opgave 1Zwaveleter
1 Al jarenlang zijn wetenschappers op zoek naar oude sporen van leven. 2 Bij een onderzoek aan gesteente uit Pilbara (Australië) zijn aanwijzingen 3 gevonden dat 3,5 miljard jaar geleden al zwaveletende bacteriën 4 bestonden. Deze bacteriën haalden de energie die ze nodig hadden om te 5 leven uit de omzetting van zwavel met water tot waterstofsulfide en een 6 oplossing van zwavelzuur. Het waterstofsulfide reageerde vervolgens met 7 ijzer, waarbij onder andere pyriet (FeS ) ontstond. 2 8 Van het element zwavel komen verschillende isotopen* voor. 32S atomen 9 komen het meest voor: 95,0% van alle zwavelatomen zijn 32S atomen. 10 Minder voorkomende zwavelisotopen zijn 34S (4,2%) en 33S (0,7%). 11 De bacteriën zetten bij voorkeur lichtere isotopen van een element om. 12 Van de pyrietkristallen in het Pilbara-gesteente werd de hoeveelheid van 13 de lichtere 32S atomen bepaald in verhouding tot de 33S en 34S atomen. 14 Hierbij bleek dat deze pyrietkristallen een ander percentage 32S bevatten 15 dan 95,0%. Dit andere percentage 32S wijst op leven. naar: www.nrc.nl * isotopen: atomen van hetzelfde element maar met een verschillend massagetal
12pNeem onderstaande tabel over en vul het aantal protonen, neutronen en
elektronen in van een 32S atoom en van een 34S atoom.
De omzetting van zwavel met water is hieronder in een onvolledige
vergelijking weergegeven. Vier coëfficiënten ontbreken.
… S + …
H2O → … H2S + … H+ + SO42–
22pNeem de onvolledige vergelijking over en vul de juiste coëfficiënten in.
32pLeg uit aan de hand van een gegeven uit het tekstfragment of deze
omzetting van zwavel met water een endotherme of een exotherme
reactie is.
Noteer je antwoord als volgt:
In de regels … staat..., dus het is een … reactie.
Pyriet (regel 7) bestaat uit Fe2+ ionen en zogeheten ‘disulfide-ionen’ in de
molverhouding 1:1.
41pGeef de formule van het disulfide-ion.
52pLeg uit of het gevonden percentage 32S in de pyrietkristallen in het
Pilbara-gesteente hoger of lager is dan 95,0%.
opgave 2Betonrot
Beton is een veelgebruikt bouwmateriaal. De basis voor beton is een
mengsel van cement, zand en grind. Wanneer water aan dit mengsel
wordt toegevoegd, treedt een reactie op tussen cement en water.
Hierdoor ontstaat een hard materiaal. Voor stevige constructies gebruikt
men ‘gewapend beton’. Dit is beton dat met stalen staven of matten
inwendig is versterkt.
Beton bevat altijd een kleine hoeveelheid water. Dit water is aanwezig in
de poriën in het beton: het zogeheten poriewater.
Het ijzer (uit de stalen wapening) kan met het poriewater reageren. Hierbij
treden de volgende halfreacties op:
Fe → Fen+ + n e–
2 H2O + 2 e– → 2 OH– + H2
Wanneer zuurstof aanwezig is in het poriewater, treedt een andere
halfreactie op waarbij uitsluitend hydroxide-ionen ontstaan.
61pGeef de vergelijking van deze halfreactie. Maak hierbij gebruik van
Binas-tabel 48.
De gevormde ionen reageren met elkaar tot verschillende ijzerzouten.
Eén van deze ijzerzouten is ijzer(III)oxide. De ijzeroxides vormen een
vaste laag rondom de wapening, waardoor de reactie van ijzer met water
wordt vertraagd.
72pGeef de vergelijking van de reactie van ijzer(III)ionen met
hydroxide-ionen tot ijzer(III)oxide en water.
Bepaalde stoffen in het cement waarmee beton is gemaakt, zoals
calciumhydroxide, zorgen ervoor dat het poriewater een pH-waarde heeft
die hoger is dan 12,5. In dit sterk basische milieu is de laag ijzeroxides
stabiel, waardoor de wapening niet verder reageert.
82pBereken de [OH–] in mol per liter in poriewater met pH 12,5.
Koolstofdioxide uit de lucht kan het beton binnendringen en oplossen in
het poriewater. Hierdoor daalt de pH en kan water met de gevormde laag
ijzeroxides reageren. Hierbij treedt onder andere de volgende reactie op:
Fe2O3 + H2O → 2 FeO(OH)
92pLeg uit dat deze reactie een zuur-basereactie is. Geef hierbij aan welk
deeltje als zuur en welk deeltje als base reageert.
