Distikstoftetraoxide

Opgave 4 (vraag 18 t/m 25) uit eindexamen Scheikunde VWO 2024 tijdvak 2

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

Vraag 18

[C] Chemische processen en behoudswetten [C1] Chemische processen[Polaris] H8: Redox

Distikstoftetraoxide ( $\text{N}_{2}\text{O}_{4}$ ) is een sterke oxidator, die onder andere wordt gebruikt in raketmotoren. $\text{N}_{2}\text{O}_{4}$ ontstaat als bijproduct bij de productie van salpeterzuur ( $\text{HNO}_{3}$ ). Door de toegenomen vraag naar $\text{N}_{2}\text{O}_{4}$ wordt onderzoek gedaan of het mogelijk is om salpeterzuurfabrieken om te bouwen naar $\text{N}_{2}\text{O}_{4}$ -fabrieken. Op basis van het onderzoek werd een aangepast proces voorgesteld met twee reactoren. In reactor 1 (R1) reageert ammoniak met een overmaat zuurstof tot stikstofmono-oxide en waterdamp.

Geef de vergelijking van de reactie die verloopt in R1. Bereken de reactiewarmte van deze reactie in joule per mol ammoniak.

Klaar met deze vraag?

Of laat de AI-docent jouw antwoord nakijken:

Uitleg bij vraag 18

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

Vraag 19

[C] Chemische processen en behoudswetten [C5] Chemisch evenwicht [Polaris] H6: Reactiekinetiek

Het gasmengsel afkomstig uit R1 wordt in scheidingsruimte 1 (S1) gebracht, waar water volledig wordt afgescheiden. Het gevormde stikstofmono-oxide reageert vervolgens in reactor 2 (R2) met zuurstof tot stikstofdioxide, waarbij zich twee evenwichten instellen.

$2\ \text{NO}(\text{g}) + \text{O}_{2}(\text{g}) \rightleftharpoons 2\ \text{NO}_{2}(\text{g})$ (evenwicht 1) $2\ \text{NO}_{2}(\text{g}) \rightleftharpoons \text{N}_{2}\text{O}_{4}(\text{g})$ (evenwicht 2)

De reactie naar rechts is voor beide evenwichten in R2 exotherm. Onderdeel van het onderzoek was de vraag hoe het rendement van de productie van $\text{N}_{2}\text{O}_{4}$ kan worden verhoogd door de druk en de temperatuur in R2 te variëren.

Noteer in de tabel op de uitwerkbijlage hoe de ligging van elk evenwicht wordt beïnvloed als de druk en/of de temperatuur wordt verhoogd. Noteer 'links' als de reactie naar links wordt bevorderd. Noteer 'rechts' als de reactie naar rechts wordt bevorderd.

⚠️ Uitwerkbijlage vereist

Uitwerkbijlage bij vraag 19 van opgave Distikstoftetraoxide

Klaar met deze vraag?

Of laat de AI-docent jouw antwoord nakijken:

Uitleg bij vraag 19

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

Vraag 20

[F] Industriële en (chemische) processen [F1] Industriële processen [Polaris] H11: Industriële chemie

De uitstroom van R2 wordt in een scheidingsruimte gebracht, waar $\text{N}_{2}\text{O}_{4}$ in vloeibare vorm wordt afgescheiden van de rest van het gasmengsel. De onderzoekers hebben op basis van het onderzoek een mogelijk blokschema voorgesteld van een $\text{N}_{2}\text{O}_{4}$ -fabriek.

Maak op de uitwerkbijlage het voorgestelde blokschema compleet. Neem aan dat in de uitstroom van R2 geen zuurstof meer aanwezig is. Teken ontbrekende reactoren en scheidingsruimtes. Teken ontbrekende pijlen en noteer ontbrekende stoffen bij alle pijlen. Houd hierbij rekening met hergebruik van stoffen. Neem aan dat bij het proces behalve water geen afval vrijkomt.

⚠️ Uitwerkbijlage vereist

Uitwerkbijlage bij vraag 20 van opgave Distikstoftetraoxide

Klaar met deze vraag?

