opgave 1Ademtest
Joost heeft de laatste tijd last van zijn maag. Hij gaat naar zijn huisarts en
deze verwijst hem voor onderzoek naar het ziekenhuis. Er zal onderzocht
worden of de klachten worden veroorzaakt door een bacterie, genaamd
Helicobacter pylori. Joost vindt de volgende informatie over deze bacterie.
tekstfragment 1
1 Helicobacter pylori leeft in het maagslijmvlies en kan een maagzweer 2 veroorzaken. De bacterie produceert het enzym urease, dat de katalysator 3 is voor de hydrolyse van ureum. H N NH 2 2 C + H O CO + 2 NH 2 2 3 O 4 Ureum wordt in de lever geproduceerd. Via de bloedbaan en de nieren 5 verlaat ureum, opgelost in urine, het lichaam. De bacterie haalt ureum uit 6 het bloed. 7 Het enzym urease bevindt zich aan de buitenkant van de bacterie zodat 8 het gevormde ammoniak de bacterie beschermt tegen de lage pH die in 9 de maag heerst. 10 Het gevormde koolstofdioxide wordt via de bloedbaan naar de longen 11 getransporteerd en vervolgens uitgeademd.
12pVerklaar aan de hand van de structuurformule waarom ureum goed
oplosbaar is in urine, die voor het grootste gedeelte uit water bestaat.
22pGeef in een reactievergelijking weer hoe ammoniak reageert in een milieu
met een lage pH (regels 8 en 9).
Ureum is een stof die ontstaat bij de afbraak van een van de soorten
voedingsstoffen: koolhydraten, eiwitten en vetten.
32pUit welk soort voedingsstof ontstaat ureum? Licht je antwoord toe.
Met een zogenoemde ureum-ademtest kan worden onderzocht of een
patiënt besmet is met de bacterie Helicobacter pylori.
Joost vindt de volgende gegevens over de ademtest op de website van de
Maag Lever Darm stichting.
tekstfragment 2
De ademtest verloopt als volgt: U mag gedurende 6 uur voor de test niet gegeten of gedronken hebben. Vervolgens moet U door een rietje in een afsluitbaar glazen buisje blazen als controle. Daarna drinkt U een glas sinaasappelsap (200 mL), gevolgd door 30 mL water waarin 75 mg C13-ureum is opgelost. Dertig minuten na het drinken moet U in een tweede buisje blazen, waarna de beide buisjes worden geanalyseerd op het C13-gehalte. Als U besmet bent met de Helicobacter pylori bacterie, dan wordt C13-ureum omgezet en ademt U C13-bevattend koolzuurgas (= koolstofdioxide) uit. De arts kan dit meten in de uitgeademde lucht.
Met C13 worden koolstofatomen met het massagetal 13 bedoeld.
42pGeef het aantal protonen, neutronen en elektronen van een C13 atoom.
Noteer je antwoord als volgt:
aantal protonen: …
aantal neutronen: …
aantal elektronen: …
In C13-ureum bevatten alle moleculen een C13 atoom.
De molaire massa van C13-ureum is 61,05 g mol–1.
53pBereken hoeveel milligram C13-bevattend koolstofdioxide maximaal kan
ontstaan uit de hoeveelheid C13-ureum die in het drankje zit. Maak
gebruik van gegevens uit tekstfragment 1 en tekstfragment 2.
61pGeef een reden waarom geen goed testresultaat wordt verkregen
wanneer onmiddellijk na het drinken van het drankje dat C13-ureum
bevat, in het buisje wordt geblazen.
Joost doet de ademtest en krijgt van de arts te horen dat uit de
meetresultaten blijkt dat hij geen Helicobacter pylori bacterie in zijn maag
heeft. Toch bleek dat C13-bevattend koolstofdioxide voorkwam in de
uitgeademde lucht die hij, na dertig minuten, in het tweede buisje heeft
geblazen.
