Kemi A. Højere teknisk eksamen

Transkript

1 Kemi A Højere teknisk eksamen htx102-kem/a Tirsdag den 24. august 2010 kl

2 Kemi A Ved bedømmelsen lægges der vægt på eksaminandens evne til at løse opgaverne korrekt begrunde løsningerne med relevante beregninger, reaktionsskemaer og forklaringer præsentere resultaterne på en overskuelig måde med enheder på alle tal og med afrundede resultater tegne og aflæse grafer inddrage det udleverede bilagsmateriale Ved bedømmelsen vægtes alle spørgsmål ens. De nødvendige data findes i bilag 1, 2 og 3. Hvis der anvendes data, som ikke findes i de vedlagte bilag, anføres kilden. Tirsdag d. 24. august 2010 kl

3 Side 1 af 5 sider pgave 1. pgaven tager udgangspunkt i bilag 1: Halmflyveaske fra affald til gødningsstof. a) Hvor mange ton kaliumsalte kan der maximalt udvindes af 9000 tons halmflyveaske? b) Redegør for fordele og ulemper ved anvendelse af halmflyveaske som gødningsstof. En leverance halmflyveaske på 15 tons har et samlet cadmiumindhold, som svarer til grænseværdien for anvendelse på landbrugsjord. c) Hvor meget cadmium indeholder leverancen? d) pskriv afstemt reaktionsskema for fældning af bly(ii)sulfid. Det forudsættes, at halmflyveaskens store indhold af ioner ikke påvirker fældningen af de tungtopløselige salte. Det er ikke muligt at fjerne al tungmetal ved en fældningsreaktion. e) Bestem restkoncentrationen af cadmium(ii)-ioner ved fældning med calciumhydroxid til en ph på 10.

4 Side 2 af 5 sider pgave 2. Kobberindholdet i en 25 øre bestemmes ved at opløse mønten i en 50 º varm 1,0 M sølvnitratopløsning, hvorved følgende reaktion finder sted: a) Beregn H for reaktionen. Er reaktionen exoterm eller endoterm? Reaktioner forløber spontant ved standardbetingelser, når G er mindre end nul. b) Vis, at reaktionen forløber spontant ved standardbetingelser og temperaturen er 50 º. En 25 øre, der vejer 2,80 g, opløses i 100 ml sølvnitrat. pløsningen fortyndes til 250 ml. Ved en bølgelængde på 600 nm er den molare absorptionskoefficient (ekstinktionskoefficient) ε λ = 0,942 M -1 cm -1 for kobber(ii)-ion i en vandig opløsning. pløsningens absorbans måles i et spektrofotometer ved 600 nm. Målingen gav en absorbans på 0,162. Kuvettebredden er 1 cm. c) Vis, at koncentrationen af kobber(ii) i opløsningen er 0,172M. d) Beregn masseprocenten af kobber i mønten.

5 Side 3 af 5 sider pgave 3. Thalidomid er et mildere sovemiddel, som kom på markedet i Europa omkring Det har dog den kedelige bivirkning, at det kan medføre svære fosterskader, når midlet indtages i den første del af graviditeten. Thalidomid kan fremstilles ud fra glutamin ved følgende syntese: N H 2 H 2 H 2 H H 2 N H glutamin M = 146,14 g/mol + phtalsyreanhydrid M = 148,12 g/mol H N H 2 H H 2 NH 2 + H 2 H N H 2 H H 2 NH 2 katalysator H N H N H 2 H 2 Thalidomid + H 2 a) Marker de funktionelle (karakteristiske) grupper i glutamin og navngiv disse. Benyt svarark. b) Vis, at glutamin findes på 2 isomere former. c) Angiv molekyleformel for Thalidomid og vis, at molarmassen er 258,23 g/mol. Ved en syntese i laboratoriet afvejes 10,0 g glutamin og 10,0 g phtalsyreanhydrid. Udbyttet af Thalidomid var 12,5 g. d) Beregn udbytteprocenten af Thalidomid ved syntesen.

