opgave 1Chillen bij – 60 °C
Sommige kevers, zoals de Upis ceramboides, kunnen in poolgebieden een
temperatuur van − 60°C overleven. Dat hebben ze onder andere te danken
aan twee mechanismen die bevriezing van het water in hun lichaam
voorkomen.
Mechanisme 1: ijs-bindende eiwitten
Sommige poolkevers maken speciale eiwitten
(AFP’s) aan. De AFP-moleculen binden met
waterstofbruggen aan kleine ijskristallen en
voorkomen zo het uitgroeien tot grotere ijskristallen
die cellen en/of organen zouden beschadigen.
Een goed gekarakteriseerde AFP van een kever is
TmAFP (zie figuur 1). AFP’s van andere kevers
lijken hierop: karakteristiek zijn de windingen van
telkens 12 aminozuren. De aminozuurvolgorde van
iedere winding kan worden weergegeven met de
codering TCTxSxxCxxAx. In deze codering wordt
elk aminozuur weergegeven met één letter
(zie Binas-tabel 67H) en is een x gebruikt voor een
willekeurig aminozuur.
14pGeef het gedeelte
in een structuurformule weer en geef weer hoe
een molecuul water aan dit gedeelte gebonden zit.
In de zich vormende AFP worden tussen de SH groepen van
opeenvolgende cysteïne-eenheden covalente bindingen gevormd, de
zogeheten zwavelbruggen. Deze reactie is een redoxreactie, die
hieronder onvolledig is weergegeven.
22pLeg uit of voor de vorming van de zwavelbruggen de SH groepen met een
oxidator of met een reductor moeten reageren.
Mechanisme 2: ijs-bindende suikers
Behalve de ijs-bindende eiwitten hebben de kevers een tweede
beschermingsmechanisme. Op de celmembranen van bepaalde cellen
van de kevers bevinden zich moleculen van een polysacharide, waarin de
monosachariden mannose (afgekort Man) en xylose (afgekort Xyl) elkaar
afwisselen (zie figuur 2). Deze moleculen verhinderen de vorming van
ijskristallen tussen de cellen.
figuur 2
Bij het onderzoek werd de polysacharide onder invloed van een enzym bij
pH = 7,5 volledig gehydrolyseerd. De ontstane oplossing bleek het
beschermende effect tegen bevriezing niet te bezitten.
Op de uitwerkbijlage is de structuurformule van zo’n polysacharide
weergegeven.
33puitwerkbijlageGeef op de uitwerkbijlage de reactievergelijking in structuurformules van
de volledige hydrolyse van deze polysacharide.
In de oplossing die ontstond na de hydrolyse waren ook vrije vetzuren
aanwezig. Een onderzoeker vermoedde dat moleculen van de
polysacharide veresterd zijn met één of meerdere moleculen van de
vetzuren. Hij stelde de volgende hypothese op: “Moleculen van de
antivriesstof bevinden zich in de vloeistof buiten de cel. Deze moleculen
zijn verankerd in het celmembraan door de staarten van één of meerdere
vetzuren.”
Op de uitwerkbijlage staat een celmembraan schematisch weergegeven.
42puitwerkbijlageGeef schematisch op de uitwerkbijlage weer hoe een molecuul van de
antivriesstof volgens deze onderzoeker in het celmembraan verankerd is.
Geef het polysacharide-gedeelte weer als
Geef het vetzuur-gedeelte weer als
Geef de verestering weer als
opgave 2Waterstof-brandstofcel
In het eerste waterstof-tankstation van Nederland wordt waterstofgas bij
een druk van 700 bar overgepompt in de tank van de auto. De druk wordt
zo hoog gehouden omdat de energiedichtheid van de waterstof dan veel
hoger is dan wanneer waterstof bij gewone druk zou worden gebruikt.
De energiedichtheid van benzine bij volledige verbranding bedraagt
46 MJ kg–1, wat overeenkomt met 3,3·104 MJ m–3. Het ontstane water
komt hierbij vrij als gas.
De energiedichtheid van waterstof bij 700 bar is hoger dan die van
benzine wanneer deze wordt uitgedrukt in MJ kg–1, maar lager wanneer
deze wordt uitgedrukt in MJ m–3.
53pBereken de energiedichtheid van waterstof. Geef je antwoord zowel in
MJ kg–1 als MJ m–3. Het ontstane water komt vrij als gas.
Het molair volume bedraagt dan 5,3·10–5 m3 mol–1. Neem aan dat onder
deze omstandigheden de waardes van de reactiewarmtes uit Binas
mogen worden gebruikt.
