bronnen

Eindexamen scheikunde vwo 2018, tijdvak 2

opgave 1Mauveïne

In 1856 probeerde William Perkin kinine, een medicijn tegen malaria, te
synthetiseren. Hij verkreeg geen kinine maar een mengsel met een
paarse kleur. In de reactie was een paarse kleurstof gevormd, die later
geschikt bleek om textiel te verven. Perkin noemde deze stof mauveïne
en deze toevallige ontdekking werd een mijlpaal in de geschiedenis van
de textielverf.
In 1994 onderzocht men de samenstelling van de paarse kleurstof uit
verschillende historische textielmonsters. De kleurstof bleek een mengsel
te zijn van verwante verbindingen, waaronder mauveïne A, B, B2 en C.
Perkins gebruikte voor de synthese drie organische beginstoffen en een
oxidator. Hieronder zijn de structuurformules van de organische
beginstoffen weergegeven.
aniline o-toluïdine p-toluïdine NH NH NH 2 2 2 HC 3 CH 3
Op de uitwerkbijlage is de structuurformule van mauveïne B
weergegeven. In de structuur van mauveïne B is de oorspronkelijke
structuur van de drie organische beginstoffen te herkennen.
12puitwerkbijlage
− Omcirkel op de uitwerkbijlage de delen van het molecuul mauveïne B
die afkomstig zijn van een van de organische beginstoffen.
− Noteer bij elk omcirkeld deel de naam van de betreffende beginstof.
In het onderzoek van de monsters mauveïne is gebruikgemaakt van
chromatografie. De onderzoekers gebruikten daarbij een hydrofobe
stationaire fase en methanol als mobiele fase.
De structuurformules van de drie stoffen die het meest in het paarse
mengsel aanwezig zijn, zijn hieronder weergegeven.
N 3 N NH 2 A CH 3
CH 3 N 3 N NH 2 B CH 3
CH 3 HC N 3 HN N NH 2 mauveïne C CH 3 CH 3
22p
Leg aan de hand van de structuurformules uit welke van deze drie
mauveïnes de grootste retentietijd heeft in dit experiment.
Van het mengsel van mauveïnes van Perkin is een massaspectrum
gemaakt. Met de gebruikte techniek zagen de onderzoekers alleen de
pieken van de molecuulionen van de mauveïnes. De gegevens van de
mauveïnes A, B en C afkomstig uit het massaspectrum zijn in
onderstaande tabel gegeven.
tabel
  A B C m/z -waarde 390 405 420 intensiteit 94 100 77
32p
Bereken de massaverhouding waarin de mauveïnes A, B en C in het
mengsel van Perkin aanwezig waren. Geef je antwoord als volgt weer:
1,0 g A: …... g B: …… g C
De onderzoekers hebben mauveïne B2, een isomeer van mauveïne B, op
microschaal gesynthetiseerd. Een molecuul mauveïne B2 wordt gevormd
uit één molecuul aniline, één molecuul o-toluïdine en twee moleculen
p-toluïdine.
Zij hebben hiertoe 60 μL aniline, 60 μL o-toluïdine en 120 μL p-toluïdine
laten reageren. Ze verkregen 12 mg mauveïne B2.
De molaire massa van mauveïne B2 is 406 g mol–1.
44p
Bereken het rendement van deze synthese.
Maak onder andere gebruik van de volgende gegevens:
  aniline o-toluïdine p-toluïdine dichtheid (g mL –1 ) 1,022 1,01 1,05 molaire massa (g mol –1 ) 93,1 107 107
Bij nader onderzoek naar de structuur van de moleculen bleek dat
mauveïne A in twee vormen voorkomt. Deze vormen kunnen worden
opgevat als een cis- en een trans-isomeer.
Op de uitwerkbijlage is de Lewisstructuur gegeven van mauveïne A en de
onvolledige Lewisstructuur van een andere grensstructuur.
In deze grensstructuur is de positieve lading verplaatst naar een ander
N atoom. In het molecuul is dan ook een andere C=N binding aanwezig.
Met behulp van deze grensstructuur kan het bestaan van cis-trans-
isomerie in mauveïne A worden verklaard.
53puitwerkbijlage
Maak op de uitwerkbijlage de onvolledige Lewisstructuur compleet met
elektronenparen en formele lading(en).
62p
Geef een verklaring dat bij mauveïne A cis-trans-isomerie mogelijk is.

