opgave 2GelCORE
Het hoornvlies is het doorzichtige, voorste deel van de oogbol waardoor
het licht het oog binnenkomt. Een beschadiging van het hoornvlies is
pijnlijk. Onderzoekers hebben het middel GelCORE ontwikkeld, waarmee
een beschadigd hoornvlies tijdelijk kan worden afgedekt. GelCORE bevat
de stof GelMA. GelMA wordt gemaakt van het eiwit gelatine. Een aantal
aminozuureenheden dat veel in gelatine voorkomt, is vermeld in tabel 1.
tabel 1
De onderzoekers maakten GelMA door aan een oplossing van gelatine in
water druppelsgewijs een grote overmaat van de stof MAA toe te voegen.
Daarbij treedt de reactie op die in figuur 1 schematisch is weergegeven.
figuur 1
De restgroepen van gelatinemoleculen bevatten OH-groepen. Figuur 1
toont de reactie van MAA-moleculen met een van deze OH-groepen.
Hierbij ontstaat een estergroep. De restgroepen van gelatinemoleculen
bevatten ook NH2-groepen die op een vergelijkbare manier reageren met
MAA-moleculen. Bij deze reactie met een NH2-groep ontstaat in plaats
van de estergroep een amidegroep. Op de uitwerkbijlage is een
vergelijking van deze reactie onvolledig weergegeven.
82puitwerkbijlageMaak de reactievergelijking op de uitwerkbijlage compleet. Doe dit met
behulp van figuur 1.
92pGeef aan welke twee aminozuureenheden uit tabel 1 met MAA-moleculen
kunnen reageren.
Door de reactie van de restgroepen van de gelatinemoleculen met
MAA-moleculen verandert de pH van het reactiemengsel.
102pLeg uit of de pH door deze reactie van de restgroepen hoger of lager
wordt. Gebruik figuur 1.
Omdat de stof MAA slecht oplost in water, ontstaat bij het maken van
GelMA een emulsie. Door stevig roeren worden de MAA-druppels kleiner.
112pLeg uit dat de reactie van gelatine met MAA sneller verloopt wanneer de
MAA-druppels kleiner zijn. Doe dit aan de hand van het
botsende-deeltjesmodel.
Door GelMA in water op te lossen met onder andere tri-ethanolamine
(TEA) en n-vinylcaprolactam (VC), ontstaat een mengsel dat GelCORE
wordt genoemd. In figuur 2 zijn de structuurformules van TEA en VC
weergegeven.
figuur 2
Met GelCORE kan een beschadiging aan het hoornvlies van een oog
tijdelijk worden afgedekt. Wanneer GelCORE wordt beschenen met licht,
treedt polymerisatie op tussen de C=C-groepen van GelMA-moleculen en
de C=C-groepen van VC-moleculen. Door deze reactie ontstaan
crosslinks en ontstaat een netwerk. Hierbij wordt GelCORE hard.
Op de uitwerkbijlage is de reactie van GelMA met VC onvolledig en deels
schematisch weergegeven. Het VC-molecuul is hier met een
vereenvoudigde structuurformule weergegeven. Een gedeelte van een
crosslink is na de pijl onvolledig weergegeven.
123puitwerkbijlageMaak op de uitwerkbijlage de structuurformule van het gedeelte van de
crosslink compleet.
− Dit gedeelte moet één GelMA-eenheid en één VC-eenheid bevatten.
− Gebruik de vereenvoudigde weergave van een VC-eenheid.
Na verloop van tijd heeft het hoornvlies zich hersteld en breekt het
lichaam de uitgeharde GelCORE af. De biologische afbreekbaarheid van
GelCORE werd onderzocht met behulp van het enzym collagenase. Dit
enzym hydrolyseert onder andere peptidebindingen tussen de
aminozuureenheden Ala en Gly in het fragment ~Ala-Gly-Pro~ van de
uitgeharde GelCORE.
134pTeken de structuurformule van het eiwitfragment ~Ala-Gly-Pro~. Gebruik
Binas-tabel 67H1 of ScienceData-tabel 13.7c.
opgave 3Zuurstofproductie op Mars
Om in de verre toekomst op de planeet Mars te kunnen wonen, is het
belangrijk dat daar zuurstof kan worden geproduceerd. De atmosfeer van
Mars bevat namelijk nauwelijks zuurstof, maar wel koolstofdioxide.