102pLeid af welke lading de ijzerionen hebben in FeO(OH).
Doordat de wapening bij deze reacties uitzet, kunnen scheuren in het
beton ontstaan. Dit proces wordt daarom ‘betonrot’ genoemd.
Betonrot wordt versneld wanneer er veel chloride-ionen in het beton
aanwezig zijn. Chloride-ionen werken als katalysator bij de corrosie van
ijzer. Het proces dat dan optreedt, verloopt via een aantal (half)reacties:
Fe + 2 Cl– → FeCl2 + 2 e–
Fe2+ + 2 H2O → Fe(OH)2 + 2 H+
112pLeg uit met behulp van bovenstaande (half)reacties dat chloride-ionen in
dit corrosieproces als katalysator dienst zouden kunnen doen.
In de jaren zeventig van de vorige eeuw was er zo veel behoefte aan
beton dat fabrikanten nauwelijks aan de vraag konden voldoen. Om het
beton sneller te laten uitharden, werd calciumchloride toegevoegd. Zo kon
sneller worden geproduceerd.
122pLeg uit welk nadeel deze toevoeging heeft in gewapend beton.
De eisen die aan beton gesteld worden, zijn onder meer afhankelijk van
het milieu waarin het betonnen bouwwerk wordt geplaatst. Droog beton is
toegankelijker voor lucht dan nat beton.
Grofweg kan de volgende indeling worden gemaakt:
klasse I blijvend nat of blijvend droog
klasse II nat en zelden droog
klasse III matig vochtig
klasse IV afwisselend nat en droog
132pGeef aan welke klasse de meeste kans op betonrot heeft. Licht je
antwoord toe met gegevens uit deze opgave.
opgave 3Strooizout
In de winter is er kans op sneeuw en ijzel. Daardoor kan het wegdek glad
worden. Deze gladheid kan onder andere bestreden worden met
dooimiddelen zoals strooizout. De grootte van de korrels strooizout kan
verschillen. De korrelgrootte heeft invloed op de dooisnelheid.
141pGeef een mogelijke verklaring voor het gegeven dat grotere korrels de
sneeuw langzamer laten smelten dan kleinere korrels strooizout. Neem
aan dat gelijke massa's strooizout worden gebruikt.
In sneeuw zijn de watermoleculen onderling verbonden door
waterstofbruggen. Een deel van deze waterstofbruggen wordt verbroken,
wanneer de sneeuw smelt. In de vloeistof die ontstaat, zijn ook
waterstofbruggen aanwezig.
152pTeken drie watermoleculen die door middel van twee waterstofbruggen
met elkaar verbonden zijn in vloeibaar water. Teken daarbij de
watermoleculen in structuurformule en geef de waterstofbruggen weer
met stippellijntjes.
De meeste soorten strooizout bestaan voornamelijk uit natriumchloride.
Ook calciumchloride (CaCl2) wordt gebruikt als strooizout.
Het mengsel dat ontstaat wanneer het strooizout oplost in gesmolten
sneeuw of ijs, bevriest bij een temperatuur lager dan 0 °C. Dit effect van
strooizout wordt ‘vriespuntsdaling’ genoemd. Naarmate per liter meer
ionen zijn opgelost, is de vriespuntsdaling groter.
162pGeef de vergelijking voor het oplossen van CaCl2 in water.
Geef hierbij ook de toestandsaanduidingen.
173pLaat met een berekening zien wanneer de vriespuntsdaling het grootst zal
zijn: na het strooien van 100 kg CaCl2 of na het strooien van 100 kg NaCl.
Baseer je antwoord uitsluitend op het aantal opgeloste deeltjes.
In plaats van strooien met vast zout kan een wegdek ook besproeid
worden met pekel. Pekel is een mengsel van zout en water. Vaak wordt
hiervoor een mengsel met 22 massaprocent NaCl gebruikt.
181pVerklaar waarom de vriespuntsdaling, na het besproeien met pekel,
kleiner is naarmate er een dikkere laag sneeuw op de weg ligt.
Ga ervan uit dat, ongeacht de dikte van de sneeuwlaag, gelijke
hoeveelheden pekel worden gebruikt en dat de pekel met de gehele
sneeuwlaag mengt.
Een nadeel van het gebruik van strooizout is dat het schadelijk kan zijn
voor het milieu door de hoeveelheid zout die uiteindelijk in de berm en in
het rioolwater, grondwater en oppervlaktewater terechtkomt.
