opgave 2Brons
Brons is een legering van koper en tin. Speelklokken in carillons worden van
brons gegoten. De klank van zo'n klok hangt onder andere af van de
samenstelling van het brons. Nadat de klok is gegoten, wordt hij gestemd. Dit
gebeurt door aan de binnenkant van de klok wat brons weg te slijpen tot hij de
juiste toonhoogte heeft. Het slijpsel dat daarbij ontstaat, wordt gebruikt om
achteraf nog eens de samenstelling van het brons te bepalen.
Bij zo’n bepaling laat men het slijpsel reageren met warm geconcentreerd
salpeterzuur. Het koper wordt dan omgezet tot Cu2+; het tin wordt omgezet tot
het zeer slecht oplosbare tinsteen (SnO2). Deze reacties zijn redoxreacties.
73pGeef de vergelijking van de halfreactie voor de omzetting van het tin. In deze
vergelijking komen onder andere ook H+ en H2O voor.
82pGeef de vergelijking van de halfreactie voor het salpeterzuur en leid met behulp
van de vergelijkingen van beide halfreacties de totale reactievergelijking af van
de reactie tussen tin en warm geconcentreerd salpeterzuur. Er ontstaat onder
andere NO2.
Na de reactie van het brons met het salpeterzuur, wordt het ontstane tinsteen
door filtratie verwijderd en met koud water gespoeld. Het totale filtraat wordt
kwantitatief overgebracht in een erlenmeyer. Vervolgens wordt de hoeveelheid
Cu2+ bepaald. Daartoe wordt een overmaat van een oplossing van kaliumjodide
toegevoegd. De volgende reactie treedt op:
2 Cu2+ + 4 I– → 2 CuI + I2
De hoeveelheid jood wordt nu bepaald door een titratie met een oplossing van
natriumthiosulfaat (Na2S2O3). Als indicator wordt zetmeel toegevoegd. De
vergelijking van de reactie die tijdens de titratie plaatsvindt, is:
I2 + 2 S2O32– → S4O62– + 2 I–
Bij een bepaling werd 150 mg slijpsel van een bronzen klok afgewogen.
Om alle gevormde jood te laten reageren, was 18,3 mL 0,101 M
natriumthiosulfaatoplossing nodig.
94pBereken het massapercentage koper in het brons van de klok.
De klank van oude klokken is vaak heel mooi. Men vermoedt dat deze mooie
klank wordt veroorzaakt doordat in het brons van de klok, behalve koper en tin,
ook nog lood aanwezig is.
In een klas wordt besproken of de hiervoor beschreven werkwijze om het
massapercentage koper in brons te bepalen, ook toegepast kan worden als het
brons lood bevat. Een leerling denkt dat de aanwezigheid van lood in het brons
geen probleem is. Hij neemt aan dat lood bij de reactie met salpeterzuur wordt
omgezet tot PbO2. Om zijn veronderstelling te verduidelijken, wijst hij op
Binas-tabel 99.
102pGeef een argument dat de leerling kan hebben gebruikt om, met behulp van
Binas-tabel 99, uit te leggen dat lood wordt omgezet tot PbO2.
De leraar zegt dat de leerling een redelijke veronderstelling heeft gedaan, maar
dat lood in salpeterzuur wordt omgezet tot Pb2+. Een verdere omzetting van Pb2+
tot PbO2 vindt niet plaats.
Een andere leerling merkt op dat bij de bepaling nu ook Pb2+ met I– zal gaan
reageren en dat daardoor de bepaling een onjuiste uitkomst krijgt.
112pGeef de vergelijking van de reactie tussen Pb2+ en I–.
122pLeg uit of de leerling gelijk heeft met zijn uitspraak dat de uitkomst van de
bepaling onjuist wordt.
Tenslotte moeten de leerlingen een werkwijze bedenken om aan te tonen dat
het brons van een oude kerkklok lood bevat.
