opgave 1Biowaterstof

Koolstofdioxide draagt bij tot een versterkt broeikaseffect. De hoeveelheid koolstofdioxide in de atmosfeer neemt langzaam maar zeker toe. De toename van de hoeveelheid koolstofdioxide door de jaren heen wordt voor een groot deel veroorzaakt door de verbranding van fossiele brandstoffen (steenkool, aardolie, aardgas) om energie op te wekken. Bij de verbranding van waterstof ontstaat geen koolstofdioxide. Daarom is waterstof een aantrekkelijk alternatief om als brandstof te worden gebruikt, vooral wanneer die waterstof uit biomateriaal is ontstaan. Daarom onderzoekt men de productie van waterstof uit biomateriaal. Bij dit onderzoek wordt als biomateriaal een oplossing van glucose (C 6 H 12 O 6 ) gebruikt. Daarbij worden twee reactoren gebruikt. In reactor 1 worden glucose en water omgezet tot azijnzuur (CH 3 COOH), koolstofdioxide en waterstofgas. Deze reactie verloopt onder invloed van speciaal geselecteerde bacteriën. De hoeveelheid glucose die wordt omgezet in reactor 1 en de hoeveelheid waterstof die daarbij ontstaat, zijn nauwkeurig gemeten. De resultaten staan in figuur 1. Het blijkt dat de molverhouding tussen de omgezette glucose en de gevormde waterstof uiteindelijk 1 : 4 is. figuur 1

→ Leid uit figuur 1 af dat de molverhouding tussen de omgezette glucose en de gevormde waterstof uiteindelijk 1 : 4 is. Ook de molverhouding waarin de gassen koolstofdioxide en waterstof in reactor 1 ontstaan, is een belangrijk gegeven. Door middel van een terugtitratie kan worden bepaald hoeveel koolstofdioxide het gasmengsel bevat.

→ Beschrijf hoe met behulp van een terugtitratie de hoeveelheid koolstofdioxide in een mengsel van koolstofdioxide en waterstof kan worden bepaald. Geef in de beschrijving onder meer de naam (namen) van de eventueel gebruikte stof(fen) of oplossing(en) en welke gegevens van tevoren bekend moeten zijn. Bij een bepaling van deze molverhouding blijkt dat in het gasmengsel het aantal mol waterstofgas twee keer zo groot is als het aantal mol koolstofdioxide.

→ Leid met behulp van beide gegeven molverhoudingen de reactievergelijking af voor de omzetting van glucose en water tot azijnzuur, koolstofdioxide en waterstof. Gebruik in je reactievergelijking molecuulformules. De inhoud van reactor 1 wordt in een tweede reactor geleid, terwijl de bacteriën in reactor 1 achterblijven. In deze tweede reactor, die de fotoreactor wordt genoemd, zetten andere bacteriën, onder invloed van licht, azijnzuur samen met water om tot koolstofdioxide en waterstof.

Van de gevormde hoeveelheid koolstofdioxide blijft in de fotoreactor ruim 60% in oplossing. In reactor 1 blijft van de gevormde hoeveelheid koolstofdioxide slechts een verwaarloosbare hoeveelheid in oplossing. Dit grote verschil in oplosbaarheid wordt onder andere veroorzaakt doordat de concentratie van gasvormig CO 2 in reactor 1 anders is dan de concentratie van gasvormig CO 2 in de fotoreactor. Dit bereikt men door in reactor 1 een andere druk in te stellen dan in de fotoreactor. Met behulp van het verdelingsevenwicht tussen opgelost koolstofdioxide, CO 2 (aq), en gasvormig koolstofdioxide, CO 2 (g), kan men het verschil in oplosbaarheid van koolstofdioxide verklaren. Dit evenwicht kan als volgt worden weergegeven: CO 2 (aq) ←/→ CO 2 (g) De evenwichtsvoorwaarde voor dit evenwicht luidt:
![→ Leg mede aan de hand van de evenwichtsvoorwaarde uit of, bij dezelfde temperatuur, [CO 2 (g)] in reactor 1 groter of kleiner moet zijn dan [CO 2 (g)] in de fotoreactor. De gasmengsels die uit reactor 1 en uit de fotoreactor komen, worden samengevoegd en gebruikt voor de opwekking van elektrische…](fx/veilig-o1-p03-210-9a7b869d.webp)
→ Leg mede aan de hand van de evenwichtsvoorwaarde uit of, bij dezelfde temperatuur, [CO 2 (g)] in reactor 1 groter of kleiner moet zijn dan [CO 2 (g)] in de fotoreactor. De gasmengsels die uit reactor 1 en uit de fotoreactor komen, worden samengevoegd en gebruikt voor de opwekking van elektrische stroom in een brandstofcel. Men wil deze productie van waterstof uitvoeren in een continu proces. Daarbij wordt 30% van de in reactor 1 ingeleide glucose omgezet; in de fotoreactor wordt alle azijnzuur omgezet. De oplossing die uit de fotoreactor komt en nog glucose en koolstofdioxide bevat, wordt in een scheidingsruimte geleid. Daar wordt een deel van de opgeloste koolstofdioxide verwijderd en afgevoerd. De oplossing die dan overblijft, wordt teruggevoerd naar reactor 1. Hieronder is het bovenbeschreven continue proces in een blokschema weergegeven: blokschema oplossing met glucose en koolstofdioxide Wanneer niet alleen de omzetting van glucose in reactor 1, maar ook de omzetting van azijnzuur in de fotoreactor niet volledig zou zijn, kan het proces niet continu verlopen op de manier die hierboven beschreven is. Een leerling denkt dat je in dat geval een deel van de vloeistof die wordt gerecirculeerd, moet aftappen om een continu proces te krijgen.

→ Ben jij het eens met de leerling die denkt dat je dan een deel van de gerecirculeerde vloeistof moet aftappen? Geef een verklaring voor je antwoord. Het is de bedoeling om in de toekomst, na de onderzoeksfase, elektrische stroom op te wekken met behulp van waterstof dat geproduceerd is uit snel groeiende planten (bijvoorbeeld olifantsgras). Dat zal een gunstig effect hebben op het broeikaseffect. Zelfs als alle koolstofdioxide die bij deze productie van waterstof ontstaat, in de atmosfeer terecht zou komen, is deze methode een enorme verbetering ten opzichte van het opwekken van elektrische stroom met fossiele brandstoffen.





































