opgave 1Lang houdbare appels

in een reactievergelijking

in een reactievergelijking




Bij de verwerking van hout tot bijvoorbeeld papier komt veel afvalwater vrij. In een onderzoek is gekeken of het mogelijk is om op industriële schaal dieselachtige koolwaterstoffen te produceren op basis van dit afvalwater. Afvalwater van de papierindustrie bevat een hoog gehalte xylose-oligomeren. Een xylose-oligomeer is een sacharide met de formule H–(C 5 H 8 O 4 ) n –OH met 3 ≤ n ≤ 20 . Xylose ( C 5 H 10 O 5 ) kan worden voorgesteld als een eenheid ( α )D-glucose, waarbij de CH 2 -OH -groep op C- atoom nummer 5 is vervangen door een H- atoom. In een xylose-oligomeer zijn de xylose-eenheden aan elkaar verbonden door middel van de OH- groepen aan de C -atomen met nummers 1 en 4.

Geef een gedeelte uit het midden van een xylose-oligomeer in structuurformule weer. Dit gedeelte moet zijn ontstaan uit twee eenheden xylose. − Gebruik de notatie die ook in het informatieboek wordt gehanteerd. − Gebruik Binas-tabel 67F1 of ScienceData-tabel 13.1d. De onderzoekers hebben op basis van het onderzoek een productieproces ontworpen. Op de uitwerkbijlage bij vraag 19 is het vereenvoudigde blokschema voor dit proces onvolledig weergegeven. Het proces start met de volledige hydrolyse van de xylose-oligomeren tot xylose. Hiertoe worden in reactor 1 (R1) zoutzuur en een oplossing van xylose-oligomeren geleid. Beide oplossingen worden zo gedoseerd, dat aan het begin van de reacties het gehalte xylose-oligomeren 2,1 massa% is. Er is dan 3,1 mol HCl aanwezig per mol xylose-eenheden.

Bereken de pH van het reactiemengsel ( T = 298 K). − De dichtheid van de gebruikte xylose-oplossing is 1,08·10 3 g L –1 . − De molaire massa van een xylose-eenheid is 132 g mol –1 . − Neem hier aan dat nog geen xylose is ontstaan. Aan het mengsel wordt tevens THF toegevoegd. De structuurformule van THF is hiernaast weergegeven. Omdat de oplosbaarheid van THF in water laag is, ontstaan in R1 twee vloeistoflagen.


In R1 verloopt ook de omzetting van xylose tot furfural en bijproducten. De structuurformule van furfural is hiernaast weergegeven. In R1 ontstaat 1 mol furfural uit 1 mol xylose. Het gevormde furfural lost op in de THF-laag, waardoor volgreacties van furfural met water worden beperkt. Na afloop van de reacties wordt natriumchloride toegevoegd aan het reactiemengsel. Hierdoor wordt THF volledig onoplosbaar in water en kan in scheidingsruimte 1 (S1) de THF-laag volledig worden gescheiden van de waterlaag. De waterlaag met daarin zoutzuur, natriumchloride en bijproducten wordt opgeslagen. De THF-laag met daarin alleen furfural wordt doorgevoerd naar reactor 2 (R2). In R2 wordt aan het mengsel dat afkomstig is uit S1 één mol propanon per twee mol furfural toegevoegd en een overmaat natronloog. In R2 worden furfural en propanon volledig omgezet tot stof A. De vergelijking voor deze omzetting is hieronder weergegeven. De vorming van stof A verloopt via een aantal tussenstappen. Twee stappen uit het reactiemechanisme zijn op de uitwerkbijlage weergegeven. In stap 2 wordt stof B gevormd. Hierbij neemt een OH – -ion eerst een H + -ion op van het organische deeltje dat in het kader is weergegeven. Het OH – -ion treedt in stap 2 op als katalysator.

Voer de volgende opdrachten uit: − Geef op de uitwerkbijlage in het kader alle niet-bindende elektronenparen weer. − Geef met pijlen weer hoe elektronenparen worden verplaatst tijdens stap 2. In scheidingsruimte 2 (S2) wordt de THF-laag met daarin uitsluitend stof A volledig afgescheiden van de vloeistoflaag met daarin het natronloog. Omdat het natronloog geen organische stoffen bevat, kan het worden hergebruikt in het proces. Om de reactie in R2 telkens onder gelijke omstandigheden te laten verlopen, moet het natronloog in een ruimte Z worden bewerkt voordat het wordt teruggevoerd in R2.