Als de waterstof door elektrolyse van water wordt bereid, gaat 35% van
de toegevoerde elektrische energie verloren. Het energie-rendement van
een waterstof-brandstofcel bedraagt gemiddeld 45%. In beide gevallen is
het verlies aan energie vooral te wijten aan de ontwikkeling van warmte.
Overige rendementsverliezen worden hierbij verwaarloosd. Het totale
energie-rendement van de vorming van waterstof uit water, waarna het in
een brandstofcel wordt gebruikt, is hierdoor laag.
62pBereken het totale energie-rendement.
Veel onderzoek richt zich op het membraan dat tussen de elektrodes
aanwezig is. Het meest gebruikte membraanmateriaal is Nafion-117. Een
molecuul van Nafion is opgebouwd uit twee monomeren. In figuur 1 is een
gedeelte uit een molecuul Nafion weergegeven.
figuur 1
[(CF CF ( ( CF CF ( [
2 2 2 n
CF O 2 CF O CF2 CF2 OSO3 H
CF3 Nafion
Omdat de waarde van n kan variëren, bestaan verschillende typen Nafion.
De aanduiding 117 geeft daarom informatie over de structuur van het
membraan. De eerste twee cijfers geven aan dat per 1100 gram materiaal
één mol sulfonzuurgroepen (~OSO3H) voorkomt.
Het cijfer 7 geeft informatie over de dikte van het membraan.
73pBereken de gemiddelde waarde van n voor Nafion-117.
Als Nafion in contact wordt gebracht met water zwelt het materiaal op
door opname van water. Door het sterk hydrofiele karakter van de
zijketens vormen zich holtes en kanalen in het materiaal. In deze holtes is
water aanwezig. De sulfonzuurgroepen die aan het eind van de zijketens
van het polymeer aanwezig zijn, steken in de holtes. Deze groepen
gedragen zich in water als sterk zuur, waardoor in de holtes H+ ionen
aanwezig zijn.
Het zure karakter van de sulfonzuurgroep wordt onder andere veroorzaakt
doordat van de geconjugeerde R–OSO3– groep meerdere grensstructuren
mogelijk zijn.
84pGeef de Lewisstructuur van de groep R–OSO3– en leg uit dat van deze
groep meerdere grensstructuren bestaan. Geef in de tekening formele
lading(en) aan.
Neem aan dat de covalentie van zwavel 6 is. De overige atomen in de
weergegeven Lewisstructuur moeten voldoen aan de oktetregel. Laat
hierbij de groep R buiten beschouwing.
Tijdens stroomlevering bewegen gehydrateerde H+ ionen door het
materiaal heen. Door de reacties die in de brandstofcel optreden en de
beweging van gehydrateerde H+ ionen wordt het watergehalte in het
membraan beïnvloed. Voor een optimale werking moet het gehalte water
in het membraan constant blijven.
De halfreacties aan de elektrodes in een waterstof-brandstofcel zijn
hieronder weergegeven.
De H+ ionen die aan de negatieve elektrode gevormd zijn, bewegen door
het membraan naar de andere elektrode. Uit onderzoek blijkt dat elk H+
ion gemiddeld 2,7 moleculen water meesleept van de ene kant van het
membraan naar de andere kant. Om het watergehalte in het membraan
constant te houden moet dus aan de elektrodes water worden aangevoerd
dan wel worden afgevoerd.
93pBereken voor beide elektrodes hoeveel gram water moet worden
aangevoerd of afgevoerd per gram waterstof die in de cel wordt verbruikt
om de hoeveelheid water bij beide elektrodes constant te houden.
Geef je antwoord als volgt weer:
− bij de … elektrode moet … g water worden aangevoerd;
− bij de … elektrode moet … g water worden afgevoerd.
opgave 6Duurzame ammoniak
Ammoniak wordt in Europa vooral geproduceerd uit stikstof en methaan.
Methaan treedt in het proces op als energiebron maar ook als bron van
waterstofatomen. Om waterstof te produceren uit methaan wordt bij hoge
temperatuur en druk methaan in reactie gebracht met water en zuurstof.
Hierbij wordt een gasmengsel van CO, H2O en H2 verkregen. Om een
groot deel van het aanwezige CO te verwijderen, wordt vervolgens in twee
reactoren de zogeheten gas-shift reactie uitgevoerd.
In figuur 1 is weergegeven hoe dit deel van het proces wordt uitgevoerd.
