opgave 1Contrastmiddel voor MRI-scans
MRI staat voor Magnetic Resonance Imaging. Deze techniek wordt in
ziekenhuizen gebruikt voor onderzoek aan bijvoorbeeld bloedvaten. Soms
gebruikt men voor het maken van een MRI-scan het contrastmiddel
OMNISCAN™. Dit wordt in de bloedbaan geïnjecteerd.
figuur 1
OMNISCAN™ bevat gadodiamide. Dit is een verbinding van het element
gadolinium (Gd). In die verbinding komen Gd3+ ionen voor. Door de
magnetische eigenschappen van Gd3+ ionen geeft de MRI-scan een betere
afbeelding. In de natuur komt de isotoop Gd-158 het meest voor.
13pHoeveel protonen, neutronen en elektronen bevat een Gd3+ ion met
massagetal 158? Noteer je antwoord als:
aantal protonen: … aantal neutronen: … aantal elektronen: …
In een gadodiamide-deeltje is een Gd3+ ion ingekapseld door een organisch
deeltje. Zie figuur 2 voor een structuur van een gadodiamide-deeltje.
Gadodiamide is goed oplosbaar in water. De gadodiamide-deeltjes blijven
in de oplossing intact en vallen niet uiteen tot ionen.
22pLeg uit op microniveau, aan de hand van figuur 2, dat gadodiamide goed
oplosbaar is in water.
Gadodiamide kan worden bereid uit gadolinium(III)oxide via de volgende
reactie:
2 C16H29N5O8 + Gd2O3 → 2 GdC16H26N5O8 + 3 H2O
32pLeg uit, aan de hand van formules in de reactievergelijking, of deze
reactie een zuur-basereactie is.
Vrije Gd3+ ionen zijn giftig voor mens en dier. De LD50 voor muizen is
42 mg kg–1. Gd3+ ionen in gadodiamide-deeltjes zijn veel minder giftig.
De LD50 van Gd3+ ionen in gadodiamide verschilt een factor 100 met de
LD50 van vrije Gd3+ ionen.
42pGeef de LD50 (voor muizen) van Gd3+ ionen in gadodiamide.
Voor de mens wordt als veilige dosering van gadodiamide de grens van
0,1 mmol per kg lichaamsgewicht aangehouden. Hierop is de
onderstaande doseringskaart voor OMNISCAN™ gebaseerd.
doseringskaart voor volwassenen
Met een berekening kan worden aangetoond dat bij een dosering die op
de doseringskaart is vermeld, de veiligheidsgrens niet wordt
overschreden.
53pGeef de berekening voor een persoon van 60 kg.
Maak hierbij gebruik van:
− de molaire massa van gadodiamide is 574 g mol–1;
− informatie uit het etiket in figuur 1.
Men verwacht dat het gebruik van gadodiamide toeneemt. Omdat
gadodiamide via de urine wordt uitgescheiden, zal het gehalte aan
gadodiamide in afvalwater toenemen.
Dit kan voor milieuproblemen zorgen omdat gadodiamide niet in een
rioolwaterzuiveringsinstallatie (RWZI) wordt afgebroken.
In een laboratorium werd onderzocht of gadodiamide kan worden
verwijderd uit een oplossing door middel van de scheidingsmethode
adsorberen. De conclusie was dat verwijdering niet lukt met deze
scheidingsmethode.
62pBeschrijf in grote lijnen hoe een experiment kan worden uitgevoerd om te
onderzoeken of gadodiamide uit een oplossing kan worden verwijderd met
behulp van Norit
-poeder als adsorptiemiddel.
In tabel 1 staan gemiddelden van een aantal metingen van het
Gd3+ gehalte.
tabel 1
Hoewel nog geen methode bestaat om gadodiamide uit afvalwater te
verwijderen, wordt bij RWZI’s al nagedacht over de wijze waarop de
eventuele verwijdering kan worden uitgevoerd. Een chemisch technoloog
stelt voor om de urine van mensen bij wie gadodiamide is gebruikt, apart
te verzamelen en daaruit het gadodiamide te verwijderen.
