruimte veel groter en de kachel staat niet in de slaapkamer.
b In de caravan mag maximaal 2229 = 638 mg CO(g). Afgerond: 0,64 gram CO(g).
c Geef eerst het reactieschema in woorden.
methaan + zuurstof  koolstofmonooxide + water
2 CH4(g) + 3 O2(g)  2 CO(g) + 4 H2O(l)

16 a In het begin komt er uit het gaatje alleen maar aardgas. Omdat de menging met zuurstof uit de lucht dan minder gemakkelijk is, heb je een onvolledige verbranding. Dat is te zien aan de gele vlam. Je kunt dat vergelijken met de brander, als je de luchtregelring helemaal omhoog gedraaid hebt. Ook dan heb je een gele vlam.
b Tijdens de proef stroomt er aardgas uit het blik en stroomt er lucht binnen. Na verloop van tijd komt er naast aardgas ook lucht mee uit het gaatje. De menging met zuurstof is dan beter, waardoor je met een volledige verbranding te maken hebt. Net als bij de brander wordt de vlam dan blauw of kleurloos.

17 a Een explosie is een heel snelle verbrandingsreactie, waarbij vaak veel energie vrijkomt.
b Voor een explosie moeten:
– brandstof en zuurstof heel goed gemengd zijn,
– brandstof en zuurstof ook in de juiste verhou-dingen bij elkaar zijn. Dit wordt aangegeven met de explosiegrenzen.
c In het riool kan het brandbare gas zich ophopen. Als dan samen met de aanwezig zuurstof uit de lucht de samenstelling volgens de explosiegrens goed is, is er nog maar heel weinig nodig om het gasmengsel te laten exploderen. In een open ruimte kan het brandbare gas zich veel beter ver-spreiden, waardoor geen explosief mengsel kan ontstaan.

18 a Het wordt een viertaktmotor genoemd omdat een volledige draaicyclus uit vier stappen bestaat.
b Het zal een onvolledige verbranding zijn, omdat:
– het heel snel moet gaan,
– de menging brandstof met zuurstof minder goed is.

■■

8.3 Waterstof als alternatief

19 a Als je dit mengsel aansteekt, ontploft het met een harde knal.
b Water wordt ontleed in waterstof en zuurstof.
2 H2O(l)  2 H2(g) + O2(g)
c Er moet voortdurend (elektrische) energie worden toegevoerd. Het is dus een endotherme reactie.
d Bij de elektrolyse ontstaan waterstof en zuurstof in de verhouding 2 : 1 (volumeverhouding).
e 1 deel lucht bevat 0,2 delen O2(g).
Voor 1 deel O2(g) heb je 5 delen lucht nodig.
De volumeverhouding H2(g) : lucht(g) = 2 : 5
f 2 H2(g) + O2(g)  2 H2O(g)

20 Waterstof is opgebouwd uit waterstofatomen. Bij de verbranding kan alleen het oxide van waterstof ontstaat en dat is water.

21 Een energiebron is, zoals het woord al zegt een bron van energie. De zon, wind, fossiele brandstoffen. Waterstof komt niet zomaar ergens op deze wereld als delfstof voor. Je zult waterstof dus eerst moeten maken. Daarvoor is energie (van een energiebron) nodig. Met het gevormde waterstof kun je wel weer ergens anders energie opwekken, vandaar: energiedrager.

22 a fase 1: ontwikkelen van technologie
fase 2: proefdraaien
fase 3: waterstofauto’s in productie
b De verschillende bedrijven zijn op verschillende terreinen deskundig. Een energiebedrijf zoals Shell en Total weten veel van brandstoffen. De autobedrijven weten veel van automotoren.
c Dat mag je zelf uitzoeken.

23 a Bij de fotosynthese wordt in groene planten zuurstof en glucose gemaakt uit koolstofdioxide en water.
b koolstofdioxide + water  glucose + zuurstof
6 CO2(g) + 6 H2O(g)  C6H12O6(s) + 6 O2(g)
c In de tweede alinea: ‘Hierbij wordt onder invloed van licht water gesplitst’.
d Hier zijn verschillende tekeningen mogelijk. In ieder geval bestaan de acht hoekpunten van de kubus uit: 3 Mn, 1 Ca en 4 O-atomen. Het vierde Mn atoom zit aan een van de O atomen vast.
Bijvoorbeeld:
e Omdat je voor het krijgen van waterstof via elek-trolyse eerst zelf energie in dat proces moet stop-pen. Bij de fotosynthese krijg je die energie (gratis) van de zon.

