Analyse van energiesystemen (TB142E)
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 35

Analyse van energiesystemen (TB142E) PowerPoint PPT Presentation


  • 107 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

Analyse van energiesystemen (TB142E). Werkcollege 1 Extra uitleg: stoichiometrie & elementaire berekeningen (boekhouden met chemie). Inleiding. “a chemical compound is, ultimately, a collection of atoms” (Zumdahl & Zumdahl, Chemistry, 7 th edition, p. 86) Stoechiometrie aan het werk

Download Presentation

Analyse van energiesystemen (TB142E)

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Analyse van energiesystemen tb142e

Analyse van energiesystemen (TB142E)

Werkcollege 1

Extra uitleg:

stoichiometrie & elementaire berekeningen(boekhouden met chemie)


Inleiding

Inleiding

“a chemical compound is, ultimately, a collection of atoms” (Zumdahl & Zumdahl, Chemistry, 7th edition, p. 86)

Stoechiometrie aan het werk

=

Chemisch Boekhouden;

elementaire berekeningen rond

atomen, moleculen en reacties,

eenvoudige systemen.

de begrippen ‘mol’ en ‘molgewicht’


Inhoud

Inhoud

  • Voorbeeld + dimensie-analyse, engineering numbers

  • Periodiek systeem, atomen, ‘mol’, ‘molgewicht’

  • Samenstelling: mol%, massa% etc.

  • Chemische reacties kloppend maken

  • Stoechiometrische berekeningen


Inleiding voorbeeld

Inleiding - voorbeeld

Appels (vers) bevatten ongeveer 10 mg vitamine C per 100 gram. De dagelijks aanbevolen hoeveelheid vit. C is 60 mg.

Hoeveel appelen moet je eten om in je behoefte te voorzien? Er gaan 6 appels in een kilo.


Voorbeeld oplossing

Voorbeeld: oplossing

  • Teken een systeemdiagram!

  • Veronderstelling: je voorziet alléén door het eten van appels in je vit. C behoefte

  • Oplossingsstrategie?

  • Systeemdiagram

  • Berekening:

    a. Je hebt nodig (60 /10)*100 = 600

    b. Dat zijn 600/1000 * 6 = 3,6 appels.

  • Antwoord

    Je moet dus minstens 4 appelen eten om in je behoefte te voorzien!

    De extra 400 g staat je toe de klokhuizen weg te gooien! (Maar alleen als je er vanuit gaat dat de vit. C evenredig over de appel is verdeeld!)


Dimensie analyse zie ook zumdahl 1 6

Dimensie-analyse(zie ook Zumdahl, § 1.6)

De uitwerking wordt (meestal) een stuk duidelijker als je de gebruikte eenheden uitschrijft:

a. 60 [mg]/10 [mg/100g]*100 [g/100g] = 600 [g]

b. 600 [g] /1000[g/kg] * 6 [stuks/kg] = 3,6 [stuks]

  • Reken dus met eenheden cq. dimensies ! (analoog aan getalrekenen)

  • Daarmee kun je je oplossingsstrategie controleren.

  • Schrijf ook altijd de berekening van je oplossing uit met eenheden.


Tellen en wegen

Tellen en wegen

  • stel je mengt drie soorten knikkers met dezelfde diameter.

    • gouden knikkers, gewicht 50 gram

    • plastic knikkers, met goudverf, gewicht 5 gram

    • stalen knikkers, met goudverf, gewicht 15 gram

  • stel de fracties gouden, plastic, stalen knikkers zijn xa, xb en xc [0..1]

    xa + xb + xc = 1

  • dan is het gemiddeld gewicht [gram/knikker] van een verzameling knikkers

    50 xa + 5 xb + 15 xc

  • stel nu dat je een mengsel van knikkers in een vuurtje legt, zodat de plastic knikkers verbranden

  • wat wordt nu het gemiddeld gewicht [gram/knikker] uitgedrukt met xa, xb en xc ?