133pBeschrijf een werkwijze waarmee wordt aangetoond dat het brons van een oude
kerkklok lood bevat. Geef in je beschrijving
− een globale aanduiding van de werkwijze;
− de naam (namen) van de te gebruiken stof(fen) of oplossing(en);
− de waarneming waaruit blijkt dat inderdaad lood in het brons aanwezig is.
opgave 3Waterstof op aanvraag
Waterstof wordt voor de toekomst gezien als een belangrijke energieleverancier.
Vaak wordt die energie met behulp van een brandstofcel geleverd.
144pMaak een schets van zo’n brandstofcel. Benoem de onderdelen van de cel. Geef
in je tekening ook aan van welk(e) materia(a)l(en) de elektroden zijn gemaakt en
wat tijdens de stroomlevering de positieve en de negatieve elektrode is.
Sinds 1998 wordt in auto’s geëxperimenteerd met een brandstofcel, waarin de
waterstof wordt geleverd door een oplossing van natriumboorhydride (NaBH4):
het ‘waterstof op aanvraag’ systeem. Het natriumboorhydride kan worden
gemaakt uit borax (Na2B4O7.10H2O), een mineraal dat op vrij grote schaal in de
natuur voorkomt. In de eerste stap van deze bereiding wordt Na2B4O7 omgezet
tot H3BO3. Via een aantal hierop volgende stappen wordt H3BO3 omgezet tot
NaBH4.
Om de omzetting van Na2B4O7 tot H3BO3 te laten verlopen, wordt aan borax een
oplossing van een sterk zuur toegevoegd, bijvoorbeeld verdund zwavelzuur met
pH = – 0,15. Hierbij lost de Na2B4O7 op. De B4O72– ionen reageren vervolgens
met de zure oplossing. Bij deze reactie wordt uitsluitend H3BO3 gevormd.
153pGeef de vergelijking van de reactie waarin B4O72– met de zure oplossing wordt
omgezet tot H3BO3.
164pBereken, mede met behulp van de Kz van HSO4–, de molariteit van het
zwavelzuur in verdund zwavelzuur met pH = – 0,15.
Een oplossing van natriumboorhydride is stabiel. Wanneer een oplossing van
natriumboorhydride met een bepaalde vaste katalysator in contact wordt
gebracht, verloopt de volgende reactie:
BH4–(aq) + 2 H2O(l) → BO2–(aq) + 4 H2(g) (reactie 1)
Reactie 1 is exotherm. Hieronder staan vijf energiediagrammen (a, b, c, d en e).
In deze diagrammen behoort het linker niveau tot de deeltjes die reageren en
het rechter niveau tot de deeltjes die ontstaan. Eén van de diagrammen geeft
het verloop van reactie 1 zonder katalysator weer en één van de andere
diagrammen geeft het verloop van reactie 1 met katalysator weer. In alle
diagrammen heeft de verticale as dezelfde schaal.
Energiediagrammen
173pWelk van bovenstaande diagrammen geeft het verloop van reactie 1 zonder
katalysator weer en welk van de diagrammen geeft het verloop van reactie 1 met
katalysator weer? Licht je antwoord toe.
Een auto die rijdt op het ‘waterstof op aanvraag’ systeem tankt dus geen
benzine, maar een oplossing van NaBH4. Van een bepaald type auto die wordt
aangedreven door een waterstof brandstofcel, is gegeven dat hij op 1,0 kg
waterstof 70 km kan rijden. Wanneer de waterstof wordt geproduceerd via
reactie 1 uit een NaBH4 oplossing, is uit te rekenen hoeveel km zo’n auto per
1,0 liter NaBH4 oplossing kan rijden.
185pGeef deze berekening. Gebruik daarbij de volgende gegevens:
− de NaBH4 oplossing bevat 20,0 massaprocent NaBH4;
− de dichtheid van de oplossing bedraagt 1,03·103 kg m–3;
− alle NaBH4 wordt omgezet.
opgave 4Weekmaker
Sommige plastics zoals PVC (polychlooretheen) zijn stijve en stugge materialen.
