opgave 1Hexaan uit cellulose
Wereldwijd is er een toenemende aandacht voor het maken van
biobrandstoffen uit biomassa. Gelet op duurzaamheid verdient het
verbranden van biobrandstoffen de voorkeur boven het verbranden van
fossiele brandstoffen. Zo draagt bijvoorbeeld het verbranden van fossiele
brandstoffen meer bij aan het versterkt broeikaseffect dan het verbranden
van biobrandstoffen.
12pLeg uit dat het verbranden van fossiele brandstoffen een grotere bijdrage
levert aan het versterkt broeikaseffect dan het verbranden van
biobrandstoffen.
Biomassa bestaat voor een groot deel uit cellulose. Onderzoekers hebben
ontdekt dat cellulose kan worden omgezet tot hexaan. Dit experiment is
vereenvoudigd weergegeven in figuur 1. Een kleine reactor werd gevuld
met water, dodecaan (C12H26), cellulose, twee verschillende katalysatoren
en waterstof (figuur 1a). Het reactiemengsel werd vervolgens gedurende
een aantal uren verwarmd, terwijl het krachtig werd geroerd (figuur 1b).
Na het experiment werd het reactiemengsel geanalyseerd.
figuur 1
Tijdens het experiment wordt eerst cellulose gehydrolyseerd tot glucose.
Vervolgens wordt glucose door een reactie met waterstof omgezet tot
hexaan (C6H14) en water. Na de reactie mengt het gevormde hexaan zich
met de laag dodecaan (zie figuur 1c).
Cellulose is een polysacharide die uitsluitend is opgebouwd uit
glucose-eenheden. Op de uitwerkbijlage is de vergelijking van de
hydrolyse van het uiteinde van een cellulosemolecuul onvolledig
weergegeven.
23puitwerkbijlageMaak op de uitwerkbijlage de reactievergelijking compleet van de
hydrolyse van het uiteinde van het gegeven cellulosemolecuul.
− Laat hierbij twee losse moleculen glucose afsplitsen.
− Gebruik structuurformules.
33pGeef de vergelijking in molecuulformules van de reactie van glucose met
waterstof tot hexaan en water.
De vloeistoffen water en dodecaan (C12H26) mengen niet goed (zie
figuur 1a en 1c).
42pGeef hiervoor een verklaring aan de hand van de formule van dodecaan.
Bij een experiment werd 0,50 g cellulose in een mengsel van water,
dodecaan, waterstof en de twee katalysatoren gebracht. Het ontstane
mengsel werd gedurende 12,0 uur geroerd bij een temperatuur van
190 °C. Na 12,0 uur was 2,56·10–3 mol hexaan gevormd.
53pBereken de gemiddelde reactiesnelheid, in mol per L water per seconde,
waarmee hexaan werd gevormd gedurende de reactietijd van 12,0 uur.
− Neem aan dat bij dit experiment 9,5 mL water is gebruikt.
− Geef de uitkomst in het juiste aantal significante cijfers.
Als de temperatuur bij dit experiment hoger zou zijn dan 190 °C, zouden
behalve hexaan ook isomeren van hexaan ontstaan.
62pGeef de structuurformules van twee isomeren van hexaan.
opgave 2Power-to-ammonia
Wind-energie en zonne-energie kunnen nog niet grootschalig worden
opgeslagen in Nederland. Daardoor kunnen deze duurzame
energievormen, wanneer er veel wind of zon is, niet altijd optimaal benut
worden. Op de Technische Universiteit Delft is onderzoek gedaan naar de
mogelijkheid om de energie-overschotten op te slaan in de vorm van
ammoniak (NH3). Deze manier van energieopslag wordt het
‘power-to-ammonia’-proces genoemd en bestaat uit vier stappen:
Stap 1: in een waterstoffabriek worden wind-energie en zonne-energie
gebruikt om water door middel van elektrolyse om te zetten tot
waterstof en zuurstof.
Stap 2: in een luchtscheider wordt stikstof gescheiden van de overige
gassen die in lucht voorkomen.