opgave 2Stroom uit hout

In brandstofcellen die glucose of zetmeel gebruiken als energiebron
worden enzymen gebruikt. Zo kan amylose in zetmeel met behulp van
enzymen door hydrolyse worden omgezet tot glucose. Andere enzymen
zetten vervolgens de glucose om.
Op de uitwerkbijlage is de onvolledige reactievergelijking weergegeven
van de gedeeltelijke hydrolyse van amylose.
73puitwerkbijlage
Maak op de uitwerkbijlage de reactievergelijking af van de gedeeltelijke
hydrolyse van amylose, waarbij van het weergegeven fragment twee
moleculen glucose worden afgesplitst. Geef koolstofverbindingen weer
met structuurformules.
Wetenschappers hebben een brandstofcel voor biomassa ontwikkeld
waarin geen enzymen worden gebruikt. Met deze brandstofcel kan
energie worden opgewekt uit biomassa waarvoor geen geschikte
enzymen bestaan. In het onderzoek naar een geschikte brandstofcel is
gebruikgemaakt van ammonium-12-molybdofosfaat.
De verhoudingsformule van deze stof is (NH4)3 PO4(MoO3)12.
Ammonium-12-molybdofosfaat wordt gemaakt door ammonium-
orthomolybdaat ((NH4)2 MoO4) te verhitten in aanwezigheid van
fosforzuur en salpeterzuur. Als bijproducten ontstaan waterdamp en
ammoniumnitraat.
83p
Geef de reactievergelijking voor het maken van
ammonium-12-molybdofosfaat.
Gebruik Binas-tabel 66B of ScienceData-tabel 10.2.b.
In oplossingen van ammonium-12-molybdofosfaat komen ionen
PO4(MoO3)123– voor. Een ion PO4(MoO3)123– wordt in de rest van deze
opgave voorgesteld als POM3–.
Het deeltje POM3– kan worden beschouwd als een fosfaat-ion dat wordt
omringd door twaalf eenheden molybdeen(VI)oxide (MoO3). Elke eenheid
MoO3 bestaat uit drie oxide-ionen en een Mo(VI)-ion.
Onder invloed van licht wordt een deeltje POM3– omgezet tot het zeer
reactieve deeltje rPOM3–, dat snel reageert met allerlei organische
stoffen. De structuur van POM3– en rPOM3– is gelijk, de deeltjes
verschillen alleen in de verdeling van de elektronen binnen het deeltje.
Bij de omzetting van POM3– tot rPOM3– wordt binnen een eenheid MoO3
één elektron van één oxide-ion overgedragen naar de N-schil van één
Mo(VI)-ion.
93puitwerkbijlage
Geef op de uitwerkbijlage de opbouw van de elektronenwolk van het
omgezette oxide-ion en het omgezette molybdeen-ion in het reactieve
deeltje rPOM3–. Gebruik het Periodiek Systeem uit je informatieboek.
In hout is onder andere het biopolymeer lignine aanwezig. Lignine is een
netwerkpolymeer dat in brandstofcellen niet kan worden omgezet met
enzymen. Met het gebruikte ammonium-12-molybdofosfaat kan lignine wel
worden omgezet, zodat zelfs houtafval kan worden gebruikt in een
brandstofcel. Op de uitwerkbijlage is een van de optredende omzettingen
weergegeven. In stap 1 treedt oxidatie van lignine op. In stap 2 wordt het
omcirkelde H atoom als een H+ ion afgesplitst. Tevens wordt dan een
C–C binding verbroken en een H+ ion opgenomen. Dit H+ ion is
weergegeven in het kader.
102puitwerkbijlage
Geef op de uitwerkbijlage in het omkaderde deel met pijlen aan hoe
elektronenparen zich verplaatsen.
In onderstaande figuur is de gebruikte opstelling schematisch
weergegeven. In een lichtdoorlatende reactor heeft men biomassa
gemengd met ammonium-12-molybdofosfaat. De reactor is vervolgens in
zonlicht geplaatst, zodat POM3– onder invloed van licht wordt omgezet
tot rPOM3–. Het rPOM3– reageert met de biomassa, waarbij onder
andere H3POM3– en CO2 worden gevormd.
figuur
zonlicht reactor brandstofcel _ _ POM3 rPOM3 _ POM3 H O 2 _ biomassa rPOM3 _ H POM3 O 3 2 _ CO H POM3 2 3 H+
Na verloop van tijd wordt het mengsel door de brandstofcel gepompt.
Het in de reactor ontstane H3POM3– wordt in de brandstofcel weer
omgezet tot POM3–.
113p
Geef de vergelijkingen van de halfreacties die verlopen in de brandstofcel
en geef de totaalvergelijking.
In het onderzoek is een hoeveelheid verdunde biomassa gemengd met
20 mL van een 0,25 M oplossing ammonium-12-molybdofosfaat.
Nadat dit mengsel enige tijd in het zonlicht had gestaan, bleek dat 80%
van alle rPOM3– was omgezet tot H3POM3–. Het mengsel werd door de
brandstofcel gepompt tot alle ontstane H3POM3– weer was omgezet tot
POM3–. De brandstofcel leverde gedurende 30 minuten een gemiddelde
stroomsterkte van 0,530 A.
124p
Bereken hoeveel procent van de elektronen die rPOM3– van de biomassa
heeft opgenomen, door H3POM3– is afgestaan in de brandstofcel. Maak
onder andere gebruik van de volgende gegevens:
− 1 A = 1 C s–1
− een mol elektronen heeft een lading van 9,65·104 C.