Of laat de AI-docent jouw antwoord nakijken:

Uitleg bij vraag 20

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

Vraag 21

[C] Chemische processen en behoudswetten [C1] Chemische processen[Polaris] H8: Redox

$\text{N}_{2}\text{O}_{4}$ kan in een raketmotor worden gebruikt als oxidator. De brandstof is hierbij bijvoorbeeld monomethylhydrazine (MMH, zie de figuur).

figuur

MMH en $\text{N}_{2}\text{O}_{4}$ vormen een zogeheten 'hypergool mengsel'. Dat is een mengsel dat spontaan ontbrandt als de stoffen worden gemengd. Onderzoek heeft uitgewezen dat er bij contact tussen MMH en $\text{N}_{2}\text{O}_{4}$ twee reacties verlopen. Eerst verloopt een ontstekingsreactie (reactie 1) die genoeg energie levert, zodat de uiteindelijke verbrandingsreactie (reactie 2) kan starten. In reactie 2 worden MMH en $\text{N}_{2}\text{O}_{4}$ omgezet tot stikstof, koolstofdioxide en waterdamp.

Geef de vergelijking van reactie 2. Gebruik hierbij molecuulformules.

Figuur 1 bij vraag 21 van opgave Distikstoftetraoxide (Scheikunde VWO 2024)

Klaar met deze vraag?

Of laat de AI-docent jouw antwoord nakijken:

Uitleg bij vraag 21

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

Vraag 22

[C] Chemische processen en behoudswetten [C4] Reactiekinetiek [Polaris] H13: Energie en elektrochemie

Op de uitwerkbijlage zijn twee energiediagrammen onvolledig weergegeven: een voor de ontstekingsreactie (reactie 1) en een voor de uiteindelijke verbrandingsreactie (reactie 2). Beide energiediagrammen zijn op dezelfde schaal weergegeven.

Maak op de uitwerkbijlage beide energiediagrammen compleet met de energieniveaus van de geactiveerde toestanden en van de reactieproducten. Je hoeft geen bijschriften te vermelden.

⚠️ Uitwerkbijlage vereist

Uitwerkbijlage bij vraag 22 van opgave Distikstoftetraoxide

Klaar met deze vraag?

Of laat de AI-docent jouw antwoord nakijken:

Uitleg bij vraag 22

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

Vraag 23

[B] Stoffen en materialen in de chemie[B2] Eigenschappen en modellen[Polaris] H3: Moleculaire stoffen

Bij onderzoek in de jaren 60 naar de ontstekingsreactie is de reactie tussen MMH en $\text{N}_{2}\text{O}_{4}$ onderzocht bij zeer lage temperaturen. MMH is vloeibaar bij de gebruikte temperaturen terwijl $\text{N}_{2}\text{O}_{4}$ vast is. Het smeltpunt van MMH is $-52\ ^{\circ}\text{C}$ .

Leg uit tussen welke temperatuurgrenzen dit onderzoek heeft plaatsgevonden. Noteer je antwoord als volgt: ... K $\le$ temperatuur $\le$ ... K. Gebruik Binas-tabel 42A of ScienceData-tabel 8.3a.

Klaar met deze vraag?

Of laat de AI-docent jouw antwoord nakijken:

Uitleg bij vraag 23

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

Vraag 24

[B] Stoffen en materialen in de chemie [B1] Deeltjesmodellen [Polaris] H3: Moleculaire stoffen

Uit dit onderzoek volgde dat meerdere isomeren van $\text{N}_{2}\text{O}_{4}$ in het mengsel aanwezig waren en dat een van deze isomeren, $\text{ONONO}_{2}$ , betrokken was bij de ontstekingsreactie. Door de koeling vonden vervolgreacties niet plaats en was men in staat de reactieproducten van de ontstekingsreactie te onderzoeken. Op de uitwerkbijlage is het $\text{ONONO}_{2}$ -isomeer weergegeven samen met het MMH-molecuul waarmee het reageert. Verder zijn de reactieproducten van de ontstekingsreactie gegeven.