73pLeg uit hoe de arts op grond van beide meetresultaten uit de ademtest de
conclusie kan trekken dat Joost geen Helicobacter pylori bacterie in zijn
maag heeft. Maak voor je antwoord ook gebruik van een gegeven uit
Binas-tabel 25.
opgave 2Waterontharder
Hard leidingwater bevat veel calciumionen. Om leidingwater te ontharden
kan men in huis een zogenoemde waterontharder installeren. Een
waterontharder wordt direct na de watermeter aangesloten en zorgt
ervoor dat in het gehele huis zacht water uit de kraan komt.
Op de website van een leverancier van waterontharders worden de
volgende voordelen van het gebruik van een waterontharder genoemd:
− geen kalkafzetting in keuken, badkamer en op servies;
− lagere energiekosten (kalk isoleert verwarmingselementen);
− besparing op wasmiddelen, zeep en shampoo.
In leidingwater zijn waterstofcarbonaationen aanwezig. Bij verwarming
van dit leidingwater treedt een zuur-basereactie op. Sommige
waterstofcarbonaationen reageren bij deze reactie als zuur en andere
reageren als base. Bij deze reactie ontstaan onder andere
carbonaationen.
83pGeef de vergelijking van deze zuur-basereactie.
In hard water vormen de ontstane carbonaationen vervolgens een
neerslag met de aanwezige calciumionen. Dit neerslag wordt ook wel
kalkaanslag of ketelsteen genoemd.
92pGeef de reactievergelijking voor deze vorming van ketelsteen. Geef hierbij
ook de toestandsaanduidingen.
Op de website staat “kalk isoleert verwarmingselementen”. Een
verwarmingselement in een wasmachine is gemaakt van roestvast staal
(RVS). RVS kan warmte goed geleiden door het bindingstype dat hierin
voorkomt.
In een wasmachine ontstaat door regelmatig verwarmen van water dat
niet onthard is, een laagje kalk op het verwarmingselement. In kalk komt
een ander bindingstype voor, waardoor kalk warmte slecht geleidt.
102pWelke bindingstypen komen voor in RVS en in kalk?
Noteer je antwoord als volgt:
bindingstype in RVS: …
bindingstype in kalk: …
Een bepaalde waterontharder is uitgerust met een cilinder
die is gevuld met korrels kunsthars. Aan deze kunsthars
zijn natriumionen gebonden. Wanneer hard water langs
de korrels stroomt, binden calciumionen aan de kunsthars
en komen natriumionen in het water.
Hiernaast is zo’n cilinder schematisch weergegeven.
Het onthardingsproces kan als volgt worden weergegeven:
Hars2–(Na+)2 (s) + Ca2+ (aq) → Hars2–Ca2+ (s) + 2 Na+ (aq)
Wanneer de kunsthars in een cilinder geen calciumionen meer kan
opnemen, wordt deze geregenereerd. Hierbij wordt een geconcentreerde
NaCl oplossing door de cilinder gespoeld. Daarbij komt een oplossing uit
de cilinder die ook calciumionen bevat. Deze oplossing wordt via een
aansluiting op het riool afgevoerd. Nadat de cilinder een keer is
nagespoeld met wat leidingwater, kan de cilinder weer worden gebruikt
om water te ontharden.
112pBeschrijf wat er in de cilinder gebeurt met de calciumionen en de
natriumionen wanneer de kunsthars wordt gespoeld met een
geconcentreerde NaCl oplossing.
121pGeef aan waarom de cilinder moet worden nagespoeld met wat
leidingwater.
De familie Lansink, die uit vier personen bestaat, heeft een
waterontharder in huis laten installeren. Per persoon verbruiken ze 135 L
water per dag. Het leidingwater dat van het drinkwaterbedrijf het huis van
de familie binnenkomt, bevat 61 mg Ca2+ per L.
132pBereken hoeveel gram calciumionen aanwezig is in het water dat de
familie Lansink per dag afneemt van het drinkwaterbedrijf.
