Hoofdstuk 7, Duurzaamheid

Beoordeling 8.3
Foto van een scholier
  • Samenvatting door een scholier
  • 4e klas vwo | 2696 woorden
  • 19 mei 2019
  • 12 keer beoordeeld
Cijfer 8.3
12 keer beoordeeld

Taal
Nederlands
Vak
Methode

7.1 Duurzaam

De wereld draait op fossiele brandstoffen. Zonder olie geen transport, geen grootschalige landbouw, geen consumptieartikelen. Geologen denken dat de olievoorraad over zijn hoogtepunt heen is. Binnen afzienbare tijd zal er niet voldoende aardolie meer zijn om te voldoen aan de nog steeds stijgende vraag naar energie en grondstoffen.

7.2 Fossiele brandstoffen

Energieleveranciers

Fossiele brandstoffen worden vooral gebruikt voor warmteproductie en voor het opwekken van elektrische energie. De verbrandingswarmte geeft aan hoeveel energie er vrijkomt bij de verbranding van één kg of één m3 van die brandstof bij een bepaalde druk en temperatuur.

  • De belangrijkste fossiele brandstoffen zijn steenkool, aardgas en aardolie. Ze worden gebruikt voor de productie van warmte en elektrische energie. De verbrandingswarmte van een brandstof geeft aan hoeveel energie er vrijkomt bij verbranding van één m3 of één kg van een brandstof bij bepaalde druk en temperatuur.

Leverancier van grondstoffen

Aardgas en aardolie leveren ook grondstoffen voor de chemische industrie. Omdat aardolie uit veel verschillende stoffen bestaat, moeten deze eerst worden gescheiden in een aantal fracties. Een fractie is een mengsel van stoffen met een kookpunt binnen bepaalde grenzen. Dat proces heet gefractioneerde destillatie. Stoffen die bestaan uit grote moleculen hebben een hoger kookpunt en condenseren daardoor bij een hogere temperatuur.

Een van de belangrijkste fracties is de naftafractie. Die bestaat uit een mengsel van koolwaterstofmoleculen waarvan het aantal C-atomen tussen vijf en twaalf ligt. Twee belangrijke stappen in het bewerkingsproces van nafta zijn thermisch kraken en katalytisch reformen.

Thermisch kraken

Bij verhitting van de naftafractie tot ongeveer 850 graden C treedt er een ontledingsreactie op. De C-C-atoombindingen in de moleculen worden verbroken en er ontstaat een mengsel  van verzadigde en onverzadigde koolwaterstoffen. Na verdere bewerking is het belangrijkste eindproduct van thermisch kraken etheen. Dat is een veelgebruikte grondstof in de chemische industrie.

Katalytisch reformen

BIj een ander proces wordt de nafta onder hoge temperatuur en druk en in aanwezigheid van een katalysator zodanig bewerkt dat onvertakte alkanen en cycloalkanen worden omgezet in onder andere vertakte alkanen en aromaten. Die worden dan als grondstof gebruikt voor onder andere autobenzine.

  • Aardolie wordt in een aantal fracties van stoffen gescheiden door gefractioneerde destillatie. De naftafractie daarvan wordt door thermisch kraken en katalytisch reformen omgezet in grondstoffen voor de chemische industrie.

Milieuproblemen

Alle fossiele brandstoffen bevatten de atoomsoorten C en H en vaak zijn ze ook nog verontreinigd met de atoomsoort S. BIj verbranding in motoren en elektriciteitscentrales ontstaan dus de oxiden CO2, H2O en SO2. De temperatuur bij deze verbranding is zo hoog dat N2 en O2 uit de lucht met elkaar reageren en stikstofoxiden vormen. Elke van deze oxiden levert zijn eigen bijdrage aan de milieuontreiniging.

Koolstofdioxide

De uitstoot van Co2 is de afgelopen honderd jaar erg toegenomen. Het is hierdoor verstandig om de uitstoot ervan te verminderen. Dan kan door energiebesparing, maar ook door CO2 op te slaan. Daar zijn diverse mogelijkheden voor.

