opgave 3Inktvraat
Gallusinkt is een inkt die al door de Romeinen werd gebruikt. Van de 12e
tot en met de 19e eeuw was het in Europa de meest gebruikte inktsoort.
De gallusinkt tast echter in de loop der jaren het papier aan. Op de plek
van de inkt ontstaan gaten in het document en bruine vlekken. Dit proces
wordt inktvraat genoemd. Veel oude documenten dreigen hierdoor
verloren te gaan.
galnoten, dat galluszuur bevat.
Galluszuur is een meerwaardig zuur. Niet alleen de
carbonzuurgroep kan een H+ afstaan, ook alle drie de
OH groepen kunnen een H+ afstaan. In het extract komen
als negatieve ionen voornamelijk C7H5O5– ionen voor.
Om de inkt te maken werd de galluszuuroplossing (het
extract) gemengd met een oplossing van ijzervitriool (FeSO4).
Hierbij ontstond een kleurloze oplossing die goed in papier doordringt.
Papier bestaat voornamelijk uit cellulose.
112pLeg uit dat water (met de daarin opgeloste stoffen) goed in papier kan
doordringen. Maak hierbij gebruik van Binas-tabel 67.
Als met de kleurloze oplossing wordt geschreven, komt deze in contact
met lucht en in enkele seconden ontstaat het zwarte, slecht oplosbare
pigment ijzer(III)tannaat, FeC7H3O5. Pas dan is de inkt goed zichtbaar.
De vorming van ijzer(III)tannaat kan als volgt worden beschreven:
− reactie 1: waarbij ijzer(II)ionen worden omgezet tot ijzer(III)ionen door
het contact met lucht;
− reactie 2: waarbij ijzer(III)tannaat wordt gevormd en ook H+ ontstaat.
123pGeef van reactie 1 de vergelijkingen van de beide halfreacties en leid
daaruit de vergelijking van de totale reactie af.
In de vergelijking van één van beide halfreacties komen onder andere ook
H+ en H2O voor.
132pGeef de vergelijking van reactie 2.
De belangrijkste oorzaak van de aantasting van oude documenten door
inktvraat is de lage pH van de inkt. H3O+ is namelijk een katalysator voor
de afbraak van cellulose, het hoofdbestanddeel van papier. Daarnaast zijn
ook de condities waaronder het document wordt bewaard van invloed op
de afbraak van cellulose. Documenten die met gallusinkt zijn beschreven
worden daarom vaak in extreem droge ruimtes bewaard.
142pGeef twee oorzaken waardoor cellulose niet zal worden afgebroken, op de
manier die is genoemd in de tekst tussen vraag 13 en 14, wanneer geen
of nauwelijks water aanwezig is.
Een andere oorzaak van inktvraat is de aanwezigheid van ijzerionen in de
inkt die niet in ijzer(III)tannaat zijn gebonden. Deze ongebonden
ijzerionen katalyseren een andere afbraakreactie van cellulose, oxidatieve
decompositie genoemd. Door het Instituut Collectie Nederland is een
methode ontwikkeld om ijzerionen uit oude documenten te verwijderen.
Daarbij wordt gebruikgemaakt van een calciumfytaatoplossing.
Deze calciumfytaatoplossing wordt gemaakt door een fytinezuuroplossing
in een bepaalde massaverhouding te mengen met vast calciumcarbonaat.
Hierbij treedt de volgende reactie op:
5 CaCO3 + 2 H12Fyt → 5 Ca2+ + 2 H7Fyt5– + 5 CO2 + 5 H2O
Fytinezuur is een twaalfwaardig zuur en is in de reactievergelijking
weergegeven als H12Fyt. Fytaat is weergegeven als H7Fyt5–.
152pBereken in welke massaverhouding de fytinezuuroplossing moet worden
gemengd met calciumcarbonaat.
Maak hierbij gebruik van de volgende gegevens:
− de molaire massa van fytinezuur is 660 g mol–1;
− de fytinezuuroplossing bevat 50 massaprocent fytinezuur.
De behandeling van de oude documenten met een calciumfytaatoplossing
zorgt ervoor dat ongebonden ijzerionen worden gebonden tot ijzerfytaat,
een witte vaste stof.
