bronnen

Eindexamen scheikunde vwo 2012, tijdvak 2

opgave 1Selectieve opname koolstofdioxide

Aan de Universiteit van Leiden wordt onderzoek gedaan naar een methode om
koolstofdioxide te binden. Bij deze methode wordt gebruikgemaakt van een
koper(I)complex dat wordt aangeduid met P2+. Men maakt dit complex door
Cu2+ ionen te laten reageren met moleculen van een organische stof R–SH.
De reactie tussen Cu2+ en R–SH is een redoxreactie, waarbij P2+ gevormd wordt.
De vergelijking van de reactie tussen Cu2+ en R–SH is met schematische
structuurformules onvolledig weergegeven op de uitwerkbijlage die bij dit
examen hoort.
12puitwerkbijlage
Maak de vergelijking van de reactie tussen R–SH en Cu2+ op de uitwerkbijlage
volledig.
Dat het koper(I)complex P2+ is gevormd, wordt aangetoond met behulp van
massaspectrometrie. In het massaspectrum wordt onder andere een piek
aangetroffen bij m/z = 335. Deze piek wordt toegeschreven aan het deeltje P2+
waarin uitsluitend de isotoop Cu-63 aanwezig is. Dit deeltje P2+ heeft m = 670 u
en z = 2+.
Als een oplossing van P2+ aan de lucht wordt blootgesteld, ontstaan langzaam
groenblauwe kristallen. Het blijkt dat de Cu+ ionen worden omgezet in Cu2+
ionen. In deze reactie reageert niet zuurstof als oxidator, maar CO2.
Hierbij ontstaat een nieuw complex Q4+ dat wordt gevormd uit twee deeltjes P2+
en 4 moleculen CO2. In figuur 1 is dit deeltje Q4+ met behulp van een
schematische structuurformule weergegeven.
figuur 1
N N S S Cu2+ Cu2+ N N N N O O C O C O O C O C O O N N N N Cu2+ Cu2+ S S N N
Dat dit deeltje Q4+ is gevormd, heeft men onder andere uit het massaspectrum
van het reactieproduct afgeleid: daarin heeft men een piek gevonden bij
m/z = 379. Deze waarde geldt voor Q4+ waarin van Cu en C alleen de isotopen
Cu-63 en C-12 voorkomen. Dat CO2 heeft gereageerd, heeft men kunnen
bevestigen door een aanvullend experiment waarbij men gebruikmaakte van
CO2 met daarin uitsluitend de isotoop C-13.
22p
Laat met behulp van een berekening zien dat de piek bij m/z = 379 verwijst naar
het deeltje Q4+.
32p
Leg uit bij welke m/z waarde een piek zal voorkomen bij het aanvullende
experiment, waarbij alle CO2 moleculen het C-13 atoom bevatten.
Men kan een experiment uitvoeren, waarmee kan worden aangetoond dat CO2
de oxidator is bij gelijktijdige aanwezigheid van koolstofdioxide en zuurstof.
42p
Geef een beschrijving van zo’n experiment. Geef aan hoe uit de resultaten kan
worden geconcludeerd dat bij gelijktijdige aanwezigheid van koolstofdioxide en
zuurstof de oxidator koolstofdioxide is.
Een oplossing met daarin Q4+, waarin koolstofdioxide uit de lucht is gebonden,
kan worden geëlektrolyseerd. Hierbij wordt het complex P2+ weer gevormd en
ontstaan oxalaationen. Als in de oplossing lithiumionen aanwezig zijn, ontstaat
een neerslag van lithiumoxalaat (Li2C2O4).
Studenten voeren een experiment uit met 5,0 L lucht afkomstig uit een niet goed
geventileerde ruimte. Het volumepercentage CO2 in de lucht is vóór behandeling
0,55 volumeprocent. Ze laten de lucht enige tijd met een oplossing van P2+ in
aanraking komen. Vervolgens wordt het ontstane mengsel geëlektrolyseerd in
aanwezigheid van lithiumionen. De massa van het ontstane neerslag van
lithiumoxalaat blijkt 24 mg te zijn.
55p
Bereken hoeveel volumeprocent koolstofdioxide de lucht na de behandeling
bevat. Neem aan dat:
− het volume van de lucht na de behandeling nog steeds 5,0 L is;
− alle lithiumoxalaat is neergeslagen;
− het molair volume voor gassen bij de proefomstandigheden 24,5 L mol–1 is;
− de elektrolysereactie, waarbij het complex Q4+ wordt geregenereerd tot P2+,
voor 95% is verlopen.
De studenten vragen zich af of de methode geschikt is om op grote schaal het
broeikaseffect te bestrijden. Om een afweging te kunnen maken, hebben ze op
een aantal vragen nog antwoorden nodig. Ze sturen een e-mail naar de
onderzoekers, waarin ze enkele vragen stellen over het proces.
62p
Schrijf twee vragen op die de studenten in een dergelijke e-mail aan de
onderzoekers kunnen stellen:
− één over een scheikundig en/of technologisch aspect;
− één over een toxicologisch en/of duurzaamheidsaspect.