6 Side 4 af 5 sider pgave 4. Phthalsyre anvendes i stor stil indenfor kemikalieindustrien til fremstilling af mange produkter såsom farver, parfume og phthalater. Strukturformlen for phthalsyre ses nedenfor: H H phthalsyre Nedenfor er vist et Bjerrumdiagram for phthalsyre: Bjerrumdiagram for phthalsyre 1,00 0,80 Ys 0,60 0,40 0,20 0,00 0,00 2,00 4,00 ph 6,00 8,00 10,00 a) Bestem de to pk s værdier for phthalsyre ud fra Bjerrumdiagrammet. Benyt svarark. b) Hvilke former findes phthalsyre på ved ph 6. Benyt svarark. Bestem den procentvise fordeling af disse former. Diethylphthalat kan fremstilles ved kondensation af phthalsyre og ethanol. c) pskriv et afstemt reaktionsskema for fremstilling af diethylphthalat.

7 Side 5 af 5 sider pgave 5. Tetrachlorethen er et chloreret opløsningsmiddel, der især blev anvendt i 1970'erne. Stoffet nedbrydes langsomt og siver med regnvandet ned til grundvandet, der således bliver forurenet med stoffet. Tetrachlorethen kan nedbrydes af bakterier til ethen gennem flere reaktionstrin: l l H H l l H H tetrachlorethen ethen Ved en laboratorieundersøgelse af den bakterielle nedbrydning af tetrachlorethen i vand er der fremkommet følgende resultater. Forsøgene er udført ved 25 0 : Tid (døgn) [Tetrachlorethen] (µm) 0 99,8 2 52,1 4 15,6 6 6,60 8 2,70 1,5 a) Vis, at tetrachlorethen nedbrydes som en første ordens reaktion. b) Bestem hastighedskonstanten, k. Grænseværdien for tetrachlorethen i drikkevand er 6, M. c) Hvor lang tid går der inden koncentrationen af tetrachlorethen er nede på grænseværdien? Normalt er gennemsnitstemperaturen i grundvandet Ved denne temperatur er hastighedskonstanten k = 0,101 døgn -1. d) Bestem aktiveringsenergien.

8 Undervisningsministeriet pgaven er produceret med anvendelse af kvalitetsstyringssystemet IS 9001 og miljøledelsessystemet IS 14001

9 Kemi A Højere teknisk eksamen Bilagsmateriale til opgave 1. (30 minutter) Bilag 1 danner baggrund for opgave 1. Der gives 30 minutter til gennemlæsning og diskussion af bilag 1. Det er tilladt at diskutere materialet i grupper. Kl pgaverne udleveres kl htx102-kem/a Tirsdag den 24. august 2010 kl