Het mengsel van THF en stof A wordt doorgevoerd naar reactor 3 (R3). In R3 reageert stof A volledig met waterstof tot tridecaan ( C 13 H 28 ) en water. Het ontstane tridecaan is onvertakt. Het mengsel afkomstig uit R3 wordt ten slotte in scheidingsruimte 3 (S3) gescheiden in drie stromen: tridecaan, water en THF. Het tridecaan kan worden gebruikt als toevoeging aan diesel of een andere brandstof.



Stikstofmono-oxide ( NO ) en stikstofdioxide ( NO 2 ) zijn schadelijke gassen die ontstaan in het verkeer en bij grootschalige verbrandingsprocessen zoals bij de productie van elektriciteit. In de afvalgassen van de gasturbine van een energiecentrale is gemeten hoe de uitstoot van onder andere CO en NO afhangt van de temperatuur in de turbine. In figuur 1 zijn de resultaten van deze metingen weergegeven. figuur 1 ) m pp -/e m u/ov l e tl ( O/C ah e/g



Stikstofdioxide wordt in de turbine gevormd door de reactie van stikstofmono-oxide met zuurstof. Een molecuul stikstofdioxide heeft een niet-cyclische structuur. Voor de volgorde van de atomen in het molecuul zijn twee mogelijkheden: NOO en ONO . Met behulp van massaspectrometrie kan worden bepaald welke van de twee mogelijkheden de juiste is. Het massaspectrum van NO 2 is in figuur 2 weergegeven. figuur 2 In dit massaspectrum zijn pieken waarin de isotopen N-15 , O-17 en O-18 voorkomen niet weergegeven. Uit de vier pieken in het massaspectrum kan geen conclusie worden getrokken over de volgorde van de atomen in NO 2 .



De vorming van stikstofdioxide uit stikstofmono-oxide en zuurstof is hieronder weergegeven. 2 NO + O 2 → 2 NO 2 De snelheid s 1 van reactie 1 is gedefinieerd als het aantal mol NO 2 dat per seconde per liter reactiemengsel ontstaat. Bij het onderzoek naar de snelheid van reactie 1 werd in twee experimenten een aantal metingen uitgevoerd met verschillende beginconcentraties van NO en O 2 . De resultaten van het onderzoek zijn weergegeven in de tabel. tabel exp meting [NO] 0 (mol L –1 ) [O 2 ] 0 (mol L –1 ) s 1 op t 0 (mol L –1 s –1 ) 1 1.1 8,0·10 –5 1,6·10 –3 7,2·10 –8 1.2 1,2·10 –4 1,6·10 –3 1,6·10 –7 1.3 1,6·10 –4 1,6·10 –3 2,9·10 –7 1.4 2,4·10 –4 1,6·10 –3 6,5·10 –7 2 2.1 8,0·10 –5 2,4·10 –3 1,1·10 –7 2.2 8,0·10 –5 3,2·10 –3 1,4·10 –7 2.3 8,0·10 –5 4,8·10 –3 2,2·10 –7 2.4 8,0·10 –5 6,4·10 –3 2,9·10 –7 Op basis van de vergelijking van reactie 1 verwachtte men dat voor de snelheid van reactie 1 de volgende reactiesnelheidsvergelijking geldt: s 1 = k 1 [NO] 2 [O 2 ] De constante k 1 wordt de reactieconstante genoemd.


Lange tijd heeft men gedacht dat de reactie tussen NO en O 2 verloopt doordat twee moleculen NO en één molecuul O 2 op hetzelfde moment tegen elkaar botsen. De kans op zo’n botsing tussen drie moleculen is echter uiterst klein. Nader onderzoek leverde op dat tijdens de reactie deeltjes met de formule N 2 O 2 worden gevormd. Op grond van dit gegeven werd voor de reactie een mechanisme voorgesteld dat uit twee stappen bestaat. In de eerste stap stelt zich evenwicht 1 in. 2 NO N 2 O 2 [N [NO] 2 O 2 ] De evenwichtsvoorwaarde voor evenwicht 1 is K = In de tweede stap verloopt reactie 2. N 2 O 2 + O 2 → 2 NO 2 De snelheid van reactie 2 kan worden weergegeven door: s 2 = k 2 [N 2 O 2 ] [O 2 ] Mede met behulp van de evenwichtsvoorwaarde van evenwicht 1 en snelheidsvergelijking 2 kan de experimenteel gevonden snelheidsvergelijking 1 worden afgeleid. Hierbij moet worden aangenomen dat de snelheid van reactie 2 sterk verschilt van de snelheid waarmee evenwicht 1 zich instelt. Op deze manier heeft men aangetoond dat het bovenbeschreven mechanisme voor reactie 1 juist kan zijn.






























