Examen Scheikunde



Dovnload 58.44 Kb.
Datum14.10.2016
Grootte58.44 Kb.

Examen Scheikunde


2009

tijdvak 1
Biobrandstofcel

De bacterie Rhodoferax ferrireducens leeft in anaëroob milieu (zuurstofloze omstandigheden). Voor zijn energievoorziening zet deze bacterie glucose om tot onder andere koolstofdioxide. Bij de omzetting van glucose tot koolstofdioxide is glucose reductor. Als oxidator in het anaërobe milieu treedt Fe3+ op, dat wordt omgezet tot Fe2+. De reactie, en de functie van de bacteriën daarbij, is onderzocht. Daartoe werden proeven uitgevoerd waarbij glucose-oplossingen en oplossingen met Fe3+ werden samengevoegd zowel in aanwezigheid van de bacteriën als zonder bacteriën. Zonder bacteriën treedt geen reactie op.

De onderzoeksresultaten van een proef met bacteriën en een proef zonder bacteriën zijn verzameld in de onderstaande twee diagrammen.


Uit de diagrammen kan worden afgeleid dat per molecuul glucose bij de halfreactie voor de omzetting van glucose tot koolstofdioxide, 24 elektronen vrijkomen.


1 2p Leg dit uit met behulp van gegevens uit de diagrammen. Ga ervan uit dat de afname van de hoeveelheid glucose alleen wordt veroorzaakt door de reactie met Fe3+ en dat de toename van de hoeveelheid Fe2+ alleen wordt veroorzaakt door de reactie met glucose.

Men heeft onderzocht of de omzetting van glucose door Rhodoferax ferrireducens kan worden gebruikt in een elektrochemische cel om stroom op te wekken.

De elektrochemische cel bestaat uit twee halfcellen.

De ene halfcel van de elektrochemische cel bestaat uit een poreuze elektrode van grafiet die is geplaatst in een gebufferde glucose-oplossing. Op en rond de elektrode bevinden zich de bacteriën. Om te voorkomen dat zuurstof in de oplossing terechtkomt, wordt stikstofgas doorgeleid. De pH van de oplossing moet 6,90 zijn. Daarom is aan het stikstofgas wat koolstofdioxide toegevoegd en aan de glucose-oplossing wat NaHCO3. De hoeveelheid koolstofdioxide die aan het stikstofgas wordt toegevoegd is zodanig dat in de oplossing de concentratie koolzuur voortdurend gelijk is aan 0,011 mol L–1.


2 4p Bereken hoeveel gram NaHCO3 per liter moet worden opgelost om te bereiken dat de pH van de gebufferde glucose-oplossing gelijk is aan 6,90 (298 K).
De elektronen die bij de omzetting van glucose vrijkomen, worden overgedragen aan de elektrode.

In de andere halfcel bevindt zich de oxidator. Dat is in de elektrochemische cel niet Fe3+, maar zuurstof. Deze halfcel bestaat uit een elektrode, eveneens van grafiet, die is geplaatst in een bufferoplossing (ook pH = 6,90), waar lucht doorheen wordt geleid. Als de twee elektroden worden verbonden, gaat een elektrische stroom lopen. De zuurstof uit de lucht wordt daarbij omgezet volgens:


O2+ 4 H+ + 4 e → 2 H2O
De ontstane elektrochemische cel wordt een biobrandstofcel genoemd
3 3p Geef de vergelijking van de halfreactie voor de omzetting van glucose tot koolstofdioxide. Behalve de formules van de genoemde stoffen komen in de

vergelijking nog e, H+ en H­2O voor.


4 2p Leid de vergelijking af van de totale reactie waarop de stroomlevering door de biobrandstofcel berust.
5 4p Maak een schets van zo’n biobrandstofcel. Benoem de onderdelen van de cel en vermeld op de juiste plaats alle stoffen en oplossingen die worden gebruikt, evenals de bacteriën. Geef in je tekening ook aan wat tijdens de stroomlevering de positieve en de negatieve elektrode is.

(opgave 5 is geen CE stof 2010)


De cel heeft gedurende een proefperiode van 600 uur een stroom geleverd van 0,20·10–3 A

(A is ampère; 1 ampère = 1 C s–1). Van de omgezette glucose werd 83% gebruikt voor de stroomlevering.


6 5p Bereken hoeveel g glucose gedurende de 600 uur van de stroomlevering werd omgezet. Maak bij je berekening onder andere gebruik van het gegeven dat de lading van één mol elektronen gelijk is aan 9,65·104 C.

