bronnen

Eindexamen scheikunde vwo 2021, tijdvak 2

bij dit examen

Tenzij anders vermeld, is er sprake van standaardomstandigheden:
T = 298 K en p = p0.

opgave 1Waterstofauto’s die methaanzuur tanken

Omdat de opslag van waterstof een probleem is, wordt onderzoek gedaan
naar manieren om waterstof om te zetten tot stoffen met een hogere
dichtheid. Een voorbeeld van zo’n stof is methaanzuur (HCOOH).
Methaanzuur wordt momenteel industrieel bereid in drie stappen:
1 Waterstof reageert met koolstofdioxide tot methanol en water.
2 Methanol reageert met koolstofmono-oxide tot methylmethanoaat.
3 Methylmethanoaat reageert met water tot methaanzuur en methanol.
13p
Geef de reactievergelijking van stap 3 in structuurformules.
In totaal komt het proces neer op de omzetting van waterstof met CO2 en
CO tot methaanzuur en methanol. Methaanzuur en methanol ontstaan
hierbij in de molverhouding 1: 1.
24p
Voer de volgende opdrachten uit:
− Geef de totaalvergelijking van het hele proces.
− Bereken de atoomeconomie van deze productie van methaanzuur.
Als het technisch mogelijk is om methaanzuur in een auto om te zetten tot
waterstof en koolstofdioxide, kan de auto de vrijgekomen waterstof
gebruiken als brandstof. De omzetting van methaanzuur tot waterstof in
een auto is hieronder weergegeven.
HCOOH → H_2 + CO2
Een Hyundai-waterstofauto kan 594 km rijden op 5,64 kg waterstof.
De dichtheid van methaanzuur is 1,22 kg L–1.
34p
Bereken het volume in L methaanzuur dat minstens nodig is om 5,64 kg
waterstof te kunnen produceren. Geef de uitkomst in het juiste aantal
significante cijfers.
Twee onderzoeksgroepen hebben een katalysator ontwikkeld die de
directe omzetting van H2 en CO2 tot methaanzuur katalyseert.
Omdat deze omzetting in basisch milieu optreedt, wordt er geen
methaanzuur gevormd, maar onder andere het zuurrest-ion van
methaanzuur.
42p
Geef de reactievergelijking van deze omzetting.
Afhankelijk van de pH komen in oplossingen van de gebruikte katalysator
voornamelijk deeltjes [H4kat]4+ of deeltjes [kat]0 voor.
In de figuur is het evenwicht tussen deze deeltjes weergegeven met
structuurformules.
figuur
figuur
In elk katalysatordeeltje zijn twee iridium-ionen door elektrostatische
interacties gebonden aan enkele omringende deeltjes. Deze interacties
zijn in de figuur weergegeven met stippellijnen. In de figuur zijn alle
formele ladingen aangegeven, behalve de lading van de iridium-ionen.
Alle iridium-ionen in de figuur hebben dezelfde lading.
52p
Leg uit welke lading een iridium-ion in de figuur heeft.
Op de uitwerkbijlage is een Lewisstructuur van het deeltje X–
weergegeven. Een andere grensstructuur is onvolledig weergegeven.
62puitwerkbijlage
Maak op de uitwerkbijlage de rechter grensstructuur van het deeltje X–
compleet.
− Geef de formele lading(en) aan.
− De C-atomen in deze grensstructuur moeten voldoen aan de
oktetregel.
De gebruikte katalysator is ook werkzaam bij de omzetting van
methaanzuur tot H2 en CO2 in een auto. Deze omzetting treedt alleen op
bij lage pH.
72p
Leg uit welk van beide katalysatordeeltjes uit de figuur overwegend
aanwezig is bij lage pH.

opgave 2Retinal in het oog

In de cellen van het netvlies bevindt zich het eiwit opsine. In een holte van het opsine-molecuul is een molecuul retinal covalent gebonden aan de restgroep van de aminozuureenheid lysine. Bij absorptie van lichtenergie treedt in retinal op één plaats in het molecuul cis/trans -isomerisatie op. Als…

In de cellen van het netvlies bevindt zich het eiwit opsine. In een holte van het opsine-molecuul is een molecuul retinal covalent gebonden aan de restgroep van de aminozuureenheid lysine. Bij absorptie van lichtenergie treedt in retinal op één plaats in het molecuul cis/trans -isomerisatie op. Als gevolg van deze verandering ontstaat uiteindelijk een signaal in de oogzenuw. In figuur 1 is de structuurformule van retinal weergegeven. Hierbij is informatie over stereo-isomerie in retinal weggelaten. figuur 1 In een retinal-molecuul is cis/trans -isomerisatie op een aantal plaatsen mogelijk. De biochemicus George Wald (Nobelprijs 1967) heeft ontdekt dat uitsluitend de dubbele binding tussen C 11 en C 12 onder invloed van licht isomeriseert van het in opsine aanwezige cis naar trans ; dit is de eerste stap van de waarneming van licht.

