Fijnstof - scheikunde

• Scheikunde
• Middelbare school
• vmbo t, mavo, havo, vwo
• Leerjaar 3

De scheikunde van fijnstof

Leerdoelen:

• Hoe kan bij onvolledige verbranding fijnstof ontstaan?
• Hoe ontstaan stikstofoxiden en zwaveldioxide en hoe komen deze in de atmosfeer terecht?
• Hoe reageren stikstofoxiden (NOx), zwaveldioxide (SO2) en ammoniak (NH3) in de atmosfeer zodat uiteindelijk daaruit secundair fijnstof kan ontstaan?

Fijnstof ontstaat bij verbrandingsprocessen in verkeer en industrie

Wat verstaan we in de scheikunde onder verbranding?

Verbranding

• Bij het verbranden van koolwaterstoffen (C_xH_y) ontstaat CO₂ en H₂O wanneer er voldoende zuurstof is.  

• Bij een onvolledige verbranding is er te weinig zuurstof en ontstaat er ook koolstof (C, roet) en koolstofmonoxide (CO)

Verbranding & fijnstof

• Door het samenklonteren van koolstofdeeltjes ontstaan grotere deeltjes en zo fijnstof.
• Dit fijnstof is vaak heel klein, men noem deze categorie ultra fine particles (UFP) en dit is kleiner dan 0,1 micrometer

Verbranding & fijnstof

• De verhouding waarin C, CO, H₂O en CO₂ ontstaan is afhankelijk van de verhouding brandstof en zuurstof.
• De verhouding varieert met de verhouding brandstof en zuurstof

Geef de reactievergelijking voor de onvolledige verbranding van methaan (CH4) waarbij C, CO en H2O ontstaat in de verhouding 1:1:4, er ontstaat geen CO2.

Secundair fijnstof uit stikstofoxiden

• Stikstofoxiden zijn gasvormig en fijnstof zijn vaste deeltjes.
• Toch kan het ontstaan van stikstofoxiden (NO_x) de start zijn van een reeks aan reacties die uiteindelijk ook leidt tot fijnstofvorming. 

Secundair fijnstof uit stikstofoxiden

• Bij een hoge temperatuur in een motor (of tijdens een proces) kan stikstof reageren met zuurstof.
• Deze reactie is endotherm en vindt daarom dus plaats wanneer de temperatuur hoog is. 
• Stikstof (N₂) reageert met zuurstof (O₂) en er wordt NO en NO₂ gevormd

Geef de reactievergelijkingen voor de vorming van NO en NO2

Molecuulnamen

• Molecuulnamen (systematische namen) worden gevormd door voorvoegsels (Griekse telwoorden) gevolgd door de atoomnaam van alle aanwezige atomen.
• Dit Griekse telwoord geeft aan hoeveel atomen van een atoomsoort in een molecuul aanwezig zijn: Het telwoord mono wordt hierbij regelmatig weggelaten (zeker aan het begin van de naam). Zie ook tabel 66C. 

Molecuulnamen

• Voorbeelden:
• CO heet koolstofmono-oxide,
• CO2 heeft de naam koolstofdioxide
• Lachgas (N2O) heeft de systematische naam distikstofmonoxide

Geef de systematische naam van NO en NO2 (gebruik Binas 66C)

NO wordt NO₂ wordt salpeterzuur

• Uiteindelijk ontstaat uit NO ook NO2. En uit NO2 ontstaat weer salpeterzuur. 
• De chemie hierachter is vrij complex, er zijn reacties die onder invloed van licht plaatsvinden en bijvoorbeeld ozon (O3) speelt een belangrijke rol. Het kan ontstaan door reacties met hydroxyl radicalen in de atmosfeer. Maar ook zijn er reacties die ‘s nachts plaatsvinden of deeltjes die in het licht zijn ontstaan die in het donker verder reageren 

NO wordt NO₂ wordt salpeterzuur

• Het salpeterzuur kan ontstaan door de volgende reacties
  
• NO₂ reageert met ozon tot NO₃ en O₂
• NO₃ en NO₂ reageren met elkaar tot N₂O₅
• N₂O₅ reageert met water tot salpeterzuur (HNO₃)
  

Geef de reactievergelijkingen van deze 3 reacties

Geef de systematische naam van N2O5

Salpeterzuur wordt fijnstof

• De uiteindelijke vorming van fijnstof wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van ammoniak (Binas 66B).
• Wanneer er ammoniak aanwezig is reageert salpeterzuur met ammoniak (NH₃) tot ammoniumnitraat. (NH₄NO₃)

Geef de reactievergelijking van de vorming van ammoniumnitraat uit salpeterzuur en ammoniak

Ammoniumnitraat is geen molecuul maar een zout. Het bestaat uit twee samengestelde ionen NH₄⁺ en NO₃^-, het is een vaste stof. De microstructuur van een zout is een stapeling van afwisselend een positief en een negatief ion. 

Ammoniumnitraat (By Ben Mills - Own work, Public Domain)

Meer positief NH₄⁺ en negatief NO₃^- ionen kunnen om en om aansluiten en er kan hierdoor fijnstof ontstaan uit eerder gasvormige deeltjes.

Dit fijnstof wordt secundair fijnstof genoemd. Ammoniumnitraat is een grote component van secundair fijnstof

Ammoniumnitraat (By Ben Mills - Own work, Public Domain)

Fijnstof uit verbranding van zwavelhoudende fossiele brandstoffen (steenkool en aardolie)

• In industriële gebieden ontstaat zwaveldioxide door verbranding van fossiele brandstoffen.
• Veel energie wordt nog steeds opgewekt via steenkool (en aardolie) dat wordt verbrand. 
• Steenkool bevat vaak ook zwavel. Wanneer dit wordt verbrand ontstaat zwaveldioxide (SO₂). 

In de atmosfeer reageert zwaveldioxide met water en zuurstof tot zwavelzuur.
Geef deze reactievergelijking

Fijnstof uit verbranding van zwavelhoudende fossiele brandstoffen (steenkool en aardolie)

• Veel brandstoffen (Nederlands aardgas bijvoorbeeld) worden tegenwoordig eerst zwavelvrij gemaakt voor verbranding
• Er kan ook na verbranding zwaveldioxide uit de rookgassen worden gehaald. Dit noemt men rookgasontzwaveling. Door rookgasontzwaveling wordt echter niet alle zwaveldioxide afgevangen. 

Fijnstof uit verbranding van zwavelhoudende fossiele brandstoffen (steenkool en aardolie)

• Het proces gaat als volgt:
• Wat van het zwaveldioxide reageert met water reageren tot zwaveligzuur (H₂SO₃) maar in contact met water en calciumcarbonaat (CaCO₃) wordt uit beide stoffen (zwaveldioxide en zwaveligzuur) calciumsulfiet (CaSO₃) en koolstofdioxide gevormd. 

Geef deze twee reactievergelijkingen