24 a Zoek het eens op in een goed woordenboek.
De infrastructuur is het stelsel van wegen, te land en te water, bruggen, viaducten, pijpleidingen, opslagplaatsen, vliegvelden, etc. dat nodig is voor het vervoer van personen en goederen.
b De infrastructuur voor benzine en diesel is geba-seerd op vloeistoffen. Waterstof is een gas, dat een heel laag kookpunt heeft. Dat is dus heel moeilijk vloeibaar te krijgen. Daarom kan dat niet gemakkelijk via de bestaande infrastructuur gele-verd worden.
c
d Bij de elektrolyse wordt elektrische energie omgezet in chemische energie.
Bij het voertuig (aangenomen dat daar gebruik gemaakt wordt van brandstofcellen) wordt chemi-sche energie omgezet in elektrische energie, die vervolgens wordt omgezet in bewegingsenergie.
e Zie ook antwoord d. De elektrische energie komt uit een accu of uit het elektriciteitsnet via een ge-lijkrichter.
f Bij de elektrolyse: 2 H2O(l)  2 H2(g) + O2(g)
Bij het voertuig: 2 H2(g) + O2(g)  2 H2O(g)
g Zie het antwoord op opdracht f
h Er zijn eigenlijk twee kringlopen.
– Water wordt bij de elektrolyse verbruikt en ontstaat uiteindelijk weer bij het voertuig.
– Zuurstof ontstaat bij de elektrolyse en wordt bij het voertuig weer gebruikt.

■■

8.4 Broeikaseffect

25 De overeenkomst is dat bij beide de aarde opwamt (of juist niet afkoelt) doordat de zonne-energie die overdag door straling wordt opgevan-gen ’s nachts niet allemaal weer uitgestraald wordt.
Het natuurlijke broeikaseffect is er altijd geweest, omdat de atmosfeer van nature broeikasgassen zoals koolstofdioxide en water bevat. Het versterkte broeikaseffect wordt door mensen ver-oorzaakt, vooral door de enorme verbranding van fossiele brandstoffen.

26 a Bekende broeikasgassen zijn: koolstofdioxide, CO2(g), methaan, CH4(g) en waterdamp, H2O(g).
b Drijfgassen worden gebruikt in spuitbussen. Bij-voorbeeld bij het spuiten van deodorant of verf.

27 a Lees eerst het artikel goed en kijk welk gegeven je nodig hebt.
Volgens het artikel levert 1 kg benzine (1,38 L) 3,15 kg CO2 op. Met 1,38 liter kan de auto 1,3815 = 20,7 km rijden.
Er ontstaat dus 3,15 kg CO2 per 20,7 km.
Dat is 3,15 : 20,7 = 0,152 kg = 152 g CO2 per km.
b De nieuwe norm is 130 g CO2 per km.
8106 auto’s die 2104 km per jaar rijden, pom-pen 81062104130 = 2,081013 g CO2 de lucht in. Om dat op te vangen zijn 2,081013 : 20.000 = 1,04109 (1,04 miljard!!) bomen nodig.
c Gezien de uitkomst van berekening b lijkt klimaatneutraal bij het autoverkeer onhaalbaar.
d Jij bent de minister! Jij mag het zeggen!

28 a Biobrandstoffen zijn brandstoffen die uit (meestal) plantaardige bronnen afkomstig zijn. Deze planten zijn vaak speciaal voor dit doel aangeplant.
b Omdat deze brandstoffen rechtstreeks uit biolo-gisch materiaal gemaakt kunnen worden.
c De energie-inhoud van ethanol (28 gigajoule per ton) is kleiner dan die van benzine (41 gigajoule per ton).
Voor een bepaalde hoeveelheid energie moet je dus meer ethanol verbranden dan benzine.
d Geef eerst het reactieschema in woorden, vul dan de formules in. Maak eerst de waterstof kloppend en daarna de koolstof.
suiker + water  ethanol + koolstofdioxide
C12H22O11(s) + H2O(l)  C2H6O(l) + CO2(g)
Er staan links van de pijl 24 H atomen, rechts van de pijl staan er 6. Dus:
C12H22O11(s) + H2O(l)  4 C2H6O(l) + CO2(g)
Links van de pijl staan 12 C atomen, rechts van de pijl 42 + 1 = 9. Die coëfficiënt 4 moet je niet meer veranderen. Dat betekent dat er een co-efficiënt voor de formule van koolstofdioxide moet komen:
C12H22O11(s) + H2O(l)  4 C2H6O(l) + 4 CO2(g)
Nu staan er links van de pijl 11 + 1 = 12 O atomen.
Rechts van de pijl staan 4 + 42 = 12 O atomen.
Alles klopt nu.
e Je mag de beide hoeveelheden ethanol en biodiesel bij elkaar optellen.
In 2010 moet 385.000 ton ethanol en 437.000 ton biodiesel geproduceerd worden; samen 385.000 + 437.000 = 822.000 ton biobrandstof.
Dat is 5,75% van het totale verbruik.
Dus is voor het transport in 2010 (822.000 : 5,75)100 = 14.295.652 ton brandstof nodig. Dat is 14,3 miljoen ton.
f In 2003 was er 4,2 + 6,3 = 10,5 miljoen transport-brandstof nodig.
Er is dus 14,3 – 10,5 = 3,8 miljoen ton bijgeko-men.
Ten opzichte van 2003 is het gebruik van trans-portbrandstof dan met (3,8 : 10,5)100% = 36% gestegen.
g