Om ze soepel te maken, wordt vaak gebruik gemaakt van zogenoemde
weekmakers.
In een tijdschrift stond een artikel over weekmakers. In het volgende
tekstfragment staat een deel van dit artikel. Weekmakers zijn bij
kamertemperatuur vloeistoffen.
tekstfragment
Weekmakers worden aan polymeren toegevoegd om een meer flexibel eindproduct te krijgen of om een specifieke verwerkingsmethode mogelijk te maken. Weekmakers ontlenen hun werking aan het feit dat ze de interacties tussen de polymeerketens verzwakken, waardoor een materiaal minder stijf wordt. Hoe meer een weekmaker in staat is om zich tussen de polymeerketens door te bewegen, hoe efficiënter de weekmaker is. Een hoge mate van beweeglijkheid leidt echter ook tot een grotere kans dat de weekmaker uit het polymeer migreert naar de omgeving. De migratie van weekmakers naar het milieu kan aanleiding geven tot allerhande ongewenste (eco)toxicologische effecten. naar: “Kunststof en Rubber”, K. Molenveld, WUR, Wageningen
Met “interacties tussen de polymeerketens” wordt een bepaald type binding
bedoeld.
Plastics worden vaak ingedeeld in thermoplasten en thermoharders.
193pLeg uit dat het gebruik van een weekmaker zinvol is bij een thermoplast en niet
bij een thermoharder. Betrek in je uitleg de soort(en) binding die in
thermoplasten en thermoharders voorkomt (voorkomen).
Vanwege de mogelijke bezwaren van het gebruikelijke type weekmakers wordt
op een instituut in Wageningen onderzocht of weekmakers zijn te ontwikkelen
die vriendelijker zijn voor mens en milieu. Daarbij heeft men gevonden dat de
stof isosorbide een geschikte stof is om weekmakers te synthetiseren die aan de
gestelde voorwaarden voldoen.
De structuurformule van isosorbide kan als volgt worden weergegeven:
Een voorbeeld van zo’n nieuw type weekmaker is de di-ester van isosorbide en
2-ethylhexaanzuur.
205pGeef de reactievergelijking voor het ontstaan van deze weekmaker. Gebruik
daarin structuurformules voor de organische verbindingen. Voor isosorbide mag
de structuurformule worden gebruikt die op de vorige pagina is weergegeven.
Als grondstof voor de bereiding van isosorbide wordt zetmeel gebruikt. Bij deze
bereiding spelen drie omzettingen een rol. Hieronder zijn deze omzettingen
schematisch weergegeven.
Voor omzetting 1 is behalve zetmeel nog een stof X nodig. Voor omzetting 2 is
behalve glucose nog een stof Y nodig.
212pGeef de namen van de stoffen X en Y. Noteer je antwoord als volgt:
stof X is: …
stof Y is: …
De omzetting van sorbitol tot isosorbide verloopt in een aantal stappen.
Bij het onderzoek in Wageningen bleek dat het handig is om het isosorbide niet
eerst te isoleren tijdens de bereiding van de weekmaker. Eén van de
onderzoekers heeft een reactieschema en aanvullende gegevens verstrekt over
de wijze waarop de productie van de weekmaker vanuit sorbitol verloopt. Deze
informatie is te vinden op pagina 11.
In het reactieschema zijn sommige structuurformules ruimtelijk getekend. In
deze structuren komen de bindingen die zijn getekend met
uit het vlak van
tekening naar voren en de bindingen die zijn getekend met ··· liggen achter het
vlak van tekening. Door de formules op deze manier weer te geven, wordt onder
andere duidelijk dat 1,4-sorbitan en 3,6-sorbitan stereo-isomeren zijn. Maar de
gegeven schematische weergave van het molecuul isosorbide kan een
misverstand oproepen. Door het molecuul zo weer te geven, lijkt het alsof het
vlak is. Dat geldt wel bij benadering voor elk van beide
vijfringen afzonderlijk, maar de hoek tussen de vlakken van beide vijfringen is
niet gelijk aan 180º. Beide vijfringen liggen dus niet in één plat vlak.
