Practicum Katalyse/GC

• Scheikunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 5

Practicum Heterogene katalyse

Doel van de voorbereidingsles

• je kent het belang van heterogene katalyse
• je kunt de werking van een heterogene katalysator uitleggen
• je kent het principe van gaschromatografie (GC)
• je kunt uitleggen wat het nut is van temperatuurprogrammering
• je kunt uit de resultaten van de GC concentraties berekenen
• je kent de inhoud van het practicum

Het belang van katalyse

Waarom wordt er onderzoek gedaan aan katalysatoren?

Wat heeft de maatschappij hieraan?

Waarom is katalyse belangrijk voor onze welvaart? Door gebruik van katalysatoren....

1. kunnen er veel meer verschillende producten gemaakt worden
2. kosten processen minder energie
3. wordt vorming en uitstoot van stikstofoxiden verminderd
4. kan biomassa gebruikt worden als brandstof

Hoe werkt een katalysator?

Een katalysator

• wordt niet verbruikt
• verhoogt de reactiesnelheid
• verlaagt E_act (reactie kan verlopen bij lagere T)
• maakt soms een andere "route" mogelijk

Heterogene katalysator

de katalysator heeft niet dezelfde fase als de reagerende stoffen

Onderzoeksvraag practicum

Wat is de effectiviteit van verschillende heterogene katalysatoren bij de katalytische verbranding van methaan?

methaan draagt meer bij aan broeikaseffect dan CO₂

--> dus methaan verbranden

--> +katalysator --> T<  -->  dE< 

Katalysatoren

Het dragermateriaal is Al₂O₃, met aan het oppervlak één van de volgende katalysatoren:

1. platina (Pt)
2. palladium (Pd)
3. koperoxide (CuO)
4. blanco

Opzet van het onderzoek

1. verschillende katalysatoren testen in een proefopstelling waarin de reactie plaatsvindt
2. concentraties van reactieproducten meten in een meetopstelling (gaschromatograaf)

Elke groep test 1 soort katalysator en/of de blanco (in duplo?)

Er zijn 8 groepen van maximaal 3 lln per groep

1. proefopstelling

Begin:

• 60 mL lucht in Reactantspuit
• 0 mL gas in Productspuit

VRAAG:

1. Hoeveel mL gas zit er in spuit R als er 40 mL in spuit P zit?
2. Wat is er aan de hand als er op dat moment maar 10 mL gas in
   spuit R zit? 

Reactant

spuit

=

begin

stoffen

Product

spuit

=

reactie

producten

voorbereiding

verwarm de katalysator in de buis en trek daarna 60 mL lucht van spuit R naar P

VRAAG:

Waarom is deze stap nodig?Moet dit ook met de blanco?

Reactant

spuit

Product

spuit

experiment

Vul buis R met methaan

Maak de opstelling (lekvrij!)

Verwarm de katalysator

Trek het gas van R naar P

VRAAG: wat gebeurt er met het gas in spuit R (en P) als je ze niet snel genoeg sluit?

Reactant

spuit

Product

spuit

experiment

VRAAG: 

waarom is het van belang om de hoogte van de statiefklemmen en de kleur van de vlam nauwkeurig te bepalen?

Reactant

spuit

Product

spuit

experiment

VRAAG: 

Na afloop van de proef is het buisje vaak beslagen. Hoe is dit te verklaren?

Reactant

spuit

Product

spuit

2. meetopstelling

Het gasmengsel van spuit P wordt na elk experiment geanalyseerd door middel van gaschromatografie

Deze versie heeft een temperatuur-geprogrammeerde oven

temperatuur-geprogrammeerde oven

• de kolom is kouder dan de kamer waarin je het gas injecteert
• hierdoor condenseren stoffen met grote moleculen zodra ze bij de kolom komen
• kleine moleculen blijven gasvormig en komen eerder uit de kolom
• Bij DIT EXPERIMENT vindt de scheiding in de kolom vooral plaats door verschil in KOOKPUNT (ipv verdelingsevenwicht)

geen interne standaard

Er wordt bij dit experiment GEEN interne standaard toegevoegd. Je kunt dus GEEN concentraties berekenen, WEL de VERHOUDING tussen de pieken bij de verschillende experimenten

Welke piek is wat?

VRAAG:

1. Wat zijn de kookpunten van de stoffen in dit experiment (O2/CO/CH4/CO2)
2. Verwacht je een stijging of daling van deze pieken in P?
3. Welke stof ontbreekt? Waarom zal je die niet goed meten?

voorbeeld van een chromatogram

Verwerking resultaten en conclusie

Van alle katalysatoren de resultaten verzamelen (incl. duplo's)

Piekhoogtes normaliseren (->hoogte piek = 1, rest relatief)

VRAAG:

Welke katalysator heeft het beste rendement? (meeste CH4 omgezet)

Overige vragen om tot de beste keuze (=conclusie) te komen:

Welke katalysator is het goedkoopst?

Welke katalysator heeft de minste neven-reacties?