1080



1080 (ten-eighty) is de triviale naam van het natriumzout van fluorazijnzuur. 1080 is zeer giftig en wordt gebruikt als bestrijdingsmiddel tegen ongedierte. De structuurformule van

1080 is hiernaast afgebeeld.

In Nieuw-Zeeland wordt 1080 vaak gebruikt om schadelijke knaagdieren te bestrijden. Boven bebost gebied worden brokken lokaas met 1080 vanuit vliegtuigen over het terrein uitgeworpen. Eén van de risico’s aan deze manier van verspreiden, is dat 1080 in rivieren en meren, en dus ook in het drinkwater terecht kan komen. Hierdoor kunnen ook mensen onbedoeld in aanraking komen met het gif.

Er is een aantal methoden ontwikkeld om gehaltes aan 1080 in water te bepalen. Bij één van die methoden wordt gebruik gemaakt van een stof die wordt aangeduid met de afkorting DCA. De structuurformule van DCA is hiernaast afgebeeld.
6 3p Geef de systematische naam van DCA.

Bij deze analysemethode laat men 1080 reageren met DCA en wordt de concentratie van het ontstane product bepaald. De laagste concentratie 1080 die men met deze methode kan meten, bedraagt 6·10–9 mol L –1.

In Nieuw-Zeeland is de maximale concentratie waarin 1080 in het (drink)water mag voorkomen, vastgesteld op 2·10–3 massa-ppm.
7 2p Laat aan de hand van een berekening zien dat 1080 met de hierboven beschreven analysemethode kan worden aangetoond wanneer deze stof voorkomt in de maximaal toelaatbare concentratie in Nieuw-Zeeland. De dichtheid van (drink)water is 1,0·103 g L–1.
De giftigheid van 1080 komt voort uit het feit dat na inname van de stof de citroenzuurcyclus wordt geblokkeerd. De citroenzuurcyclus is een reeks van enzymatische omzettingen die een belangrijke rol speelt bij de energievoorziening in levende organismen. Door blokkade van de cyclus als gevolg van inname van 1080 komt de energievoorziening van het organisme in gevaar, wat de dood tot gevolg kan hebben. De reacties die optreden in de citroenzuurcyclus staan in Binas-tabel 68C.

Na inname van 1080 wordt deze stof in een aantal stappen enzymatisch omgezet tot de stof fluorcitroenzuur. Deze stof lijkt veel op citroenzuur.

Het verschil tussen fluorcitroenzuur en citroenzuur is dat in een molecuul fluorcitroenzuur één fluoratoom aan een koolstofatoom is gebonden op de plaats waar in een molecuul citroenzuur een waterstofatoom aan een koolstofatoom is gebonden. Van fluorcitroenzuur bestaan verschillende stereo-isomeren, van citroenzuur niet.
8 3p Geef de structuurformule van fluorcitroenzuur. Geef hierin met een sterretje aan welk koolstofatoom asymmetrisch is of welke koolstofatomen asymmetrisch zijn.
Onder normale omstandigheden wordt citroenzuur in de eerste twee stappen van de citroenzuurcyclus door het enzym aconitase omgezet tot isocitroenzuur.

Als tussenproduct wordt hierbij een stof gevormd die cis-aconietzuur wordt genoemd. Aconietzuur is geen systematische naam; behalve cis-aconietzuur bestaat ook trans-aconietzuur.

Uit Binas-tabel 68C is af te leiden dat de structuurformule van cis-aconietzuur als volgt kan worden weergegeven:

Aconitase kan echter ook fluorcitroenzuur omzetten.

Om te onderzoeken welke stereo-isomeer van fluorcitroenzuur verantwoordelijk is voor de blokkade van de citroenzuurcyclus, liet men stereo-isomeren van deze stof reageren met het enzym aconitase.

Men vond dat één van de stereo-isomeren van fluorcitroenzuur door aconitase wordt omgezet tot een stof die wordt aangeduid met de naam 4-hydroxy-trans-aconietzuur en dat geen verdere omzetting tot isocitroenzuur plaatsvindt.


9 2p Geef de structuurformule van 4-hydroxy-trans-aconietzuur. Ga ervan uit dat de plaatsaanduiding van een OH groep een lagere prioriteit heeft dan de plaatsaanduiding van een C = C binding.
Men neemt aan dat in een levend organisme uit de stof 1080 de stereo-isomeer van fluorcitroenzuur wordt gevormd die door aconitase wordt omgezet tot 4 hydroxy trans aconietzuur. Dit 4-hydroxy-trans-aconietzuur zorgt ervoor dat aconitase niet meer in staat is citroenzuur om te zetten (tot isocitroenzuur). Als gevolg daarvan komt de energievoorziening van het organisme stil te liggen en hoopt citroenzuur zich op. Beide effecten leiden tot de dood van het organisme.