Op 20 april 2021 is er door de Marsrobot Perseverance (figuur 1a) voor
het eerst zuurstof geproduceerd uit koolstofdioxide dat aanwezig is in de
atmosfeer van Mars.
De Perseverance bevat een ‛solid oxide electrolyzer’ (SOXE). In de
SOXE wordt met behulp van elektrische energie koolstofdioxide omgezet
tot onder andere zuurstof (figuur 1b).
figuur 1
1a
Aan elektrode A wordt CO2 omgezet tot CO volgens:
Aan elektrode B ontstaat zuurstof volgens:
Halfreactie 2 is onvolledig. In halfreactie 2 ontbreken elektronen en
coëfficiënten. Op de uitwerkbijlage is halfreactie 1 weergegeven.
144puitwerkbijlageVoer de volgende opdrachten op de uitwerkbijlage uit:
− Neem halfreactie 2 over, zet e– aan de juiste kant van de pijl en maak
de vergelijking kloppend.
− Leid met behulp van halfreactie 2 en halfreactie 1 de vergelijking af
van de totale reactie die in de SOXE optreedt.
Het elektrolyt is YSZ: een afkorting van yttrium gestabiliseerd
zirkoniumoxide. Yttrium en zirkonium zijn elementen met de symbolen Y
en Zr. YSZ is op te vatten als een mengsel van de zouten Y2O3 en ZrO2.
YSZ is een vaste stof die oxide-ionen (O2–) doorgeeft. De O2–-ionen
worden het best doorgegeven bij de massaverhouding
Y2O3: ZrO2 = 1,0: 6,3.
154pBereken in welke molverhouding Y2O3 en ZrO2 aanwezig zijn bij deze
massaverhouding:
− De molaire massa van ZrO2 is 123 g mol–1.
− Geef de uitkomst weer als: Y2O3: ZrO2 = 1,0: …
− Geef de uitkomst in het juiste aantal significante cijfers.
Het elektrolyt YSZ is ook onderdeel van elektrode A. Elektrode A is
poreus en is opgebouwd uit poederdeeltjes nikkel (Ni) die zijn versmolten
met poederdeeltjes YSZ (figuur 2). Deze opbouw van elektrode A zorgt
ervoor dat de snelheid waarmee zuurstof geproduceerd wordt, optimaal is.
figuur 2
Maud en Bryn bediscussiëren of de weergave van elektrode A in figuur 2
een weergave op microniveau is. Bryn stelt dat de donker gekleurde
bolletjes nikkel-atomen kunnen voorstellen. Maud stelt dat de witte
bolletjes nooit een weergave van YSZ op microniveau kunnen zijn.
161pGeef een argument dat de stelling van Maud ondersteunt.
Het is belangrijk dat de Ni-deeltjes en YSZ-deeltjes goed gemengd zijn.
Om halfreactie 1 te laten verlopen, moet een molecuul CO2 namelijk
zowel de Ni-deeltjes als de YSZ-deeltjes raken.
172pLeg uit op microniveau waarom halfreactie 1 alleen kan verlopen als een
molecuul CO2 zowel Ni-deeltjes als YSZ-deeltjes raakt. Noteer je
antwoord als volgt:
− Contact met Ni-deeltjes is nodig, omdat …
− Contact met YSZ-deeltjes is nodig, omdat …
Eén SOXE produceert 4,7·10–5 mol zuurstof per seconde. Volgens
ruimtevaartorganisatie NASA heeft een astronaut 0,84 kg zuurstof per dag
nodig.
