bronnen

Eindexamen scheikunde vwo 2014, tijdvak 2

opgave 1Friedrich Wöhler en ureum

Aan het begin van de 19e eeuw dachten chemici dat het onmogelijk was om organische stoffen (stoffen die door levende organismen worden gemaakt) te maken uit anorganische stoffen. Er zou een zogenoemde ‘levenskracht’ nodig zijn om organische stoffen te maken. Deze ‘vitaliteitstheorie’ werd…

Aan het begin van de 19e eeuw dachten chemici dat het onmogelijk was om organische stoffen (stoffen die door levende organismen worden gemaakt) te maken uit anorganische stoffen. Er zou een zogenoemde ‘levenskracht’ nodig zijn om organische stoffen te maken. Deze ‘vitaliteitstheorie’ werd omvergeworpen door de Duitse chemicus Friedrich Wöhler. Hij maakte in 1824 voor het eerst een organische stof (ureum) uit anorganische stoffen. Het reageerbuisje met ureum van Wöhler is nog steeds te bezichtigen in een ureum 2 museum in Duitsland. Wöhler leidde dicyaangas ( C 2 N 2 ) door een oplossing van ammoniak. Uit het ontstane mengsel isoleerde Wöhler in verschillende stappen een witte vaste stof, die later ureum zou blijken te zijn. Ook bleek de stof blauwzuur ( HCN ) te zijn gevormd.

Geef de vergelijking voor de reactie waarbij ureum en HCN ontstaan uit dicyaangas en een oplossing van ammoniak. Bij deze reactie ontstaan geen andere stoffen. Wöhler herkende de witte vaste stof die hij had geïsoleerd op dat moment niet als ureum. Hij noemde de stof “een opmerkelijke…

Geef de vergelijking voor de reactie waarbij ureum en HCN ontstaan uit dicyaangas en een oplossing van ammoniak. Bij deze reactie ontstaan geen andere stoffen. Wöhler herkende de witte vaste stof die hij had geïsoleerd op dat moment niet als ureum. Hij noemde de stof “een opmerkelijke gekristalliseerde materie”. Vier jaar later probeerde hij erachter te komen welke stof hij toentertijd had geïsoleerd. Hij ontdekte dat hij dezelfde stof zuiver kon bereiden door aan zilvercyanaat ( AgCNO ) een oplossing van ammoniumchloride toe te voegen. Op grond van deze bereidingswijze dacht hij dat “de opmerkelijke gekristalliseerde materie” ammoniumcyanaat ( NH 4 CNO ) zou zijn. Hij voerde een proef uit om ammoniumionen aan te tonen. Hij loste de stof op in water en voegde wat natronloog toe. Vervolgens verwarmde hij de oplossing en hield hij een vochtig stukje rood lakmoespapier boven de warme oplossing.

Geef de vergelijking van de reactie die verloopt als een oplossing die ammoniumionen bevat met natronloog wordt gemengd.
Geef aan welke waarneming Wöhler verwachtte te doen indien ammoniumionen aanwezig waren in “de opmerkelijke gekristalliseerde materie” en verklaar deze waarneming. Gebruik Binas-tabel 52A.
Wöhler kon in de stof echter geen ammoniumionen aantonen. Omdat uit andere experimenten bleek dat de “opmerkelijke gekristalliseerde materie” vergelijkbare stofeigenschappen had als ureum, vergeleek Wöhler de door hem bepaalde massapercentages met resultaten van William Prout. Prout had de…

Wöhler kon in de stof echter geen ammoniumionen aantonen. Omdat uit andere experimenten bleek dat de “opmerkelijke gekristalliseerde materie” vergelijkbare stofeigenschappen had als ureum, vergeleek Wöhler de door hem bepaalde massapercentages met resultaten van William Prout. Prout had de samenstelling van ureum al in 1818 onderzocht met de volgende proef. Hij liet 0,26 g ureum reageren met een overmaat koperoxide. Hierbij ontstond 0,16 g water, 0,10 dm 3 koolstofdioxide en 0,10 dm 3 stikstof. Er ontstond ook koper.

Geef de vergelijking voor deze reactie van ureum met koperoxide. Toen Wöhler de massapercentages H , C , N en O in de “opmerkelijke gekristalliseerde materie” bepaalde, kwam hij op 6,7% H , 20% C , 47% N en 27% O . De door Wöhler berekende massapercentages in de stof kwamen vrijwel overeen met de…

Geef de vergelijking voor deze reactie van ureum met koperoxide. Toen Wöhler de massapercentages H , C , N en O in de “opmerkelijke gekristalliseerde materie” bepaalde, kwam hij op 6,7% H , 20% C , 47% N en 27% O . De door Wöhler berekende massapercentages in de stof kwamen vrijwel overeen met de door Prout gevonden massapercentages H , C , N en O in ureum.