De behandeling gaat als volgt:
Het document wordt ondergedompeld in de calciumfytaatoplossing.
Na 10 tot 30 minuten wordt het document uit de oplossing gehaald en
met water nagespoeld.
Hierna is nog een behandeling nodig met een oplossing van
calciumwaterstofcarbonaat om H3O+ uit het document te verwijderen.
162pGeef de vergelijking van de reactie van een oplossing van
calciumwaterstofcarbonaat met H3O+.
Het is niet mogelijk de twee behandelingen in één stap te combineren.
172pGeef een mogelijke verklaring hiervoor.
opgave 4De productie van lithium
De vraag naar lithium neemt sterk toe. Het wordt steeds meer verwerkt in
batterijen en in accu’s van elektrische auto’s. Drooggevallen zoutmeren in
het Andesgebergte bevatten het grootste deel van de winbare
wereldvoorraad lithium. Diep onder het oppervlak van deze zoutlagen
bevinden zich holtes die zich gevuld hebben met water dat verzadigd is
met natriumchloride. De oplossing bevat tevens magnesium-, kalium- en
lithiumzouten. Het lithiumgehalte van de oplossing kan wel 1 g L–1
bedragen. De oplossing wordt opgepompt en in bassins door
zonnewarmte langzaam ingedampt totdat het lithiumgehalte van de
oplossing minstens 5 g L–1 bedraagt. Door het indampen stijgt ook de
verhouding tussen de concentraties van de lithium- en natriumionen.
183pde ingedampte en opgepompte oplossing dezelfde temperatuur hebben.
In de bijlage bij dit examen is in een blokschema vereenvoudigd
weergegeven hoe in een continu proces zuiver lithiumcarbonaat
verkregen wordt uit de ingedampte oplossing.
In het proces wordt onder andere gebruikgemaakt van de eigenschap dat
de oplosbaarheid van lithiumcarbonaat bij 100 °C kleiner is dan bij 20 °C.
Het blokschema bevat reactoren (R) en filters (F). Bij elk filter geeft de pijl
omlaag het filtraat weer en de horizontale pijl het residu.
De reacties in R1 en R2 vinden plaats bij 20 °C.
In R1 worden vooral de magnesiumionen uit de oplossing verwijderd. In
R2 wordt vast lithiumcarbonaat toegevoegd aan de oplossing die uit F1
komt zodat de calciumionen uit de oplossing worden verwijderd.
Aan de oplossing die uit F2 komt, wordt natriumcarbonaat toegevoegd en
R3 wordt op een hogere temperatuur gebracht. Daardoor ontstaat in R3
vast lithiumcarbonaat. Het residu uit F3 bestaat uit vast lithiumcarbonaat
met een hoge zuiverheid. Een deel van dit lithiumcarbonaat wordt
teruggevoerd in R2. De rest van het lithiumcarbonaat wordt opgeslagen
en geleverd aan fabrieken die daaruit lithium produceren.
Bij het proces dat in R3 plaatsvindt speelt het volgende evenwicht een
belangrijke rol:
Li
2CO

Li
+ (aq) + CO
32– (aq)De evenwichtsconstante van dit evenwicht is bij 20 °C groter dan bij
100 °C.
192pGeef de evenwichtsvoorwaarde voor dit evenwicht.
202pLeg uit, met behulp van de hierboven vermelde gegevens, of de reactie
naar rechts van bovengenoemd evenwicht exotherm is of endotherm.
Wanneer in R2 te weinig lithiumcarbonaat wordt toegevoegd verloopt de
omzetting in R2 onvolledig.
213pLeg uit wat het effect is op
− het rendement van de productie van lithiumcarbonaat
− op de zuiverheid van lithiumcarbonaat
wanneer in R2 te weinig lithiumcarbonaat wordt toegevoegd.
De winning van lithium uit lithiumhoudende ertslagen is economisch ook
weer interessant geworden. Het belangrijkste lithiumerts is spodumeen,
LiAlSi2O6. Volgens de formule LiAlSi2O6 zou het massapercentage
lithium in spodumeen 3,7% bedragen. Meestal bevat spodumeen een
lager massapercentage lithium doordat in het rooster van spodumeen een
deel van de lithiumionen is ‘vervangen’ door natriumionen. Het werkelijke
massapercentage lithium in spodumeen bedraagt gemiddeld 3,2%.