Stap 3: in een ammoniakfabriek reageert waterstof vervolgens met
stikstof tot ammoniakgas.
Stap 4: ammoniakgas wordt vloeibaar gemaakt en daarna opgeslagen
in tanks.
In figuur 1 is het power-to-ammonia-proces met een vereenvoudigd
blokschema weergegeven.
figuur 1
72pGeef de vergelijking van de vorming van ammoniakgas (stap 3).
82pBeschrijf op microniveau het vloeibaar worden van ammoniakgas.
In tijden waarin te weinig elektriciteit kan worden opgewekt uit zon of wind
kan de opgeslagen ammoniak weer worden omgezet tot energie, door de
ammoniak als brandstof te gebruiken in elektriciteitscentrales.
Dit verloopt als volgt:
Stap 5: vloeibare ammoniak wordt gasvormig gemaakt.
Stap 6: ammoniakgas wordt onder gecontroleerde omstandigheden
verbrand tot stikstof en water in een daarvoor geschikte
elektriciteitscentrale.
In figuur 2 is het gehele proces met een vereenvoudigd blokschema
weergegeven.
figuur 2
92pLeg uit of gasmengsel X (stap 2) in plaats van gas Y gebruikt kan worden
om de gewenste stoffen in stap 6 te produceren.
Stap 6 vindt plaats onder gecontroleerde omstandigheden, waardoor
minder ongewenste bijproducten ontstaan. Deze stap kan netto worden
weergegeven met de volgende vergelijking:
4 NH3 (g) + 3 O2 (g) → 2 N2 (g) + 6 H2O (l)
De reactiewarmte van reactie 1 is –3,83∙105 J per mol NH3.
101pGeef de formule van een ongewenst bijproduct dat zou kunnen ontstaan
bij verbranding van ammoniakgas.
113pLaat met een berekening zien dat de reactiewarmte van reactie 1 gelijk is
aan –3,83∙105 J per mol NH3. Gebruik Binas-tabel 57 of
ScienceData-tabel 9.2.
(kilowattuur) aan elektriciteit.
124paan elektriciteit op te wekken. Gebruik hierbij onder andere de volgende
gegevens:
− 60 procent van de reactiewarmte van reactie 1 wordt omgezet in
elektriciteit.
Waterstof die in stap 1 ontstaat, zou in principe ook als brandstof voor
een elektriciteitscentrale kunnen dienen. Toch geeft men kennelijk de
voorkeur aan vloeibare ammoniak boven vloeibare waterstof om
overtollige wind- en zonne-energie in op te slaan.
132pNoem een voordeel van het gebruik van vloeibare ammoniak ten opzichte
van het gebruik van vloeibare waterstof voor dit doeleinde. Licht je
antwoord toe.
Ga verder op de volgende pagina.
opgave 3Goede wijn
Wijn kan bederven doordat stoffen in de wijn door micro-organismen
worden omgezet. Wijn kan bijvoorbeeld zuur gaan smaken doordat
azijnzuurbacteriën, die in wijn aanwezig zijn, ethanol omzetten tot
azijnzuur (C2H4O2). De reactie die daarbij optreedt, is een redoxreactie
waarbij ethanol als reductor reageert.
143pGeef de vergelijking in molecuulformules van de halfreactie waarbij
ethanol met water wordt omgezet tot azijnzuur en H+-ionen.
Aan wijn wordt vaak ‘sulfiet’ toegevoegd, waarmee onder meer oxidatie,
kleur en bacteriegroei tijdens het maken van de wijn worden beïnvloed.
De naam sulfiet wordt gebruikt om een aantal zwavelhoudende
verbindingen aan te duiden.
De toegestane hoeveelheid sulfiet in wijn is wettelijk geregeld. Een witte
wijn bijvoorbeeld, mag maximaal 200 mg sulfiet per liter bevatten.
152pBereken of een persoon die 65 kg weegt door het drinken van twee
glazen witte wijn de ADI-waarde van sulfiet overschrijdt.