72pGeef een argument dat de chemisch technoloog kan noemen waarom het
effectiever is om gadodiamide te verwijderen uit de apart verzamelde
urine dan uit rioolwater. Motiveer je antwoord.
opgave 3Alginaat
Onder ‘moleculair koken’ wordt verstaan: het toepassen van wetenschap
bij voedselbereiding in de keuken. Alginaat wordt in de moleculaire
keuken gebruikt om bolletjes te maken die op kaviaar lijken en gevuld zijn
met een vloeistof. Bij het doorbijten van de bolletjes komt de vloeistof vrij
in de mond. Dat zorgt voor een bepaalde smaaksensatie. Marije wil haar
vrienden verrassen met ‘limonadekaviaar’. Zij vindt op internet het
volgende recept:
Recept moleculair koken: limonadekaviaar 1. Los 3,0 gram calciumchloride op in 130 mL water. 2. Los 4,0 gram natriumalginaatpoeder op in 120 mL water. 3. Meng de natriumalginaatoplossing met limonadesiroop in de volumeverhouding 1 : 2. 4. Zuig een deel van het mengsel op met een pipet en druppel het in de calciumchloride-oplossing. 5. Schep na ongeveer 30 seconden de ‘kaviaar’ eruit. Naar: moleculairkoken.net/kooktechnieken-kaviaar
Bij het oplossen van calciumchloride worden ionbindingen verbroken. Er
worden ook nieuwe bindingen gevormd.
142pTussen welke deeltjes worden nieuwe bindingen gevormd bij het oplossen
van calciumchloride?
Noteer je antwoord als volgt:
Er worden nieuwe bindingen gevormd tussen.................... en......................
Natriumalginaat is een natuurlijk polysacharide met de formule
Nan(C6H7O6)n. Het monomeer van natriumalginaat heeft dezelfde
basisstructuur als glucose, met in plaats van een -CH2OH groep een
-COO– Na+ groep. Hieronder zijn het monomeer waaruit natriumalginaat is
opgebouwd en een fragment van natriumalginaat schematisch weergegeven:
Bij het oplossen van natriumalginaat in water komen natriumionen en
alginaationen vrij.
153pGeef de vergelijking voor het oplossen van natriumalginaat in water.
Gebruik de formule Nan(C6H7O6)n voor natriumalginaat en de formule
(C6H7O6)nn– voor alginaationen.
Wanneer het mengsel van natriumalginaat en limonadesiroop in de
calciumchloride-oplossing wordt gedruppeld (stap 4), vormt zich meteen een
dun laagje zogenoemde gel rondom de druppeltjes. De gel bestaat uit
alginaationen die door calciumionen als een soort crosslinks zijn verbonden.
Voor de smaaksensatie is het van belang dat de bolletjes niet te laat uit
de calciumchloride-oplossing worden geschept (stap 5).
Wanneer te lang wordt gewacht, is de vloeistof binnen in de bolletjes
namelijk ook omgezet tot een gel.
162pGeef een mogelijke verklaring voor dit verschijnsel.
Marije leest op internet dat calciumchloride een beetje bitter smaakt en
dat in plaats van calciumchloride ook het smaakloze calciumlactaat
gebruikt kan worden. Calciumlactaat heeft de formule Ca(C3H5O3)2.
173pBereken hoeveel gram calciumlactaat Marije in 130 mL water moet
oplossen om een oplossing te krijgen waarin de molariteit van de
calciumionen hetzelfde is als in het recept. Neem hierbij aan dat het
volume van beide oplossingen 130 mL is.
opgave 4Bio-P
Te veel fosfaat in oppervlaktewater leidt tot een afname van de
waterkwaliteit. Een van de oorzaken is het uitspoelen van (kunst)mest
vanaf landbouwgrond.
181pGeef de naam van de vakterm waarmee deze afname van de
waterkwaliteit wordt aangeduid.