193pBereken hoeveel kg natriumchloride gebruikt wordt voor een wegdek van
8,0 m breed en 15 km lang wanneer dit met NaCl-pekel wordt besproeid.
Neem aan dat:
− bij besproeien een dosering van 20 mL NaCl-pekel per m2 wordt
gebruikt;
− de NaCl-pekel 22 massaprocent NaCl bevat;
− de dichtheid van de pekel 1,16 g mL–1 is.
Om tijdens de opslag het klonteren van strooizout tegen te gaan wordt
een anti-klontermiddel toegevoegd. Een voorbeeld van een dergelijk
middel is een stof met de triviale naam natriumferrocyanide. De formule
van deze stof is Na4Fe(CN)6. Natriumferrocyanide is opgebouwd uit
natriumionen en één soort negatieve ionen, namelijk ferrocyanide-ionen.
202pLeg uit of het de positieve of de negatieve ionen in natriumferrocyanide
zijn die het klonteren van strooizout tegengaan.
In de buitenlucht vormt natriumferrocyanide een hydraat:
natriumferrocyanide-decahydraat.
211pGeef de formule van natriumferrocyanide-decahydraat. Gebruik eventueel
Binas tabel 66C.
Natriumferrocyanide kan schadelijk zijn voor het milieu. AkzoNobel heeft
daarom een ander antiklontermiddel ontwikkeld: 'ijzer-meso-tartraat'.
Deze stof is een ijzer(II)zout van een zuurrestion van wijnsteenzuur. De
structuurformule van wijnsteenzuur is hieronder weergegeven:
Deze structuurformule is op de uitwerkbijlage nogmaals weergegeven.
222puitwerkbijlageOmcirkel op de uitwerkbijlage de H atomen die als H+ ionen kunnen
worden afgestaan wanneer wijnsteenzuur volledig ioniseert.
opgave 4Drinkwatermaker
Wereldwijd hebben ruim een miljard mensen geen beschikking over
schoon drinkwater. Als gevolg daarvan sterven jaarlijks zo’n vier miljoen
mensen. Daarom ontwikkelde docent Watertechnologie Leo Groendijk een
'drinkwatermaker' die oppervlaktewater zuivert tot drinkwater met behulp
van zonne-energie. Op internet staat de volgende beschrijving:
WaterPurifier 500E 1 De WaterPurifier 500E is een drinkwaterzuivering met 2 een capaciteit van ongeveer 500 liter per dag. Deze 3 unit maakt gebruik van keramische membranen als 4 belangrijkste filtratiestap. De desinfectie na de filtratie 5 bestaat uit een elektrolyse, waarbij het water een 6 behandeling ondergaat om bacteriën en virussen te 7 doden. Deze desinfectiemethode kan toegepast 8 worden als in het water voldoende chloride aanwezig 9 is. Chloride is van nature aanwezig in de meeste 10 soorten oppervlaktewater. Hemelwater is meestal vrij 11 van dit ion en kan niet met elektrolyse worden 12 behandeld. naar: http://waterforeveryone.nl
Bij de elektrolyse worden de chloride-ionen omgezet tot HClO, dat een
desinfecterende werking heeft. De vergelijking van een halfreactie die
daarbij optreedt, is hieronder weergegeven.
Cl– + H2O → HClO + H+ + 2 e–
232pLeg uit of Cl– in deze halfreactie aan de positieve of aan de negatieve
elektrode reageert.
De twee elektroden in de elektrolyse-eenheid zijn bedekt met een dun
laagje titaan. Hierdoor kunnen de elektroden ‘onaantastbaar’ worden
genoemd.
242pLeg uit dat het gebruik van onaantastbare elektroden in de
drinkwatermaker wenselijk is.
Het gevormde HClO doodt de bacteriën die na de filtratiestap in het water
zijn achtergebleven of daar later in terechtkomen. HClO reageert namelijk
met SH groepen die zich bevinden in de eiwitten van de bacteriën.
Hierdoor krijgen de eiwitten een andere vorm, waardoor de eiwitten in de
bacteriën hun functie verliezen.
De reactie van de SH groepen onder invloed van HClO is hieronder
weergegeven.
2 R-SH + HClO → R-S-S-R + H+ + Cl– + H2O
Hierin geeft R de rest van een eiwitketen weer.
251pGeef de naam van het type binding dat bij deze reactie tussen de
eiwitketens wordt gevormd.
261pGeef de drielettercode van de aminozuureenheid die met HClO kan
reageren.
Voor het functioneren van de drinkwatermaker is in het te zuiveren water
een chlorideconcentratie van minimaal 50 mg per liter nodig. Als deze
concentratie te laag is, klinkt een Low-Salt-Alarm. De gebruikers voegen
dan keukenzout toe aan het voorraadvat met oppervlaktewater.