184pBereken hoeveel SOXE’s nodig zijn om één astronaut gedurende een dag
van zuurstof te voorzien. Geef de uitkomst in een geheel aantal
SOXE’s.
opgave 4Groen staal
Staal is een legering die bestaat uit ijzer en koolstof. Staal wordt
geproduceerd uit ijzererts (Fe2O3) en steenkool. De productie van staal in
het traditionele hoogovenproces (figuur 1) kan worden samengevat met
de volgende stappen:
IJzererts wordt vermalen en gemengd
met hulpstoffen. Door verhitting van
dit mengsel ontstaan zogenaamde
ijzererts-pellets. Steenkool wordt
verhit en samengeperst tot cokes, die
voornamelijk uit koolstof bestaat.
stap II:
De hoogoven wordt gevuld met lagen
ijzererts-pellets en cokes, waarna
hete lucht wordt ingeblazen. Een deel
van de cokes reageert met zuurstof
uit de lucht, waardoor koolstofmono-
oxide (CO) ontstaat. Fe2O3 reageert
met CO. Uit de onderzijde van de
hoogoven komt een mengsel
van ijzer met nog 4 tot 5
massaprocent koolstof.
stap III:
In een afzonderlijke reactor reageert
een deel van de koolstof in het
mengsel met zuiver zuurstof, waardoor uiteindelijk staal met
2,0 massaprocent koolstof ontstaat.
De belangrijkste reacties in stap II zijn:
Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO2
Reactie 1 en 2 zijn beide exotherm, waardoor de temperatuur van de
hoogoven oploopt tot 2197-2397 °C. Op de uitwerkbijlage staat een tabel
over ijzer.
192puitwerkbijlageVul in de tabel op de uitwerkbijlage de vier ontbrekende gegevens in en
geef aan in welke fase de stof ijzer zich bevindt in het mengsel dat de
hoogoven verlaat. Gebruik Binas-tabel 40a of ScienceData-tabel 8.1.
De productie van staal in een traditionele hoogoven levert een hoge
CO2-uitstoot op. Het grootste deel van deze uitstoot ontstaat in stap II
door reactie 2.
204pBereken de CO2-uitstoot door reactie 2 in ton per 1,00 ton gevormd staal.
− 1,00 ton = 1,00·103 kg
− Ga ervan uit dat het gevormde staal 2,00 massaprocent koolstof bevat.
− Geef de uitkomst in het juiste aantal significante cijfers.
Om de CO2-uitstoot te verminderen, is het MIDREX-proces ontwikkeld.
Het MIDREX-proces doorloopt dezelfde stappen als het traditionele
hoogovenproces, maar het MIDREX-proces gebruikt methaan in plaats
van cokes. Door methaan eerst te laten reageren met stoom, ontstaat
syngas, een mengsel van waterstof en koolstofmono-oxide.
213pGeef de vergelijking voor de vorming van syngas uit methaan en stoom.
In de hoogoven die voor het MIDREX-proces wordt gebruikt, reageert
ijzererts in stap II (de hoogoven) met het syngas volgens reactie 2 en
reactie 3.
Fe2O3 (s) + 3 H2 (g) → 2 Fe (s) + 3 H2O (g)
Een nadeel van deze methode is dat reactie 3 endotherm is.
223pBereken de reactiewarmte van reactie 3 per mol ijzer (T = 298 K). Gebruik
Binas-tabel 57 of ScienceData-tabel 9.2.
Bij traditionele staalproductie komt in stap II per mol geproduceerd Fe
1,5 mol CO2 vrij. Bij gebruik van het MIDREX-proces komt minder CO2 vrij
per mol Fe.
233pVoer de volgende opdrachten uit:
− Geef de totale reactie van stap II in het MIDREX-proces. Doe dit door
reactie 2 en reactie 3 in de juiste verhouding bij elkaar op te tellen tot
één totale reactie. De molverhouding H2: CO in de reactor is 3: 1.
− Leid af hoeveel mol CO2 vrijkomt per mol Fe in stap II van het
MIDREX-proces.
In Zweden wordt nog een ander proces toegepast om ijzererts om te
zetten tot ijzer: het HYBRIT-proces. In dit proces wordt in stap II waterstof
gebruikt in plaats van cokes of syngas, en treedt uitsluitend reactie 3 op.
De waterstof wordt verkregen door de elektrolyse van water. Hierbij
ontstaat ook zuurstof.
242pGeef de vergelijking voor de elektrolyse van water.
opgave 5Textielverfrisser
Onaangename luchtjes in huis tegengaan, kan op verschillende manieren.
