opgave 1Ammoniakmonitor
Het Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu (RIVM) verzamelt via een landelijk
meetnet gegevens over de concentraties van een aantal stoffen die in lucht voorkomen,
bijvoorbeeld zwaveldioxide, ozon, stikstofoxiden en ammoniak. De concentratie van
ammoniak wordt gemeten omdat deze stof bijdraagt aan de verzuring van het milieu.
12p
Geef aan hoe het komt dat ammoniak bijdraagt aan de verzuring van het milieu.
Op pagina 2 van het informatieboekje dat bij dit examen hoort, staat een artikel dat gaat
over de ontwikkeling van een meetinstrument voor ammoniak, een zogenoemde
ammoniakmonitor. Deze monitor wordt inmiddels op ongeveer tien plaatsen, verspreid over
Nederland, in het landelijke meetnet gebruikt. Lees het artikel en beantwoord vervolgens de
vragen.
In het gedeelte met als kop “Zelf ontwikkelde monitor” wordt de werking van de
ammoniakmonitor beschreven. De werking is gebaseerd op een drietal reacties die na elkaar
verlopen.
23p
Geef de reactievergelijkingen van deze drie reacties.
In het artikel wordt het aantal liter lucht genoemd dat per minuut wordt ingeleid (regel 13).
De aanvoer van de in het artikel genoemde vloeistoffen moet zodanig op deze luchtaanvoer
zijn afgestemd dat ook bij hoge ammoniakconcentraties de monitor betrouwbare metingen
doet.
34p
Bereken hoeveel mL NaHSO
4 oplossing tenminste per week nodig is. Neem als
uitgangspunt voor de berekening het meetbereik waarbinnen de monitor betrouwbare
meetresultaten oplevert.
Een leerling vraagt zich na het lezen van dit artikel af, of het mogelijk is om een
eenvoudigere versie voor een ammoniakmonitor te ontwerpen.
Hij stelt voor om gedestilleerd water door de denuder te leiden en het geleidingsvermogen
van de uitstromende vloeistof te meten om zo de ammoniakconcentratie te bepalen.
De docent reageert hierop met de opmerking dat het natuurlijk te proberen valt, maar dat
zo’n eenvoudigere monitor zeer waarschijnlijk geen betrouwbare meetresultaten met
betrekking tot de ammoniakconcentratie zal geven. Zo zal het meetresultaat onbetrouwbaar
zijn wanneer de lucht ook verontreinigd is met zwaveldioxide. Dat komt omdat opgelost
zwaveldioxide het geleidingsvermogen ook beïnvloedt.
43p
Geef de vergelijking van de reactie die plaatsvindt wanneer zwaveldioxide in water oplost
en leg aan de hand van die reactievergelijking uit dat zwaveldioxide het
geleidingsvermogen beïnvloedt.
Bij het testen van de beschreven monitor heeft onder meer de invloed van de
(omgevings)temperatuur op de betrouwbaarheid van de metingen een rol gespeeld.
Men heeft onderzoek gedaan in het temperatuurtraject van 10 °C tot 30 °C.
Uit dit onderzoek bleek dat er sprake is van een duidelijke temperatuurgevoeligheid van de
meetresultaten.
52p
Noem twee aspecten van de werking van deze monitor die door de temperatuur worden
beïnvloed.
62p
Beschrijf globaal hoe dit onderzoek naar de temperatuurafhankelijkheid van de
meetresultaten kan zijn uitgevoerd.
opgave 2MTBE in benzine
In autobenzine zijn zo’n 200 verschillende stoffen aanwezig, waaronder tolueen en een stof
die met MTBE wordt aangeduid. De structuurformule van MTBE is:
MTBE wordt aan benzine toegevoegd omdat deze stof zorgt voor een betere verbranding
van de benzine in automotoren. In de motor verbrandt MTBE zelf ook.
73p
Geef de reactievergelijking, in molecuulformules, voor de volledige verbranding van
MTBE.