opgave 2Modderstroom

Sedimentbrandstofcellen zijn elektrische cellen op de zeebodem. Ze maken
gebruik van verschillen in concentraties van stoffen in de zeebodem. Ze
voorzien apparaatjes van stroom, zoals meetapparatuur in internationale
wateren. Een sedimentbrandstofcel bestaat uit twee met het meetapparaat
verbonden elektroden. Eén elektrode bevindt zich in de bovenste laag van het
sediment, de andere iets dieper. In figuur 1 is een sedimentbrandstofcel
schematisch weergegeven.
figuur 1
meetapparaat water sediment
Aan de bovenste elektrode reageert zuurstof met water volgens
O2 + 2 H2O + 4 e– → 4 OH–
Aan de onderste elektrode reageert waterstofsulfide (H2S) in de bodem tot vast
zwavel (S) en H+.
73p
Geef de vergelijking van de halfreactie van waterstofsulfide en geef de
totaalvergelijking.
84p
Bereken hoeveel gram waterstofsulfide moet worden omgezet om een
sedimentbrandstofcel een jaar lang een stroom van 1,0 mA te laten leveren. Je
mag er in deze berekening van uitgaan dat er voldoende zuurstof aanwezig is.
Gegeven: 1 A = 1 C s-1. Maak gebruik van Binas-tabel 7.
Lars Peter Nielsen, een onderzoeker uit Denemarken, heeft bodemmonsters uit
de haven van Aarhus onderzocht om de werking van de sedimentbrandstofcel
beter te begrijpen. Hij ontdekte dat het bovenste deel van de bodem uit drie
sedimentlagen bestaat. In de bovenste laag (ruim 1 cm dik) is veel zuurstof
aanwezig. Hier bevinden zich geen zwavel of zwavelverbindingen zoals
waterstofsulfide. In de onderste laag is geen zuurstof aanwezig, maar bevinden
zich wel zwavelverbindingen. In de middelste laag (1,2 à 1,9 cm dik) zijn veel
organische verbindingen aanwezig die in een halfreactie met water reageren tot
koolstofdioxide, waarbij H+ ontstaat.
92p
Geef de vergelijking van de halfreactie die in de middelste laag plaatsvindt.
Geef de organische verbindingen weer met de algemene formule (CH2O)n.
Nielsen mat de pH op verschillende dieptes in het sediment. De resultaten van
de metingen zijn weergegeven in figuur 2.
figuur 2
pH 9 8 7 6 0 10 20 30 diepte (mm)
Onder andere uit deze resultaten concludeerde hij dat de halfreacties van
zuurstof en waterstofsulfide gescheiden van elkaar plaatsvinden, ook als er
geen sedimentbrandstofcel in de sedimentlagen aanwezig is.
103p
Leg uit waarom deze conclusie door de resultaten in figuur 2 ondersteund wordt.
Tussen de verschillende sedimentlagen bewegen ionen, afhankelijk van hun
lading, naar boven of naar beneden.
112p
Leg uit of de positieve ionen in het sediment naar boven of naar beneden
bewegen.
Nielsen ontdekte dat de afbraaksnelheid van H2S in de onderste sedimentlaag
direct veranderde als de concentratie zuurstof in de bovenste laag veranderde.
Deze lagen moeten daarom wel via een snelle verbinding met elkaar in contact
staan. Dit is niet te verklaren uit ionentransport omdat dat een te langzaam
proces is. Blijkbaar vindt er een elektronenstroom plaats van de ene naar de
andere laag. Hij bedacht hier twee mogelijke mechanismen voor:
I. Het sediment bevat metaaldeeltjes die verantwoordelijk zijn voor het
elektronentransport.
II. Het sediment bevat bacteriën die onderling contact maken en voor
elektronentransport zorgen.
122p
Beschrijf een experiment waarmee je kunt onderzoeken of bacteriën betrokken
zijn bij de stroomgeleiding.