Geef aan bij welke C=C -bindingen in retinal ook cis/trans -isomerisatie zou kunnen optreden. In het onderzoek van Wald is gebruikgemaakt van retinal-analoga. Dit zijn stoffen waarbij in het retinal- molecuul op verschillende plaatsen de cis/trans -isomerisatie is geblokkeerd. Hiernaast is de…

Geef aan bij welke C=C -bindingen in retinal ook cis/trans -isomerisatie zou kunnen optreden. In het onderzoek van Wald is gebruikgemaakt van retinal-analoga. Dit zijn stoffen waarbij in het retinal- molecuul op verschillende plaatsen de cis/trans -isomerisatie is geblokkeerd. Hiernaast is de structuurformule van zo’n stof (stof A) weergegeven. In het molecuul van stof A is cis-/trans -isomerisatie van de dubbele binding tussen C 11 en C 12 onmogelijk. Dit molecuul kan worden opgevat als een molecuul retinal waarin onder andere een extra koolstofatoom in de structuur is opgenomen.

Voer de volgende opdrachten uit: − Geef de nummers van de koolstofatomen van retinal waartussen dit extra koolstofatoom is opgenomen. − Leg uit of stof A is afgeleid van 11- cis -retinal of van 11- trans -retinal.
In figuur 2 is weergegeven hoe retinal is gebonden aan een restgroep van de peptideketen van opsine. Na de isomerisatie wordt retinal losgekoppeld van opsine. In figuur 2 is de eerste stap van het loskoppelen weergegeven. In deze eerste stap spelen twee watermoleculen een belangrijke rol. figuur 2…

In figuur 2 is weergegeven hoe retinal is gebonden aan een restgroep van de peptideketen van opsine. Na de isomerisatie wordt retinal losgekoppeld van opsine. In figuur 2 is de eerste stap van het loskoppelen weergegeven. In deze eerste stap spelen twee watermoleculen een belangrijke rol. figuur 2 In de holte van opsine is tegenover het gebonden retinal een restgroep van Glu aanwezig. Door de afstanden en aanwezige ladingen in de holte zijn de watermoleculen links van de pijl op een specifieke wijze georiënteerd ten opzichte van de restgroepen in opsine. Hierbij spelen waterstofbruggen en nog een andere soort binding een rol.

Leg uit welke andere soort binding links van de pijl nog meer zorgt voor de oriëntatie van de watermoleculen ten opzichte van de restgroepen in opsine. De na stap 1 weergegeven watermoleculen blijven aanwezig in de holte van opsine. Ze zijn hierbij onder andere met waterstofbruggen gebonden aan…

Leg uit welke andere soort binding links van de pijl nog meer zorgt voor de oriëntatie van de watermoleculen ten opzichte van de restgroepen in opsine. De na stap 1 weergegeven watermoleculen blijven aanwezig in de holte van opsine. Ze zijn hierbij onder andere met waterstofbruggen gebonden aan restgroepen van de peptideketen.

Teken op de uitwerkbijlage een waterstofbrug tussen een molecuul water en een van de weergegeven restgroepen van de peptideketen.
Opsine bevindt zich deels in het celmembraan. In figuur 3 is vereenvoudigd weergegeven hoe opsine zich volgens onderzoekers in het celmembraan bevindt. Voor de duidelijkheid is een deel van het celmembraan lichter weergegeven. figuur De onderzoekers hebben de modelvoorstelling onder andere…

Opsine bevindt zich deels in het celmembraan. In figuur 3 is vereenvoudigd weergegeven hoe opsine zich volgens onderzoekers in het celmembraan bevindt. Voor de duidelijkheid is een deel van het celmembraan lichter weergegeven. figuur De onderzoekers hebben de modelvoorstelling onder andere gebaseerd op de hydropathie-index. Deze index wordt modelmatig berekend en geeft aan in hoeverre een aminozuureenheid in een peptideketen hydrofiel of hydrofoob is. Hoe hoger de hydropathie-index, hoe meer de hydrofobe eigenschappen overheersen. In figuur 4 is de hydropathie-index van alle aminozuureenheden van opsine weergegeven. figuur 4 In figuur 3 zijn twee gebieden uit opsine vetgedrukt en aangeduid met de letters X en Y. Deze gebieden bevatten een aantal aminozuureenheden. De nummers van deze aminozuureenheden kunnen met behulp van figuur 4 worden geschat.