Rioolwater bevat ook fosforverbindingen die veelal worden aangeduid als
fosfaat. In een rioolwaterzuiveringsinstallatie (RWZI) wordt rioolwater
gezuiverd. De gezuiverde uitstroom van een RWZI wordt geloosd op het
oppervlaktewater. In steeds meer RWZI’s wordt fosfaat biologisch
verwijderd met het zogenoemde Bio-P proces. In figuur 1 is dit
continuproces schematisch weergegeven.
figuur 1
* slib = waterige biomassa, bestaande uit o.a. bacteriën
In het Bio-P proces wordt gebruikgemaakt van speciale bacteriën. Deze
zetten fosfaat om tot polyfosfaat dat zij opslaan als energievoorraad. In
het Bio-P proces zijn afwisselend anaerobe (zuurstofloze) en aerobe
(zuurstofrijke) omstandigheden nodig.
In de anaerobe tank nemen de bacteriën koolstofverbindingen op uit het
rioolwater, zetten die om tot polyhydroxybutyraat (PHB) en slaan het PHB
op. Voor de omzetting van koolstofverbindingen tot PHB is energie nodig.
De bacteriën halen deze energie uit de afbraak van polyfosfaat tot fosfaat.
Het fosfaat wordt uitgescheiden en komt weer in het water terecht.
In de aerobe tank zetten de bacteriën PHB om tot koolstofdioxide en
water. De energie die hierbij vrijkomt, gebruiken ze om zich te
vermeerderen. Daardoor neemt het aantal bacteriën toe en dus ook de
hoeveelheid slib.
De bacteriën in de aerobe tank nemen fosfaat op en zetten dit om tot
polyfosfaat. De hoeveelheid fosfaat die hierbij wordt opgenomen, is veel
groter dan door de bacteriën in de anaerobe tank is afgegeven.
De omzettingen die in de bacteriën in de aerobe tank plaatsvinden, zijn
hieronder schematisch vereenvoudigd weergegeven:
192pGeef de namen van de stoffen die bij de letters a tot en met e geplaatst
moeten worden.
Maak een keuze uit:
fosfaat, koolstofdioxide + water, polyfosfaat, PHB, zuurstof.
Noteer je antwoord als volgt:
a: …
b: …
c: …
d: …
e: …
202pLeg uit, aan de hand van de informatie over het Bio-P proces, of de
omzetting van polyfosfaat tot fosfaat een endotherm of een exotherm
proces is.
PHB is een polyester. De structuurformule van een fragment van PHB is
hieronder weergegeven:
PHB kan worden beschouwd als een condensatiepolymeer dat is gevormd
uit het monomeer C4H8O3.
212pGeef de structuurformule van het monomeer C4H8O3.
Voor de omzetting van PHB tot koolstofdioxide en water is zuurstof nodig.
223pGeef de vergelijking in molecuulformules van deze omzetting. Gebruik de
formule (C4H6O2)1000 voor PHB.
Een gedeelte van het fosfaatrijke slib wordt teruggevoerd naar de
anaerobe tank (zie figuur 1). De rest van het slib wordt afgevoerd. In een
aantal moderne RWZI’s wordt deze rest gebruikt om fosfaat terug te
winnen in de vorm van struviet (MgNH4PO4.6H2O), dat als kunstmest kan
worden gebruikt. Na een aantal bewerkingen van het slib wordt een
geconcentreerde oplossing van magnesiumchloride toegevoegd.
De volgende reactie vindt dan plaats:
Mg2+ + NH4+ + PO43– + 6 H2O → MgNH4PO4.6H2O reactie 1
struviet
De vorming van struviet vindt plaats in een licht basisch milieu met een
pH van 7,8.
232pBereken de [OH–] in mol L–1 in een oplossing met pH = 7,8 (T = 298 K).
Het slib bevat voldoende NH4+ en water om alle fosfaat (PO43–) om te
zetten tot struviet. In een bepaalde RWZI wordt 2,5 ton struviet per dag
gevormd volgens reactie 1.