Moleculen reacties atomen zijn te zien als knikkers

Moleculen, reacties: Atomen zijn te zien als knikkers

  • Atomen zijn (behoudens kernreacties) ondeelbaar

  • Atomen reageren tot moleculen

    • Bijvoorbeeld C + O2 CO2

    • Voor elk individueel atoom geldt de Wet van Behoud van Massa

    • Elk atoom heeft een specifiek atoomgewicht

      • uitgedrukt in par. 3.2: amu

      • definitie: 12C heeft gewicht van exact 12 amu


Moleculen reacties atomen zijn te zien als knikkers1

Moleculen, reacties: Atomen zijn te zien als knikkers

  • Atomen zijn opgebouwd uit

    • protonen (+ lading, kern)

    • neutronen (geen lading, kern)

    • elektronen (- lading, rondom kern)

    • Verhouding p:n = 1:1-1.5; (voor H p:n = 1:1)

      • In 12C is p:n = 6:6 = 1:1

    • Verhouding p:e = 1:1


Atoommassa isotopen

Atoommassa: isotopen

  • Van elk element bestaan isotopen

    • Isotopen:

      • hebben hetzelfde aantal protonen en elektronen

        • daardoor dezelfde chemische eigenschappen

      • maar verschillend aantal neutronen in de kern.

    • bijvoorbeeld de isotopen van koolstof, C

      • 12C, 13C, 14C,

      • 6 (protonen, elektronen); resp. 6, 7 en 8 neutronen

      • p:n = 6:6 ; 6:7; 6:8

    • De minst voorkomende isotopen zijn vaak radioactief


Het begrip mol

Het begrip ‘mol’:

  • Definitie:

    • 1 mol = aantal atomen koolstof in 12 gram 12C

      <van dat materiaal, i.e. zuiver 12C>

  • Dit is gelijk aan het getal van Avogadro:

    • NAvogadro= 6.022 * 1023 [atomen/mol]

  • NAvogadro koolstofatomen (zuiver 12C)

    • hebben dus een molgewicht van 12 [g/mol]

  • Het getal van Avogadro mag je vervolgens weer vergeten…

    • ... is een manier om tot een hanteerbare maat te komen (mol)


Het begrip molgewicht

Het begrip ‘molgewicht’:

  • Definitie molgewicht:

    • Het molgewicht van een stof (element of samengestelde verbinding) is het gewicht van 1 mol van die stof in gram.

    • Dat is dus het gewicht van NAvogadro= 6.022 * 1023 [atomen/mol] of [moleculen/mol]

    • Het molgewicht wordt meestal uitgedrukt als [g/mol] of [kg/kmol]


Molgewicht voorbeeld

Molgewicht - voorbeeld

  • Het molgewicht van koolstof (C) = 12 [g/mol]

  • Het molgewicht van zuurstof (O) = 16 [g/mol]

  • Het molgewicht van waterstof (H) = 1 [g/mol]

  • Aardgas verbranden:

    • in moleculen èn molen:

      • CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O

  • in grammen:

    • 16 + 64  44 + 36

  • Dus 16 gram methaan geeft bij verbranding 44 gram kooldioxide.


  • Nogmaals mol

    Nogmaals ‘mol’

    • Nogmaals de Definitie:

      • 1 mol = aantal atomen koolstof in 12 gram 12C

        <van dat materiaal, i.e. zuiver 12C>

    • Let op: voor alle elementen (dus ook C):

      • Wordt het (gemiddeld) molgewicht bepaald door de natuurlijke mix van isotopen, en (p+n+e) per isotoop

      • zie definitie vorige slide


    Waarom is het begrip mol belangrijk

    Waarom is het begrip mol belangrijk?

    • neem een eenvoudige reactie: C + O2 CO2

    • hoeveel kilogram zuurstof reageert met een kilo koolstof?