Neem aan dat:
− de ADI-waarde van sulfiet 0,70 mg per kg lichaamsgewicht is;
− een glas 120 mL witte wijn bevat;
− de witte wijn 200 mg sulfiet per liter bevat;
− de persoon behalve het sulfiet uit twee glazen witte wijn, geen ander
sulfiet binnenkrijgt.
Omdat sulfiet in verband wordt gebracht met gezondheidsklachten,
worden alternatieven onderzocht. Een van deze alternatieven is het
gebruik van chitosan. Chitosan is een vaste stof die wordt gemaakt door
een reactie van chitine met natronloog. In figuur 1 op de volgende
bladzijde is de structuurformule van een fragment chitine (fragment-a) en
een mogelijke structuurformule van een fragment chitosan (fragment-b)
weergegeven.
Bij de reactie van chitine met natronloog worden acetaationen (CH3COO–)
afgesplitst, waarbij NH2-groepen worden gevormd. De
reactieomstandigheden bepalen het aantal acetaationen dat van de
chitinemoleculen wordt afgesplitst, en daarmee het gemiddelde aantal
NH2-groepen dat per molecuul chitosan wordt gevormd.
figuur 1
fragment-a
(chitine)
fragment-b
(chitosan)
De reactie waarbij het fragment chitine (fragment-a) met natronloog wordt
omgezet tot het fragment chitosan (fragment-b), kan schematisch worden
weergegeven als:
fragment-a + … X → fragment-b + … CH3COO–
Deze vergelijking is nog onvolledig: twee coëfficiënten en één formule (X)
ontbreken.
162pNeem de onvolledige vergelijking over en vul de ontbrekende gegevens
aan.
Als de reactie wordt stopgezet zijn nog niet alle mogelijke NH2-groepen
gevormd.
172pGeef twee mogelijke veranderingen in de reactieomstandigheden
waardoor de gevormde moleculen chitosan gemiddeld meer NH2-groepen
kunnen bevatten. Ga ervan uit dat:
− de hoeveelheid chitine steeds gelijk is;
− de reactie telkens wordt stopgezet na dezelfde reactietijd.
Wijn bestaat voornamelijk uit water, en heeft een pH van ongeveer 3,5.
183pBereken hoeveel mol H+ is opgelost in 220 L wijn met pH = 3,5.
Geef de uitkomst in het juiste aantal significante cijfers.
Bij een pH van 3,5 worden de
NH2-groepen in de moleculen chitosan
omgezet tot NH3+-groepen. Door de
vorming van NH3+-groepen wordt
chitosan oplosbaar in wijn. Om te
voorkomen dat het oplost in wijn, wordt
chitosan vooraf behandeld met
genipine. De structuurformule van
genipine is hiernaast weergegeven.
Genipine is een ester.
192pGeef de structuurformule van de alcohol waaruit door verestering genipine
kan worden gevormd.
In figuur 2 is schematisch en vereenvoudigd de structuur weergegeven
van chitosan dat is behandeld met genipine. De ketens van chitosan zijn
in dit stukje verbonden met twee genipine-eenheden, die met G zijn
weergegeven.
figuur 2
202pLeg uit waarom de oplosbaarheid van chitosan in wijn wordt verlaagd door
binding met genipine.
De antibacteriële werking van chitosan blijkt onder meer veroorzaakt te
worden doordat chitosan ijzerionen bindt. IJzerionen zijn van nature in
wijn aanwezig en spelen een rol in het functioneren van bepaalde
enzymen van de azijnzuurbacteriën. Een enzym is een biokatalysator.
212pGeef twee eigenschappen van een enzym die kenmerkend zijn voor het
functioneren ervan.
Ga verder op de volgende pagina.
opgave 4NLES
Natriumlaurylethersulfaat (NLES) is een synthetische zeep die wordt
toegepast in textielwasmiddelen en in shampoos. NLES is opgebouwd uit
natriumionen en laurylethersulfaat-ionen (LES–-ionen).
