Battolyser

Opgave 2 (vraag 6 t/m 10) uit eindexamen Scheikunde VWO 2024 tijdvak 1

Bij elke vraag: uitleg stap voor stap, het antwoordmodel en feedback van de AI-docent.

Vraag 6

[C] Chemische processen en behoudswetten [C1] Chemische processen [Polaris] H13: Energie en elektrochemie

Onderzoekers van de TU Delft hebben de battolyser ontwikkeld. De battolyser ontleent zijn naam aan twee functies: het is een oplaadbare batterij die kan worden gebruikt voor energieopslag en voor de elektrolyse van water. De vrijgekomen waterstof kan worden gebruikt als brandstof of als grondstof voor de productie van andere (brand)stoffen. In figuur 1 is de battolyser schematisch weergegeven voorafgaand aan het opladen.

Als de batterij wordt opgeladen, wordt aan de linker elektrode ijzer(II)hydroxide omgezet tot onder andere ijzer. Aan de rechter elektrode wordt nikkel(II)hydroxide omgezet tot onder andere de vaste stof nikkel(III)oxidehydroxide, $NiO(OH)$ . De elektrolyt-oplossing is natronloog. Tijdens de elektrolyse bewegen alleen hydroxide-ionen door het membraan.

Geef de vergelijkingen van de halfreacties die verlopen tijdens het opladen en geef de totaalvergelijking.

Figuur 1 bij vraag 6 van opgave Battolyser (Scheikunde VWO 2024)

Klaar met deze vraag?

Of laat de AI-docent jouw antwoord nakijken:

Uitleg bij vraag 6

Kom je er niet uit? Begin met een hint. Klaar? Bekijk stap voor stap hoe je alle punten haalt.

Vraag 8

[C] Chemische processen en behoudswetten [C2] Chemisch rekenen [Polaris] H13: Energie en elektrochemie

In een volledig opgeladen prototype van de battolyser werd 1,4 kg water gedurende 18 maanden geëlektrolyseerd. Per molecuul water dat wordt omgezet, worden twee elektronen getransporteerd. Neem aan dat tijdens dit proces alle toegevoerde lading is gebruikt voor de elektrolyse van water.

Bereken de lading in coulomb die in die periode gemiddeld per seconde is getransporteerd.

Gebruik onder andere de volgende gegevens:

Een mol elektronen heeft een lading van $9,65\cdot10^{4}\ \text{C}$ .
Een maand heeft gemiddeld 30 dagen.

Klaar met deze vraag?

Of laat de AI-docent jouw antwoord nakijken:

Uitleg bij vraag 8

Kom je er niet uit? Begin met een hint. Klaar? Bekijk stap voor stap hoe je alle punten haalt.

Vraag 9

[C] Chemische processen en behoudswetten [C4] Reactiekinetiek [Polaris] H6: Reactiekinetiek

De reactiesnelheid van deze elektrolyse van water bleek vooral te worden bepaald door de halfreactie die aan de rechter elektrode verloopt. Het bleek dat de reactiesnelheid veranderde als in het NiO(OH)-laagje op de rechter elektrode ook $FeO(OH)$ aanwezig was. In het onderzoek is de activeringsenergie van de reactie bepaald, afhankelijk van het massapercentage $FeO(OH)$ in het laagje. In figuur 2 zijn de resultaten te zien van enkele experimenten.

Leg uit bij welke waarde van het massapercentage $FeO(OH)$ de reactiesnelheid het hoogst is.

Figuur 1 bij vraag 9 van opgave Battolyser (Scheikunde VWO 2024)

Klaar met deze vraag?

Of laat de AI-docent jouw antwoord nakijken:

Uitleg bij vraag 9

Kom je er niet uit? Begin met een hint. Klaar? Bekijk stap voor stap hoe je alle punten haalt.

Vraag 10

[C] Chemische processen en behoudswetten [C2] Chemisch rekenen [Polaris] H2: Rekenen en meten

Er zijn momenteel auto's verkrijgbaar die waterstof gebruiken als energiebron. Een van deze auto's heeft een tank met daarin maximaal 6,33 kg waterstof onder hoge druk. Onderzocht wordt of het mogelijk is om de risico's van het gebruik van waterstof te verminderen door de waterstof eerst om te zetten tot methaanzuur. Methaanzuur is een vloeistof die eenvoudig kan worden getankt en vervoerd. In een auto wordt het methaanzuur dan in een reactor omgezet tot waterstof volgens reactie 1.

CH_{2}O_{2}\rightarrow CO_{2}+H_{2}\ \text{(reactie 1)}

De ontstane waterstof wordt vervolgens in een brandstofcel geleid om elektrische energie op te wekken. Reactie 1 heeft een rendement van 90,0%. De dichtheid van methaanzuur is $1,22\cdot10^{3}\ \text{kg m}^{-3}$ .

Bereken het volume in liter methaanzuur dat nodig is om 6,33 kg waterstof te produceren. Geef je antwoord in het juiste aantal significante cijfers.

Klaar met deze vraag?

Of laat de AI-docent jouw antwoord nakijken:

Uitleg bij vraag 10

Kom je er niet uit? Begin met een hint. Klaar? Bekijk stap voor stap hoe je alle punten haalt.