Laat dit zien met een berekening aan de hand van de experimentele resultaten van Prout. Neem aan dat het volume van een mol gas 24 dm 3 bedraagt. Op grond van de resultaten concludeerde Wöhler dat de stof waarvan hij dacht dat het ammoniumcyanaat was, ureum moest zijn. Om te bewijzen dat ureum…

Laat dit zien met een berekening aan de hand van de experimentele resultaten van Prout. Neem aan dat het volume van een mol gas 24 dm 3 bedraagt. Op grond van de resultaten concludeerde Wöhler dat de stof waarvan hij dacht dat het ammoniumcyanaat was, ureum moest zijn. Om te bewijzen dat ureum inderdaad uit ammoniumcyanaat kan ontstaan, deed Wöhler nog een aantal experimenten. In 1830 lukte het Wöhler om ammoniumcyanaat te maken uit zuiver cyaanzuur (HCNO) en ammoniakgas. Hij ontdekte dat ammoniumcyanaat bewaard kon worden in een afgesloten vat zonder lucht. Bij contact met lucht werd het in enkele dagen spontaan omgezet tot ureum. Bij verwarmen aan de lucht werd ammoniumcyanaat al in enkele minuten omgezet tot ureum.

Leg uit wat de rol van lucht is bij de omzetting van ammoniumcyanaat tot ureum.

opgave 2Stabilisator voor PVC

PVC wordt in de chemische industrie op grote schaal gemaakt door
polymerisatie van vinylchloride (chlooretheen). PVC wordt vervolgens in
korrelvorm geleverd aan fabrieken waar men van PVC bijvoorbeeld
kozijnen, deuren, waterleidingen en kabels maakt. Hierbij wordt
gebruikgemaakt van het feit dat PVC een thermoplast is.
72p
Leg uit met behulp van begrippen op deeltjesniveau dat PVC een
thermoplast is.
Voorafgaand aan de verwerking tot kozijn voegt men aan de PVC-korrels
allerlei stoffen toe, zoals kleurstoffen en stabilisatoren. Als PVC wordt
verwarmd zonder een stabilisator, ontleedt het bij verwarmen waarbij
waterstofchloride ontstaat. Bij deze ontleding ontstaan in moleculen PVC
zogenoemde geconjugeerde bindingen. Daarbij zijn om en om C–C en
C=C bindingen aanwezig. De H atomen rondom de C=C bindingen nemen
hierbij een trans-positie ten opzichte van elkaar aan.
84p
Geef met behulp van structuurformules deze reactie van PVC weer.
Geef hierbij een fragment uit het midden van een PVC keten weer,
bestaande uit totaal 6 koolstofatomen.
Om deze ontleding te onderzoeken, verwarmt een groepje leerlingen een
monster van 1,0 g PVC-korrels. Na enige tijd is er nog 0,80 gram
materiaal over. De leerlingen vragen zich af hoeveel procent van het PVC
op dat moment gereageerd heeft.
92p
Bereken hoeveel procent van het PVC heeft gereageerd.
Neem aan dat bij de reactie van PVC het enige gasvormige reactieproduct
waterstofchloride is.
Om te bewijzen dat het gas waterstofchloride is, voeren de leerlingen de
proef uit in een opstelling zoals in figuur 1 schematisch is weergegeven.
In de wasfles is uitsluitend water aanwezig.
figuur 1
PVC wasfles
Om aan te tonen dat bij het verwarmen van PVC waterstofchloride is
ontstaan, voeren de leerlingen na de proef twee afzonderlijke
experimenten uit met monsters van de inhoud van de wasfles.
104p
Leg uit welke chemicaliën de leerlingen bij deze twee experimenten
kunnen gebruiken en geef aan welke waarnemingen ze zullen doen,
indien waterstofchloride aanwezig is in het monster.
Uit onderzoek is gebleken dat het waterstofchloride dat bij de ontleding
ontstaat, deze ontleding verder katalyseert. Aan PVC worden daarom
stabilisatoren toegevoegd die als functie hebben waterstofchloride te
binden.
Vaak worden zogenoemde organo-tinverbindingen gebruikt. Dit zijn
stoffen met de algemene formule RnSnY4–n, waarbij n = 1, 2, 3 of 4.
R is een organische groep (methyl, ethyl, etc). Y is een karakteristieke
groep, bijvoorbeeld een Cl atoom of een OH groep.
De covalentie van het tinatoom is in deze
verbindingen dus gelijk aan vier. Een voorbeeld
van een organo-tinverbinding, trimethylhydroxytin,
is hiernaast weergegeven.
CH 3 CH Sn OH 3 CH 3
Een veelgebruikte stabilisator is dibutyltinmaleaat. Het tinatoom is hierin
door twee estergroepen gebonden aan één maleaatgroep. De naam
maleaat is afgeleid van maleïnezuur (cis-buteendizuur). Esters van
maleïnezuur worden maleaten genoemd. Tevens zijn twee butylgroepen
gebonden aan het tinatoom.
Bij de reactie van dibutyltinmaleaat met waterstofchloride ontstaan butaan
en monobutyl-monochloortinmaleaat.
114p
Geef met behulp van structuurformules de reactievergelijking voor de
reactie van dibutyltinmaleaat met waterstofchloride.
Aan PVC wordt meestal 1,0 massa% stabilisator toegevoegd. Per jaar
wordt wereldwijd 2,5·107 ton PVC geproduceerd. Dat betekent dat ook
een grote hoeveelheid van het vrij schaarse metaal tin nodig is voor de
synthese van organotin-stabilisatoren. De massa van een mol
dibutyltinmaleaat bedraagt 347 g mol–1.
122p
Bereken hoeveel ton tin per jaar nodig is om de hoeveelheid stabilisator te
maken die nodig is om 2,5·107 ton PVC te stabiliseren. Ga er voor de
berekening van uit dat uitsluitend dibutyltinmaleaat wordt gebruikt.