Het massaspectrum van MTBE is afgebeeld in figuur 1 op pagina 3 van het
informatieboekje dat bij dit examen hoort.
82p
Geef de structuurformule van een ionsoort die de piek bij
m/z = 73 kan veroorzaken.
Een methode die wordt toegepast om het MTBE-gehalte van benzine te bepalen, maakt
gebruik van gaschromatografie gevolgd door massaspectrometrie. Er wordt een ijkreeks van
vijf oplossingen van benzine in een oplosmiddel gemaakt. Aan vier van de vijf oplossingen
is een nauwkeurig afgemeten extra hoeveelheid MTBE toegevoegd (zie tabel 1 op pagina 3
van het informatieboekje). Elke oplossing wordt in een gaschromatograaf gescheiden. Van
de MTBE-fractie en de tolueenfractie uit een oplossing worden de massaspectra opgenomen
en met elkaar vergeleken.
Bij massaspectrometrie geldt dat de hoogte van de gemeten pieken in een massaspectrum
recht evenredig is met de hoeveelheid stof die aanwezig is. De piekhoogte van de hoogste
piek in het massaspectrum van MTBE (die bij m/z = 73) wordt gedeeld door de piekhoogte
van de hoogste piek in het massaspectrum van tolueen (die bij m/z = 91). Dit wordt voor
alle vijf de oplossingen gedaan. De uitkomsten van deze berekeningen staan in de laatste
kolom van tabel 1.
De gegevens uit tabel 1 zijn verwerkt in een diagram (diagram 1 op pagina 3 van het
informatieboekje). Op de verticale as van diagram 1 zijn de verhoudingen tussen de
genoemde piekhoogten uitgezet, op de horizontale as de hoeveelheid extra toegevoegde
MTBE. Met behulp van het diagram kan de hoeveelheid MTBE in de onderzochte benzine
worden bepaald.
93p
Bereken met behulp van diagram 1 het volumepercentage MTBE in de onderzochte benzine.
De betere verbranding van benzine waaraan MTBE is toegevoegd, wordt veroorzaakt door
de gebonden O atomen die in MTBE aanwezig zijn. Deze O atomen worden tijdens de
verbranding gebruikt, samen met zuurstof uit de lucht. Daardoor ontstaat tijdens de
verbranding minder koolstofmonooxide. In delen van de VS moet in de wintermaanden
minstens 2,7 massaprocent gebonden zuurstof in benzine aanwezig zijn. Door lekkages van
benzinetanks, verkeersongelukken en gewoon morsen bij het tanken, komt benzine in de
bodem terecht en uiteindelijk in het grondwater. Omdat MTBE een kankerverwekkende stof
is, wil men in de VS daarom MTBE vervangen door ethanol. De motoren van nagenoeg alle
auto’s lopen probleemloos op benzine met 10 volumeprocent ethanol.
104p
Laat door berekening zien dat het massapercentage O in benzine waarin 10 volumeprocent
ethanol aanwezig is, groter is dan 2,7. Neem bij de berekening aan dat de dichtheid van het
benzine-ethanol mengsel 0,73·103 kg m–3 is en dat ethanol de enige zuurstofhoudende
verbinding in het benzine-ethanol mengsel is. Er is onder meer een gegeven uit
Binas-tabel 11 nodig.
opgave 3MZA
MZA is een grondstof voor veel soorten polymeren, onder andere polyesters. De
molecuulformule van MZA is C4H2O3; de structuurformule is als volgt:
MZA kan worden verkregen uit een stof I met onderstaande structuurformule.