  • Opslaan in oude gas- en olievelden.
  • Injecteren in de oceaan. Het CO2 borrelt dan omhoog en lost op in het water. Bij injectie op een diepte van meer dan drie kilometer wordt het CO2 zo samengeperst dat de dichtheid groter wordt dan water. Het CO2 wordt vloeibaar en blijft op de bodem van de oceaan liggen.
  • Uitstrooien van het mineraal olivijn (Mg2SiO4), dat met CO2 regeert. Die reactie verloopt erg langzaam en de haalbaarheid van deze methode wordt nog onderzocht.

Zwaveldioxide

In de atmosfeer wordt SO2 omgezet in zwavelzuur, H2SO4, met als gevolg ‘zure regen’. Het probleem is grotendeels opgelost door het gebruik van ontzwavelde brandstoffen of door het zuiveren van verbrandingsgassen in rookgasontzwavelingsinstallaties.

Stikstofoxiden

Een mengsel van de gassen NO en NO2 wordt aangeduid als NOx en omdat deze gassen giftig zijn, hebben auto’s een driewegkatalysator waarin de NOx in het uitlaatgas wordt omgezet in stikstof, koolstofdioxide en water(damp).

  • Bij verbranding van fossiele brandstoffen ontstaan CO2, SO2 en NOx. Koolstofdioxide levert een grote bijdrage aan het broeikaseffect. Vermindering daarvan kan door energiebesparing of door opslaan. Zwaveldioxide wordt verwijderd met rookgasontzwavelingsinstallaties, stikstofoxiden met driewegkatalysatoren.

7.3 Biobrandstoffen

Koolstofkringloop

Groene planten en bomen komen door fotosynthese uit koolstofdioxide en water glucose maken. Dit is een endotherme reactie en de zon levert de benodigde energie. De glucose wordt daarna in de plant weer omgezet in andere koolstofverbindingen, zoals cellulose en zetmeel. De koolstof uit de atmosfeer is dus in deze stoffen opgeslagen. Ook de zonne-energie is in deze stoffen opgeslagen in de vorm van chemische energie. Als de biomassa wordt verbrand, komen koolstof en energie weer vrij.

De energie gebruiken we en de koolstof komt weer als CO2 in de atmosfeer. Daarmee is de koolstofkringloop gesloten. Deze kringloop is een voorbeeld van een elementenkringloop. Je kijkt in deze kringloop wat er gebeurt met het element koolstof. Bij de verbranding van biobrandstoffen komt ook CO2 vrij, maar dat is de CO2 die planten en bomen in de jaren daarvoor tijdens de fotosynthese hebben opgenomen. Zo’n proces is klimaatneutraal of CO2-neutraal. Het gebruik van biobrandstoffen in plaats van fossiele brandstoffen verlaagt dus de uitstoot van CO2.

  • De koolstofkringloop is de elementenkringloop van het element koolstof. De koolstofkringloop is CO2-neutraal als al het koolstofdioxide dat vrijkomt bij een verbranding weer wordt opgenomen door de planten en bomen.

Eerste generatie biobrandstoffen

Biobrandstoffen worden gemaakt van biomassa, materiaal van organische oorsprong. Bij de eerste generatie biobrandstoffen worden daarvoor voedselgewassen gebruikt. Bio-ethanol bijvoorbeeld wordt gemaakt uit maïs, suikerbiet, suikerriet, tarwe of gerst. Biodiesel wordt in Europa vooral gemaakt uit koolzaad. Het productieproces verloopt in een aantal stappen. Eerst wordt de olie uit het zaad geperst en gezuiverd. Het omzetten van de gezuiverde olie in biodiesel heet omestering. Koolzaadolie bestaat uit glyceryltri-esters (triglyceriden). Bij omestering worden die door toevoeging van methanol en een katalysator omgezet in biodiesel (hoofdproduct) en glycerol (bijproduct). Het productieproces van biodiesel kun je weergeven in een blokschema (figuur 7.10). Hierin stellen de pijlen de stofstromen voor, de buizen waar in een fabriek de grondstoffen doorheen stromen. In de blokken gebeurt er iets met de stoffen, dit zijn de reactoren.

  • Biomassa is materiaal van organische oorsprong, afkomstig van bijvoorbeeld bomen en planten. Bio-ethanol en biodiesel zijn biobrandstoffen. De eerste generatie biobrandstoffen wordt geproduceerd uit voedselgewassen. Een productieproces geef je weer in een blokschema.