opgave 3In gevecht tegen bloedarmoede

Circa 1,6 miljard mensen lijden aan bloedarmoede. Met name in
ontwikkelingslanden is bloedarmoede een probleem, doordat voedsel
vaak arm aan ijzer is. Daarom wordt gezocht naar manieren waarop
voedsel verrijkt kan worden met goed opneembaar ijzer.
Om ijzer te kunnen opnemen, moet Fe3+ eerst worden omgezet tot Fe2+.
Dit gebeurt in de twaalfvingerige darm. Bij deze omzetting is het enzym
H OH OH O O C C C C H C C H H HO OH ascorbinezuur
DcytB betrokken.
Vitamine C (ascorbinezuur) wordt hierbij omgezet
tot dehydro-ascorbinezuur. De ring van
ascorbinezuur blijft hierbij intact en alleen de beide
OH groepen aan de ring worden omgezet tot
√(etongroepen.)k
133p
Geef de vergelijking in structuurformules van de halfreactie van
ascorbinezuur tot dehydro-ascorbinezuur.
142p
Geef de vergelijking van de halfreactie van Fe3+ tot Fe2+ en de
totaalreactie.
De Nederlandse firma AkzoNobel heeft een stof ontwikkeld om voedsel
met goed opneembaar ijzer te verrijken: Ferrazone® (NaFeY).
Ferrazone® is een zout dat bestaat uit Na+ ionen en FeY– ionen. Een FeY–
ion wordt gevormd als Fe3+ en het zwakke zuur EDTA (H4Y) worden
samengevoegd. Als Ferrazone® via voeding het menselijk lichaam
√(innenkomt)b, lost het volledig op en valt het uiteen in Na+ en FeY–.
De FeY– ionen nemen in het lichaam niet deel aan neerslagreacties.
Hiernaast is de opname van Fe2+ uit FeY–
in de darmen weergegeven. In de
twaalfvingerige darm zet het enzym DcytB
FeY– om tot FeY2–. √(et eiwit DMT1)H
√(ransporteert)tFe2+ vervolgens door het
celmembraan van de darmwand: het ijzer
is nu opgenomen en kan door het lichaam
worden gebruikt voor bijvoorbeeld
zuurstoftransport.
darminhoud celmembraan FeY DcytB FeY2 in bloed Y4 + Fe2+ DMT1 Y4 Fe2+
In Binas-tabel 47 is informatie te vinden over de ligging van evenwichten
waarin FeY– en FeY2– voorkomen.
Uit de tabel kan worden geconcludeerd dat de omzetting van FeY– tot
FeY2– ervoor zorgt dat er ter plekke meer vrije ijzerionen in oplossing
komen, waardoor er meer ijzerionen worden opgenomen in de darmwand.
152p
Leg met behulp van Binas-tabel 47 uit dat de omzetting van FeY– tot
FeY2– ervoor zorgt dat er ter plekke meer vrije ijzerionen in oplossing
komen.
De pH dicht bij de darmwand is laag. Dit draagt bij aan het vrijkomen van
de ijzer(II)ionen uit FeY2–.
162p
Leg uit dat de lage pH bijdraagt aan het vrijkomen van de ijzer(II)ionen
uit FeY2–.
De vrije Fe2+ ionen worden door het zogeheten ionkanaal van het eiwit
DMT1 getransporteerd. Het ionkanaal wordt gevormd door enige
α-helices van het eiwit. In de eiwitketen bevindt zich een
aminozuureenheid Asp. Men vermoedt dat deze aminozuureenheid een
rol speelt in het binden en transporteren van Fe2+. De zijketen van Asp
bevat een negatieve lading en wordt schematisch weergegeven met Asp–.
Het fragment in DMT1 dat de bindingsplek bevat is ~Leu–Asp^––Pro~.
174p
Geef het fragment ~Leu–Asp^––Pro~ weer in structuurformule. Geef in
deze structuurformule ook de negatieve lading aan.
Uit onderzoek bleek dat kinderen die dagelijks meelpap kregen met
Ferrazone® minder vaak bloedarmoede hadden. Zodoende wordt NaFeY
aan voedingsproducten toegevoegd. Om het gehalte ijzer in met
Ferrazone® verrijkt meel te bepalen, maakt men gebruik van een
spectrofotometrische bepaling die volgens onderstaande beschrijving
wordt uitgevoerd.
10 gram meel wordt afgewogen en gemengd met 30 mL water. Door te
schudden lost alle NaFeY op. Na filtratie wordt 15 mL filtraat gemengd
met fenantroline en vitamine C. Alle Fe3+ wordt zo omgezet tot een
complex van Fe2+ en fenantroline. Het ontstane deeltje geeft de oplossing
een oranje kleur. De intensiteit van deze kleur is recht evenredig met de
concentratie ijzerionen. De verkregen oplossing wordt met water
aangevuld tot 100 mL. De absorptie van de ontstane oplossing wordt bij
510 nm bepaald in een cuvet van 1,00 cm dikte. Bij een dergelijke
bepaling bleek de extinctie van een monster van 10 gram meel 0,378 te
bedragen.
184p
Bereken het gehalte ijzer in het onderzochte meel in massa-ppm.
Onder de meetomstandigheden geldt dat ɛ = 1,11·104 L mol–1 cm–1.
In ontwikkelingslanden wordt de lokale markt minder goed gecontroleerd.
Om te voorkomen dat meel zonder of met te weinig NaFeY toch van de
naam Ferrazone® wordt voorzien, moet een testkit worden samengesteld
waarmee een handelaar kan bepalen of het meel daadwerkelijk de
gewenste hoeveelheid Ferrazone® bevat. Zo’n testkit moet goedkoop zijn
en kan daarom wel glaswerk en chemicaliën bevatten maar geen
spectrofotometer.
192p
Beschrijf wat een dergelijke testkit, behalve glaswerk en chemicaliën,
moet bevatten en hoe hiermee bepaald kan worden of meel de gewenste
hoeveelheid Ferrazone® bevat.