    • ... de chemie leert ons dat 1 atoom C met 1 molecuul O2 reageert tot 1 molecuul CO2

    • ... en dus reageert óók 1 mol C met 1 mol O2 tot 1 mol CO2

    • ... het antwoord is dus te vinden door te werken met de molgewichten


    Periodiek systeem

    Periodiek systeem

    • elektronen (- lading, rondom kern)

    • p:e = 1:1

    • Welke informatie te gebruiken bij systeemanalyse haal je uit het periodiek systeem

      • Gegevens: afkorting van atoomnamen; gemiddeld molgewicht van de elementen (Mwt. [gram per mol] of [g/mol])

      • Uit de positie: sommige eigenschappen van de elementen

    • Atomen zijn opgebouwd uit

      • protonen (+ lading, kern)

      • neutronen (geen lading, kern)

      • p:n = 1:1-1.5; (voor H=1)


    Periodiek systeem voorbeeld

    bovenste getal: atoomnummer

    atoomnr. = aantal protonen = aantal elektronen

    Ca bevat 20 protonen [/atoom]

    Aangezien de verhouding p:e = 1:1

    Bevat Ca ook 20 elektronen [/atoom]

    Onderste getal: gemiddeld Molgewicht

    (van de natuurlijk aanwezige isotopen)

    Molgewicht Ca bedraagt 40.08 [g/mol]

    Aantal neutronen: ongeveer 20 (40 minus 20)

    Ca = Calcium

    Periodiek systeem - voorbeeld

    20

    Ca

    40.08


    Periodiek systeem voorbeeld1

    Periodiek systeem - voorbeeld

    6

    C

    12.01

    • aantal neutronen in een specifiek C atoom?

      • .. Dat is hieruit nietexact op te maken

    • Omdat:

      • van elke element isotopen bestaan

      • Isotopen: zelfde atoomnr., verschillend aantal neutronen in de kern.

      • bijvoorbeeld koolstof, C: 12C, 13C, 14C,

        • 6 (p,e); resp. 6, 7 en 8 neutronen

        • dus atoomnummer in Periodiek Systeem is gelijk;

        • afgerond molgewicht is resp. 12, 13 en 14 [g/mol]

        • het vermeld molgewicht in Periodiek Systeem = gemiddelde van natuurlijk voorkomende isotopen

        • conclusie: percentage 13C, 14C, is zeer klein!


    Nogmaals molgewicht

    Nogmaals ‘molgewicht’

    • Definitie molgewicht:

      • Het molgewicht van een stof (element of samengestelde verbinding) is het gewicht van 1 mol

      • Is dus het gewicht van NAvogadro= 6.022 * 1023 [atomen/mol] of [moleculen/mol]

      • Het molgewicht wordt meestal uitgedrukt als [g/mol] of [kg/kmol]

    • Vinden/berekenen van molgewichten (t.b.v. massabalansen)

      • Stap:

      • (1) Element of atoom: uit tabel of uit het periodiek systeem

      • (2) moleculen: uit chemische formule + (1):

      • (3) optellen volgens verhoudingsformule (i.e. chemisch boekhouden)


    Molgewicht

    Molgewicht

    • Voorbeeld:

      • wat is het molgewicht van CH3CH2OH (alcohol)?

      • officiële naam: ethanol

      • triviale naam: ethyl alcohol


    Molgewicht1

    Molgewicht

    • Voorbeeld:

      • wat is het molgewicht van CH3CH2OH (alcohol)

    • Oplossing:

      • (1) verhoudingsformule ethyl alcohol C2H6O

      • (2) in 1 mol alcohol zitten

        • 2 molen C = 2 [] * 12.01 [g/mol]= 24.020 [g/mol]

        • 6 molen H = 6 [] * 1.008 [g/mol] = 6.048 [g/mol]

        • 1 mol O = 1 []* 16.00 [g/mol] = 16.000 [g/mol]

      • (3) totaal= 46.068 [g/mol]

      • [ ] = dimensieloos getal [atomen/molecuul]


    Van molen naar massa

    Van molen naar massa

    • Molen

      • Verhoudingsformules staan in molen (CH2O)

      • In chemische reactie is de stoechiometrie in molen

        (CH4 +2O2 CO2 + 2 H2O)

    • Ergo:

      • Als je een chemische verhoudingsformule kent...