opgave 3Haarverf

Haarverf moet hechten aan het haar, daarom is kennis van de moleculaire structuur van een haar belangrijk. De buitenkant van een haar bestaat uit schubben die de haar compleet bedekken. Aan het oppervlak van deze schubben zijn moleculen van het vetzuur 18-MEA gebonden aan het eiwit keratine. 18-MEA…

Haarverf moet hechten aan het haar, daarom is kennis van de moleculaire structuur van een haar belangrijk. De buitenkant van een haar bestaat uit schubben die de haar compleet bedekken. Aan het oppervlak van deze schubben zijn moleculen van het vetzuur 18-MEA gebonden aan het eiwit keratine. 18-MEA is aan keratine gebonden door middel van een thio-esterbinding. Deze binding is ontstaan door een condensatiereactie tussen moleculen 18-MEA en SH groepen van cysteïne-eenheden in keratinemoleculen. Deze reactie verloopt op dezelfde wijze als de condensatie van een zuur en een alcohol.

Geef de structuurformule van een cysteïne-eenheid waaraan 18-MEA is gebonden door middel van een thio-esterbinding. De cysteïne-eenheid moet afkomstig zijn uit het midden van een peptideketen. Gebruik voor de koolwaterstofrest van 18-MEA de notatie C x H y met de juiste getalwaarden voor x en y .…

Geef de structuurformule van een cysteïne-eenheid waaraan 18-MEA is gebonden door middel van een thio-esterbinding. De cysteïne-eenheid moet afkomstig zijn uit het midden van een peptideketen. Gebruik voor de koolwaterstofrest van 18-MEA de notatie C x H y met de juiste getalwaarden voor x en y . Haarverf heeft een hoge pH. Bij deze hoge pH zwellen bepaalde delen van keratine op en dringen pigmentmoleculen tot diep in een haar door. Onderzoekers vermoeden dat het opzwellen van delen van keratine wordt veroorzaakt doordat in de betrokken peptideketens relatief veel aminozuureenheden met zure restgroepen aanwezig zijn.

Leg uit op microniveau dat de aanwezigheid van aminozuureenheden met zure restgroepen bijdraagt aan het opzwellen van keratine bij hoge pH.
Voordat haarverf wordt aangebracht, behandelt men soms het haar met waterstofperoxide ( H 2 O 2 ). Tijdens deze behandeling treden allerlei redoxreacties op, die leiden tot veranderingen in de structuur van de peptideketens in keratine. Op de uitwerkbijlage is de halfreactie van de peptideketen in…

Voordat haarverf wordt aangebracht, behandelt men soms het haar met waterstofperoxide ( H 2 O 2 ). Tijdens deze behandeling treden allerlei redoxreacties op, die leiden tot veranderingen in de structuur van de peptideketens in keratine. Op de uitwerkbijlage is de halfreactie van de peptideketen in keratine onvolledig weergegeven. In de andere halfreactie wordt H 2 O 2 omgezet tot OH – .