Uitleg en antwoorden

Vraag 6

3 punten

maximumscore 3

$Fe(OH)_{2}+2\ e^{-}\rightarrow Fe+2\ OH^{-}$ (x 1) $Ni(OH)_{2}+OH^{-}\rightarrow NiO(OH)+H_{2}O+e^{-}$ (x 2) $Fe(OH)_{2}+2\ Ni(OH)_{2}\rightarrow Fe+2\ NiO(OH)+2\ H_{2}O$

de halfreactie van ijzer(II)hydroxide [1]
de halfreactie van nikkel(III)oxidehydroxide [1]
de gegeven halfreacties in de juiste verhouding opgeteld en OH en e links en rechts van de pijl tegen elkaar weggestreept [1]

Opmerkingen De volgende halfreacties goed rekenen: $Ni(OH)_{2}\rightarrow NiO(OH)+H^{+}+e^{-}$ en $Ni(OH)_{2}+H_{2}O\rightarrow NiO(OH)+H_{3}O^{+}+e^{-}$ Wanneer evenwichtstekens zijn gebruikt in plaats van reactiepijlen, dit goed rekenen.

Uitleg bij vraag 6

Vraag 7

2 punten

maximumscore 2

Een voorbeeld van een juist antwoord is: Tijdens het opladen bewegen de elektronen van rechts naar links. Omdat de totale lading links en rechts gelijk moet blijven, bewegen de OH -ionen van links naar rechts.

De elektronen bewegen van rechts naar links [1]
inzicht dat elektro-neutraliteit moet gelden en consequente conclusie [1]

Opmerking Een antwoord als het volgende goed rekenen: Tijdens het opladen worden aan de linker elektrode OH-ionen gevormd en aan de rechter elektrode verbruikt. De OH-ionen bewegen dus van links naar rechts.

Opmerking Als een onjuist antwoord op vraag 7 het consequent gevolg is van een onjuist antwoord op vraag 6, dit niet aanrekenen.

Uitleg bij vraag 7

Vraag 8

3 punten

maximumscore 3

uitkomst: $3,2\cdot10^{-1}\ (\text{C s}^{-1})$

Voorbeelden van een juiste berekening zijn: Er is dan $\frac{1,4\times10^{3}}{18,0}\times2=1,56\cdot10^{2}$ (mol) elektronen getransporteerd. De getransporteerde lading is $1,56\cdot10^{2}\times9,65\cdot10^{4}=1,50\cdot10^{7}\ (\text{C})$ . De lading per seconde is $\frac{1,50\cdot10^{7}}{18\times30\times24\times60\times60}=3,2\cdot10^{-1}\ (\text{C s}^{-1})$ .

Er is dan per seconde $\frac{1,4\times10^{3}}{18\times30\times24\times60\times60}=3,00\cdot10^{-5}$ (g) water omgezet. De chemische hoeveelheid elektronen per seconde is $\frac{3,00\cdot10^{-5}}{18,0}\times2=3,33\cdot10^{-6}$ (mol). De lading per seconde is $3,33\cdot10^{-6}\times9,65\cdot10^{4}=3,2\cdot10^{-1}\ (\text{C s}^{-1})$ .

omrekening van de massa water naar de chemische hoeveelheid elektronen / berekening van de verbruikte massa water per seconde [1]
omrekening naar de getransporteerde lading / omrekening naar de chemische hoeveelheid elektronen per seconde [1]
omrekening naar de getransporteerde lading in coulomb per seconde [1]

Uitleg bij vraag 8

Vraag 9

2 punten

maximumscore 2

Een voorbeeld van een juist antwoord is: Als de activeringsenergie laag is, is de reactiesnelheid het hoogst. De activeringsenergie is het laagst bij 25 massa% (±2 massa%) FeO(OH), dus dan is de reactiesnelheid het hoogst.

inzicht dat de reactiesnelheid het hoogst is als de activeringsenergie laag is [1]
consequente conclusie [1]

Uitleg bij vraag 9

Vraag 10

5 punten

maximumscore 5

uitkomst: $1,31\cdot10^{2}\ (\text{L})$

Een voorbeeld van een juiste berekening is: Een volle tank bevat $\frac{6,33\times10^{3}}{2,02}=3,134\cdot10^{3}$ (mol) waterstof. Hiervoor is $3,134\cdot10^{3}\times\frac{10^{2}}{90,0}=3,482\cdot10^{3}$ (mol) methaanzuur nodig. De massa methaanzuur is $3,482\cdot10^{3}\times46,0\times10^{-3}=1,602\cdot10^{2}$ (kg). Het volume methaanzuur is $\frac{1,602\cdot10^{2}}{1,22\cdot10^{3}}\times10^{3}=1,31\cdot10^{2}$ (L).

omrekening van de massa waterstof naar de chemische hoeveelheid [1]
omrekening naar de benodigde chemische hoeveelheid methaanzuur [1]
omrekening naar de massa methaanzuur [1]
omrekening naar het volume in liter methaanzuur [1]
significantie [1]

Uitleg bij vraag 10

Volgende opgave: Microbolletjes →