Bij deze bereiding van MZA reageren van een molecuul van stof I beide OH groepen met
elkaar onder vorming van een molecuul MZA. Tevens wordt daarbij een molecuul water
gevormd. Een dergelijke reactie kan niet optreden met de stereo-isomeer van stof I.
sstteerreeoo--iissoommeeeerr vvaann ssttooff II
114p
Geef de systematische naam van stof I en de systematische naam van de stereo-isomeer van
stof I. Noteer je antwoord als volgt:
stof I: …
stereo-isomeer van stof I: …
122p
Leg aan de hand van de structuurformule van de stereo-isomeer van stof I uit waarom de
beide OH groepen uit een molecuul van die stereo-isomeer niet met elkaar kunnen reageren.
Een tweede bereidingswijze van MZA is gebaseerd op de reactie van benzeen met zuurstof:
2 C6H6(l) + 9 O2(g) → 2 C4H2O3(s) + 4 CO2(g) + 4 H2O(l)
De aanduidingen (l), (g) en (s) in deze reactievergelijking betekenen dat de betreffende stof
respectievelijk vloeibaar, gasvormig of vast is.
De reactiewarmte voor deze reactie bedraagt – 18,4·105 J per mol C6H6(l) (298 K en p = p0).
135p
Bereken, mede met behulp van gegevens uit Binas-tabel 57, de vormingswarmte van MZA
in J mol–1 (298 K en p = p0).
Bij de bereiding van MZA uit benzeen wordt uit 1,0 kg benzeen 1,0 kg MZA verkregen.
143p
Bereken het rendement van deze vorming van MZA uit benzeen.
Een derde bereidingsproces van MZA is gebaseerd op de reactie van butaan en zuurstof uit
de lucht:
2 C4H10 + 7 O2 → 2 C4H2O3 + 8 H2O
Voor het proces waarbij MZA uit butaan en zuurstof uit de lucht wordt bereid, wordt een
mengsel van butaan en lucht in een reactor geleid. Dit mengsel bestaat voor 98% uit lucht.
De samenstelling van het mengsel van butaan en lucht dat in de reactor wordt geleid, is van
groot belang. Deze samenstelling wordt voortdurend met behulp van gaschromatografie
gecontroleerd. Hierbij zijn de aard van de chromatografiekolom en de detectiemethode
zodanig gekozen dat in het chromatogram twee pieken te zien zijn: één van butaan en één
van lucht.
152p
Leg uit hoe je met behulp van het chromatogram kunt nagaan dat de verhouding tussen
butaan en lucht in het mengsel van butaan en lucht voldoet aan de eisen.
De productie van MZA uit butaan en zuurstof uit de lucht komt vereenvoudigd neer op het
volgende continue proces. Het mengsel van butaan en lucht wordt in een reactor geleid. Bij
350 ˚C en onder invloed van een katalysator vindt daar een snelle en volledige omzetting tot
MZA plaats. Het gasmengsel dat de reactor verlaat, bestaat uit MZA, waterdamp en lucht.
Uit dit gasmengsel wordt na twee opeenvolgende scheidingen MZA verkregen. Deze twee
scheidingen vinden achtereenvolgens plaats in twee scheidingsruimtes.
In de eerste scheidingsruimte wordt het gasmengsel dat uit de reactor komt, gemengd met
een oplosmiddel. MZA lost hierin op, de overige stoffen niet. Deze verlaten de
scheidingsruimte als gasmengsel.
In de tweede scheidingsruimte wordt MZA van het oplosmiddel gescheiden. Deze scheiding
is mogelijk doordat MZA een veel lager kookpunt bezit dan het oplosmiddel. Het totale
proces wordt zo uitgevoerd dat geen oplosmiddel van buitenaf dient te worden toegevoerd.
165p
Geef het hierboven beschreven industriële proces voor de bereiding van MZA weer in een
blokschema.
Dit blokschema moet drie blokken bevatten. Geef het blok van de reactor aan met ‘reactor’
en zet in de blokken van de scheidingsruimtes de naam van de gebruikte
scheidingsmethode.
Maak het blokschema compleet met lijnen en pijlen. Zet bij de lijnen met pijlen
aanduidingen uit de volgende lijst:
• butaan;
• lucht;
• MZA;
• oplosmiddel;
• waterdamp.
