E25. Thermochemie en reactiesnelheid — oplossingen
EExpert · deel E5 · Chemie en materialen
Oplossingen · hoofdstuk 25Thermochemie en reactiesnelheid
Reactiewarmte, activeringsbarrières en een compostvat in de winter
Uitgewerkte oplossingen bij de 12 opdrachten van het werkboek. Voor de leerkracht, en voor wie zichzelf wil verbeteren nadat hij het eerst zelf probeerde.
Een wintervat wordt pas warm wanneer biologische warmteproductie het verlies overtreft.
Voor de leerkrachtDeze pagina bevat de antwoorden. Druk het werkboek af zonder deze pagina.
Oefenen
Oefenen
één stap, direct toepassen
25.1
Enthalpieteken en schaal
Oefenen6Rekenen25 min
A→B heeft ΔH=−80 kJ per mol geschreven reactie.
a
Bereken ΔH voor 0,35 mol en voor de omgekeerde reactie met dezelfde hoeveelheid.
ΔH=0,35·(−80)=−28 kJ; de omgeving krijgt idealiter 28 kJ. Voor B→A is het teken omgekeerd: +28 kJ nodig. Verdubbelen van de vergelijking verandert de mol-reactiebasis.
25.2
Hess optellen
Oefenen6Rekenen25 min
A→C: +40 kJ/mol; C→B: −95 kJ/mol.
a
Bepaal A→B en B→A; laat de tussenstof verdwijnen.
A→C plus C→B geeft A→B en +40−95=−55 kJ/mol. C valt weg. Omkeren levert B→A: +55 kJ/mol; begin- en eindtoestanden moeten gelijk blijven.
25.3
Bindingsbalans
Oefenen6Rekenen25 min
H₂+Cl₂→2HCl; Dwaarden 436, 243 en 431 kJ/mol.
a
Schat ΔH en leg het teken van beide sommen uit.
Breken vraagt 436+243=679; vormen geeft 2·431=862 vrij. ΔH≈679−862=−183 kJ/mol. De factor twee is nodig. Gasfasegemiddelden blijven een benadering.
25.4
Snelheid met coëfficiënten
Oefenen6Rekenen25 min
2 A→B; [A] daalt van 0,100 naar 0,076 mol/L in 60 s, constant volume.
a
Bereken gemiddelde verdwijning van A, reactiesnelheid en toename van [B].
−Δ[A]/Δt=0,024/60=4,0·10⁻⁴ mol/(L·s). r=½ daarvan=2,0·10⁻⁴. Δ[B]=0,012 mol/L; de productsnelheid is gelijk aan r.
Toepassen
Toepassen
meerdere stappen, in een context
25.5
Een eerste-ordeconstante
Toepassen7Rekenen25 min
c0=0,080 mol/L; na 300 s is c=0,050 mol/L.
a
Bereken k, halveringstijd en c na 600 s.
k=ln(0,080/0,050)/300=0,00156668 s⁻¹. t½=ln2/k=442,431 s. c600=0,080·(0,050/0,080)²=0,03125 mol/L. Controle: twee gelijke tijdintervallen geven dezelfde relatieve afname.
25.6
Activeringsenergie uit twee temperaturen
Toepassen7Rekenen25 min
k1=0,0010 s⁻¹ bij 293,15 K; k2=0,0020 s⁻¹ bij 303,15 K.
a
Leid Ea af en controleer het teken.
ln2=−Ea/R(1/303,15−1/293,15). Het verschil tussen inverse temperaturen is negatief, dus Ea positief. Ea=R ln2/(1/293,15−1/303,15)=51,216 kJ/mol. Constante A/Ea is een aanname over dit gebied.
25.7
Reactieorde is gemeten
Toepassen7Analyseren25 min
Bij verdubbeling van A stijgt r met factor twee; bij verdubbeling van B blijft r gelijk.
a
Geef de snelheidswet en verklaar waarom de totale reactievergelijking de orde niet vastlegt.
2^m=2 geeft m=1; 2^n=1 geeft n=0. r=k[A]. De reactievergelijking telt atomen en netto stoichiometrie, maar niet de snelheidsbepalende route. Nulorde in B kan bijvoorbeeld voorkomen bij verzadiging; dat is een hypothese die extra metingen vraagt.
25.8
Katalyse en oppervlakte scheiden
Toepassen7Analyseren25 min
Een verkleinde vaste stof reageert sneller; tegelijk is een enzym toegevoegd.
a
Ontwerp een proef die beide effecten apart meet.
Gebruik een 2×2-opzet: grof/fijn × enzym afwezig/aanwezig, met gelijke massa, temperatuur, concentratie, roeren en pH; minstens drie replicaten. Meet hetzelfde conversiecriterium. Controleer dat extra fijnheid de gas-/zuurstoftoevoer niet verandert. Een interactie kan betekenen dat de katalysatoroppervlakte of transport limiterend wordt.
Uitdagen
Uitdagen
transfer, open problemen, leerlijnen combineren
25.9
Fitten met een verkeerd eindplateau
Uitdagen9Programmeren60 min
Een sensor meet cgemeten=cwerkelijk+0,005 mol/L, maar je fit ln(cgemeten) lineair.
a
Simuleer de dataset, toon het residupatroon en verbeter het model.
