Vonkremmers

Opgave 4 (vraag 20 t/m 25) uit eindexamen Scheikunde VWO 2023 tijdvak 2

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

Vraag 20

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

Bij hoogspanningsschakelaars en windturbines ontstaan er soms grote vonken als de stroom wordt in- en uitgeschakeld. Deze vonken geven storingen op het elektriciteitsnet en kunnen apparatuur beschadigen. Daarom zitten de contactpunten van dergelijke schakelaars in een behuizing die gevuld is met een vonkremmend gas. Een vonkremmend gas heeft een hoge doorslagspanning, dat is de spanning waarbij geleiding optreedt (bij bepaalde druk). De geleiding treedt op omdat bij hoge spanning gasmoleculen (X) bij de contactpunten geïoniseerd raken volgens $\text{X}(\text{g}) + \text{e}^{-} \rightarrow \text{X}^{+}(\text{g}) + 2 \text{e}^{-}$ . Bij lage druk is de doorslagspanning groot.

Leg uit dat bij lage druk de doorslagspanning groot is. Gebruik hierbij begrippen uit het botsende-deeltjes-model.

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 [C6] Energieberekeningen [Polaris] H13: Energie en elektrochemie

Een veel toegepast vonkremmend gas is zwavelhexafluoride ( $\text{SF}_{6}$ ). Dit gas wordt industrieel geproduceerd uit de elementen zwavel en fluor (proces 1). Fluor ( $\text{F}_{2}$ ) is een giftig en agressief gas. Onderzoekers hebben daarom een andere syntheseroute ontwikkeld (proces 2). De reacties van proces 2 verlopen bij aanzienlijk lagere temperatuur dan bij proces 1. In proces 2 treden drie reacties op:

$4 \text{KF} + \text{S} + 2 \text{Br}_{2} \rightarrow \text{SF}_{4} + 4 \text{KBr}$ (reactie 1)
$\text{SF}_{4} + 2 \text{CoF}_{3} \rightarrow \text{SF}_{6} + 2 \text{CoF}_{2}$ (reactie 2)
$2 \text{CoF}_{2} + \text{F}_{2} \rightarrow 2 \text{CoF}_{3}$ (reactie 3)

In proces 2 wordt netto geen $\text{CoF}_{3}$ verbruikt. De vormingswarmte van $\text{SF}_{6}$ is $-12,25 \cdot 10^{5} \text{J mol}^{-1}$ .

Voer de volgende opdrachten uit:

Geef de totaalvergelijking van proces 2.
Bereken de reactiewarmte van proces 2 per mol $\text{SF}_{6}$ .

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

[F] Industriële en (chemische) processen[F2] Groene chemie[Polaris] H11: Industriële chemie

In een brochure staat: "Dit alternatieve proces voldoet beter aan de uitgangspunten van groene chemie dan het standaard industriële proces."

Geef één argument vóór en twee argumenten tégen deze stelling. Noteer je antwoord als volgt: Voor: ... Tegen: ... Tegen: ...

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

[C] Chemische processen en behoudswetten [C1] Chemische processen[Polaris] H9: Koolwaterstoffen II

Zwavelhexafluoride is niet giftig, maar het is wel een sterk broeikasgas. Het is mogelijk om zwavelhexafluoride in hoogspanningsschakelaars te vervangen door andere stoffen, zoals Novec™ 4710 ( $\text{C}_{4}\text{F}_{7}\text{N}$ ). Deze stof wordt in enkele stappen gemaakt. In het totale proces zijn de beginstoffen hierbij methylpropaanzuur, HF en $\text{NH}_{3}$ . De andere stoffen die worden gevormd, zijn waterstof en water. Bij de omzettingen blijft het koolstofskelet gelijk, maar wordt de COOH-groep omgezet tot een CN-groep.

Geef de vergelijking voor deze vorming van Novec™ 4710. Gebruik hierbij structuurformules voor de koolstofverbindingen.

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

[C] Chemische processen en behoudswetten [C6] Energieberekeningen [Polaris] H13: Energie en elektrochemie

In experimenten met zuiver Novec™ 4710 werd de spanning op de contactpunten zo hoog opgevoerd, dat er toch een elektrische ontlading plaatsvond in de schakelaar. Het bleek dat hierbij ontleding van Novec™ 4710 tot de elementen optreedt. Deze reactie treedt pas op bij zeer hoge waardes van de toegevoerde energie. De vormingswarmte van Novec™ 4710 is $-33 \cdot 10^{5} \text{J mol}^{-1}$ . In de figuur zie je enkele mogelijke energiediagrammen van deze omzetting.

Leg uit welk energiediagram het best past bij de ontleding van Novec™ 4710 tot de elementen.

Figuur 1 bij vraag 24 van opgave Vonkremmers (Scheikunde VWO 2023)

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

[G] Maatschappij, chemie en technologie[G2] Milieueffectrapportage[Polaris] H11: Industriële chemie

Een standaard schakelaar bevat 60 kg zuiver $\text{SF}_{6}$ . In een praktijkproef konden vergelijkbare vonkremmende resultaten worden bereikt door een gasmengsel van stikstof en Novec™ 4710 te gebruiken met daarin 20,8 kg Novec™ 4710. De mate waarin een stof bijdraagt aan het versterkt broeikaseffect wordt uitgedrukt in de GWP (global warming potential). De GWP van een stof is gedefinieerd als het opwarmingsvermogen van 1,0 kg van de stof in vergelijking met 1,0 kg $\text{CO}_{2}$ , berekend over een periode van 100 jaar. Om te berekenen welke winst er wordt gehaald met het oog op het broeikaseffect, gaat men uit van een situatie waarbij alle gas uit de schakelaar ontsnapt. Hierbij wordt de bijdrage aan het broeikaseffect omgerekend naar overeenkomende massa $\text{CO}_{2}$ -uitstoot. De GWP-waarde van $\text{SF}_{6}$ is 22 800 terwijl Novec™ 4710 een GWP-waarde van slechts 2100 heeft.