222pLeg uit dat de hoek tussen de vlakken van beide vijfringen in het gedeelte
van het isosorbidemolecuul niet gelijk is aan 180º.
Bij de vorming van 1,4-, 2,5-, en 3,6-sorbitan vindt dehydratatie plaats. De
getallen in de voorvoegsels van de namen van deze stoffen geven de nummers
aan van de C atomen van het sorbitolmolecuul waarvan de OH groepen met
elkaar hebben gereageerd.
Met behulp van deze gegevens en de informatie uit de voetnoot op pagina 11
kan de structuurformule van 2,5-sorbitan worden afgeleid.
233pGeef de structuurformule van 2,5-sorbitan. Teken hierin alle C, H en O atomen.
242pLeg uit waarom de genoemde verschillen in reactiesnelheid (zie regels 4 tot en
met 8) maken dat een goede selectiviteit wordt bereikt bij de beschreven
bereiding van de weekmaker. Betrek in je uitleg één of meer gegevens uit het
reactieschema.
251pLeg uit waarom starten met relatief weinig alkaanzuur bij de beschreven
bereiding van de weekmaker de selectiviteit verhoogt (zie regel 15).
Weekmakers zoals de di-esters van isosorbide hebben een molaire massa van
ongeveer 400 g mol–1. PVC moleculen kunnen soms wel uit
1500 monomeereenheden bestaan (de zogenoemde ketenlengte). Zacht PVC
kan wel 50 massaprocent weekmaker bevatten. In dit materiaal is dan per
molecuul PVC een groot aantal moleculen weekmaker aanwezig.
263pBereken hoeveel moleculen weekmaker gemiddeld aanwezig zijn per molecuul
PVC met een gemiddelde ketenlengte van 1000. Ga uit van de volgende
gegevens:
− het materiaal bevat 50 massaprocent weekmaker;
− de molaire massa van de weekmaker is 400 g mol–1.
reactieschema en toelichting
OH OH 2,5-sorbitan HO OH + RCOOH sorbitol mono-, di-, tri- en tetra-esters van 2,5-sorbitan OH OH OH HO HO O en O HO ... O O OH OH 1,4-sorbitan 3,6-sorbitan isosorbide + RCOOH + RCOOH mono-, di-, tri- mono-esters en tetra-esters van isosorbide van 1,4-sorbitan en 3,6-sorbitan + RCOOH di-ester van isosorbide ... ... ... HO ... ... OH OH HO
Bij de omzetting van sorbitol naar isosorbide wordt 5% 2,5-sorbitan gevormd (een
ongewenst bijproduct).
In onze productie van weekmaker mengen we sorbitol en het alkaanzuur waarmee we
veresteren en we gebruiken een vaste katalysator. De omzetting van sorbitol verloopt
zeer snel (binnen 15 minuten geen sorbitol meer aan te tonen) en ook de omzetting
naar isosorbide is snel (binnen 30-45 minuten geen sorbitanen meer aanwezig).
De verestering is veel trager en daarom kunnen we een goede selectiviteit halen: meer
dan 90% isosorbide di-ester.
Ook het type alkaanzuur speelt een rol. Een belangrijk zuur voor ons is
2-ethylhexaanzuur. Dit vertakte zuur reageert relatief traag en dat is gunstig voor de
selectiviteit.
Maatregelen die we (kunnen) nemen om de selectiviteit te verhogen zijn:
1 In eerste instantie een hoge temperatuur (minimaal 140 °C). Bij lagere
begintemperaturen wordt de dehydratatie1 reactie langzamer.
2 De reactie starten met relatief weinig alkaanzuur (heel logisch).
Persoonlijke informatie door K. Molenveld, WUR, Wageningen
noot 1 Onder dehydratatie wordt een reactie verstaan waarbij water wordt afgesplitst. In dit geval
reageren twee OH groepen in hetzelfde molecuul met elkaar. Hierbij wordt tevens een cyclische
ether gevormd.