Het moleculaire mechanisme van de omzetting door aconitase van fluorcitroenzuur tot 4 hydroxy-trans-aconietzuur is onderzocht. Dit onderzoek heeft uitgewezen dat per molecuul aconitase slechts één molecuul fluorcitroenzuur wordt omgezet tot een molecuul 4 hydroxy trans aconietzuur.


10 2p Geef een mogelijke verklaring voor het feit dat aconitase door de vorming van

4-hydroxy-trans-aconietzuur niet meer in staat is citroenzuur om te zetten.

Maak hierbij gebruik van de gegevens uit het onderzoek naar het moleculaire mechanisme.

Stikstofbepaling
Bleekwater wordt verkregen door chloorgas in natronloog te leiden. In bleekwater heeft zich het volgende evenwicht ingesteld:
Cl2 + 2 OH ⇆ OCl + Cl + H2O
De ionsoort OCl wordt hypochloriet genoemd.

Het Australische bedrijf Multitrator heeft een methode ontwikkeld om met behulp van bleekwater het stikstofgehalte van een kunstmest te bepalen. Bij deze bepaling wordt een oplossing van de kunstmest getitreerd met verdund bleekwater. Tijdens de titratie, die in zwak basisch milieu wordt uitgevoerd, wordt ammoniak omgezet tot stikstof.

Voorafgaand aan de titratie wordt aan de oplossing van kunstmest een oplossing toegevoegd die 0,5 M aan KHCO3 is en 0,5 M aan KBr. Doordat de oplossing van KHCO3 licht basisch is, worden de NH4+ ionen uit de oplossing van de kunstmest omgezet tot NH3 moleculen.

Dat een oplossing van KHCO3 basisch is, kan worden verklaard met behulp van getalwaarden uit Binas.


19 2p Geef een verklaring voor het feit dat een KHCO3 oplossing basisch is. Vermeld in je verklaring getalwaarden uit Binas.
De reactie tussen bleekwater en ammoniak verloopt snel en is aflopend. Daarom kan deze reactie goed bij een titratie worden gebruikt. Dankzij het feit dat de reactie exotherm is, is het eindpunt van de titratie goed te bepalen.
20 2p Leg uit hoe je, door gebruik te maken van het feit dat de reactie tussen bleekwater en ammoniak exotherm is, het eindpunt van de titratie kunt bepalen.
Het verloop van een reactie kan met behulp van een energiediagram worden beschreven. Hierna zijn vier energiediagrammen (a, b, c en d) getekend. In alle diagrammen heeft de verticale as dezelfde schaal. Twee van deze energiediagrammen zijn zeker onjuist voor de reactie tussen bleekwater en ammoniak.


21 2p Leg uit welke twee energiediagrammen zeker onjuist zijn voor het verloop van de reactie

tussen bleekwater en ammoniak.
22 1p Welke van de overgebleven energiediagrammen geeft het verloop van de reactie tussen bleekwater en ammoniak het beste weer? Geef een verklaring voor je antwoord.

Het bleekwater dat bij de titratie wordt gebruikt, moet worden geijkt. Het ijken van het bleekwater gebeurt meestal voorafgaand aan de bepaling, maar er mag niet veel tijd verstrijken tussen het ijken en de bepaling.


23 2p Leg uit, aan de hand van in het begin van deze opgave verstrekte gegevens met betrekking tot bleekwater, dat er niet veel tijd mag verstrijken tussen het ijken van het bleekwater en de bepaling.
De methode is gebruikt om het stikstofgehalte te bepalen van een kunstmest, die ammoniumnitraat als stikstofbevattende stof bevat. Van deze kunstmest werd 4,561 g opgelost tot 100,0 mL oplossing. Hieruit werd 10,00 mL overgebracht in een erlenmeyer. Na toevoeging van een voldoend aantal ml van een oplossing die 0,5 M aan KHCO3 en 0,5 M aan KBr is, werd getitreerd met bleekwater. Het eindpunt van de titratie was bereikt na toevoegen van 3,928 mL bleekwater.

Bij het ijken van het bleekwater heeft men het volgende verband gevonden tussen het aantal mmol NH4 + en het aantal mL bleekwater:

aantal mL bleekwater = 0,046 + (1,950 • aantal mmol NH4+).
24 5p Bereken het massapercentage N in de onderzochte kunstmest. Ga ervan uit dat ammoniumnitraat de enige stikstofbevattende stof is in de onderzochte kunstmest.