      • Of van een chemische reactie de stoechiometrie...

    • Dan heb je voor het omrekenen naar massastromen of gewichtspercentages (massa %) meestal molgewichten nodig.

      (CH4 +2O2 CO2 + 2 H2O): hoeveel kg in (CH4 +2O2 CO2 + 2 H2O)?


    Gewichts percentage

    Gewichtspercentage

    • Voorbeeld:

      • wat is het gewichtspercentage koolstof in ethyl alcohol, met formule CH3CH2OH ?

    • Oplossing:

      • gewichtspercentage C in CH3CH2OH =

        molgewicht C [g/mol]

        100 [%/1] * 2 * ------------------------------- [%]

        molgewicht alcohol [g/mol]


    Gewichts percentage 2

    Gewichtspercentage (2)

    Deze berekening is als volgt verder uit te splitsen / inzichtelijk te maken

    (gebruikmaken van het molgewicht van C resp. ethyl alcohol):

    Gevraagd gew. % x =

    100 * {gewicht Cin ethylalcohol } [g] /

    {gewicht alcohol} [g] =

    100 * {mol Cin ethylalcohol [mol] * molgewicht Cin ethylalcohol [g/mol]} /

    {mol alcohol [mol] * molgewicht alcohol [g/mol]} =

    100 * {mol Cin ethylalcohol [mol] / mol alcohol [mol] } * {molgewicht Cin ethylalcohol [g/mol] / molgewicht alcohol [g/mol]} =

    100 * 2 * {molgewicht Cin ethylalcohol [g/mol] / {molgewicht alcohol [g/mol] }


    Gewichts percentage 3

    Gewichtspercentage (3)

    Deze berekening is als volgt verder uit te splitsen / inzichtelijk te maken

    (gebruikmaken van het molgewicht van C resp. ethyl alcohol):

    Gevraagd gew. % x =

    100 * 2 [] * {molgewicht Cin ethylalcohol [g/mol] /

    {molgewicht alcohol [g/mol] } =

    100* 2 [] * {12 [g/mol] } /

    {46 [g/mol]} = 52 gew.%

    • Het gebruik van molgewichten leidt tot rekenen met ‘normale’ getallen.

    • Schrijf bovenstaande maar eens uit

      • onder gebruikmaking van het gewicht van resp. één atoom C

      • en één molecuul alcohol

      • en vergelijk!


    Mol percentage

    Molpercentage

    • Voorbeeld:

      • wat is het molpercentage waterstof (mol%) in methyl alcohol, (methanol) met formule CH3OH (MeOH)?

    • Oplossing: molpercentage =

      100 * aantal atomen H in MeOH / totaal aantal atomen in MeOH =

      100 * {aantal atomen H [stuks] / NAvogadro[ /Mol] } /

      {totaal aantal atomen [stuks] / Navogadro [/Mol ]}

      Verhoudingsformule = CH4O, dus

      Molpercentage = 100* 4 / 6 = 67 mol%


    Reacties stoichiometrie

    Reacties; stoichiometrie

    • reactie: CH4 + 2O2  CO2 + 2H2O

      (Verbranding van methaan (in aardgas))

    • geen kernreacties: in gesloten volume waar een chemische reactie plaatsvindt is de netto accumulatie per element = 0

      • per element is het totaal (aantal mol in reactanten) gelijk aan het totaal (aantal mol in producten)

      • geldt voor enkele atomen, maar ook voor molen, dus omrekening naar massa is mogelijk

    • stoechiometrie = verhouding reactanten en producten


    Reactie stoichiometrie voorbeeld 1

    Reactie; stoichiometrie – voorbeeld (1)

    • hoeveel kg zuurstof is nodig voor oxydatie van 1 kg koolstof? Hoeveel kg CO2 ontstaat er?