Zowel in R1 als in R2 is een katalysator aanwezig en heerst een hoge
druk.
figuur 1
In beide reactoren treedt onderstaand evenwicht op.
CO
CO
2 + H2In de gasstroom na R1 bedraagt het volumepercentage CO nog 2-4% en
na R2 is er nog 1% CO.
222pLeg uit of de reactie naar rechts van dit evenwicht exotherm of endotherm
is.
231pGeef aan welk doel de hogere temperatuur in R1 heeft.
De waterstof afkomstig uit R2 wordt in een aantal stappen afgescheiden
van de rest van het gasmengsel. Allereerst wordt water afgescheiden.
Daarna wordt CO2 gescheiden van de overige gassen.
242pLeg uit op welke wijze CO2 kan worden afgescheiden uit het gasmengsel
dat is ontstaan na het verwijderen van water uit het gasmengsel afkomstig
van R2.
De gezuiverde waterstof wordt in een volgende reactor in reactie gebracht
met stikstof. Het totaalproces van de productie van ammoniak uit onder
andere methaan kan worden weergegeven met onderstaande
reactievergelijking (reactie 1):
0,40 CH4 + 0,050 O2 + 0,70 H2O + 0,50 N2 → 0,40 CO2 + 1,0 NH3
Als in een proces deze molverhoudingen worden toegepast, is het proces
ongeveer energieneutraal. Dat betekent dat vrijwel geen extra energie
nodig is of overtollige warmte ontstaat.
253pBereken het energie-effect van het totaalproces volgens reactie 1 per mol
gevormde ammoniak.
Neem aan dat H2O in gasvorm aanwezig is. Rond bij deze berekening niet
tussentijds af en geef je antwoord in twee significante cijfers.
In de praktijk blijkt dat de meest efficiënte ammoniakfabrieken 25% meer
energie nodig hebben dan wat op basis van reactie 1 kan worden
berekend. In het proces wordt dan ook 25% meer methaan per mol
ammoniak gebruikt. De extra hoeveelheid methaan levert dan de
benodigde energie.
263pGeef de vergelijking van reactie 1 voor de praktijksituatie.
De waterstof die nodig is voor de productie van ammoniak kan ook
worden verkregen uit andere processen. In tabel 1 is het relatieve
energieverbruik weergegeven voor de productie van waterstof uit een
aantal grondstoffen.
In de reacties zijn de grondstoffen zware stookolie en nafta weergegeven
met de gemiddelde verhouding tussen het aantal C atomen en het aantal
H atomen in deze grondstoffen.
tabel 1
Zware stookolie en nafta zijn producten afkomstig van de destillatie van
aardolie. Als onvoldoende aardgas beschikbaar is, kan aan de hand van
tabel 1 een afweging worden gemaakt tussen de grondstoffen zware
stookolie en nafta.
272pLeg uit welke van de twee grondstoffen, zware stookolie of nafta, de
voorkeur verdient voor de productie van waterstof. Geef twee argumenten
op basis van tabel 1.
Onderzocht is of het mogelijk is om gedroogd houtafval als duurzaam
alternatief voor methaan te gebruiken voor de productie van ammoniak. In
het onderzoek leverde 2,7 kg houtafval voldoende waterstof voor de
productie van 1,0 kg ammoniak. De omzetting van alle koolstof uit het
houtafval leidt uiteindelijk tot een CO2-uitstoot van
3,3 kg CO2 per kg ammoniak.
282pLaat door berekening zien dat de omzetting van alle koolstof uit het
houtafval leidt tot een CO2-uitstoot van 3,3 kg CO2 per kg ammoniak.
Gebruik onder andere de volgende gegevens:
− het vochtgehalte van het houtafval bedroeg 35 massa%;
− gedroogd houtafval bevat 51 massa% koolstof.
In het onderzoek is met behulp van modellen berekend dat de
CO2-uitstoot bij de productie van ammoniak uit aardgas
1,9 kg CO2 per kg ammoniak bedraagt. De productie van ammoniak uit
houtafval levert een CO2-uitstoot van 4,1 kg CO2 per kg ammoniak.
In de modellen is ook de CO2-uitstoot die optreedt buiten de
ammoniakfabriek opgenomen. Op basis van de gemodelleerde
CO2-uitstoot van beide processen kan worden berekend dat houtafval een
lagere bijdrage levert aan het versterkte broeikaseffect dan aardgas.
292pVoer de volgende opdrachten uit:
− Bereken hoeveel kg CO2 per kg ammoniak netto wordt bespaard door
gebruik te maken van houtafval.
− Licht je berekening toe.