Bereken met hoeveel procent de bijdrage aan het broeikaseffect daalt in de praktijkproef.

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 20

2 punten

maximumscore 2

Een voorbeeld van een juist antwoord is: Bij lage druk is de concentratie van het gas laag / is de afstand tussen de deeltjes groot. Er zullen dan minder / minder vaak botsingen van gasdeeltjes plaatsvinden met andere gasmoleculen / met de contactpunten van de schakelaar. (Waardoor de ionisatie minder / minder vaak optreedt.)

verband gegeven tussen druk en concentratie / tussen druk en afstand tussen de deeltjes [1]
verband gegeven tussen concentratie en aantal botsingen [1]

Opmerking: Een antwoord als het volgende goed rekenen: Bij lage druk is de concentratie van het gas laag. Er zullen dan minder / minder vaak botsingen van gasdeeltjes plaatsvinden met elektronen. (Waardoor de ionisatie minder / minder vaak optreedt.)

Uitleg bij vraag 20

Vraag 21

4 punten

maximumscore 4

Voorbeelden van een juist antwoord zijn: $4 \text{KF} + \text{S} + 2 \text{Br}_{2} + \text{F}_{2} \rightarrow \text{SF}_{6} + 4 \text{KBr}$ $(4 \times 5,67 - 12,25 - 4 \times 3,94) \cdot 10^{5} = -5,33 \cdot 10^{5} (\text{J mol}^{-1})$

links van de pijl uitsluitend KF, S, $\text{Br}_{2}$ en $\text{F}_{2}$ [1]
rechts van de pijl $\text{SF}_{6}$ en KBr en de elementbalans [1]
absolute waarden van de vormingswarmtes en verwerking van de coëfficiënten [1]
rest van de berekening [1]

$4 \text{KF} + \text{S} + 2 \text{Br}_{2} + \text{F}_{2} \rightarrow \text{SF}_{6} + 4 \text{KBr}$ $\Delta E = E_{\text{begin}} - E_{\text{eind}}$ : $4 \times (+5,67 \cdot 10^{5}) - ((-12,25 \cdot 10^{5}) + 4 \times (+3,94 \cdot 10^{5})) = -5,33 \cdot 10^{5} (\text{J mol}^{-1})$

Opmerking: De volgende berekening goed rekenen: $(4 \times 5,67 - 12,25 - 4 \times 3,94) \cdot 10^{5} = -5,33 \cdot 10^{5} (\text{J mol}^{-1})$ .

Uitleg bij vraag 21

Vraag 22

2 punten

maximumscore 2

voorbeelden van argumenten voor de stelling:

Het alternatieve proces verloopt bij een lagere temperatuur.
Het alternatieve proces gebruikt minder (van het giftige) fluor.

voorbeelden van argumenten tegen de stelling:

Het alternatieve proces is minder exotherm / levert minder energie op.
Het alternatieve proces gebruikt (het giftige) broom als grondstof/oplosmiddel.
Het alternatieve proces levert meer afval op.
Het alternatieve proces heeft een lagere atoomeconomie.
Het alternatieve proces gebruikt KF, dat wordt misschien wel geproduceerd met behulp van (het giftige) fluor.
één argument voor de stelling [1]
twee argumenten tegen de stelling [1]

Opmerking: Het volgende argument tegen de stelling goed rekenen: Het alternatieve proces verloopt in veel/meer stappen.

Uitleg bij vraag 22

Vraag 23

4 punten

maximumscore 4

(zie structuurformules in correctievoorschrift)

links van de pijl het koolstofskelet van methylpropaanzuur [1]
links van de pijl de rest van de structuurformule van methylpropaanzuur [1]
rechts van de pijl de structuurformule van Novec™ 4710 consequent met de gegeven structuurformule van methylpropaanzuur [1]
links van de pijl HF en $\text{NH}_{3}$ en rechts van de pijl $\text{H}_{2}$ en $\text{H}_{2}\text{O}$ en de elementbalans [1]

Antwoordmodel vraag 23 Vonkremmers, figuur 1

Uitleg bij vraag 23

Vraag 24

2 punten

maximumscore 2

Een voorbeeld van een juist antwoord is: De ontleding van Novec™ 4710 / De vorming van de elementen is een endotherm proces (dus het is diagram R of S). De activeringsenergie is relatief hoog, dus het is energiediagram S.

endotherm [1]
hoge activeringsenergie en consequente conclusie [1]

Uitleg bij vraag 24

Vraag 25

2 punten

maximumscore 2

Een voorbeeld van een juiste berekening is: De bijdrage aan het broeikaseffect van de standaard schakelaar is $60 \times 22800 = 1,37 \cdot 10^{6}$ . De bijdrage aan het broeikaseffect van de Novec™ 4710-schakelaar is $20,8 \times 2100 = 4,37 \cdot 10^{4}$ . De daling is $\frac{1,37 \cdot 10^{6} - 4,37 \cdot 10^{4}}{1,37 \cdot 10^{6}} \times 10^{2} = 97 (\%)$ .

berekening van de bijdrage aan het broeikaseffect van beide schakelaars [1]
omrekening naar het percentage [1]