10

11 Side 1 af 4 sider Bilag 1 Halmflyveaske fra affald til gødningsstof Kommunekemi a/s får halmflyveaske fra Avedøreværket. Kommunekemi a/s har sammen med Dan Gødning A/S udviklet en metode til at fremstille et tungmetalfrit kaliumprodukt ud fra halmflyveaske. Produktet kan anvendes i handelsgødning. Et anlæg til behandling af halmflyveasken har været i drift på Kommunekemi siden foråret Halmafbrænding er almindelig anvendt som energikilde i kraft- og varmeværker. I forbindelse med afbrænding af halm opstår halmflyveaske. Halmflyveasken indeholder store mængder af gødningsstoffet kalium. Desværre indeholder halmflyveasken også så store mængder cadmium og andre tungmetaller, at asken ikke kan udspredes direkte på landbrugsjorden uden en forudgående behandling. Kommunekemi, Avedøreværket og Dan Gødning A/S er gået sammen om at løse problemet. Halmaske Ved afbrænding af halm bliver der ca. 5 masse-% aske. I kedlen skilles asken i en let del halmflyveasken der følger røggassen, og i en tungere del bundasken der samles op i bunden af kedlen. Halmflyveasken udskilles i filtre fra røggassen og udgør ca. 20 masse-% af den samlede askemængde. Den samlede danske mængde af halmaske er omkring tons/år. Heraf udgør halmflyveasken ca tons. Halmasken, og især halmflyveasken, indeholder store mængder kaliumsalte i form af Kl og K2S4. I halmflyveasken kan disse salte udgøre helt op til 90 masse-%. Derudover består halmflyveasken af forskellige andre salte, uopløselige mineraler og uforbrændt kulstof. I tabel 1 ses indholdet af salte og tungmetaller i den halmflyveaske, der modtages på Kommunekemi. Pga. halmaskens høje kaliumindhold er det en politisk målsætning, at så meget aske som muligt skal bruges på landbrugsjorden. Kalium hlorid Sulfat Fosfat P Andet Masse-% admium Arsen Bly hrom Nikkel mg/kg Tabel 1. Typisk indhold af salte samt tungmetaller i halmflyveaske, der modtages hos Kommunekemi.»Andet«er primært uopløselige indholdsstoffer.

12 Side 2 af 4 sider Imidlertid har det vist sig, at halmflyveasken ud over kaliumsaltene også indeholder cadmium i en kritisk mængde, og derudover en række andre tungmetaller som bly, chrom, kviksølv, nikkel, zink og kobber, hvoraf de fleste er uønskede i landbrugsjord. Hvorfor indeholder halmflyveaske cadmium, når asken udelukkende stammer fra forbrænding af ren halm? Det skyldes, at råphosphat naturligt indeholder cadmium. Ved gødskning med phosphorholdige handelsgødninger tilføres landbrugsjorden altså hele tiden en smule cadmium, hvoraf en del optages i planterne. Ved afbrænding ender hovedparten af halmens cadmiumindhold i halmflyveasken, hvor der sker en opkoncentrering. Bioaskebekendtgørelsen Hvis halmflyveaske med cadmium føres tilbage til landbrugsjorden, ophobes der med tiden cadmium i jorden. Der er udarbejdet en Bioaskebekendtgørelse, hvori der står, hvor meget cadmium og andre tungmetaller bioasken må indeholde, hvis den skal bruges på landbrugsjord. Indeholder asken mere end 5 mg d pr. kg, må den ikke bruges på landbrugsjord. Er indholdet lavere, er der forskellige grænseværdier for, hvor meget aske der må spredes. Det betyder, at det i praksis ikke er muligt at anvende halmflyveasken direkte på landbrugsjord, da den stort set altid indeholder mere end 5 mg d pr. kg. Typisk er indholdet 5-20 mg d pr. kg. Eneste mulighed har derfor været at deponere halmflyveasken på lossepladser, hvorved store mængder kaliumgødningssalte går tabt. Det er ikke længere tilladt at deponere asken, da udvaskningen af salte og tungmetaller er for stor. Dermed er der et behov for en behandlingsmetode til halmflyveasken. Fremstilling af Kl-opløsning på Kommunekemi Fremstillingen sker ved at Kl udvaskes fra asken i vand i en 50 m 3 reaktor. Da halmflyveaskens sammensætning kan variere fra leverance til leverance er det nødvendigt at justere ph ved tilsætning af lud (base) eller syre (figur 1).

