Eindexamen scheikunde havo 2012 tijdvak 2

opgave 1Radon

Het element radon (Rn) staat in groep 18 van het periodiek systeem.

11p

Geef de verzamelnaam voor de elementen die in groep 18 van het periodiek

systeem staan.

Uit sommige bouwmaterialen, zoals beton en gipsplaat, kan langzaam radongas

vrijkomen. Dit gas bestaat uit atomen met het massagetal 222. Deze atomen

kunnen worden weergegeven met de notatie Rn-222.

In slecht geventileerde ruimtes zal de radonconcentratie in de lucht langzaam

toenemen. Radon is een radioactief element en is daardoor een probleem voor

de gezondheid. De radioactiviteit van radon houdt in dat kernen van Rn-222

atomen uit elkaar vallen tot een zogenoemd α-deeltje en een atoomkern van een

ander element (element X). Een α-deeltje bestaat uit twee protonen en twee

neutronen.

21p

Geef de lading van een α-deeltje.

33p

Uit hoeveel protonen en hoeveel neutronen bestaat de kern van een atoom van

het element X en wat is de naam van element X?

Noteer je antwoord als volgt:

aantal protonen: …

aantal neutronen: …

naam element X: …

Vanwege de schadelijkheid voor de gezondheid is een maximale

radonconcentratie voor werk- en woonruimtes vastgesteld. De radonconcentratie

wordt bepaald door de hoeveelheid radioactieve straling te meten die door radon

wordt afgegeven.

Voor werk- en woonruimtes is de maximale straling die afkomstig is van radon,

vastgesteld op 200 Bq per m³ (Bq is het symbool van becquerel, een eenheid

voor radioactieve straling). De hoeveelheid straling die door Rn-222 wordt

afgegeven, bedraagt 1,3·10¹⁸ Bq per mol.

42p

Bereken met behulp van bovenstaande gegevens de concentratie van Rn-222 in

mol L^–1 in een ruimte waarin een straling van 200 Bq per m³ wordt gemeten.

Ga er daarbij van uit dat er geen andere atoomsoorten zijn die straling

veroorzaken.

opgave 2Droogmiddel

Elektronische apparaten, zoals mobiele telefoons, zijn gevoelig voor vocht. Vaak

wordt in de verpakking van dergelijke apparaten een zakje silicagel toegevoegd.

Dit droogmiddel kan heel efficiënt water opnemen. Hierdoor wordt voorkomen

dat vocht schade aan de apparatuur toebrengt.

Silicagel bestaat uit een netwerkpolymeer waarin siliciumatomen en

zuurstofatomen elkaar afwisselen. Aan siliciumatomen die zich aan de

buitenkant van het netwerkpolymeer bevinden, zijn tevens OH groepen

gebonden. Vooral daaraan dankt silicagel zijn goede waterbindende vermogen.

51p

Geef de naam van het type binding dat wordt gevormd als watermoleculen zich

aan de buitenkant van het netwerkpolymeer (silicagel) binden.

Silicagel is een witte vaste stof. Silicagel dat de maximale hoeveelheid water

heeft opgenomen, is ook wit. Je kunt aan de kleur dus niet zien of de silicagel is

uitgewerkt. Daarom wordt een signaalstof aan de silicagel toegevoegd, zodat je

kunt zien of de silicagel nog werkzaam is. Als signaalstof wordt vaak

kobalt(II)chloride, CoCl₂, gebruikt. Kobalt(II)chloride kan water opnemen. Daarbij

wordt het zouthydraat CoCl₂.6H₂O gevormd.

62p

Geef de vergelijking van de reactie die met het kobalt(II)chloride heeft

plaatsgevonden, waaraan je kunt zien dat silicagel als droogmiddel is

uitgewerkt.

72p

Welke kleurverandering geeft aan dat silicagel als droogmiddel is uitgewerkt?

Gebruik een tabel uit Binas. Noteer je antwoord als volgt:

kleur wanneer silicagel nog werkzaam is: …

kleur wanneer silicagel is uitgewerkt: …

Omdat kobalt slecht is voor de gezondheid, mag er niet te veel kobalt(II)chloride

in het droogmiddel zitten. Aan de silicagel wordt zoveel kobalt(II)chloride

toegevoegd dat het droogmiddel tussen 0,5 en 1,0 massaprocent Co bevat.