NLES is oplosbaar in water. De reinigende werking van NLES berust op
de structuur van LES–-ionen. In figuur 1 zijn de structuurformule
(figuur 1a), de ion-formule (figuur 1b) en de schematische notatie van het
LES–-ion (figuur 1c) weergegeven.
figuur 1
In figuur 2 is de reinigende werking van NLES schematisch weergegeven:
− Een groepje vuilmoleculen dat aanwezig is op een textielvezel wordt
omringd door LES–-ionen (figuur 2a).
− Het ‘vuil-LES–-deeltje’ dat daarbij ontstaat, laat vervolgens los van de
textielvezel en gaat tussen de watermoleculen zitten (figuur 2b).
figuur 2
222pGeef de naam van het type binding dat in figuur 2b gevormd is tussen de
vuilmoleculen en de LES–-ionen. Licht je antwoord toe op microniveau.
NLES kan worden geproduceerd uit palmpitolie. Bij de productie van
NLES wordt uit palmpitolie eerst dodecaan-1-ol (C12H25OH) gemaakt.
Dodecaan-1-ol wordt vervolgens omgezet tot NLES. In figuur 3 zijn de
stappen van de productie van dodecaan-1-ol vereenvoudigd in een
blokschema weergegeven.
figuur 3
Stap 1: palmpitolie wordt gehydrolyseerd tot vetzuren en glycerol,
waarbij de glycerol wordt afgescheiden.
Stap 2: de vetzuren worden vervolgens met methanol omgezet tot
esters en water. De ontstane waterlaag wordt afgevoerd.
Stap 3: de esters worden met waterstof omgezet tot alcoholen,
waaronder dodecaan-1-ol en methanol. De methanol wordt
direct afgescheiden.
Stap 4: dodecaan-1-ol wordt vervolgens gescheiden van de resterende
alcoholen.
In figuur 4 is een voorbeeld van een vet dat in palmpitolie voorkomt in
structuurformule weergegeven.
figuur 4
Bij de hydrolyse van dit vet (stap 1) ontstaan glycerol, dodecaanzuur
(C12H24O2) en één ander vetzuur.
232pGeef de structuurformule van dit andere vetzuur.
Geef het koolwaterstofgedeelte op dezelfde wijze weer als in figuur 4.
De scheiding in stap 4 vindt plaats op basis van verschil in kookpunt.
241pGeef de naam van de scheidingsmethode die wordt gebruikt in stap 4.
Uitgaande van figuur 3 is het aannemelijk dat bepaalde stoffen worden
gerecirculeerd.
251pGeef de naam van een van deze stoffen en vermeld de recirculatie.
Noteer je antwoord als volgt:
De stof … wordt na stap … teruggevoerd naar stap ….
Dodecaan-1-ol wordt vervolgens omgezet tot NLES. Dit is met een
onvolledig blokschema weergegeven in figuur 5.
figuur 5
Stap 5: dodecaan-1-ol reageert met etheenoxide tot lauryletheralcohol
volgens C12H25OH + 3 C2H4O → C12H25(OC2H4)3OH.
Stap 6: lauryletheralcohol reageert met zwaveltrioxide tot
laurylethersulfonzuur (C12H25(OC2H4)3OSO3H).
Stap 7: laurylethersulfonzuur wordt met een natriumhydroxide-oplossing
omgezet tot een oplossing van NLES.
De reactor waarin stap 5 plaatsvindt, wordt op een constante temperatuur
gehouden.
262pGeef aan of de reactie van stap 5 endotherm of exotherm is. Licht je
antwoord toe met een gegeven uit figuur 5.
De vergelijking van de omzetting van laurylethersulfonzuur (stap 7) is als
volgt: C12H25(OC2H4)3OSO3H + OH– → C12H25(OC2H4)3OSO3– + H2O
272pLeg uit, aan de hand van formules in deze vergelijking, dat deze
omzetting van laurylethersulfonzuur een zuur-basereactie is.
283pBereken hoeveel ton palmpitolie minimaal nodig is voor de productie van
1,0 ton NLES.
Gebruik de volgende gegevens:
− De molaire massa van NLES is 421 g mol–1.
− Uit 2,0 mol palmpitolie ontstaat 3,0 mol NLES.
− De (gemiddelde) molaire massa van palmpitolie is 710 g mol–1.