opgave 4Methylethanoaat

Methylethanoaat is in gebruik als oplosmiddel en als basis voor lakken.
De productie van methylethanoaat (C3H6O2) gebeurt door estervorming uit
methanol en ethaanzuur. Als katalysator wordt zwavelzuur toegepast.
Deze estervorming is een evenwichtsreactie.
O
O
H_3C OOHH + HHOO C CCHH3 H_3C O C CCHH_3 + H_2O
Doordat de vorming van methylethanoaat een evenwichtsreactie is, zijn
na de estervorming enkele scheidingsstappen nodig om het mengsel van
stoffen afkomstig uit de reactor te scheiden. Deze scheiding kan worden
bereikt met destillatie. Uit de reactor komt een mengsel van vijf stoffen:
ethaanzuur, methanol, methylethanoaat, water en zwavelzuur.
In een destillatiestap wordt steeds één stof uit het mengsel afgescheiden.
Aangenomen mag worden dat de scheiding volledig is. In dat geval zijn
vier destillatiestappen nodig na de reactie om het mengsel volledig te
scheiden. Dit gebeurt in destillatiekolommen, waarvan er in figuur 1 één
schematisch is weergegeven.
figuur 1
stof met laagste kookpunt van stoffen stof(fen) met hoogste kookpunt
202p
Leg uit, met behulp van gegevens uit de tabel met kookpunten hieronder,
wat de minimumtemperatuur moet zijn om in de tweede destillatiekolom
een scheiding te bewerkstelligen (p = p0).
stof kookpunt ( ° C, p = p 0 ) ethaanzuur 118 methanol 65 methylethanoaat 57 water 100 zwavelzuur 330
In de jaren ’80 van de vorige eeuw heeft men een chemisch technologisch
proces ontwikkeld, waarin een reactor en een destillatietoren worden
gecombineerd. Dit proces heet ‘reactieve destillatie’. Door tijdens de
reactie het reactiemengsel te verwarmen, verdampt methylethanoaat uit
het reactiemengsel.
212p
Leg uit wat de invloed is op de ligging van het evenwicht wanneer
methylethanoaat uit het reactiemengsel verdampt.
Aan de universiteit van Oldenburg in Duitsland zijn experimenten gedaan
om de productie van methylethanoaat te verbeteren. Deze experimenten
zijn gedaan in een fabriek op kleine schaal, een zogenoemde
proeffabriek. In de proeffabriek wordt de ‘reactieve destillatie’ uitgevoerd
in een zogenoemde reactieve-destillatiekolom. Deze kolom is verdeeld in
vier compartimenten en staat verticaal, zoals in figuur 2 is weergegeven.
In compartiment C vindt de reactie plaats. De plaatsen waar ethaanzuur
en methanol worden toegevoegd, zijn ook aangegeven. In de kolom
neemt de temperatuur van beneden naar boven geleidelijk af van 95 °C
naar 57 °C. Het ethaanzuur en de methanol worden van te voren op de
vereiste temperatuur gebracht.
figuur 2
methylethanoaat, 75 massa% methanol, 25 massa% A B methanol C D water, 95 massa% methanol, 5,0 massa%
Ethaanzuur is in een deel van de kolom ook extractiemiddel: alle water en