Maak op de uitwerkbijlage de onvolledige halfreactie compleet en geef met behulp van de vergelijking van de halfreactie van H 2 O 2 de totaalreactie. Gebruik Binas-tabel 48 of ScienceData-tabel 9.1.f.
Leg uit of door de op de uitwerkbijlage weergegeven omzetting de primaire, de secundaire of de tertiaire structuur van de peptideketen in keratine verloren gaat. Een doosje permanente haarverf bevat twee flesjes, die de gebruiker mengt vlak voordat hij de verf aanbrengt. Tijdens het aanbrengen en…

Leg uit of door de op de uitwerkbijlage weergegeven omzetting de primaire, de secundaire of de tertiaire structuur van de peptideketen in keratine verloren gaat. Een doosje permanente haarverf bevat twee flesjes, die de gebruiker mengt vlak voordat hij de verf aanbrengt. Tijdens het aanbrengen en het intrekken van het mengsel ontstaan pas de uiteindelijke kleurpigmenten. Veelgebruikte componenten van haarverf zijn p-fenyleendiamine (PPD) en waterstofperoxide. PPD wordt door waterstofperoxide omgezet tot stof B . Stof B is een zwakke base. Bij de heersende pH is een klein deel van stof B aanwezig als het geconjugeerde zuur ( HB + ). In onderstaande figuur zijn de omzetting van PPD tot stof B en het evenwicht tussen stof B en HB + weergegeven. figuur H H 2 H + H H H + H H H H PPD stof B Het deeltje HB + is een sterk elektrofiel deeltje dat een rol speelt in het verdere mechanisme van de vorming van de uiteindelijke pigmenten.

Maak de grensstructuur van HB + op de uitwerkbijlage af en geef een andere grensstructuur voor HB + . Gebruik Lewisstructuren.
Door de hoge pH van haarverf is slechts een klein deel van stof B aanwezig als HB + . De K z van HB + is 1,8 · 10 –6 .
Bereken hoeveel procent van de deeltjes B en HB + aanwezig is als HB + bij pH = 9,50 ( T = 298 K). In een bepaalde soort haarverf is behalve PPD ook de stof 3-aminofenol aanwezig. PPD en 3-aminofenol ondergaan opeenvolgende additie- en oxidatie-reacties. Op de uitwerkbijlage zijn de verlopende…

Bereken hoeveel procent van de deeltjes B en HB + aanwezig is als HB + bij pH = 9,50 ( T = 298 K). In een bepaalde soort haarverf is behalve PPD ook de stof 3-aminofenol aanwezig. PPD en 3-aminofenol ondergaan opeenvolgende additie- en oxidatie-reacties. Op de uitwerkbijlage zijn de verlopende reacties weergegeven. Het mengsel met PPD en 3-aminofenol leidt tot een bruinrode haarkleur. Het is ook mogelijk om een paarsrood pigment, stof 2, te verkrijgen. Hiertoe wordt een andere beginstof gekozen dan 3-aminofenol. Wanneer in het molecuul 3-aminofenol een H atoom aan de benzeenring is vervangen door een CH 3 groep, wordt uitsluitend stof 2 gevormd. De C atomen van 3-aminofenol op de uitwerkbijlage zijn genummerd.

Leg uit op welk C atoom van 3-aminofenol de methylgroep zich moet bevinden, zodat uitsluitend stof 2 wordt gevormd. Neem aan dat de aanwezigheid van de methylgroep de kleur van dit pigment niet verandert.