■■

Toepassing

29 a Het salpeter gaat smelten en vervolgens brui-sen. Als je dan een gloeiende houtspaander in de buis steekt, gaat die fel opgloeien.
b Er is dus zuurstof ontstaan. Dat moet ontstaan zijn door de verhitting van salpeter. Dan moet in deze proef salpeter dus ontleden.
c Geef eerst het reactieschema in woorden.
salpeter  kaliumnitriet + zuurstof
2 KNO3(l)  2 KNO2(l) + O2(g)

30 a Bij de explosie verbranden zwavel en koolstof. Voor die verbranding is zuurstof nodig. Die zuur-stof wordt geleverd door het salpeter.
b Het probleem zit in het aantal O atomen. Links van de pijl komen die alleen voor in salpeter.
Probeer de coëfficiënten 1 tot en met 4 voor de formule van salpeter.
4 KNO3(s) + 4 C(s) + S(s) 
2 K2CO3(s) + SO2(g) + 2 CO2(g) + 2 N2(g)

31 a Neem bijvoorbeeld C3H6Ox.
Uit C3H6Ox ontstaan 3 CO2 en 3 H2O. Dat zijn in totaal 32 + 3 = 9 O atomen. Dus moet de formule C3H6O9 zijn.
Er is ook een algemeen geldige oplossing:
Stel de formule is CnH2nOm(s).
Hieruit ontstaan n CO2(g) + n H2O(g). Na de pijl heb je dan 3n O dus moet gelden: m = 3n.
Stel dat je voor n het getal 3 neemt, dan is C3H6O9 de formule van een explosieve stof.
b Het enige element dat verder van dynamiet nog overblijft is zuurstof, vandaar….
c Geef eerst het reactieschema in woorden.
dynamiet 
koolstofdioxide + water + stikstof + zuurstof
C3H5N3O9(s)  CO2(g) + H2O(g) + N2(g) + O2(g)
Maak eerst stikstof kloppend:
2 C3H5N3O9(s) 
CO2(g) + H2O(g) + 3 N2(g) + O2(g)
Daarna koolstof en waterstof:
2 C3H5N3O9(s) 
6 CO2(g) + 5 H2O(g) + 3 N2(g) + O2(g)
Nu staan er links van de pijl 18 O atomen, rechts 62 + 5 + 2 = 19. Door een coëfficiënt 0,5 voor de formule van zuurstof te plaatsen, worden het rechts ook 18 O atomen. Daarna moet je alle coëfficiënten met twee vermenigvuldigen om hele getallen te krijgen:
4 C3H5N3O9(s) 
12 CO2(g) + 10 H2O(g) + 6 N2(g) + O2(g)
d Er is geen externe zuurstof (van buitenaf) nodig. Alle benodigde zuurstof zit al intern in de molecu-len van de stof opgesloten.

32 a kaliumchloraat  kaliumchloride + zuurstof
2 KClO3(s)  2 KCl(s) + 3 O2(g)
b Zwavel kan reageren met de zuurstof die ontstaat.
Daarbij ontstaat zwaveldioxide.
Geef eerst het reactieschema in woorden.
kaliumchloraat + zwavel 
kaliumchloride + zwaveldioxide
2 KClO3(s) + 3 S(s)  2 KCl(s) + 3 SO2(g)
c Uit 12,26 g KClO3 ontstaat 7,46 gram kaliumchlo-ride en 12,26 – 7,46 = 4,80 g zuurstof.
4,80 gram zuurstof reageert met 4,80 gram zwa-vel.
Dus 12,26 gram kaliumchloraat reageert met 4,80 gram zwavel. De verhouding is dan:
KClO3 : S = 12,26 : 4,80 = 2,55 : 1,00