Voer de volgende opdrachten uit:

Teken op de uitwerkbijlage links van de pijl de ontbrekende niet-bindende elektronenparen. Geef ook formele ladingen aan.
Geef met pijlen weer hoe elektronenparen worden verplaatst tijdens de reactie.

⚠️ Uitwerkbijlage vereist

Uitwerkbijlage bij vraag 24 van opgave Distikstoftetraoxide

Klaar met deze vraag?

Of laat de AI-docent jouw antwoord nakijken:

Uitleg bij vraag 24

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

Vraag 25

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

In 1975 is er bijna een ongeluk gebeurd met een Apollo-ruimtevaartuig. Tijdens de terugkeer in de dampkring werd een luchtinlaat geopend, waardoor $\text{N}_{2}\text{O}_{4}$ in de cabine terechtkwam. De drie aanwezige astronauten konden op tijd een zuurstofmasker opzetten. Bij het incident is ongeveer 11 gram $\text{N}_{2}\text{O}_{4}$ in de cabine met een volume van $5,9\ \text{m}^{3}$ terechtgekomen. Gehaltes van $\text{N}_{2}\text{O}_{4}$ boven de waarde 300 volume-ppm worden als levensgevaarlijk beschouwd. Het molair volume van een gas is $2,39 \cdot 10^{-2}\ \text{m}^{3}\ \text{mol}^{-1}$ .

Voer de volgende opdrachten uit:

Bereken het gehalte $\text{N}_{2}\text{O}_{4}$ in de cabine in volume-ppm. Geef de uitkomst in het juiste aantal significante cijfers.
Geef aan of het gehalte boven de grens van levensgevaar is gekomen.

Klaar met deze vraag?

Of laat de AI-docent jouw antwoord nakijken:

Uitleg bij vraag 25

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

Uitleg en antwoorden

Vraag 18

4 punten

maximumscore 4

Voorbeelden van een juist antwoord zijn:

$4\ \text{NH}_{3} + 5\ \text{O}_{2} \rightarrow 4\ \text{NO} + 6\ \text{H}_{2}\text{O}$ $(0,459 + 0,913 - \frac{6}{4} \times 2,42) \cdot 10^{5} = -2,26 \cdot 10^{5}\ (\text{J mol}^{-1})$

$4\ \text{NH}_{3} + 5\ \text{O}_{2} \rightarrow 4\ \text{NO} + 6\ \text{H}_{2}\text{O}$ $-E_{\text{begin}} + E_{\text{eind}} = -[-0,459 \cdot 10^{5}] + [(0,913 \cdot 10^{5}) + \frac{6}{4} \times (-2,42 \cdot 10^{5})] = -2,26 \cdot 10^{5}\ (\text{J mol}^{-1})$

links van de pijl uitsluitend $\text{NH}_{3}$ en $\text{O}_{2}$ [1]
rechts van de pijl uitsluitend $\text{NO}$ en $\text{H}_{2}\text{O}$ en de elementbalans [1]
absolute waardes van de vormingswarmtes en verwerking van de coëfficiënten [1]
rest van de berekening [1]

Opmerking De volgende berekening goed rekenen: $0,459 + 0,913 - 1,5 \times 2,42 = -2,26 \cdot 10^{5}\ (\text{J mol}^{-1})$

Uitleg bij vraag 18

Vraag 19

2 punten

maximumscore 2

evenwicht	hogere temperatuur	hogere druk
1	links	rechts
2	links	rechts

de invloed van de druk [1]
de invloed van de temperatuur [1]

Antwoordmodel vraag 19 Distikstoftetraoxide, figuur 1

Uitleg bij vraag 19

Vraag 20

4 punten

maximumscore 4

Een voorbeeld van een juist antwoord is:

correctie 20

S1 aansluitend op R1, en de doorgaande stofstromen van NO en $\text{NO}_{2}$ [1]
de recycle van NO en $\text{NO}_{2}$ van S2 naar (de instroom van) R2 [1]
de stofstromen van $\text{H}_{2}\text{O}$ en $\text{O}_{2}$ [1]
R2 aansluitend op S1, en S2 aansluitend op R2, en de stofstroom van $\text{N}_{2}\text{O}_{4}$ [1]

Opmerking Als NO ontbreekt zowel in de stofstroom van R2 naar S2 als in de recycle van S2 naar R2, dit slechts eenmaal aanrekenen.