Het is mogelijk dat een aanduiding meer dan één keer moet worden gebruikt.
Een onderneming die een fabriek voor de bereiding van MZA wil opzetten, heeft dus de
keuze uit een aantal verschillende processen. De onderneming zal daarbij kiezen voor het
proces dat het beste economische bedrijfsresultaat oplevert. Bij het maken van zo’n keuze
spelen tal van factoren een rol, bijvoorbeeld: de prijs en de beschikbaarheid van
grondstoffen, de energie die moet worden ingekocht, de benodigde technische
voorzieningen en het rendement van het proces. Behalve deze factoren zullen ook factoren
moeten worden onderzocht die meer met de chemie te maken hebben. Stel jij werkt bij een
bedrijf dat aan deze onderneming advies moet uitbrengen over de keuze.
172p
Noem twee factoren die met chemie te maken hebben, die jij zou (laten) onderzoeken om
tot een juiste keuze te komen.
182p
Geef bij elke door jou genoemde factor een argument waarom deze factor belangrijk is voor
het keuzeproces.
opgave 4Hydrogel
Dextraan is een polysacharide dat door sommige bacteriesoorten wordt geproduceerd. De
moleculen van dextraan bestaan uit aan elkaar gekoppelde glucose-eenheden. Uitgezonderd
de glucose-eenheden aan de beide uiteinden van de dextraanmoleculen is elke glucose-
eenheid gekoppeld aan twee andere glucose-eenheden. Er zijn dus geen vertakkingen in de
dextraanstructuur aanwezig zoals in glycogeen. Een bepaalde dextraansoort heeft een
gemiddelde molecuulmassa van 1,64·104 u.
192p
Bereken het gemiddelde aantal glucose-eenheden in de moleculen van deze dextraansoort.
Dextraan wordt als beginstof gebruikt voor de synthese van een biologisch afbreekbaar
polymeer. Daartoe brengt men op sommige plaatsen in de dextraanketens zijgroepen aan die
een C = C binding bevatten. De structuurformule van een stof die daarvoor wordt gebruikt
(stof A) staat afgebeeld op pagina 4 van het informatieboekje dat bij dit examen hoort.
Op grond van structuurkenmerken zijn koolstofverbindingen in een aantal klassen in te
delen. Voorbeelden van zulke klassen zijn: verzadigde verbindingen, koolwaterstoffen,
carbonzuren, etc. Stof A is op grond van zijn structuurkenmerken onder te brengen in
meerdere klassen van koolstofverbindingen. Zo behoort stof A tot de alifatische (niet-
aromatische) verbindingen en tot de verbindingen met een vertakt koolstofskelet.
203p
Noem nog drie klassen van koolstofverbindingen waartoe stof A kan worden gerekend.
Het aanbrengen van de zijgroepen aan de dextraanketens is het resultaat van twee
synthesestappen. Eerst laat men stof A reageren met stof B volgens reactie 1:
Het koppelingsproduct dat in reactie 1 ontstaat, laat men vervolgens reageren met dextraan.
Hieronder is weergegeven hoe de zijgroep vastzit aan een glucose-ring van de
dextraanketen.
Het omcirkelde koolstofatoom
maakt deel uit van de glucose-ring.
Bij de reactie tussen stof A en stof B kan een nevenreactie optreden waarbij een ongewenst
bijproduct C wordt gevormd. De structuurformule van dit ongewenste bijproduct staat
eveneens afgebeeld op pagina 4 van het informatieboekje dat bij dit examen hoort.
Om de vorming van dit ongewenste bijproduct zoveel mogelijk tegen te gaan, gebruikt men
een overmaat van stof B.
212p
Geef aan hoe een molecuul van bijproduct C wordt gevormd en leg uit dat de vorming van
bijproduct C wordt tegengegaan wanneer men overmaat van stof B gebruikt.