Geef met behulp van figuur 3 en figuur 4 een schatting van de nummers van de aminozuureenheden die horen bij de gebieden X en Y. Noteer je antwoord als volgt: − gebied X: nummers … t/m … − gebied Y: nummers … t/m …
In het menselijk oog komen drie verschillende varianten van opsine voor. De peptideketen van elke opsine heeft een iets andere ruimtelijke bouw. Hierdoor treedt de isomerisatie van retinal op bij verschillende kleuren licht, zoals rood en groen. De genen voor de ‘rode’ en ‘groene’ opsine zijn voor…

In het menselijk oog komen drie verschillende varianten van opsine voor. De peptideketen van elke opsine heeft een iets andere ruimtelijke bouw. Hierdoor treedt de isomerisatie van retinal op bij verschillende kleuren licht, zoals rood en groen. De genen voor de ‘rode’ en ‘groene’ opsine zijn voor een groot deel aan elkaar gelijk. In figuur 5 is een gedeelte van het coderende DNA van beide varianten weergegeven vanaf de base met nummer 826. De genetische code van beide opsines begint hierbij bij base nummer 1. Het startcodon codeert voor de aminozuureenheid met nummer 1. figuur 5 Uit de basenvolgordes in figuur 5 valt het nummer af te leiden van de eerste aminozuureenheid die in ‘rode’ opsine anders is dan in ‘groene’ opsine.

Voer de volgende opdrachten uit: − Geef het nummer van de eerste aminozuureenheid die in ‘rode’ opsine anders is dan in ‘groene’ opsine. − Geef aan welke aminozuureenheid zich op die plaats in de peptideketen van ‘rode’ opsine bevindt en welke zich in de peptideketen van ‘groene’ opsine bevindt.

opgave 3Slim gebruik van glycerol

Biodiesel wordt geproduceerd door methanol toe te voegen aan
plantaardige olie of dierlijk vet. Hierbij treedt een reactie op waarbij esters
van methanol en vetzuren worden gevormd. Tevens wordt hierbij glycerol
(propaan-1,2,3-triol) gevormd.
143p
Geef de reactievergelijking van de vorming van biodiesel uit vet.
− Gebruik structuurformules.
− Noteer de koolwaterstofrest van een vetzuur als CxHy.
Door de toename van de biodieselproductie is een overschot aan glycerol
op de wereldmarkt ontstaan. Dit heeft geleid tot onderzoek naar de
omzetting van glycerol met behulp van micro-organismen tot waardevolle
chemicaliën. Een van deze chemicaliën is butaandizuur. De bacterie
Anaerobiospirillum succiniciproducens kan onder zuurstofloze
omstandigheden glycerol omzetten tot butaandizuur (C4H6O4).
De vergelijking van deze omzetting is hieronder weergegeven.
C3H8O3 + CO_2 → C_4H_6O_4 + H_2O
(reactie 1)
De bacterie kan ook glucose omzetten tot butaandizuur. In deze reactie
(reactie 2) reageert glucose met koolstofdioxide tot butaandizuur,
ethaanzuur en water.
In reactie 2 ontstaat 4 mol butaandizuur uit 3 mol glucose.
153p
Geef de vergelijking van reactie 2 in molecuulformules.
Reactie 1 verloopt traag. Reactie 2 verloopt sneller, maar door de
bacteriën worden dan meer bijproducten gevormd.
Een groep onderzoekers heeft onderzocht of de productie van
butaandizuur uit glycerol kan worden geoptimaliseerd door de bacteriën
gelijktijdig glycerol en glucose te laten omzetten.
Ze voerden een serie experimenten uit waarbij zij de bacteriën lieten
groeien in een mengsel met enkel glycerol en in mengsels van glycerol
met wisselende gehaltes glucose.
Bij een mengsel met een startgehalte van 5,00 g L–1 glycerol en 1,25 g L–1
glucose werd uiteindelijk 7,3 g L–1 butaandizuur geproduceerd.
164p
Bereken het rendement van deze vorming van butaandizuur.
− Neem aan dat alle beginstof geheel werd omgezet.
− Gebruik gegevens van reactie 1 en 2.
Reacties 1 en 2 zijn beide exotherm. De vrijgekomen energie wordt door
de bacteriën gebruikt voor groei.
De vormingswarmte van butaandizuur is –9,40·105 J mol–1 en die van
glycerol is –6,64·105 J mol–1.
De reactiewarmte van reactie 2 is –1,82·105 J per mol butaandizuur.
Bij de gebruikte omstandigheden wordt 85% van het butaandizuur
gevormd uit reactie 1.
174p
Bereken de totale reactiewarmte in joule per kg butaandizuur dat wordt
gevormd volgens reacties 1 en 2. In de reacties komt water voor als
vloeistof.
De vorming van butaandizuur zorgt voor een verlaging van de pH van het
reactiemengsel. Om de pH constant te houden, wordt gedurende het
experiment natronloog aan het mengsel toegevoegd. Hierdoor vormt zich
uiteindelijk een buffer in het reactiemengsel.
182p
Leg uit dat zich gedurende het experiment een buffer vormt in het
reactiemengsel.
Bij het experiment met uitsluitend glycerol bleek dat de opbrengst aan
butaandizuur maximaal was als het gehalte glycerol in de reactor constant
werd gehouden.
De hoeveelheid glycerol die tijdens het verloop van het experiment moet
worden aangevuld, kon worden bepaald door te meten hoeveel NaOH er
nodig was om de pH constant te houden.
Bij de gebruikte pH was het door de bacteriën gevormde butaandizuur
(C4H6O4) voor 87% omgezet tot C_4H_4O_4^2^‒ en voor 13% tot C_4H_5O_4^‒.
In het experiment had in totaal 7,50 mL 2,00 M natronloog gereageerd.
194p
Bereken de massa in g glycerol die is omgezet.
− Neem aan dat het butaandizuur uitsluitend via reactie 1 wordt
gevormd.
− Geef de uitkomst in het juiste aantal significante cijfers.