Epoxypropaan
1,2-Epoxypropaan is een belangrijke grondstof voor verschillende soorten polymeren. Het is een cyclische koolstofverbinding met de volgende structuurformule:

Een recent ontwikkelde methode om op industriële schaal 1,2-epoxypropaan te produceren, is gebaseerd op de reactie van propeen met waterstofperoxide:




Als oplosmiddel gebruikt men methanol.

Methanol heeft in het proces ook nog een andere functie.

Om een volledige omzetting van propeen te bereiken, moet waterstofperoxide in overmaat worden gebruikt. Deze zeer reactieve stof levert bij verdere bewerking van reactiemengsels veelal problemen op. Om deze problemen te vermijden, moet de overmaat waterstofperoxide volledig worden omgezet. Dat kan door de aanwezigheid van methanol. Tijdens het proces zet het niet-verbruikte waterstofperoxide een deel van de methanol om tot een stof X. Deze stof X

reageert vervolgens met overgebleven methanol. Bij deze reactie ontstaat uiteindelijk onder andere methylmethanoaat.

Op de uitwerkbijlage bij deze opgave is de vergelijking van de laatste reactie

onvolledig weergegeven. Deze laatste reactie is een reactie tussen twee stoffen.
25 2p Maak de reactievergelijking op de uitwerkbijlage af. Zet daarin boven ‘stof X’ de

structuurformule van stof X.


26 2p Leg uit dat methanol kan worden omgezet tot stof X. Vermeld in je uitleg ook tot welke soort stoffen waterstofperoxide bij deze omzetting moet worden gerekend.
In een bepaalde uitvoering van dit proces reageert 90 procent van het waterstofperoxide met propeen dat hierbij volledig wordt omgezet. De overmaat waterstofperoxide wordt door de reactie met methanol volledig omgezet. Per mol methylmethanoaat die hierbij ontstaat, reageren twee mol waterstofperoxide en twee mol methanol.
27 3p Bereken hoeveel ton methanol wordt verbruikt bij de productie van 5,0·103 ton

1,2-epoxypropaan volgens bovenstaand proces. Een ton is 103 kg.


Einde

Uitwerkbijlage

Naam kandidaat
25


1 concentraties aflezen uit grafieken

glucose Fe2+

Begin 1,03 2,0

Eind 0,59 12,6

Dus omgezet glucose 1,03 ─ 0,59 = 0,44 mmol / L

Gevormd Fe2+ 12,6 ─ 2,0 = 10,6

Verhouding 10,6 : 0,44 = 24 : 1

Fe3+ + e  Fe2+

Dus moet er per glucose molecuul 24 elektronen afgestaan worden
2 CO2 + H2O ⇆ HCO3 + H3O+

K2 = = 4,5 · 10─7

[HCO3] =

[H3O+] = 10─pH = 10─6,9 = 1,26 · 10─7

[CO2] = 0,011

invullen geeft

[HCO3] = = 0,039 mol/L

M (NaHCO3) = 84,01

0,039 mol/L ≙ 0,039 · 84,01 = 3,3 g /L
3 Basis opschrijven

C6H12O6  6 CO2

Hulpdeeltjes H2O en H+ en massabalans kloppend maken

C6H12O6 + 6H2O  6 CO2 + 24H+

Ladingbalans kloppend maken door elektronen in de vergelijking te zetten

C6H12O6 + 6H2O  6 CO2 + 24H+ + 24 e


4 C6H12O6 + 6H2O  6 CO2 + 24H+ + 24 e 1x

O2 + 4H+ + 4e 2 H2O 6x +

C6H12O6 + 6H2O + 6 O2 + 24H+  6 CO2 + 24H+ + 12 H2O

Corrigeren voor H2O en H+ geeft

C6H12O6 + 6 O2  6 CO2 + 6 H2O


5


1080
6 2,4-dichloorbenzeenamine
7 M = 2 • 12,01 + 2 • 1,008 + 19 + 2 • 16,00 + 22,99 = 100,03 g/mol

6 • 10–9 mol/L≙ 6 • 10–9 • 100,03 = 6 • 10–7 g /L

1 L ≙ 1000 g

2 • 10–3 massa ppm ≙ 2 • 10-3 • 1000 / 106 = 2 • 10–6 g / L > 6 • 10 –7 dus maximale concentratie is te bepalen met deze methode




8


9


10 Per molecuul aconitase wordt maar één molecuul fluor citroenzuur omgezet. Aconitase treedt dus niet op als katalysator maar wordt dus gebruikt in de reactie en kan niet meer gebruikt worden om citroenzuur om te zetten.
Nenatal®

11 C 20 is het aantal C atomen


4 voor het aantal dubbele bindingen

  1. is het aantal C atomen gerekend vanaf de CH3 kant tot de laatste dubbele

binding
12 Voorbeelden van juiste antwoorden zijn:

  • De plaats van de andere dubbele bindingen is niet in de code aangegeven. Dat is (kennelijk) niet nodig, want als je naar (de structuurformules van) andere meervoudig onverzadigde vetzuren / linolzuur en α-linoleenzuur kijkt, zie je daarin dat tussen twee dubbele bindingen steeds twee enkelvoudige bindingen voorkomen / dubbele en enkelvoudige bindingen in een vast patroon voorkomen.