Door specifieke structuurkenmerken van de zijgroepen die aan de dextraanketens zijn
aangebracht, is een polymerisatiereactie mogelijk. Deze polymerisatiereactie is zeer
schematisch weergegeven in figuur 2 op pagina 4 van het informatieboekje dat bij dit
examen hoort. In deze figuur zijn de dextraanmoleculen weergegeven als aan elkaar
gekoppelde zeshoekjes (glucose-eenheden) en de zijgroepen met C = C bindingen als
Door polymerisatie ontstaat een netwerkpolymeer. Het netwerkpolymeer wordt een
hydrogel genoemd vanwege de aanzienlijke hoeveelheid water die het kan opnemen.
Wanneer tijdens de polymerisatie, die plaatsvindt in waterig milieu, het reactiemengsel
stevig wordt geroerd, vormen zich zeer kleine zogenoemde microbolletjes van deze
hydrogel.
De hoeveelheid water die deze microbolletjes kunnen opnemen, hangt af van het gemiddeld
aantal zijgroepen dat per honderd glucose-eenheden aan dextraan is gekoppeld. Hoe groter
dit aantal zijgroepen is, des te kleiner is de hoeveelheid water.
222p
Geef hiervoor twee mogelijke verklaringen.
Een veelbelovende toepassing van zulke microbolletjes is het gebruik als toedieningswijze
voor bepaalde geneesmiddelen. Wanneer tijdens de polymerisatie ook het geneesmiddel in
de oplossing aanwezig is, wordt dit ingesloten in de microbolletjes. Deze zouden door
middel van een injectie op de gewenste plaats in het lichaam kunnen worden toegediend,
waarna het geneesmiddel gedurende langere tijd op gecontroleerde wijze kan vrijkomen
doordat de microbolletjes via geleidelijke hydrolyse langzaam uiteenvallen.
Bij de hydrolyse ontstaan uiteindelijk weer dextraanketens zonder zijgroepen. Verder
ontstaan uitsluitend koolstofdioxide en polymeerketens van stof A. Deze hydrolyse is zeer
schematisch weergegeven in figuur 3 op pagina 4 van het informatieboekje dat bij dit
examen hoort.
In figuur 3 is met een pijl een fragment van zo’n polymeerketen van stof A aangeduid. Men
kan zich indenken dat zo’n keten is ontstaan door additiepolymerisatie.
233p
Geef de structuurformule van een fragment uit het midden van zo’n polymeer. Het fragment
moet uit drie monomeereenheden van stof A bestaan.
Om te bepalen hoeveel water door de microbolletjes (zonder geneesmiddel) kan worden
opgenomen, worden ze eerst watervrij gemaakt. Vervolgens worden de watervrije
microbolletjes in een oplossing van een blauwe kleurstof gebracht. De concentratie van de
blauwe kleurstof in deze oplossing is bekend. De moleculen van deze kleurstof zijn zo groot
dat ze niet via de poriën van de bolletjes naar binnen kunnen. De watermoleculen zijn klein
genoeg om wel in de bolletjes te worden opgenomen. Daardoor stijgt de concentratie van de
blauwe kleurstof in de oplossing.
Zowel van de blauwgekleurde oplossing die is ontstaan wanneer de bolletjes geen water
meer opnemen, als van de oorspronkelijke oplossing wordt de extinctie gemeten.
Bij zo’n bepaling werd aan 40 mg watervrije microbolletjes 400 µL oplossing van de
blauwe kleurstof met een concentratie van 3,0·10–6 mol L–1 toegevoegd. De extinctie van
deze oplossing bedroeg uiteindelijk 0,84.
De extinctie van de oorspronkelijke oplossing bedroeg 0,68.
De extincties werden bepaald bij 610 nm met dezelfde spectrofotometer en dezelfde cuvet.
244p
Bereken hoeveel mg water door de microbolletjes is opgenomen. Neem daarbij aan dat
1,0 µL water een massa heeft van 1,0 mg.
