Chemische reacties

Bij de analyse van energiesystemen moet rekening worden gehouden met optredende chemische reacties. Tijdens deze reacties reageren atomen en/of moleculen met zichzelf of met elkaar tot andere moleculen. N.B.: tijdens chemische reacties veranderen de atoomkernen niet! De isotopen van een element gedragen zich chemisch precies gelijk. Bijvoorbeeld:

H₂ + 1/2 O₂ → H₂O

C₂H₄ + C₂H₄ → C₄H₈

Moleculen kunnen ook reageren tot (uiteenvallen in) hun samenstellende atomen. Bijvoorbeeld:

H₂O → H₂ + 1/2 O₂

De samenstellende atomen blijven altijd de samenstellende atomen: in elke chemische reactie moet de elementenbalans voor elk element kloppen. Voor de algemene reactie:

nA + mB ⇔ pC + qD

moet dus voor alle soorten elementen gelden dat de som van het aantal atomen (respectievelijk C, O, H, N, S, Al, enz.) in stof A en B gelijk is aan de som van het aantal atomen (respertievelijk C, O, H, N, S, Al, enz.) in stof C en D.

Omdat atomen altijd in vaste verhoudingen aanwezig zijn in moleculen (wet van vaste verhoudingen) en omdat elk atoom een vast atoomgewicht heeft (uit te drukken in de atomaire massaeenheid u), zou aan chemische reacties gerekend kunnen worden in de eenheid u. Echter, omdat het in een chemisch laboratorium niet gemakkelijk is om een portie atomen of specifiek aantal moleculen af te meten, maar wél een hoeveelheid massa, zijn de begrippen mol en molmassa geïntroduceerd.

Reactiestoichiometrie

De verhouding waarin stoffen, moleculen, met elkaar reageren wordt de reactiestoichiometrie genoemd en wordt uitgedrukt als molverhouding.

Voor de verbranding van zuiver methaan:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

is de molverhouding CH₄:O₂ gelijk aan twee, terwijl de molverhouding CH₄:CO₂ gelijk aan één is. Er wordt in dit geval gezegd dat de reactiestoichiometrie CH₄:O₂ gelijk is aan 1:2.

Let op: doordat het molgewicht van CH₄ 16 g/mol en van CO₂ 44 g/mol is, is de massaverhouding CH₄:CO₂ in deze reactie 16:44 = 1:44/16 = 2,75. Bij de verbranding van elke ton zuiver methaan (CH₄) ontstaat dus 2,75 ton kooldioxide (CO₂).

De reactiestoichiometrie, kortweg stoichiometrie, en het feit dat van elke soort atomen het aantal links en rechts van de pijl gelijk moet zijn, kan gebruikt worden om:
• te controleren of een gegeven reactievergelijking klopt en om
• voor een gegeven reactie een kloppende reactievergelijking op te stellen.

Anders gezegd: de boekhouding van een chemische reactie moet kloppen.

De reactievergelijking C₈H₁₈ + 8 O₂ → 8 CO₂ + 8 H₂O klopt overduidelijk niet. Octaan heeft 8 koolstofatomen. Die reageren inderdaad tot 8 CO₂, maar octaan heeft per molecuul ook 18 waterstofatomen, die reageren tot 9 H₂O en daarvoor is 4,5 (mol) O₂ nodig. De kloppende reactievergelijking is dus: C₈H₁₈ + 12,5 O₂ → 8 CO₂ + 9 H₂O.

Verbrandingsreacties betreffen veelal koolwaterstoffen. Bestaan deze uit alleen koolstof en waterstof, dan kan de volgende algemene vergelijking worden opgesteld voor de verbrandingsreactie:

C_xH_y + (x + y/4) O₂ → x CO₂ + y/2 H₂O

Het werken met reactievergelijkingen is handig in systeemanalyse, omdat het niet uitmaakt in wat voor soort systeem de reactie plaatsvindt. Weliswaar is de uitvoering van de verbrandingsreactie van suiker in een menselijk lichaam heel anders dan wanneer suiker verbrand wordt in een oven, maar de reactievergelijking is hetzelfde. De volledige afbraak van organisch afval (bijvoorbeeld lozing van melasse) in een meer vraagt precies evenveel zuurstof als verbranding van dit organisch afval.

Overmaat en ondermaat

De begrippen overmaat en ondermaat zijn gerelateerd aan de reactiestoichiometrie.
• Als voor een reactiemengsel de reactanten in precies de juiste (mol)verhouding aanwezig zijn, dan is er sprake van overmaat noch ondermaat. Bijvoorbeeld als de molverhouding CH₄ en O₂ gelijk is aan 1:2 dan is er overmaat noch ondermaat voor de verbrandingsreactie van methaan. De volledige verbranding van een brandstof met precies genoeg zuurstof wordt een stoichiometrische verbranding of een verbranding met de stoichiometrische hoeveelheid zuurstof genoemd.
• Is de verhouding echter gelijk aan 1:4, dan wordt gesproken van een overmaat zuurstof. Er is dan meer zuurstof aanwezig in het reactiemengsel dan nodig om de methaan geheel te verbranden. Als de reactie is verlopen, zal het productmengsel onvermijdelijk nog zuurstof bevatten.
• In hetzelfde geval, molverhouding CH₄:O₂ gelijk aan 1:4, wordt gesproken van een ondermaat methaan. Er is onvoldoende methaan aanwezig in het reactiemengsel om alle zuurstof weg te laten reageren.

In de industrie wordt veel gebruik gemaakt van overmaat cq. ondermaat om zo het verloop en de evenwichtsligging van reacties gunstig te beïnvloeden. Hierop wordt ingegaan in het vak TB243E, Analyse van industriële systemen.

Molbalansen

Zoals eerder behandeld, reageert methaan met zuurstof (uit lucht) tot kooldioxide en water:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Dit is een kloppende reactievergelijking doordat de elementenbalans of molbalans voor zowel koolstof, waterstof als zuurstof klopt: het aantal atomen koolstof, waterstof en zuurstof links van de pijl is steeds gelijk aan het aantal rechts van de pijl. Hun combinatie, de moleculen waarin ze voorkomen, is veranderd door de reactie.

Om uit te kunnen rekenen hoeveel kilogram CO₂ er per kilogram CH₄ ontstaat, is het nodig om zo'n kloppende reactievergelijking te hebben en dat gerekend wordt met het molgewicht. In feite is het kloppend maken van een chemische reactievergelijking een probleem van lineaire algebra: een stelsel van lineaire vergelijkingen oplossen.

Voor verbrandingsreacties, reacties met koolwaterstoffen, is in het algemeen de vergelijking kloppend te maken door eerst te kijken naar de molbalans voor C (het aantal molen C links en rechts van de reactiepijl), vervolgens naar de molbalans van waterstof H en daarna zuurstof O.

Als bijvoorbeeld de belasting van een afvalwaterzuiveringsinstallatie (awzi) bekend is, m.a.w.: hoeveel organische stoffen er in een kubieke meter rioolwater zitten, hoeveel rioolwater de installatie verwerkt, dat het zuiveringsrendement bijvoorbeeld 90% is en wat de dagelijkse productie van zuiveringsslib is, dan kan met de kennis van afvalwaterzuivering een schatting gemaakt worden van de CO₂-uitstoot. Er kan bijvoorbeeld aangenomen worden dat zuiveringsslib bestaat uit organisch materiaal (de netto groei aan biomassa van de micro-organismen die de organische vervuiling omzetten) en dat de rest van het organische materiaal door diezelfde micro-organismen wordt verbrand tot CO₂ en water.