opgave 3Biodiesel uit frituurolie

Frituurolie wordt voor het grootste deel niet geconsumeerd. Het moet wel regelmatig vervangen worden, waardoor een grote afvalstroom ontstaat. Deze afvalstroom kan onder andere worden gebruikt voor de productie van biodiesel. De productie van biodiesel gaat volgens een zogenoemde om-estering,…

Frituurolie wordt voor het grootste deel niet geconsumeerd. Het moet wel regelmatig vervangen worden, waardoor een grote afvalstroom ontstaat. Deze afvalstroom kan onder andere worden gebruikt voor de productie van biodiesel. De productie van biodiesel gaat volgens een zogenoemde om-estering, waarbij methylesters van vetzuren ontstaan. De gevormde methylesters, de biodiesel, kunnen gemengd worden met gewone diesel. De schematische reactievergelijking voor de om-estering kan als volgt worden weergegeven: H 2 C O O C C x H y HC O O C C x H y + 3 CH 3 OH H 2 C O O C C x H y De producten biodiesel en glycerol mengen niet en vormen een tweelagensysteem. Dit komt door een verschil in de bindingen tussen de moleculen.

Leg aan de hand van de structuurformules uit welke binding(en) tussen de moleculen aanwezig is/zijn in biodiesel en welke binding(en) tussen de moleculen aanwezig is/zijn in glycerol. Bij de productie van biodiesel kan zowel een base als een zuur als katalysator dienen. Het gebruik van een base als…

Leg aan de hand van de structuurformules uit welke binding(en) tussen de moleculen aanwezig is/zijn in biodiesel en welke binding(en) tussen de moleculen aanwezig is/zijn in glycerol. Bij de productie van biodiesel kan zowel een base als een zuur als katalysator dienen. Het gebruik van een base als katalysator resulteert, bij gelijke reactieomstandigheden, in een veel hogere reactiesnelheid dan een zuur als katalysator. Een veelgebruikte base als katalysator is NaCH 3 O . Deze stof kan echter bij het produceren van biodiesel uit gebruikte frituurolie niet zomaar toegepast worden. Dit komt doordat gebruikte frituurolie vrije vetzuren bevat. Deze vrije vetzuren reageren met de base NaCH 3 O. Deze reactie kan worden weergegeven als: C x H y C OH + CH 3 O C x H y C O De reactie van NaCH 3 O met de vrije vetzuren in de gebruikte frituurolie kan een probleem geven bij de scheiding van de geproduceerde biodiesel en glycerol. Dit zal vooral het geval zijn wanneer het massapercentage vrije vetzuren in de frituurolie hoog is.