Tweede generatie biobrandstoffen

In Canada startte in 2004 de eerste echte commerciële fabriek voor de productie van ethanol uit cellulose verkregen uit stro. In de Verenigde Staten zijn een paar fabrieken opgestart in 2010. Door vergisting kan uit afval ook biogas, methaan, worden gevormd.

  • Biobrandstoffen van de tweede generatie gebruiken als grondstof geen voedingsstoffen maar organisch afval of speciaal daarvoor gekweekte planten. De cellulose in dit organisch afval kan worden afgebroken door bacteriën. Naast bio-ethanol en biodiesel wordt er ook biogas geproduceerd.

Derde generatie biobrandstoffen

De derde generatie biobrandstoffen maakt geen gebruik van landbouwafval. Twee voorbeelden zijn biobrandstof uit algen en uit zeewier.

  • Nieuwe ontwikkelingen bij de productie van tweede generatie biobrandstoffen worden vaak derde generatie biobrandstoffen genoemd. Voorbeelden hiervan zijn biobrandstofproductie uit algen en zeewier.

7.4 Duurzame ontwikkelingen

Duurzaam

Volgens het rapport over duurzame ontwikkeling van de Verenigde Naties uit 1987 wordt een ontwikkeling duurzaam genoemd als die:

  1. economische haalbaar is;
  2. goed is voor het milieu;
  3. goed is voor de mens (sociaal-cultureel);
  4. rekening houdt met de belangen van de toekomstige generaties.
  • Een duurzame ontwikkeling is een ontwikkeling die tegemoet komt aan de behoeften van huidige generaties zonder de mogelijkheden weg te nemen voor toekomstige generaties om in hun behoeften te voorzien.

Duurzame energie

Duurzame energie is energie uit bronnen die nooit opraken en waarbij de energieproductie geen schadelijke stoffen vrijkomen.

  • Duurzame energie is energie uit bronnen die nooit opraken. Voorbeelden van duurzame energie zijn windenergie, zonne-energie, energie uit water en geothermische energie.

Duurzame kringlopen

Behalve elementenkringlopen kennen we ook stoffenkringlopen. Dat kan een kringloop van één stof zijn zoals de waterkringloop, maar er kunnen ook meerdere stoffen bij betrokken zijn. Bij de stoffenkringloop in figuur 7.19 lijkt het alsof die kringloop ononderbroken door kan gaan. Het lijkt alsof de toevoeging van afval aan de voorraad grondstoffen geen effect heeft op de kwaliteit van die grondstoffen. Maar meestal is de kwaliteit van het afval lager dan die van de oorspronkelijke grondstof waardoor er verlies is aan kwaliteit. Dat verlies is in deze opzet van de kringloop niet zichtbaar.

Als er geen of heel weinig verlies van kwaliteit is, spreken we van een duurzame kringloop. Bij een duurzame kringloop worden de afvalstoffen weer in de oorspronkelijke vorm of in een nieuwe vorm teruggebracht en gaat er zo weinig mogelijk energie verloren.

In 2002 verscheen het boek ‘Remaking the Way We Make Things’ van Michael Braungart en William McDonough met een nieuwe visie op duurzaam ontwerpen, de Cradle to Cradle-filosofie. In die benadering staat centraal dat alle materialen na gebruik in het ene product weer nuttig kunnen worden gebruikt in een ander product.

  • In een duurzame kringloop gaat zo weinig mogelijk energie verloren en worden afvalstoffen energiezuinig weer omgezet in oorspronkelijke grondstof of in een nieuwe grondstof. Downcyclen is recyclen van stoffen met kwaliteitsverlies. Upcyclen is recyclen van stoffen zonder kwaliteitsverlies.

Duurzaam ondernemen en consumeren

Bij duurzaam ondernemen houdt de ondernemer rekening met drie factoren. Het product mag geen lijden veroorzaken bij de arbeiders, mag geen milieuproblemen veroorzaken en moet economisch haalbaar zijn. Deze drie factoren staan ook wel bekend als de drie P’s: people, planet, profit.