Antwoordmodel vraag 20 Distikstoftetraoxide, figuur 1

Uitleg bij vraag 20

Vraag 21

3 punten

maximumscore 3

$4\ \text{CN}_{2}\text{H}_{6} + 5\ \text{N}_{2}\text{O}_{4} \rightarrow 9\ \text{N}_{2} + 4\ \text{CO}_{2} + 12\ \text{H}_{2}\text{O}$

links van de pijl $\text{CN}_{2}\text{H}_{6}$ en $\text{N}_{2}\text{O}_{4}$ [1]
rechts van de pijl $\text{N}_{2}$ en $\text{CO}_{2}$ en $\text{H}_{2}\text{O}$ [1]
de elementbalans bij uitsluitend de juiste formules links en rechts van de pijl [1]

Uitleg bij vraag 21

Vraag 22

2 punten

maximumscore 2

Een voorbeeld van een juist antwoord is:

correctie 22

in beide energiediagrammen een exotherme reactie weergegeven [1]
de geactiveerde toestand voor de ontstekingsreactie lager dan die van de verbranding [1]

Antwoordmodel vraag 22 Distikstoftetraoxide, figuur 1

Uitleg bij vraag 22

Vraag 23

2 punten

maximumscore 2

Voorbeelden van een juist antwoord zijn:

Het smeltpunt van MMH is $(273 - 52)$ 221 K. Het smeltpunt van $\text{N}_{2}\text{O}_{4}$ is 264 K. Het onderzoek is uitgevoerd bij een temperatuur $221 \text{ K} \le T \le 264 \text{ K}$ .

omrekening van celsius naar kelvin [1]
vergelijking met gegevens van $\text{N}_{2}\text{O}_{4}$ en consequente conclusie [1]

Opmerking Het volgende antwoord goed rekenen: Het smeltpunt van MMH is $-52\ ^{\circ}\text{C}$ Het smeltpunt van $\text{N}_{2}\text{O}_{4}$ is $(273 - 264 =) -9\ ^{\circ}\text{C}$ . Het onderzoek is uitgevoerd bij een temperatuur $-52\ ^{\circ}\text{C} \le T \le -9\ ^{\circ}\text{C}$

Uitleg bij vraag 23

Vraag 24

3 punten

maximumscore 3

Een voorbeeld van een juist antwoord is:

correctie 24

de niet-bindende elektronenparen [1]
de formele ladingen consequent [1]
de pijlen [1]

Antwoordmodel vraag 24 Distikstoftetraoxide, figuur 1

Uitleg bij vraag 24

Vraag 25

4 punten

maximumscore 4

Een voorbeeld van een juiste berekening is: Er was $\frac{11}{92,0} = 1,20 \cdot 10^{-1}$ (mol) $\text{N}_{2}\text{O}_{4}$ ontsnapt. Dat is $1,20 \cdot 10^{-1} \times 2,39 \cdot 10^{-2} = 2,86 \cdot 10^{-3}\ (\text{m}^{3})$ . Het gehalte is $\frac{2,86 \cdot 10^{-3}}{5,9} \times 10^{6} = 4,8 \cdot 10^{2}$ (volume-ppm). Het maximaal toelaatbare gehalte is 300 volume-ppm, dus de situatie was levensgevaarlijk.

omrekening van de gegeven massa $\text{N}_{2}\text{O}_{4}$ naar de chemische hoeveelheid [1]
omrekening naar het volume $\text{N}_{2}\text{O}_{4}$ [1]
omrekening naar het gehalte in volume-ppm en consequente conclusie [1]
significantie [1]