Leg uit waarom de scheiding van de producten biodiesel en glycerol bemoeilijkt wordt, wanneer de vrije vetzuren met een base reageren.
Door de reactie van de katalysator met vrije vetzuren kan de concentratie van de katalysator in het reactievat te laag worden voor een goede werking. Het verlies aan katalysator wordt gecompenseerd door een extra hoeveelheid katalysator toe te voegen. Een optimale katalytische werking treedt op bij…

Door de reactie van de katalysator met vrije vetzuren kan de concentratie van de katalysator in het reactievat te laag worden voor een goede werking. Het verlies aan katalysator wordt gecompenseerd door een extra hoeveelheid katalysator toe te voegen. Een optimale katalytische werking treedt op bij een gehalte van ongeveer 1,0 massaprocent aan NaCH 3 O in de frituurolie. Van een monster frituurolie is het gehalte vrije vetzuren vooraf bepaald op 2,2 massaprocent. In het reactievat wordt 7,0·10 3 kg van deze frituurolie gemengd met de katalysator.

Bereken hoeveel kilogram NaCH 3 O moet worden toegevoegd aan het reactievat met 7,0·10 3 kg frituurolie waarin zich 2,2 massaprocent vrije vetzuren bevindt om 1,0 massaprocent NaCH 3 O over te houden. − Neem aan dat de gemiddelde massa van een mol vrij vetzuur 282 g bedraagt. − De massatoename ten…

Bereken hoeveel kilogram NaCH 3 O moet worden toegevoegd aan het reactievat met 7,0·10 3 kg frituurolie waarin zich 2,2 massaprocent vrije vetzuren bevindt om 1,0 massaprocent NaCH 3 O over te houden. − Neem aan dat de gemiddelde massa van een mol vrij vetzuur 282 g bedraagt. − De massatoename ten gevolge van het toevoegen van extra NaCH 3 O mag worden verwaarloosd. Om te voorkomen dat bij de productie van biodiesel de vrije vetzuren met de katalysator NaCH 3 O reageren, is het proces in twee stappen verdeeld. Dit proces is op de uitwerkbijlage die bij dit examen hoort onvolledig weergegeven. In reactor R1 vindt een zuur gekatalyseerde reactie plaats waarbij uitsluitend de vrije vetzuren met methanol reageren tot biodiesel en water. Door het gebruik van een overmaat methanol, kan dit als een aflopende reactie opgevat worden. Het mengsel uit R1 gaat naar scheidingsruimte S1 waar zich twee vloeistoflagen vormen. De vloeistoflaag met de biodiesel en de overgebleven frituurolie gaat naar reactor R2. In R2 worden in een base gekatalyseerde reactie de triglyceriden met overmaat methanol omgezet tot biodiesel en glycerol. In scheidingsruimte S2 wordt de biodiesel gescheiden van de andere stoffen. In destillatiekolom D1 worden de mengsels, afkomstig uit S1 en S2, gezuiverd voor gebruik en hergebruik. In het blokschema is de stofstroom van de katalysatoren niet opgenomen. In het blokschema zijn een aantal stoffen bij de stofstromen weggelaten. De stofstroom van methanol is in het schema al volledig weergegeven met nummer 1.

Maak het blokschema af dat op de uitwerkbijlage bij deze opgave is gegeven. Gebruik voor de ontbrekende stoffen de volgende nummers: 2 biodiesel 3 frituurolie 4 frituurolie zonder vrije vetzuren Stofstromen van de katalysatoren hoeven niet te worden weergegeven. In een fabriek wordt 150 ton…

Maak het blokschema af dat op de uitwerkbijlage bij deze opgave is gegeven. Gebruik voor de ontbrekende stoffen de volgende nummers: 2 biodiesel 3 frituurolie 4 frituurolie zonder vrije vetzuren Stofstromen van de katalysatoren hoeven niet te worden weergegeven. In een fabriek wordt 150 ton biodiesel per dag geproduceerd. Zowel in R1 als in R2 wordt per dag 30,0 ton methanol ingevoerd. Van de totale overmaat methanol kan 97,0% worden teruggewonnen voor hergebruik in de biodieselproductie (het verlies aan methanol is niet in het blokschema weergegeven).