  • In de code is het aantal CH2 groepen tussen de C = C groepen niet aangegeven. Dat is (kennelijk) niet nodig, want als je naar (de structuurformules van) andere meervoudig onverzadigde vetzuren / linolzuur en α-linoleenzuur kijkt, zie je daarin dat tussen twee dubbele bindingen steeds één CH2 groep voorkomt.

  • In de code is niet aangegeven of de vetzuren rondom de dubbele binding de cis- of de trans-vorm hebben. Dat is (kennelijk) niet nodig, want als je naar (de structuurformules van) andere meervoudig onverzadigde vetzuren / linolzuur en α-linoleenzuur kijkt, zie je daarin dat die allemaal in de cis-vorm voorkomen.

  • In de code is niet aangegeven of de koolstofketen vertakt is. Dat is (kennelijk) niet nodig, want als je naar (de structuurformules van) andere meervoudig onverzadigde vetzuren / linolzuur en α-linoleenzuur kijkt, zie je daarin dat die allemaal een onvertakte koolstofketen hebben.

  • In de code is niet aangegeven of in de moleculen ringstructuren voorkomen. Dat is (kennelijk) niet nodig, want als je naar (de structuurformules van) andere meervoudig onverzadigde vetzuren / linolzuur en α-linoleenzuur kijkt, zie je daarin dat die geen van alle een ringstructuur bezitten.

13 pKz = 5,5  Kz = 10–5,5

pH = 8  [H3O+] = 10–8 mol/L

Kz =  = = = 316 dus [Z] >>> [HZ]

Dus HZ is voornamelijk omgezet in de geconjugeerde base

14 C15H31– COO


Stikstof bepaling

19 HCO3 Kb = 2,2 • 10–8 en Kz = 4,7 • 10-11

HCO3 is dus als base sterker dan als zuur dus is de oplossing licht basisch
20 Bij de reactie komt warmte vrij. Dit stopt als de reactie is afgelopen dus door te kijken wanneer de temp niet meer stijgt kun je het eindpunt bepalen
21 c en d want dat zijn energiediagrammen van een endotherme reactie en hier is sprake van een exotherme reactie ( Er komt warmte vrij dus de energie inhoud van de producten moet lager zijn)
22 De reactie verloopt snel dus waarschijnlijk die grafiek met de laagste activeringsenergie dus a

23 In bleekwater heerst een evenwicht waarin een gas een rol speelt . Als de oplossing te lang staat ontwijkt chloor en dus verandert de samenstelling van het bleekwater.


24 3,928 ml bleekwater nodig

aantal mmol NH4+ = (3,928 – 0,046)/ 1,950 = 1,99 mmol NH4+



NH4+ : N = 1 : 2

Dus 2 • 1,99 = 3,98 mmol N

3,98 mmol ≙ 3,98 • 14,01 = 55,78 mg N in 10 ml

dus in 100 ml 557,8 mg

percentage = • 100 = 12,23 %
Epoxypropaan
25

26 methanol kan geoxideerd worden tot methaanzuur. H2O2 treedt dan op als oxidator (methanol wordt eerst geoxideerd worden tot methanal en daarna kan het verder oxideren tot methaanzuur)


27 5,0 • 103 ton ≙ 5.0 • 106 kg ≙ 5,0 • 109 g

M (1,2 epoxypropaan) = 3 • 12,01 + 6 • 1,008 + 16,00 = 58,08 g/mol

5,0 • 109 g ≙ = 8,61 • 107 mol

dit komt over een met 90 % van de H2O2

10 % H2O2 reageert met methanol

dus = 9,57 • 106 mol H2O2

H2O2 : CH3OH = 1 : 1

Dus ook 9,57 • 106 mol CH3OH

M(CH3OH) = 12,01 • 4 • 1,008 + 16 = 32,04

9,57 • 106 mol ≙ 9,57 • 106 • 32,04 = 3,1 • 108 g methanol



dus 3,1 • 102 ton methanol


Einde





De database wordt beschermd door het auteursrecht ©opleid.info 2017
stuur bericht

    Hoofdpagina