opgave 4Doerian, een delicatesse?

Doerian is een vrucht met een kenmerkende geur. De een houdt ervan terwijl de ander de geur weerzinwekkend vindt. Uit onderzoek is gebleken dat in doerians vooral twee verbindingen geurbepalend zijn: ESET en EMB. Als een van beide verbindingen ontbreekt, is de kenmerkende doerian-geur er niet. De…

Doerian is een vrucht met een kenmerkende geur. De een houdt ervan terwijl de ander de geur weerzinwekkend vindt. Uit onderzoek is gebleken dat in doerians vooral twee verbindingen geurbepalend zijn: ESET en EMB. Als een van beide verbindingen ontbreekt, is de kenmerkende doerian-geur er niet. De structuurformules van deze verbindingen zijn weergegeven in figuur 1. figuur 1 Gebleken is dat van ESET twee stereo-isomeren voorkomen in doerians.

Teken op de uitwerkbijlage de twee stereo-isomeren van ESET. Uit eerder onderzoek was de aanwezigheid van een groot aantal stoffen in doerians al bekend. Om de gehaltes van deze stoffen te kunnen bepalen, zijn van deze stoffen analoga gemaakt. Dit zijn stoffen waarbij in de moleculen een of meer…

Teken op de uitwerkbijlage de twee stereo-isomeren van ESET. Uit eerder onderzoek was de aanwezigheid van een groot aantal stoffen in doerians al bekend. Om de gehaltes van deze stoffen te kunnen bepalen, zijn van deze stoffen analoga gemaakt. Dit zijn stoffen waarbij in de moleculen een of meer atomen zijn vervangen door bijvoorbeeld 2 H en 13 C . In ESET werden twee 12 C- atomen vervangen door 13 C -atomen. De gevormde stof wordt in het vervolg aangeduid met ESET-13. ESET-13 werd gemaakt door gebruik te maken van ethanal, waarin twee 13 C- atomen aanwezig zijn. In figuur 2 zijn de hierbij verlopende reacties weergegeven. figuur 2

In stap 2 wordt uitsluitend deeltje X gevormd. Het mechanisme van de reactie in stap 2 is op de uitwerkbijlage onvolledig weergegeven.
Maak op de uitwerkbijlage het mechanisme van de reactie in stap 2 compleet. − Geef rechts van de pijl de structuurformule van deeltje X. − Geef in alle deeltjes de niet-bindende elektronenparen aan. − Geef met pijlen weer hoe elektronenparen worden verplaatst tijdens deze reactie. − Geef formele…