Bereken hoeveel ton methanol per dag van buitenaf moet worden ingevoerd bij de inlaat. Neem aan dat de gemiddelde massa van een mol biodiesel 296 g is.

opgave 4Hechting caseïne aan chymosine

Melk bevat ongeveer 4% eiwit waarvan het eiwit caseïne het grootste deel
uitmaakt. De aanwezigheid van caseïne is onmisbaar voor het maken van kaas.
Bij de bereiding van kaas worden zuursel en stremsel aan melk toegevoegd.
Zuursel is een mengsel van verschillende soorten melkzuurbacteriën die lactose
omzetten tot melkzuur (2–hydroxypropaanzuur).
183p
Geef met behulp van molecuulformules de reactievergelijking voor de omzetting
van lactose tot melkzuur. Behalve lactose is nog een tweede stof nodig bij deze
omzetting. Maak gebruik van Binas-tabel 67A.
Stremsel bevat het enzym chymosine. Onder invloed van chymosine vindt
hydrolyse plaats van een deel van de aanwezige caseïnemoleculen. Hierdoor
wordt de melk dikker en ontstaat via een aantal bewerkingen kaas.
Hieronder zijn de aminozuren 98 tot en met 112 van een molecuul caseïne
weergegeven. Het omkaderde gedeelte van een molecuul caseïne bevindt zich
tijdens de hydrolyse in de holte van het enzym, waar de reactie optreedt: het
zogenoemde actieve centrum. In een molecuul caseïne wordt de peptidebinding
tussen fenylalanine (Phe) op plaats 105 en methionine (Met) op plaats 106
verbroken.
~ His - Pro - His - Pro - His - Leu - Ser - Phe - Met - Ala - Ile - Pro - Pro - Lys - Lys ~
100
110
Van aminozuur 1 is de aminogroep nog aanwezig.
194p
Geef de reactievergelijking voor de hydrolyse van het fragment
~Phe–Met~. Gebruik structuurformules voor de koolstofverbindingen.
Maak gebruik van Binas-tabel 67C.
Bij een onderzoek naar de hechting van caseïnemoleculen aan chymosine is
een aantal peptiden gesynthetiseerd. Deze peptiden zijn gebruikt als substraat
voor het enzym.
Peptiden worden gemaakt uit aminozuren. Als men één soort dipeptide,
bijvoorbeeld Ala-Ile, wil maken uit een mengsel van beide aminozuren, kunnen
naast Ala-Ile nog andere dipeptiden ontstaan.
202p
Geef de afkortingen van de dipeptiden die, behalve Ala–Ile, ontstaan als men
dipeptiden maakt uit een mengsel van Ala en Ile.
Als eerste peptide werd het gedeelte van caseïne gemaakt dat zich in het
actieve centrum bevindt: Leu-Ser-Phe-Met-Ala-Ile. Voor de synthese van dit
peptide ging men als volgt te werk:
1 Men laat een oplossing van Ile reageren met een bepaald slecht oplosbaar
polymeer. Daarbij reageren de carbonzuurgroepen van Ile met de
hydroxylgroepen van het polymeer. Er ontstaat een vaste stof die
schematisch kan worden aangeduid als Ile-Polymeer.
2 In een ander reactievat laat men de aminogroep van Ala reageren met een
andere stof, waardoor de aminogroep niet meer beschikbaar is voor reacties
met een ander aminozuur. Dit wordt aangegeven als X-Ala. Het is mogelijk
om X te verwijderen, zodat de oorspronkelijke aminogroep weer ontstaat.
3 Het vaste Ile-Polymeer laat men reageren met een oplossing met een
overmaat X-Ala. Daarbij ontstaat X-Ala-Ile-Polymeer.
4 Deze stof ondergaat een aantal bewerkingen, zodat X-Met-Ala-Ile-Polymeer
ontstaat.
5 Als deze stappen worden herhaald met de opeenvolgende aminozuren,
kunnen de gewenste polypeptiden worden gesynthetiseerd.
Het groeiende polypeptide blijft tijdens deze bewerkingen gebonden aan het
polymeer.
214p
Geef een globale beschrijving van de handelingen die men moet verrichten in
stap 4 om uit het ontstane mengsel uit stap 3 het gevormde X-Ala-Ile-Polymeer
om te zetten tot X-Met-Ala-Ile-Polymeer.
Het gebruikte polymeer bevat hydroxylgroepen, waardoor de carbonzuurgroepen
van de aminozuren met het polymeer kunnen reageren.
222p
Geef met behulp van structuurformules de vergelijking van de reactie van een
oplossing van Ile met een polymeer dat hydroxylgroepen bevat. Noteer het
polymeer hierbij als HO-Polymeer.
Aan het eind van de synthese moet het ontstane polypeptide worden losgemaakt
van het polymeer. Hierbij treedt een hydrolyse op, waarbij het gewenste
polypeptide vrijkomt.
232p
Leg uit waarom men liever geen polymeer gebruikt met aminogroepen in plaats
van hydroxylgroepen.
Let op: de laatste vragen van dit examen staan op de volgende pagina.
Bij het onderzoek naar de hechting van caseïnemoleculen aan chymosine, werd
gemeten hoe snel de verschillende polypeptiden werden gehydrolyseerd door
chymosine. Voor dit onderzoek werd een buffer met pH = 4,7 gemaakt.
242p
Leg uit welke oplossingen kunnen worden gebruikt om een buffer met pH = 4,7
te maken. Gebruik een gegeven uit Binas-tabel 49.
Voor de snelheid s van de reactie van het enzym E met een substraat S geldt bij
dit onderzoek de volgende vergelijking:
s = k·[E]·[S].
In tabel 1 is voor een aantal van de onderzochte polypeptiden de waarde van k
vermeld. De metingen zijn uitgevoerd bij pH = 4,7.
tabel 1
exp. substraat k 1 Leu-Ser-Phe-Met-Ala-Ile 22 2 His-Leu-Ser-Phe-Met-Ala-Ile 31 3 Pro-His-Leu-Ser-Phe-Met-Ala-Ile 104 4 His-Pro-His-Leu-Ser-Phe-Met-Ala-Ile-Pro-Pro 990 5 Pro-His-Pro-His-Leu-Ser-Phe-Met-Ala-Ile-Pro-Pro 2,0·10 3 6 His-Pro-His-Pro-His-Leu-Ser-Phe-Met-Ala-Ile-Pro-Pro 2,7·10 3 7 His-Pro-H