143pBereken hoeveel gram natriumchloride uit de geconcentreerde
NaCl oplossing nodig is om de calciumionen die per dag in de
waterontharder worden gebonden, te vervangen door natriumionen.
In het begin van deze opgave is vermeld dat het gebruik van een
waterontharder een besparing van het zeepgebruik oplevert. Hierbij speelt
een rol dat zeepionen met calciumionen een neerslag vormen.
152pLeg uit waarom minder zeep nodig is bij het wassen met onthard water
dan bij het wassen met hard water.
opgave 3Grondwaterreiniging
Vroeger werden in chemische wasserijen vooral chloorkoolwaterstoffen
(CKW’s) gebruikt om kleding te reinigen. CKW’s zijn verbindingen van
chloor, koolstof en meestal ook waterstof. Een voorbeeld van een CKW is
de stof die wordt aangeduid met de naam tri.
De molecuulformule van tri is C2HCl3.
162pGeef de structuurformule van tri.
In het centrum van Amersfoort, op de plaats waar enkele chemische
wasserijen stonden, zijn grond en grondwater verontreinigd met CKW’s.
Op ongeveer 12 meter diepte bevindt zich op deze plaats een
ondoordringbare kleilaag. Op deze kleilaag heeft zich een mengsel van
vloeibare CKW’s verzameld die in de grond waren gesijpeld. CKW’s
lossen niet goed op in water. Toch is het grondwater, dat over het
mengsel van CKW’s stroomt, verontreinigd met CKW’s. Als gevolg van
verdelingsevenwichten komen namelijk CKW’s in het water terecht.
172pGeef de vergelijking van het verdelingsevenwicht van het tri dat is
opgelost in het CKW-mengsel en het tri dat is opgelost in het water.
Vermeld ook de toestandsaanduidingen en gebruik voor tri in het
CKW-mengsel de toestandsaanduiding (ckw).
Er is een methode ontwikkeld om de CKW’s uit het vervuilde grondwater
te verwijderen. Dit gaat als volgt. Een damwand wordt in de bodem
geplaatst tot in de ondoordringbare kleilaag. In deze wand zit een opening
waardoor het vervuilde grondwater via een afvoerleiding naar een reactor
wordt geleid. In de reactor die gevuld is met ijzerkorrels, vindt de reiniging
van het vervuilde grondwater plaats. Het gezuiverde water wordt geloosd
op het riool. Deze zuivering is schematisch weergegeven in onderstaande
figuur.
De CKW’s reageren in de reactor met het ijzer volgens redoxreacties.
Hierbij ontstaan onder andere koolwaterstoffen en wordt ijzer omgezet tot
ijzer(II)ionen.
Bij de reactie van C2HCl3 (tri) met ijzer kan de halfreactie van de oxidator
als volgt worden weergegeven:
C2HCl3 + 3 H2O + 6 e– → C2H4 + 3 Cl– + 3 OH–
181pGeef de vergelijking van de halfreactie van de reductor.
191pIn welke molverhouding reageren tri en ijzer?
Noteer je antwoord als: aantal mol tri: aantal mol ijzer = …: …
In het vervuilde grondwater zijn drie CKW’s aanwezig die worden
aangeduid met de namen tri, per en cis. Van deze CKW’s zijn in tabel 1
enkele gegevens opgenomen (1 µg = 1·10–6 g).
tabel 1
Het grondwater stroomt met een snelheid van 20 m3 per dag door de
reactor.
202pBereken het aantal gram CKW’s dat per dag omgezet wordt in de reactor.
Ga ervan uit dat de CKW’s volledig worden omgezet.
Voor het ontwerp van de reactor is in een proefopzet van het
reinigingsproces onder andere het volgende onderzocht:
onderzoek 1: Welk soort ijzerkorrels is geschikt?
onderzoek 2: Hoe groot moet de reactor zijn?