83p

Bereken hoeveel mg kobalt(II)chloride een zakje met 3,0 g droogmiddel bevat

waarin het gehalte aan Co 0,75 massaprocent is. Neem aan dat het droogmiddel

volledig watervrij is.

Een bruikbare signaalstof moet aan de voorwaarde voldoen dat een duidelijke

kleurverandering optreedt wanneer het droogmiddel waarvoor het wordt

gebruikt, is uitgewerkt. Er is nog een voorwaarde waaraan zo’n signaalstof moet

voldoen.

92p

Leg uit welke voorwaarde dat is. Verwerk in je uitleg een verschil in het

waterbindend vermogen tussen silicagel en de signaalstof.

opgave 3Zelfbruiners

Voor mensen die snel een zomers tintje willen hebben, bestaat de mogelijkheid om een zogenoemde zelfbruiner te gebruiken. Zelfbruiners zijn verkrijgbaar als lotion, spray en crème. Het actieve bestanddeel in deze 'bruin-zonder-zon' producten is dihydroxyaceton (DHA). Het zelfbruinende effect berust op de reactie van DHA met NH 2 groepen in keratine. Keratine is een eiwit dat aanwezig is in de buitenste laag van de huid. De optredende reactie is hieronder weergegeven als reactie 1. Vervolgens vinden de reacties 2 en 3 plaats en worden uiteindelijk zogenoemde melanoïdinen gevormd, die een bruine kleur hebben. H 2 COH C O + H 2 N keratine H 2 COH DHA H 2 COH HO NH keratine H 2 COH H 2 COH HC O C N keratine HC NH keratine H 2 COH H 2 COH een melanoïdine

Leg uit of reactie 1 een additiereactie is. In het eiwit keratine komen alle aminozuren voor die in Binas-tabel 67C1 zijn vermeld.

Geef de naam van een aminozuur in het eiwit keratine dat met DHA kan reageren. Licht je antwoord toe.

In de zelfbruiner is DHA in evenwicht met het zogenoemde dimeer van DHA. Dit evenwicht is hieronder weergegeven: H 2 COH 2 C O H 2 COH DHA Het dimeer reageert zelf niet met stoffen in of op de huid. Toch wordt het dimeer niet meer in of op de huid aangetroffen nadat het zelfbruiningsproces is voltooid.

Verklaar aan de hand van bovenstaand evenwicht waarom het dimeer niet meer in of op de huid wordt aangetroffen als het zelfbruiningsproces is voltooid. Zelfbruinlotions bevatten ongeveer 4 massaprocent DHA.

Bereken de [ DHA ] in mol L –1 in een zelfbruinlotion met 4,2 massaprocent DHA. − Gebruik voor de dichtheid van de zelfbruinlotion 8,4·10 2 g L –1 ; − ga er bij deze berekening van uit dat in de zelfbruinlotion geen dimeer van DHA aanwezig is. Om een egale bruinkleuring te bereiken, is het belangrijk dat de zelfbruiner gelijkmatig op de huid wordt aangebracht. Wanneer dit niet gebeurt, ontstaan er lichtbruine en donkerbruine vlekken op de huid.

opgave 4Lage-temperatuur-wasmiddelen

Om vlekken uit witte kleding te verwijderen, is behalve zeep ook een bleekmiddel nodig. Een veel gebruikt bleekmiddel voor witte was is waterstofperoxide. Waterstofperoxide zit niet als zodanig in het waspoeder. Het wordt gevormd uit een zogenoemd perzout dat aan het wasmiddel is toegevoegd. Als perzout wordt vaak natriumperboraat-tetrahydraat (hierna aangeduid met PB*4) gebruikt. De formule van PB*4 is NaBO 3 .4H 2 O . Wanneer PB*4 in water oplost, ontstaan natriumionen en perboraationen. Door reactie van perboraat met water ontstaat waterstofperoxide: BO 3 – + H 2 O → BO 2 – + H 2 O 2 Mede omdat BO 2 – een zwakke base is, heeft de ontstane oplossing een pH van ongeveer 10,5.

Geef de vergelijking van de reactie waarmee verklaard kan worden dat de pH van een oplossing met BO 2 – ionen groter is dan 7. Laat in je vergelijking ook tot uiting komen dat BO 2 – een zwakke base is. Een nadeel van waterstofperoxide als bleekmiddel is dat het niet werkzaam is bij temperaturen lager dan 60 °C. Om toch de was te kunnen doen bij lagere temperaturen, wordt daarom een zogenoemde bleekactivator toegevoegd.