    Reactie stoichiometrie voorbeeld 2

    Reactie; stoichiometrie – voorbeeld (2)

    • hoeveel kg zuurstof is nodig voor oxydatie van 1 kg koolstof? Hoeveel kg CO2 ontstaat er?

    • Aanpak

      • Systeem: gesloten volume met 1 kg C en x kg O (als O2)

      • Oplossingstrategie

        • (1) Gebruik de reactiestoechiometrie

        • (2) Gebruik molgewichten C en O om het gewicht O2 uit te rekenen

        • (3) Gebruik wet van behoud van massa om gewicht CO2 uit te rekenen


    Reactie stoichiometrie voorbeeld 3

    Reactie; stoichiometrie – voorbeeld (3)

    • Aanpak

      • Systeem: gesloten volume met 1 kg C en x kg O (als O2)

      • Oplossingstrategie

        • (1) Gebruik de reactiestoechiometrie

        • (2) Gebruik molgewichten C en O, CO2 om gewicht O2 uit te rekenen

        • (3) Gebruik wet van behoud van massa om gewicht CO2 uit te rekenen

      • Oplossing - berekening

        • stoechiometrische reactie: C + O2  CO2

        • mwt. C = 12 [g/mol] ; O = 16 [g/mol]

        • dus 12 [kg] C reageert met 32 [kg] O2

        • totaal 12 [kg] + 32[kg] = 44 [kg] CO2

    • Controleer! Staat hierboven al hetgeen is gevraagd?

      Kloppen de dimensies?

    • Wat is het molgewicht van CO2?


    Reactievergelijkingen

    Reactievergelijkingen

    • Om betrouwbare berekeningen uit te kunnen voeren, dien je altijd uit te gaan van een kloppende reactievergelijking

    • kloppend: met het aantal geschreven molen reactanten en producten klopt ook de balans voor elk element;

  • bijvoorbeeld de verbranding van alcohol:

    • niet kloppend: CH3CH2OH + O2 CO2 + H2O

    • kloppend: CH3CH2OH + 3O2 2CO2 + 3H2O


  • Overmaat en ondermaat 1

    Overmaat en ondermaat (1)

    • Als een de verhouding reactanten niet overeenkomt met de reactiestoechiometrie spreken we van

    • Overmaat,

    • resp. Ondermaat.


    Overmaat en ondermaat 2

    Overmaat en ondermaat (2)

    • Overmaat = oneindig

      • Stof neemt niet deel aan de reactie

      • Bijvoorbeeld: Verbranding met lucht

        C + O2 + N2 --> CO2 + N2

    • Ondermaat = oneindig:

      • Stof is niet aanwezig

      • Bijvoorbeeld: bij nitrering van staal treedt bovenstaande reactie niet op:

        C + N2 --> C + N2


    Overmaat voorbeeld

    Overmaat - voorbeeld

    • Overmaat wordt in industrie vaak toegepast voor reactant waarvan de concentratie de snelheid bepaalt.

    • Bijvoorbeeld:

      • N2 + 3H2 --> 2NH3 (stoechiometrisch)

      • N2 + 6H2 --> 2NH3 + 3H2 (overmaat)

    • Nadeel: vaak extra scheiding / opzuivering nodig.


    Afronding

    Afronding

    • Dimensie-analyse: schrijf gebruikte eenheden altijd op.

    • Reactievergelijking bepaalt ‘chemische boekhouding’

    • In chemie worden veel grootheden uitgedrukt per mol, molgewicht wordt uitgedrukt in [g/mol] = [kg/kmol]

    • Oefen zelf met de opgaven

    • Werk gestructureerd en gebruik de systeemaanpak (zie ook dictaat)


  • Login