Een van de eerste voorbeelden van duurzaam ondernemen is FSC-hout. Bij de productie van duurzaam hout wordt rekening gehouden met:

  • people: rekening houden met de levenswijze en rechten van inheemse volken die in heet bos leven.
  • planet: niet meer bomen kappen dan het bos aankan en nieuwe bomen planten.
  • profit: een eerlijk deel van de opbrengsten komt ten goede aan de lokale economie.

Bij duurzaam consumeren gebruik je duurzaam geproduceerde producten. Dan koop je geen gympen die met kinderarbeid zijn geproduceerd en drink je koffie waarvoor de koffieboer in de derde wereld behoorlijkl wordt betaald. Je make-up is niet op dieren getest en je draagt geen bont. Milieubewust leven is vaak gemakkelijker dan je denkt. En milieuvriendelijke producten zijn vaak niet eens duurder dan ‘gewone’ producten.

  • Bij duurzaam ondernemen en consumeren houd je rekening met het milieu, de economie en de sociale omstandigheden bij de productie.

7.5 Evenwichten

Evenwichtsreacties

Veel reacties zijn omkeerbaar. Een voorbeeld is de oplaadbare batterij in je mobiele telefoon. Wanneer batterijen stroom leveren, verloops er een chemische reactie. Tijdens het opladen verloopt dezelfde reactie, maar nu omgekeerd. Dit zijn twee omkeerbare processen, maar onder verschillende omstandigheden. Als de omstandigheden waaronder de heen- en teruggaande reactie kan verlopen niet te veel verschillen, kunnen beide reacties ook tegelijkertijd verlopen. Als na verloop van tijd een situatie is ontstaan waarin de snelheid van beide reacties gelijk is, is er een chemisch evenwicht bereikt. Reacties die uiteindelijk tot een dergelijke situatie leiden, noem je evenwichtsreacties.Zodra de reactiesnelheden gelijk zijn veranderen de concentraties van stoffen niet meer. De tijd tussen het begin van de reactie en het intreden van de evenwichtstoestand, noem je de insteltijd. Als de reagerende stoffen in een evenwicht een homogeen mengsel vormen zoals bij gasmengsels en bij opgeloste stoffen, noem je dat een homogeen evenwicht. Bij een homogeen evenwicht verloopt de reactie in één fase. Zijn de stoffen in meerdere fasen aanwezig, dan is het een heterogeen evenwicht. Bij een heterogeen evenwicht is altijd een grensvlak aanwezig.

  • Bij een chemisch evenwicht hebben twee tegengesteld verlopende reacties dezelfde snelheid. De tijd tussen het begin van de reactie en het intreden van de evenwichtstoestand noem je de insteltijd. Een chemisch evenwicht kan homogeen zijn of heterogeen.

De evenwichtsvoorwaarde bij een homogeen evenwicht

Voor elke evenwichtsreactie kun je uit de reactievergelijking een concentratiebreuk afleiden. Dit doe je op de volgende manier.

  • De concentratie van het deeltje na de evenwichtspijlen staan in de teller van de concentratiebreuk. De concentratie van het deeltje voor de evenwichtspijlen staat in de noemer
  • Elke concentratie wordt voorzien van een exponent, gelijk aan de overeenkomstige coëfficiënt in de reactievergelijking.
  • In de concentratiebreuk staan alleen de concentraties van die stoffen, waarvan de concentratie kan veranderen. Dat is dus bij gasse of opgeloste stoffen het geval.

Voor het evenwicht N2O4 / NO2 is de concentratiebreuk: [NO2]2 / [N2O4].

Als zich een chemisch evenwicht heeft ingesteld, veranderen de concentraties van de stoffen niet meer. De concentratiebreuk zal dan een constante waarde hebben. Deze constante waarde noem je de evenwichtsconstante, K. Er is dus pas evenwicht als de concentratiebreuk gelijk is aan de waarde van K. Dit wordt de evenwichtsvoorwaarde genoemd, omdat K niet afhangt van de druk en het volume en evenmin van de concentratie van de uitgangsstof(fen) of de aanwezigheid van een katalysator. De eenheid van K is afhankelijk van de samenstelling van de concentratiebreuk en verschilt dus per evenwicht. De waarde van K wordt daarom zonder eenheid gegeven.