Geef aan wat het voordeel is van wassen bij een lage temperatuur ten opzichte van wassen bij een hoge temperatuur. Een veelgebruikte bleekactivator is tetra-acetylethyleendiamine, TAED. De structuurformule van TAED is: CH 3 C O O C CH 3 N CH 2 CH 2 N CH 3 C C CH 3 O O Door reactie van TAED met waterstofperoxide ontstaat perazijnzuur. Perazijnzuur heeft ook een blekende werking, maar vertoont die al bij lage temperatuur. Perazijnzuur heeft de volgende structuurformule: CH 3 C O OH

De reactie van TAED met waterstofperoxide is op te vatten als een hydrolyse, waarbij waterstofperoxide in plaats van water reageert. Per molecuul TAED ontstaan twee moleculen perazijnzuur en een ander molecuul.

Geef twee mogelijke structuurformules voor dat andere molecuul. Aanbevolen wordt om in lage-temperatuur-wasmiddelen PB*4 in overmaat te gebruiken. Lage-temperatuur-wasmiddelen die gebruik maken van TAED en PB*4 als bleeksysteem, bevatten daarom 5 massaprocent TAED en 12 – 15 massaprocent PB*4.

Leg uit in welke molverhouding PB*4 en TAED ten minste in het wasmiddel moeten worden gedaan om waterstofperoxide op de bovenbeschreven manier volledig te laten reageren met TAED.

Laat aan de hand van een berekening zien dat PB*4 in overmaat voorkomt in een wasmiddel met 5 massaprocent TAED en 12 massaprocent PB*4. Gebruik onder andere het gegeven dat de massa van een mol PB*4 gelijk is aan 153,9 g.

opgave 5Productie van kaliumpermanganaat

Kaliumpermanganaat (KMnO₄) is een stof die veel toepassingen kent. Zo wordt

het gebruikt als bleekmiddel in de papierindustrie en bij de zuivering van

drinkwater.

Elektrolyse is een van de methoden waarmee KMnO₄ in de industrie wordt

geproduceerd. Daarbij wordt een oplossing van kaliummanganaat (K₂MnO₄) en

kaliumhydroxide in een elektrolysecel geëlektrolyseerd. De elektrolysecel bevat

geen membraan en de onaantastbare elektroden zijn van titanium.

Aan een van de elektroden (elektrode I) vindt de volgende reactie plaats:

MnO₄^2– → MnO₄^– + e^–

212p

Leg uit of deze reactie plaatsvindt aan de positieve of aan de negatieve

elektrode.

Wanneer de omzetting van manganaat tot permanganaat compleet is, wordt de

elektrolyse gestopt. De ontstane oplossing van kaliumpermanganaat en

kaliumhydroxide wordt vanuit de elektrolysecel in een andere ruimte

overgebracht. Hier kristalliseert het kaliumpermanganaat uit en blijft een

oplossing van kaliumhydroxide over.

Deze oplossing bevat meer kaliumhydroxide dan de oplossing waarmee de

elektrolyse werd begonnen. Dit kan worden verklaard aan de hand van de

reactie die tijdens de elektrolyse aan de andere elektrode (elektrode II)

plaatsvindt.

221p

Geef de vergelijking van de reactie die aan elektrode II plaatsvindt. Maak hierbij

gebruik van Binas-tabel 48.

231p

Hoeveel mol (opgelost) KOH ontstaat per mol gevormd KMnO₄?

opgave 6Water ► inkt ► melk ► water

Tijdens de Open Dag op school voert de scheikundedocent een

demonstratieproef uit. Hij heeft vier bekerglazen (A tot en met D) voor zich staan

met in elk bekerglas 100 mL van een heldere, kleurloze vloeistof. De vloeistoffen

lijken net water.

De docent giet eerst de inhoud van bekerglas A bij bekerglas B. Er ontstaat een

donkerblauwe vloeistof die er uitziet als inkt. Vervolgens schenkt hij de inhoud

van bekerglas C bij bekerglas D. Er ontstaat een witte suspensie die er uitziet

als melk. Tot slot schenkt de docent de ‘inkt’ en de ‘melk’ bij elkaar. Tot

verbazing van de toeschouwers lijkt het alsof er weer water is ontstaan.