exp. substraat k 1 Leu-Ser-Phe-Met-Ala-Ile 22 2 His-Leu-Ser-Phe-Met-Ala-Ile 31 3 Pro-His-Leu-Ser-Phe-Met-Ala-Ile 104 4 His-Pro-His-Leu-Ser-Phe-Met-Ala-Ile-Pro-Pro 990 5 Pro-His-Pro-His-Leu-Ser-Phe-Met-Ala-Ile-Pro-Pro 2,0·10 3 6 His-Pro-His-Pro-His-Leu-Ser-Phe-Met-Ala-Ile-Pro-Pro 2,7·10 3 7 His-Pro-His-Pro-His-Leu-Ser-Phe-Met-Ala-Ile-Pro-Pro-Lys 2,5·10 3 8 His-Pro-His-Pro-His-Leu-Ser-Phe-Met-Ala-Ile-Pro-Pro-Lys-Lys 2,2·10 3

De onderzoekers trokken uit het gehele onderzoek de conclusie dat sommige
aminozuureenheden net buiten het actieve centrum een rol spelen bij de mate
van hechting van het polypeptide in het actieve centrum van het enzym.
De onderzoekers formuleerden de hypothese dat één van de mogelijke
verklaringen voor een goede hechting van een substraat bij pH = 4,7 is, dat één
of meerdere van de aanwezige zijgroepen van de aminozuurresten Lys en His
een H+ hebben opgenomen.
251p
Geef de structuurformule van de zijgroep van Lys bij pH = 4,7.
Uit de tabel kan tevens worden afgeleid, dat een andere aminozuureenheid dan
Lys en His eveneens een positieve invloed heeft op de reactiesnelheid.
263p
Leg met behulp van de gegevens in tabel 1 uit welke andere aminozuureenheid
blijkbaar een positieve invloed heeft op de reactiesnelheid. Gebruik in je
antwoord de nummers van minstens vier proeven.