in mindere mate methanol lossen in het ethaanzuur op, methylethanoaat
lost slecht op.
222p
Leg uit waarom water beter oplost in ethaanzuur dan methylethanoaat.
Let op: de laatste vragen van dit examen staan op de volgende pagina.
In de reactieve-destillatiekolom vindt een voortdurende uitwisseling van
stoffen tussen de compartimenten plaats: vloeistoffen/oplossingen
stromen van boven naar beneden en van beneden naar boven, gassen
stromen alleen naar boven.
Wat in de verschillende compartimenten gebeurt, hangt af van de vulling
van dat compartiment, de zogenoemde pakking. In de bovenbedoelde
reactieve-destillatiekolom worden drie soorten pakkingen gebruikt:
− destillatiepakking: deze zorgt voor een optimaal verloop van een
destillatie;
− extractiepakking: deze zorgt voor een optimaal verloop van een
extractie;
− reactiepakking: deze zorgt voor een optimaal verloop van een reactie.
Aan de reactiepakking is eveneens de katalysator voor de vorming van
methylethanoaat gebonden. Deze katalysator hoeft dus niet uit het
reactiemengsel te worden verwijderd.
Per compartiment kunnen in principe drie verschillende soorten pakkingen
tegelijk worden toegepast. De reactiepakking bevindt zich alleen in
compartiment C.
233p
Geef voor de compartimenten B en C aan welke stoffen het compartiment
van boven en van onder binnenkomen wanneer de kolom in bedrijf is.
Gebruik figuur 2. Houd er rekening mee dat:
− stoffen onder hun kookpunt ook in dampvorm kunnen voorkomen;
− stoffen boven hun kookpunt ook in oplossing kunnen voorkomen.
Geef je antwoord in de vorm:
compartiment B: stof (stoffen) die van boven komt (komen): …
compartiment B: stof (stoffen) die van beneden komt (komen): …
compartiment C: stof (stoffen) die van boven komt (komen): …
compartiment C: stof (stoffen) die van beneden komt (komen): …
242p
Leg uit welk type (welke typen) pakking(en) in compartiment B wordt
(worden) toegepast.
In figuur 2 zijn ook de resultaten vermeld die zijn verkregen in de
proeffabriek van de universiteit van Oldenburg.
252p
Leg aan de hand van figuur 2 uit hoe groot het rendement is van de
productie van methylethanoaat ten opzichte van ethaanzuur.
Een ingenieur gaat op basis van de gegevens van de proeffabriek een
schatting maken voor de bouw van een echte fabriek. Deze fabriek moet
2,5·104 ton methylethanoaat per jaar gaan produceren.
265p
Bereken hoeveel kg mengsel van water en methanol per uur onder uit de
reactieve-destillatiekolom komt in de echte fabriek.
− Neem aan dat de fabriek 360 dagen per jaar continu kan produceren.
− Gebruik bij je berekening de samenstelling van de stromen, zoals die
in de proeffabriek gevonden zijn.