243pBereken hoeveel kg magnesiumchloride-oplossing minstens per dag moet
worden toegevoegd aan slib om het aanwezige fosfaat volledig om te
zetten tot 2,5 ton struviet volgens reactie 1.
Maak gebruik van de volgende gegevens:
− Een ton is 103 kg.
− De molaire massa van struviet is 245,41 g mol–1.
− De magnesiumchloride-oplossing bevat 32 massaprocent
magnesiumchloride.
− De hoeveelheid Mg2+ die in slib voorkomt, mag worden verwaarloosd.
opgave 5Stanyl®
Stanyl is een sterke kunststof die pas bij hoge temperatuur smelt
(295 °C). Dit maakt Stanyl geschikt als vervanger van metalen onderdelen
in auto’s en in elektronische apparatuur.
Stanyl is een copolymeer dat ontstaat door polycondensatie van twee
soorten monomeren.
Een van deze twee is butaan-1,4-diamine, H2N-(CH2)4-NH2.
Hieronder is de structuurformule van Stanyl schematisch weergegeven:
Bij de vorming van Stanyl via polycondensatie ontstaat water als
bijproduct.
252pGeef de structuurformule van het andere monomeer waaruit Stanyl wordt
gevormd via de hierboven beschreven polymerisatie.
Het fragment dat in de structuurformule van Stanyl (zie hierboven) tussen
de grote haken staat, wordt de repeterende eenheid genoemd.
De eigenschappen van een polymeer worden mede bepaald door de
gemiddelde molecuulmassa van het polymeer. Een veelgebruikte
Stanyl-soort heeft de gemiddelde molecuulmassa 2,0·104 u.
262pBereken hoeveel repeterende eenheden gemiddeld voorkomen in een
molecuul van deze Stanyl-soort.
Stanyl is een zogenoemde nylon en is ontwikkeld als kunststof die
steviger is en bij een hogere temperatuur kan worden toegepast dan het
bekende nylon-6,6.
De repeterende eenheid van nylon-6,6 is hieronder weergegeven:
De aantrekkingskracht tussen nylonmoleculen wordt grotendeels bepaald
door waterstofbruggen tussen C=O groepen en NH groepen. In figuur 1 is
schematisch weergegeven hoe ketens van Stanyl en nylon-6,6 door
middel van waterstofbruggen aan elkaar gebonden zijn.
figuur 1
272pLeg uit aan de hand van figuur 1, waarom Stanyl een hogere
smelttemperatuur heeft dan nylon-6,6.
Ga ervan uit dat Stanyl en nylon-6,6 dezelfde gemiddelde ketenlengte
hebben.
Voorwerpen van Stanyl worden geproduceerd met behulp van de techniek
spuitgieten. In figuur 2 is een schematische tekening weergegeven van
een machine waarmee deze techniek wordt uitgevoerd.
figuur 2
Bij de vultrechter (2) worden Stanylkorrels in de spuitgietmachine
gebracht. Deze korrels worden verwarmd en de ronddraaiende schroef (1)
zorgt voor verplaatsing van Stanyl. Via de spuitmond (3) wordt Stanyl in
een mal (4) geperst zodat het voorwerp in de gewenste vorm stolt.
De producent van Stanyl adviseert bepaalde temperaturen voor de drie
zones die in figuur 2 zijn aangegeven.
Bij die temperaturen verloopt het spuitgieten optimaal.
De producent geeft de volgende temperatuurtrajecten voor de drie zones:
− 80 - 120 °C
− 280 - 320 °C
− 305 - 335 °C
Met behulp van het smeltpunt van Stanyl (295 °C) kan worden afgeleid
welk temperatuurtraject bij welke zone hoort.
282pGeef aan welk temperatuurtraject bij welke zone hoort.
Noteer je antwoord als:
zone A: …
zone B: …
zone C: …
H
C
H
C
H
CH
C 
CH
CH