Maak op de uitwerkbijlage het mechanisme van de reactie in stap 2 compleet. − Geef rechts van de pijl de structuurformule van deeltje X. − Geef in alle deeltjes de niet-bindende elektronenparen aan. − Geef met pijlen weer hoe elektronenparen worden verplaatst tijdens deze reactie. − Geef formele ladingen weer wanneer die voorkomen. Van de weergegeven omzettingen in figuur 2 is stap 2 de snelheidsbepalende stap. Van stap 2 en 3 zijn drie mogelijke energiediagrammen weergegeven in figuur 3. figuur 3

Leg uit welk van de diagrammen (P, Q of R) in overeenstemming is met de gegevens over de relatieve snelheden van stap 2 en stap 3 in figuur 2.
Na de reacties die zijn weergegeven in figuur 2, is uit het reactiemengsel een stof geïsoleerd met hetzelfde kookpunt als dat van ESET. Om te onderzoeken of deze stof inderdaad ESET-13 is, is van de stof een massaspectrum genomen. Bij de gebruikte techniek worden H + -ionen opgenomen, waarbij het…

Na de reacties die zijn weergegeven in figuur 2, is uit het reactiemengsel een stof geïsoleerd met hetzelfde kookpunt als dat van ESET. Om te onderzoeken of deze stof inderdaad ESET-13 is, is van de stof een massaspectrum genomen. Bij de gebruikte techniek worden H + -ionen opgenomen, waarbij het molecuul-ion [ M–H] + wordt gevormd. Uit het molecuul-ion worden vervolgens fragmenten gevormd. In figuur 4 is het massaspectrum van ESET-13 weergegeven. figuur 4 De piek bij m/z = 91 kan worden verklaard uit het afsplitsen van een neutraal deeltje van het molecuul-ion.

Leg uit welk neutraal deeltje is afgesplitst. In het massaspectrum van ESET-13 komt een piek voor bij m/z = 63. Deze piek wordt veroorzaakt door een fragment dat is ontstaan na het verbreken van één atoombinding in ESET-13.
Leg uit welke atoombinding dat is. Om van alle aanwezige stoffen het gehalte te kunnen bepalen, wordt doerian-pulp enkele malen geëxtraheerd. Na de extracties wordt het verkregen mengsel met behulp van GC-MS geanalyseerd. Dat houdt in dat het mengsel met behulp van gaschromatografie (GC) wordt…

Leg uit welke atoombinding dat is. Om van alle aanwezige stoffen het gehalte te kunnen bepalen, wordt doerian-pulp enkele malen geëxtraheerd. Na de extracties wordt het verkregen mengsel met behulp van GC-MS geanalyseerd. Dat houdt in dat het mengsel met behulp van gaschromatografie (GC) wordt gescheiden, waarna elke afzonderlijke stof in een massaspectrometer (MS) wordt geleid.

Van twee doerians is het gehalte EMB bepaald met behulp van gaschromatografie. Ook is met proefpersonen onderzocht welke doerian een sterkere geur had. Een sterkere geur wordt vooral bepaald door een hoger gehalte van EMB. Bij dit onderzoek is een interne standaard gebruikt. De signaalsterkte van…

Van twee doerians is het gehalte EMB bepaald met behulp van gaschromatografie. Ook is met proefpersonen onderzocht welke doerian een sterkere geur had. Een sterkere geur wordt vooral bepaald door een hoger gehalte van EMB. Bij dit onderzoek is een interne standaard gebruikt. De signaalsterkte van de interne standaard is recht evenredig met het ingespoten volume. Wanneer in het onderzoek verschillende volumes zijn ingespoten, kunnen zo de resultaten toch met elkaar worden vergeleken. In de tabel zijn de meetgegevens van beide doerians weergegeven. tabel signaalsterkte interne standaard EMB doerian 1 520 7250 doerian 2 320 5610

Leg met behulp van de tabel uit welke doerian een sterkere geur heeft. Als interne standaard is een oplossing van thiofeen bereid met een molariteit van 1,20∙10 –2 mol L –1 . Vervolgens werd 10,0 μ L van deze oplossing toegevoegd aan 10,0 mL pulp van een doerian. Bij deze doerian bleek de…

Leg met behulp van de tabel uit welke doerian een sterkere geur heeft. Als interne standaard is een oplossing van thiofeen bereid met een molariteit van 1,20∙10 –2 mol L –1 . Vervolgens werd 10,0 μ L van deze oplossing toegevoegd aan 10,0 mL pulp van een doerian. Bij deze doerian bleek de molverhouding EMB : thiofeen = 1,0 : 0,18. De molaire massa van EMB is 130 g mol –1 . Bij de gebruikte gaschromatograaf is de signaalsterkte recht evenredig aan de hoeveelheid stof.

Bereken het gehalte EMB in de pulp in g L –1 .