13 Side 3 af 4 sider Halmflyveaske Vand Udvaskning Hjælpestoffer ph justering Fældning Filtrering Filterkage med tungmetaller til deponering 22 % Klopløsning Figur 1. Fremstilling af Kl-opløsning. Til slut tilsættes fældningskemikalier, så fældningen af tungmetaller bliver komplet. I begyndelsen havde den opslemmede halmflyveaske en ph-værdi på 5,6 og natriumsulfid blev anvendt som fældningskemikalie. En ulempe ved anvendelse af natriumsulfid som fældningskemikalie er afgivelse af den stærkt lugtende og giftige gas dihydrogensulfid. I dag har en opslemning af halmflyveasken en ph-værdi på ca. 8. Der tilsættes a(h) 2 for at øge ph til 10. Ved denne ph kan tungmetallerne filtreres fra uden tilsætning af store mængder fældningskemikalier, idet der ved denne ph dannes tungtopløselige metalhydroxider. I dag anvendes calciumhydroxid som fældningskemikalie. Et eksempel på en fældningsreaktion kan være: Data for opløselighedsprodukter ses i tabel 2. d 2+ (aq) + 2H (aq) d(h) 2 (s) Salt K ved 25 d(h) 2 7, M 3 r(h) 3 6, M 4 Ni(H) 2 5, M 3 ds 7, M 2 PbS 2, M 2 NiS 3, M 2 Tabel 2. pløselighedsprodukter for en række tungtopløselige salte ved 25.

14 Side 4 af 4 sider Når den rigtige mængde kaliumchlorid er opløst, og tungmetalfældningen er komplet, filtreres partiklerne fra på et båndfilter. Den filtrerede opløsning er nu helt klar og kvalitetstjekkes, inden den afsættes til Dan Gødning A/S. Kravene til Kl-opløsningen er, at kaliumindholdet skal være minimum 11,5 masse-% og indholdet af d og andre tungmetaller ikke må overstige 1 mg/kg. Filterkagen, der indeholder de fældede tungmetaller, deponeres på Kommunekemis specialdeponi for farligt affald. Kommunekemis anlæg Et anlæg til fremstilling af en flydende Kl-opløsning har fungeret på Kommunekemi a/s siden I den forbindelse er der indgået aftale med Avedøreværket om levering af halmflyveaske og med Dan Gødning A/S, der kan aftage både den flydende opløsning og de faste salte. Normalt anvender Dan Gødning A/S faste kaliumsalte, der importeres fra Tyskland. Disse salte opløses sammen med andre gødningssalte i vand og afsættes til danske landmænd og gartnere som brugsklare gødningsblandinger. Foreløbig leverer Avedøreværket ca tons aske om året til anlægget, men det forventes, at der efterhånden vil komme mere til fra flere af de halmfyrede fjernvarmeværker. Forfatter til artiklen er cand.scient. Steen Vestervang, Kommunekemi a/s, og artiklen er modificeret efter aftale med lof Malmros, Kommunekemi a/s.

15

16 Undervisningsministeriet pgaven er produceret med anvendelse af kvalitetsstyringssystemet IS 9001 og miljøledelsessystemet IS 14001

17

18 Side 1 af 1 side Bilag 2 Svarark til opgave 3 og 4 Elevens nr. og navn: Skolens/kursets navn: Klasse/hold: Tilsynsførendes underskrift: Besvarelse af opgave 3a N H 2 H 2 H 2 H H N 2 H glutamin Besvarelse af opgave 4a og 4b: Bjerrumdiagram for phthalsyre 1,00 0,80 Ys 0,60 0,40 0,20 0,00 0,00 2,00 4,00 ph 6,00 8,00 10,00

19

20 Side 1 af 1 side Bilag 3 Termodynamiske data (25 º) Navn Formel Molarmasse H S g/mol kj/mol J/(mol K) kj/mol Kobber u 63,55 s 0 33,2 0 Kobber(I)-ion u + 63,55 aq 72,1 40,6 50,3 Kobber(II)-ion u 2+ 63,55 aq 64, ,7 Sølv Ag 107,87 s 0 42,55 0 Sølv(I)-ion Ag + 107,87 aq 105,79 73,45 77,16 Kilde: E.Strandgaard Andersen m. fl.: Databog fysik/kemi, 11. udg. F&K forlaget