Hemelwater (regenwater) kan niet met elektrolyse worden behandeld
(regel 10-12) omdat het geen chloride-ionen bevat.
273pLaat door middel van een berekening zien dat het toevoegen van twee
eetlepels keukenzout aan een voorraadvat met 500 L oppervlaktewater
voldoende is om de chlorideconcentratie naar minimaal 50 mg per liter te
brengen.
Ga er bij de berekening van uit dat één eetlepel 22 g keukenzout bevat.
282pGeef een mogelijke verklaring voor de afwezigheid van chloride-ionen in
hemelwater en geef een reden waardoor deze desinfectiemethode
ongeschikt is voor behandeling van water waarin geen chloride-ionen
aanwezig zijn.
Noteer je antwoord als volgt:
Verklaring: …
Reden: …
opgave 6Zilverspiegel
Op Wetenschapsforum.nl stond het volgende geschreven:
“hey! Ik heb maandag een practicum opdracht waar we vier verschillende stoffen moeten aantonen. Ze zitten allemaal apart van elkaar. We weten al hoe we drie stoffen moeten aantonen, alleen weet ik nog niet hoe ik suiker kan aantonen. We hebben een zeer beperkte uitrusting om dit uit te voeren dus wou ik vragen welke manieren er allemaal zijn om suiker aan te tonen. Het is waarschijnlijk normale suiker die je in de winkel kan kopen.”
Eén van de reacties op het forum was: “Altijd leuk is het aantonen van
glucose met de zilverspiegel reactie (Tollens reagens).”
De suiker die je in de winkel koopt is sacharose (C12H22O11). Het Tollens
reagens reageert niet met sacharose maar wel met glucose. Daarom moet
sacharose eerst gehydrolyseerd worden tot glucose en fructose. Fructose
is een isomeer van glucose.
362pGeef de reactievergelijking van deze hydrolyse in molecuulformules.
Wanneer glucose in water is opgelost, ontstaat een evenwicht tussen de
ringstructuur en de lineaire structuur van glucose. Dit evenwicht is
hieronder weergegeven.
In de lineaire structuur kan glucose reageren met het Tollens reagens, in
de ringstructuur niet. Slechts een klein deel van de glucose is aanwezig in
de lineaire structuur. Toch wordt bij de reactie met het reagens alle
glucose omgezet.
371pVerklaar dat bij de reactie met het Tollens reagens toch alle glucose wordt
omgezet, hoewel maar een klein deel van de glucose in de lineaire
structuur aanwezig is. Ga ervan uit dat voldoende Tollens reagens
aanwezig is.
Let op: de laatste vragen van dit examen staan op de volgende pagina.
In het Tollens reagens komen ionen voor met de formule Ag(NH3)2+.
Wanneer een oplossing van glucose aan dit reagens wordt toegevoegd,
treedt een redoxreactie op. Ag(NH3)2+ is hierbij de oxidator.
De bijbehorende halfreactie kan als volgt worden weergegeven:
Ag(NH3)2+ + e– → Ag + 2 NH3
Als deze reactie plaatsvindt in goed schoongemaakt glaswerk, ontstaat op
de glaswand een dun laagje zilver, dat een spiegelend effect geeft.
Glucose reageert bij deze reactie als reductor. De vergelijking van de
halfreactie is hieronder onvolledig weergegeven. De elektronen en de
coëfficiënten zijn weggelaten.
C6H12O6 + OH– → C6H12O7 + H2O
382pNeem deze onvolledige vergelijking over, zet e– aan de juiste kant van de
pijl en maak de vergelijking kloppend.
Na afloop van het experiment moet de overgebleven vloeistof worden
uitgeschonken en het glaswerk met het zilveren laagje moet worden
nagespoeld met water. De vloeistoffen die overblijven, moeten direct
worden opgeruimd. Dit kan door een oplossing van salpeterzuur toe te
voegen en het mengsel vervolgens in het afvalvat voor zware metalen te
doen. Als de vloeistoffen blijven staan, kunnen de Ag(NH3)2+ ionen verder
reageren met de aanwezige NH3 moleculen. Hierbij wordt de zeer
explosieve stof zilvernitride (Ag3N) gevormd.
392pLeg uit waarom toevoegen van een zure oplossing een geschikte methode
is om vorming van zilvernitride te voorkomen.
Bronvermelding
Een opsomming van de in dit examen gebruikte bronnen, zoals teksten en afbeeldingen, is te vinden in het bij dit examen
behorende correctievoorschrift, dat na afloop van het examen wordt gepubliceerd.