opgave 4Van afvalgas naar brandstof

Afvalgassen uit de staal- en petrochemische industrie bevatten behalve
koolstofdioxide vaak ook veel koolstofmono-oxide.
Het bedrijf Lanzatech heeft een proces ontwikkeld waarbij deze
afvalgassen worden gemengd met waterstof en andere gassen afkomstig
van vergaste biomassa en vergaste kolen. Het verkregen mengsel wordt
vervolgens door speciale micro-organismen omgezet tot ethanol (C2H6O)
en andere alcoholen.
De totaalvergelijking van één van de biochemische routes waarmee deze
micro-organismen ethanol produceren, is weergegeven met reactie 1.
6 CO (g) + 3 H2O (l) → C2H6O (l) + 4 CO2 (g) (reactie 1)
203p
Bereken de reactiewarmte van reactie 1 per mol ethanol.
Een andere biochemische route kan met reactie 2 worden beschreven.
6 H2 + 2 CO2 → 3 H2O + C2H6O
(reactie 2)
In de bioreactor wordt uiteindelijk alle CO en CO2 omgezet tot ethanol en
andere alcoholen. De opbrengst aan ethanol in het Lanzatech-proces
wordt uitgedrukt in MJ. Dit is de hoeveelheid energie die vrijkomt als het
geproduceerde ethanol zou worden verbrand.
De CO2-opname door de micro-organismen in het Lanzatech-proces
is 81,5 g CO2 per MJ. De CO2-uitstoot van de overige processen is
51 g CO2 per MJ.
214p
Bereken de netto CO2-uitstoot uitgedrukt in g CO2 per MJ geproduceerde
energie wanneer het geproduceerde ethanol uiteindelijk wordt verbrand
(T = 293 K). De energie die vrijkomt bij de verbranding van ethanol is
2,15·1010 J m–3.
Het ethanol en de overige alcoholen worden door destillatie gescheiden
van het mengsel in de bioreactor. Behalve ethanol worden in de
Lanzatech-bioreactor ook butaan-1-ol, butaan-2-ol, 2-methylpropaan-1-ol
en 2-methylpropaan-2-ol gevormd door de micro-organismen.
Deze C4-alcoholen kunnen in een aansluitend proces worden gebruikt om
door additie-reacties koolwaterstoffen te produceren met 12 en 16
koolstofatomen in de moleculen. Deze koolwaterstoffen kunnen worden
toegevoegd aan kerosine. Dit proces is in onderstaand blokschema
weergegeven. Met C4 tot en met C16 is het aantal koolstofatomen in de
koolwaterstoffen aangegeven.
blokschema
C alcoholen 4 R1 water C C -alkenen 4 8 C -alcoholen 4 C -alkenen 4 C C C C 4 8 12 16 S1 R2 S2 C -alkenen alkenen 4 water C -alcoholen C C -alkenen 4 12 16 H 2 R3 C C is een mengsel H 12 16 2 C C van alkanen en…

C alcoholen 4 R1 water C C -alkenen 4 8 C -alcoholen 4 C -alkenen 4 C C C C 4 8 12 16 S1 R2 S2 C -alkenen alkenen 4 water C -alcoholen C C -alkenen 4 12 16 H 2 R3 C C is een mengsel H 12 16 2 C C van alkanen en alkenen C C 12 16 12 16 S3 voor kerosine C C 12 16

In reactor 1 (R1) worden de C4-alcoholen onvolledig omgezet tot de
C4-alkenen methylpropeen, but-1-een en but-2-een. Hierbij ontstaat ook
water.
222p
Geef de reactievergelijking voor de omzetting van 2-methylpropaan-1-ol
tot methylpropeen. Gebruik structuurformules voor de
koolstofverbindingen.
Het mengsel afkomstig uit R1 wordt in scheidingsruimte 1 (S1) afgekoeld.
Hierdoor worden de C4-alkenen afgescheiden van het water en van de
C4-alcoholen die niet hebben gereageerd.
232p
Leg uit binnen welk temperatuurgebied deze scheiding kan plaatsvinden
(p = p0). Gebruik Binas-tabel 42B of ScienceData-tabel 8.3.b.
Het kookpunt van methylpropeen is 267 K.
In R2 vinden additiereacties plaats tussen de C4-alkenen, waarbij alkenen
met 8, 12 of 16 C atomen worden gevormd.
In S2 wordt het verkregen mengsel van alkenen gescheiden in twee
fracties. De fractie met de C4- en de C8-alkenen wordt teruggevoerd naar
R2. De fractie met de C12- en de C16-alkenen wordt doorgevoerd naar R3.
De scheiding in S2 kan eenvoudig plaatsvinden omdat bij de gebruikte
omstandigheden in de scheidingsruimte steeds één fractie in de vloeibare
fase is en de andere fractie in de gasfase.
242p
Leg uit welke fractie in S2 vloeibaar is en welke fractie gasvormig is.
In R3 reageren de gevormde alkenen onvolledig met een overmaat
waterstof tot alkanen. In S3 wordt de overmaat waterstof gescheiden van
de rest van het mengsel en teruggevoerd naar R3.
Een deel van het mengsel afkomstig uit R3 wordt opgeslagen als een
product dat kan worden gebruikt als toevoeging aan kerosine. Het
overgebleven deel wordt weer naar R3 teruggevoerd. Deze recirculatie
zorgt voor een hoger rendement in R3.
251p
Geef aan waarom door de recirculatie het rendement in R3 hoger wordt.
In R2 wordt per minuut 1,4·10 mol omgezet tot evenveel
mol C12- als C16-alkenen. In het product dat uiteindelijk wordt opgeslagen
is 98% van de C12- en de C16-alkenen omgezet tot alkanen.
262p
Bereken hoeveel mol H2 per minuut dan moet worden ingevoerd in R3.