De eenvoudigste manier is met een geurstof in een oplosmiddel, waarbij
de geurstof de onaangename geuren verhult. Een voorbeeld van zo’n
geurstof is de ester van ethaanzuur en octaan-1-ol. De structuurformule
van octaan-1-ol is gegeven in figuur 1.
figuur 1
253pTeken de structuurformule van de ester van ethaanzuur en octaan-1-ol.
Onaangename geurstoffen, zoals sigarettenrook, kunnen adsorberen aan
poreuze materialen zoals stoffen banken, kussens en gordijnen. Doordat
de geurstoffen langzaam aan het oppervlak verdampen, kan het stoffen
materiaal lang onaangenaam ruiken. Om dit tegen te gaan, kan een
textielverfrisser worden gebruikt. Een van de stoffen die in
textielverfrissers wordt toegepast, is cyclodextrine (figuur 2).
figuur 2
Cyclodextrine (C42H70O35) wordt met behulp van enzymen gemaakt uit
amylose.
262pGeef de reactievergelijking in molecuulformules voor de omzetting van
amylose tot cyclodextrine. Gebruik als formule voor amylose (C6H10O5)n.
Textielverfrisser bevat cyclodextrine die in water is opgelost. Als een
opgelost cyclodextrine-molecuul in contact komt met een
geurstofmolecuul, dan vouwt het cyclodextrine-molecuul zich als een
koker. De binnenzijde van deze koker kan een geurstofmolecuul binden.
Zie figuur 3. De gebonden geurstof kan vervolgens samen met
cyclodextrine van de behandelde stof worden afgeborsteld.
figuur 3
Het gebonden geurstofmolecuul is hydrofoob.
272pLeg uit of de binnenzijde van de koker van een cyclodextrine-molecuul
vooral OH-groepen of vooral CH-groepen zal bevatten als er een
geurstofmolecuul gebonden is. Gebruik figuur 3 en de tekst in deze
opgave.
Behalve cyclodextrine bevat een textielverfrisser ook de stof PEI, een
wateroplosbaar polymeer.
De gemiddelde molaire massa van PEI in textielverfrisser is
2,50·104 g mol–1.
282pBereken de gemiddelde waarde van n in de gebruikte PEI.
Let op: de laatste vragen van dit examen staan op de volgende pagina.
PEI reageert met aldehyden. Dit zijn koolstofverbindingen met een dubbel
gebonden O-atoom aan het eerste koolstofatoom, zoals pentanal
(figuur 4). Aldehyden ontstaan bijvoorbeeld bij het bakken van vis. De
reactie tussen PEI en pentanal is in figuur 4 onvolledig weergegeven.
figuur 4
291pGeef de formule van de ontbrekende stof.
301pGeef de naam van het reactietype.
Bij het bakken van vis ontstaan behalve aldehyden ook amines. Een van
deze amines is butaan-1-amine. Amines kunnen aan katoenen kleding
hechten, waardoor de geur van deze amines erin trekt. Door verdamping
van de amines komt de geur weer vrij en gaat de katoenen kleding
stinken. Katoen bestaat voor 90% uit cellulose-vezels (C6H10O5)n.
312pGeef de structuurformule van butaan-1-amine.
322pGeef aan welke twee bindingstypen verbroken worden bij de verdamping
van butaan-1-amine dat gebonden is aan cellulose-vezels. Gebruik
Binas-tabel 67F3 of ScienceData-tabel 13.1d.
De textielverfrisser bevat citroenzuur (C6H8O7), dat reageert met amines
volgens reactie 1. Doordat het water uit de textielverfrisser verdampt,
ontstaat er één stof uit de producten van reactie 1. Deze stof kan niet
verdampen, waardoor de kleding niet meer stinkt.
+ C6H7O7– (aq)
C4H11N + C6H8O7 → C4H12N+ (aq)
332pLeg uit dat reactie 1 een zuur-basereactie is. Geef ook aan welk deeltje
als zuur en welk deeltje als base reageert.
Bronvermelding
Een opsomming van de in dit examen gebruikte bronnen, zoals teksten en afbeeldingen, is te vinden in het bij dit examen
behorende correctievoorschrift.