  • Voor elke evenwichtsreactie kun je een concentratiebreuk opstellen. In de evenwichtstoestand is de waarde van de concentratiebreuk constant. Deze waarde noemen we de evenwichtsconstante K. De evenwichtsvoorwaarde luidt: concentratiebreuk = K. De waarde van K is alleen afhankelijk van de temperatuur.

De evenwichtsvoorwaarde bij een heterogeen evenwicht

  • Vaste stoffen staan niet in de concentratiebreuk van een heterogeen evenwicht.

Oplosevenwicht en verdelingsevenwicht

Een dynamisch evenwicht van een stof wordt een verdelingsevenwicht genoemd. Voor een heterogeen verdelingsevenwicht kun je een evenwichtsvoorwaarde opstellen. De evenwichtsconstante noemen we dan de verdelingsconstante Kv.

  • Verdelingsevenwichten en oplosevenwichten zijn voorbeelden van heterogene evenwichten.

7.6 Verschuiving van een chemisch evenwicht

Invloed van de concentratieverandering

Als je meer stof B toevoegt, neemt [B] toe. Daardoor wordt de reactiesnelheid naar rechts groter dan die naar links. Het evenwicht is verstoord. De concentratie van A en B neemt af en die van C neemt toe. Deze veranderingen zorgen ervoor dat de reactiesnelheid naar links weer toeneemt tot beide snelheden gelijk zijn  en de concentratiebreuk weer gelijk is aan de waarde van K. Dan is een nieuwe evenwichtstoestand ontstaan met drie nieuwe concentraties. Het evenwicht ligt nu meer naar rechts.

  • De samenstelling van een mengsel van reagerende stoffen in evenwicht verandert als de concentratie van één van deze stoffen wordt veranderd. Door toevoegen van bijvoorbeeld een van de beginstoffen verschuift het evenwicht naar de kant van de reactieproducten.

Invloed van volumeverandering

Bij volumeverkleining zal het gasevenwicht naar links verschuiven. Deze redenering kun je op elk evenwicht toepasse, niet alleen op gasevenwichten, maar ook op evenwichten waarbij opgeloste deeltjes zijn betrokken. Dan kun je het volume vergroten door extra oplosmiddel toe te voegen (verdunnen).

  • De samenstelling van een mengsel van reagerende stoffen in evenwicht verandert als het volume wordt veranderd. Bij volumeverkleining verschuift het evenwicht naar de kant met de minste deeltjes, bij volumevergroting naar de kant met de meeste deeltjes.

Invloed van een katalysator

Voeg je een katalysator toe aan een reactiemengsel in evenwicht, dan neemt de snelheid van beide reacties toe, maar nu evenveel. De ligging van het evenwicht zal daarom niet veranderen en de samenstelling van het evenwichtsmengsel blijft hetzelfde. Het voordeel van een katalysator is dat de insteltijd van het evenwicht kleiner wordt.

  • Een katalysator heeft geen invloed op de samenstelling van het evenwichtsmengsel. De insteltijd wordt kleiner.

Invloed van de temperatuur

De waarde van K is afhankelijk van de temperatuur, bij verhoging of verlaging van de temperatuur krijgt K dus een andere waarde.

  • Bij verandering van temperatuur verandert de waarde van de evenwichtsconstante K. Bij temperatuurverhoging is de endotherme reactie tijdelijk in het voordeel en verschuift het evenwicht naar de endotherme kant.  Bij temperatuurverlaging verschuift het evenwicht naar de exotherme kant.

Aflopen van een evenwicht

Bij het produceren van stoffen is het optreden van evenwichtsreacties hinderlijk. De reactie van rechts levert het gewenste reactieproduct, maar de reactie naar links breekt dat weer af. Dat is op te lossen door het reactieproduct af te voeren. Het evenwicht zal dan zodanig verschuiven, dat meer beginstof wordt omgezet in het reactieproduct. In de praktijk betekent dit dat het evenwicht geheel verschuift naar de kant van de reactieproducten. Je noemt dat een aflopend evenwicht.

  • Als bij een chemisch evenwicht voortdurend één van de stoffen aan het reactiemengsel wordt onttrokken, loopt het evenwicht af naar de kant, waar die stof staat.

REACTIES

Log in om een reactie te plaatsen of maak een profiel aan.