Natuurlijk ontstaan geen inkt en melk uit water, en geen water als inkt en melk

worden samengevoegd.

De oplossingen zijn als volgt samengesteld:

− A: 0,60 g kaliumjodide wordt opgelost in ongeveer 50 mL 1,0 molair

azijnzuur; daaraan wordt 2,5 mL zetmeeloplossing toegevoegd en het

geheel wordt met 1,0 molair azijnzuur aangevuld tot 100 mL;

− B: verdund bleekwater (= oplossing van NaOCl);

− C: 2,50 g MgSO₄.7H₂O en 0,75 g vitamine C worden opgelost in water;

− D: 0,90 M natronloog.

Na het samenvoegen van de oplossingen in bekerglas A en bekerglas B treden

twee reacties op:

reactie 1: OCl ^– wordt omgezet tot HClO.

reactie 2: I^– wordt in een reactie met HClO omgezet tot I₂.

Reactie 2 is een redoxreactie. De halfreacties staan in Binas-tabel 48.

242p

Geef deze halfreacties en leid hiermee de vergelijking van de totale redoxreactie

af.

Als de docent de inhoud van de bekerglazen C en D bij elkaar voegt, ontstaat

een witte suspensie van magnesiumhydroxide. De vergelijking van deze reactie

is:

Mg²⁺ + 2 OH ^– → Mg(OH)₂

Bij deze reactie is de natronloog in overmaat aanwezig.

252p

Bereken hoeveel gram magnesiumhydroxide ontstaat. Maak hierbij gebruik van

het gegeven dat de massa van een mol MgSO₄.7H₂O gelijk is aan 246,5 g.

Als de docent de ‘inkt’ bij de ‘melk’ voegt, ontstaat weer een kleurloze oplossing.

De donkere kleur verdwijnt omdat het gevormde I₂ reageert met vitamine C. Dit

is ook een redoxreactie.

262p

Is vitamine C in deze reactie een oxidator of een reductor? Licht je antwoord

toe.

272p

Leg uit, aan de hand van Binas-tabel 65B, waarom de kleur van de ‘inkt’

verdwijnt.

De ‘melk’ verdwijnt doordat Mg(OH)₂ reageert met het azijnzuur (ethaanzuur) uit

bekerglas A.

284p

Geef de vergelijking van deze reactie. Vermeld ook de toestandsaanduidingen.

opgave 7Salpeterzuur

Salpeterzuur ( HNO 3 ) is een grondstof voor onder meer kunstmest, kleurstoffen, geneesmiddelen en springstoffen. Salpeterzuur wordt vaak geproduceerd via het zogenoemde Ostwaldproces. Dit proces is weergegeven in blokschema 1. blokschema 1 In reactor 1 wordt ammoniak onder invloed van een platina katalysator verbrand tot stikstofmono-oxide en water(damp). De temperatuur in reactor 1 wordt op ongeveer 900 °C gehouden. In reactor 2 wordt het gasmengsel dat uit reactor 1 komt, gekoeld tot ca. 40 °C. Daardoor vindt de volgende reactie plaats: 2 NO + O 2 → 2 NO 2

Leg uit dat uit de bovenstaande beschrijving van het Ostwaldproces blijkt dat zuurstof in overmaat aanwezig was in reactor 1. In reactor 3 wordt NO 2 in een reactie met water en zuurstof omgezet tot een oplossing van salpeterzuur (ongeveer 60 massa%).

Geef de vergelijking van de vorming van de salpeterzuuroplossing in reactor 3. Uit reactor 3 komt ook een gasstroom (het zogenoemde afgas) die behalve uit een hoofdbestanddeel, bestaat uit kleinere hoeveelheden van een aantal schadelijke gassen die in het productieproces door nevenreacties zijn ontstaan.

Geef de naam van het hoofdbestanddeel van het afgas dat uit reactor 3 komt. Licht je antwoord toe. Een bepaalde salpeterzuurfabriek produceert per jaar 1,3 · 10 6 ton HNO 3 (1 ton = 1 · 10 3 kg). Bij dit productieproces kan in theorie per mol ingevoerd NH 3 één mol HNO 3 worden geproduceerd. Het rendement van de vorming van HNO 3 uit NH 3 is voor deze fabriek 95%.