224pBereken hoeveel procent van de lithiumionen is ‘vervangen’ door
natriumionen in spodumeen dat 3,2 massa% lithium bevat.
Maak gebruik van de volgende molaire massa’s:
voor LiAlSi2O6 186,10 g mol–1; voor NaAlSi2O6 202,15 g mol–1.
Om lithium te produceren uit spodumeen wordt spodumeen eerst
vermalen en vervolgens verhit tot boven 1100 °C. Door het verhitten
verpulvert het spodumeen. Vervolgens wordt het (afgekoelde) spodumeen
vermengd met zwavelzuur en verhit tot 250 °C. Hierbij ontstaat behalve
lithiumsulfaat, aluminiumsulfaat en siliciumdioxide nog één andere stof.
234pGeef de reactievergelijking voor deze omzetting. Gebruik hierbij voor
spodumeen de formule LiAlSi2O6.
Door het toevoegen van water lossen lithiumsulfaat en aluminiumsulfaat
op. Uit deze oplossing kan ook lithiumcarbonaat worden bereid volgens
het blokschema op de bijlage. Vergeleken met de oplossing die onder de
zoutlaag wordt opgepompt, bevat de oplossing veel minder natrium-,
magnesium- en chloride ionen en veel meer waterstof-, aluminium- en
sulfaationen.
243pLeg uit voor elk van de drie ionsoorten (waterstof, aluminium en sulfaat)
waar in het blokschema deze ionen worden verwijderd. Gebruik hierbij
onder andere Binas-tabel 45.
Uit gegevens in deze opgave kan worden afgeleid dat de productie van
lithiumcarbonaat uit de opgepompte oplossing goedkoper is dan uit
spodumeen.
252pNoem twee factoren waardoor de productie uit de opgepompte oplossing
goedkoper is dan de productie uit spodumeen.
Let op: de laatste vragen van dit examen staan op de volgende pagina.
opgave 5Salatrim, een vetvervanger
Omdat het eten van te veel vet schadelijk is voor de gezondheid, is de
voedingsmiddelenindustrie al geruime tijd op zoek naar zogenoemde
vetvervangers. Dit zijn stoffen die in de mond aanvoelen als plantaardige
of dierlijke vetten, maar bij vertering in het lichaam minder energie
leveren. Salatrim is zo’n vetvervanger en wordt verwerkt in koekjes en
chocolade.
Salatrim bestaat uit een mengsel van triglyceriden. In de moleculen van
deze triglyceriden is glycerol op minstens één positie veresterd met een
verzadigd vetzuur met een lange koolstofketen en op minstens één positie
met een (vet)zuur met een korte koolstofketen.
Hieronder is zo’n triglyceride schematisch weergegeven:
triglyceride A
262pGeef de structuurformule van dit triglyceride.
− Maak hierbij gebruik van Binas-tabel 67B.
− De koolwaterstofrest van stearinezuur mag worden weergegeven met
C17H35.
Triglyceride A kan worden gevormd uit glyceryltristearaat (een triglyceride
dat uitsluitend vetzuren met een lange koolstofketen bevat) en
glyceryltripropanoaat (een triglyceride dat uitsluitend (vet)zuren met een
korte koolstofketen bevat).
Deze twee soorten triglyceriden worden toegevoegd aan een oplossing
van het enzym lipase. Er treedt dan een zogenoemde om-estering op:
De triglyceriden worden gehydrolyseerd tot glycerol en (vet)zuren en
daaruit worden vervolgens nieuwe triglyceriden gevormd.
Na afloop is een mengsel ontstaan van triglyceriden waarbij de
verschillende soorten (vet)zuren random zijn verdeeld over de
verschillende triglyceriden. In dit mengsel komen onder andere
glyceryltristearaat, glyceryltripropanoaat en triglyceride A voor.
273pGeef op eenzelfde wijze als voor triglyceride A is gedaan, de
schematische aanduiding van drie andere triglyceriden die in dit mengsel
voorkomen. Laat hierbij stereo-isomerie buiten beschouwing.