Gebruik t=0…3000 s, c=0,100 exp(−0,0012t)+0,005. ln(c) vlakt laat af; één rechte lijn onderschat de late afname en geeft gestructureerde residuen. Fit c=b+c0 exp(−kt) rechtstreeks, bepaal b met blanco/late meting en toets parametercorrelatie. Bij een korte reeks zijn b en k moeilijk apart te identificeren; voeg late punten of onafhankelijke blanco toe.
Zo wordt dit beoordeeld
Balans
Massa-, energie- en dimensiecontrole; rekenwaarden van gemeten eigenschappen onderscheiden.
Model
Arrheniusgebied, zuurstof, vocht, remming en parameteronzekerheid benoemd.
Bewijs
Replicaten, residuen en ruimtelijke temperatuurmetingen; geen hygiëneclaim op één modelcurve.
25.10
Compostwarmte als gekoppeld systeem
Uitdagen9Programmeren75 min
Gebruik het getoonde compostmodel, H=1 W/K en H=4 W/K.
a
Reproduceer de twee curven, halveer dt en controleer totale vrijgekomen energie.
Voer de code uit, vergelijk maxima/tijdstippen bij 60 en 30 s en bereken E=q(M0−M10). Controleer dat M nooit negatief is en dat elke warmtebron precies één afname dm vertegenwoordigt. De weergegeven echte uitvoer geeft referentiegetallen; bij strengere nauwkeurigheid verklein dt verder.
b
Verklaar waarom de hoogste temperatuur niet door alleen k20 wordt bepaald.
C bepaalt snelheid van opwarming; H en buiten bepalen verlies; M raakt op; Ea veroorzaakt positieve terugkoppeling; de hogetemperatuurremming begrenst biologische activiteit. Meer k20 alleen kan sneller brandstof uitputten. Meet C/H en biologisch bruikbare voorraad voordat je het model als voorspelling gebruikt.
Zo wordt dit beoordeeld
Balans
Massa-, energie- en dimensiecontrole; rekenwaarden van gemeten eigenschappen onderscheiden.
Model
Arrheniusgebied, zuurstof, vocht, remming en parameteronzekerheid benoemd.
Bewijs
Replicaten, residuen en ruimtelijke temperatuurmetingen; geen hygiëneclaim op één modelcurve.
25.11
Habitat: een winteronderzoek
Uitdagen9Habitat90 min
120 L geïsoleerd vat buiten de kweekruimte; C/N 25–35. Kerntemperatuur blijft 6 °C bij 0 °C buiten.
a
Maak een meetplan dat thermische en biologische oorzaken onderscheidt.
Meet temperatuur op kern én rand, vulling/massa, vocht en structuur; log buiten en tijd als UTC+1. Schat afkoeling uit een veilige niet-reactieve vergelijkingsvulling en leg ventilatiecondities vast. Verander één factor tegelijk met passende herhalingen; vergelijk beginwarmteproductie met verlies. C/N is een massaverhouding en beschikbaarheid telt mee.
b
Geef de beslisgrenzen voor gebruik van de compost.
Een temperatuurmodel of één sensor bewijst geen volledige behandeling. Gebruik het bestaande hygiëneprotocol en beoordeel de gehele massa/tijd. Houd compost buiten de kweekruimte, gebruik haar uitsluitend volgens i35 in de meetkasbodem, nooit in NFT; bij onzekere behandeling geen gebruik. Dit onderzoek wijzigt het protocol niet.
Zo wordt dit beoordeeld
Balans
Massa-, energie- en dimensiecontrole; rekenwaarden van gemeten eigenschappen onderscheiden.
Model
Arrheniusgebied, zuurstof, vocht, remming en parameteronzekerheid benoemd.
Bewijs
Replicaten, residuen en ruimtelijke temperatuurmetingen; geen hygiëneclaim op één modelcurve.
25.12
Thermochemie is geen productiesnelheid
Uitdagen9Ontwerpen50 min
Een reactorreactie geeft 150 kJ/mol vrij; de gewenste omzetstroom is 0,020 mol/s. De koeling voert 2,0 kW af.
a
Bereken warmteproductie en beoordeel stationair bedrijf; geef een veilig model voor start en stilzetten.
Productie=150000·0,020=3000 W. Koeling 2000 W geeft 1000 W netto; stationair op de bedoelde temperatuur kan niet. Bij C=200 kJ/K is de eerste stijging 0,005 K/s=0,30 K/min. Voeg temperatuurafhankelijke k, voorraad/invoer, menging en koellimiet toe; toets verlies van koeling en onafhankelijke limieten. Na stoppen van invoer kan aanwezige reactant blijven reageren, dus q verdwijnt niet meteen. Dit is een rekenontwerp, geen uitvoerbare gevaarlijke proef.
Zo wordt dit beoordeeld
Balans
Massa-, energie- en dimensiecontrole; rekenwaarden van gemeten eigenschappen onderscheiden.
Model
Arrheniusgebied, zuurstof, vocht, remming en parameteronzekerheid benoemd.
Bewijs
Replicaten, residuen en ruimtelijke temperatuurmetingen; geen hygiëneclaim op één modelcurve.