Bij onderzoek 1 onderzocht men twee soorten ijzerkorrels, afkomstig van
verschillende leveranciers.
De twee soorten ijzerkorrels worden verder aangeduid met A en B.
Men vulde een kolom met A en een andere kolom met dezelfde massa
van B. Door beide kolommen leidde men met gelijke stroomsnelheid het
verontreinigde grondwater. Het grondwater dat uit de kolom met A kwam,
bevatte geen CKW’s meer. Uit de kolom met B kwam grondwater dat nog
wel CKW’s bevatte.
212pNoem een mogelijk verschil tussen de ijzerkorrels A en de ijzerkorrels B
waarmee het waargenomen verschil bij de grondwaterreiniging kan
worden verklaard. Geef ook deze verklaring.
Bij onderzoek 2 gebruikte men een modelopstelling met het soort
ijzerkorrels dat ook in de reactor zal worden toegepast.
Bij dit onderzoek bepaalde men regelmatig de gehaltes van de
verschillende CKW’s in het grondwater. De resultaten werden
omgerekend naar de praktijk van de grondwaterreiniging.
Deze (omgerekende) resultaten zijn weergegeven in diagram 1.
diagram 1
verblijftijd in de reactor
(uur)In dit diagram zijn de gehaltes van de drie onderzochte CKW’s uitgezet
tegen de tijd die het grondwater in de reactor verblijft. Met behulp van
diagram 1 kan de inhoud van de reactor worden berekend.
een zogenoemde logaritmische schaal.
Het totale gehalte aan CKW’s in grondwater, dat op het riool wordt
geloosd, mag maximaal 20 µg per liter zijn (1 µg = 1·10–6 g).
221pGeef aan hoe uit diagram 1 blijkt dat cis langzamer met ijzer reageert dan
tri en per.
232pBereken hoeveel m3 de inhoud van de reactor minstens moet zijn.
Ga er bij de berekening vanuit dat:
− het grondwater met een snelheid van 0,83 m3 per uur (= 20 m3 per
dag) door de reactor stroomt;
− het gehalte aan cis wordt verlaagd tot 20 µg L–1.
opgave 4Aluminium beschermen
Een voorwerp van aluminium is weinig gevoelig voor corrosie. Dit wordt
veroorzaakt door het laagje aluminiumoxide waarmee het voorwerp is
bedekt. Dit laagje voorkomt corrosie van het onderliggende metaal.
Om aluminium voorwerpen nog beter te beschermen tegen de inwerking
van zuurstof en vocht, kan door middel van elektrolyse het laagje
aluminiumoxide dikker gemaakt worden.
In onderstaande figuur is deze elektrolyse schematisch weergegeven.
Het aluminium voorwerp is verbonden met een van de elektroden van een
gelijkspanningsbron. De andere elektrode is een onaantastbare elektrode.
De halfreactie die plaatsvindt aan het aluminium voorwerp is hieronder
weergegeven:
2 Al + 3 H2O → Al2O3 + 6 H+ + 6 e–
242pLeg uit, aan de hand van deze halfreactie, of het aluminium voorwerp
verbonden is met de positieve of met de negatieve elektrode.
Aan de onaantastbare elektrode wordt waterstofgas gevormd uit H+.
252pGeef de vergelijking van de halfreactie die optreedt aan de onaantastbare
elektrode.
262pLeg uit dat de hoeveelheid H+ ionen in de oplossing niet verandert door
de halfreacties die optreden aan de elektroden.
Wanneer het laagje Al2O3 dik genoeg is geworden, wordt het aluminium
voorwerp uit de elektrolyse-opstelling gehaald, nagespoeld met water en
in een bad met heet water gedompeld. Het beschermende laagje wordt
daarbij harder doordat de volgende reactie optreedt:
Al2O3 + H2O → 2 AlO(OH)
272pLeg uit, aan de hand van de formules in de reactievergelijking, of deze
reactie een zuur-basereactie is.
