opgave 1Autobanden
Om de eigenschappen van het materiaal waaruit autobanden bestaan te
beïnvloeden, worden in dit materiaal diverse stoffen verwerkt. Daarmee
wordt bijvoorbeeld ook het brandstofverbruik van een auto beïnvloed. Het
basismateriaal van een autoband is rubber. Rubber is een natuurproduct
en kan beschouwd worden als het additiepolymeer van isopreen. De
molecuulformule van isopreen is C5H8. Poly-isopreen kan worden
weergegeven met de formule (C5H8)n.
12pGeef een mogel
ijke structuurformule van een molecuul isopreen. Hierin
komt tweemaal een dubbele binding voor tussen koolstofatomen in de
hoofdketen. Ook bevat het molecuul één CH3 zijgroep.
21pNeem je antwoord op vraag 1 over en omcirkel de bindingen die
verbroken kunnen worden bij de additiepolymerisatie van isopreen.
Bij de productie van autobanden wordt het rubber gevulkaniseerd: aan het
rubber wordt zwavel toegevoegd. De zwavel reageert met het rubber.
Hierbij worden crosslinks gevormd tussen de moleculen van het rubber.
Deze crosslinks worden zwavelbruggen genoemd. Een zwavelbrug
bestaat uit een keten van één tot acht zwavelatomen. Dit is schematisch
weergegeven in figuur 1.
figuur 1
poly-isopreenketen
zwavelbrug
31pGeef aan welk type binding wordt gevormd wanneer zwavelbruggen
ontstaan.
Zowel het aantal zwavelbruggen als het aantal zwavelatomen per
zwavelbrug hebben invloed op de vervormbaarheid van het
gevulkaniseerde rubber. Een autoband die de grond raakt, wordt
gedeeltelijk ingedrukt. Hierdoor komen de zwavelbruggen in het
ingedrukte deel van de band onder spanning te staan. Wanneer de band
doorrolt, krijgt dit deel van de band dankzij de zwavelbruggen zijn
oorspronkelijke vorm terug.
Rubber in autobanden bevat drie à vijf massaprocent zwavel. Joost
beweert dat een autoband die vijf massaprocent zwavel bevat, minder
vervormbaar is dan een autoband met drie massaprocent zwavel. Arthur
beweert echter dat een band die vijf massaprocent zwavel bevat best
méér vervormbaar zou kunnen zijn.
42pGeef voor beiden een argument om hun bewering te ondersteunen.
Noteer je antwoord als volgt:
Argument voor Joost: …
Argument voor Arthur: …
De hoeveelheid brandstof die een auto verbruikt is onder meer afhankelijk
van de weerstand die de banden ondervinden wanneer ze over de weg
rollen. Als deze ‘rolweerstand’ groter is, gebruikt de auto meer brandstof
om te rijden. Het is hierbij belangrijk dat de banden de juiste spanning
hebben. Autobanden worden meestal gevuld met lucht. Als gevolg van de
microstructuur van rubber, kan lucht echter uit een autoband ontsnappen.
De druk in de band neemt dan geleidelijk af, waardoor de rolweerstand
toeneemt.
52pBeschrijf op microniveau wat er gebeurt bij het ontsnappen van lucht uit
een band.
Om autobanden meer stevigheid te geven, wordt roet als vulstof aan het
rubber toegevoegd. Een nadeel daarvan is dat het de rolweerstand
verhoogt. Tegenwoordig wordt ook silica als vulstof gebruikt. Bij gebruik
van silica wordt de rolweerstand van een autoband verlaagd ten opzichte
van een ‘roet-band’. Dit levert een brandstofbesparing op van 3,0%. Als
tijdens een bepaalde rit minder brandstof wordt verbrand, is het negatieve
effect op de luchtkwaliteit kleiner.
Een bepaalde auto met ‘roet-banden’ verbruikt gemiddeld 6,1 liter benzine
per 100 km.
62pBereken hoeveel liter benzine wordt bespaard op een rit van 650 km met
deze auto bij gebruik van een ‘silica-band’ ten opzichte van een ‘roet-
band’.
72pNoem twee stoffen die ontstaan bij het verbranden van benzine in een
automotor, en geef van elke stof een negatief effect op de luchtkwaliteit.
Noteer je antwoord als volgt:
negatief effect stof 1: …
negatief effect stof 2: …
opgave 2Mijnbouw op de maan
De fossiele brandstofreserves op aarde raken uitgeput. Daarom wordt
steeds meer energie gewonnen uit wind- en zonne-energie. Ook wordt
onderzocht of andere energiebronnen kunnen worden gevonden, zoals
blijkt uit onderstaand tekstfragment.
tekstfragment
“Juist die nabijheid van de maan maakt dat hij van onschatbare waarde is”, zegt Gerald Kulcinski van het Fusion Technology Institute aan de universiteit van Wisconsin-Madison. “Daardoor kun je gemakkelijk op en neer om helium-3 te halen. Helium-3 vormt de perfecte brandstof voor de derde generatie kernfusiereactoren. Op aarde hebben we er niet meer dan tweehonderd kilogram van. Maar op de maan, waar geen atmosfeer is, ‘regent’ het voortdurend neer uit de zonnewind. Uit bodemmonsters weten we dat het bovenste laagje van de maanbodem minstens een miljoen ton helium-3 bevat. Eén ton helium-3 levert dezelfde hoeveelheid energie als ontstaat bij het verstoken van 130 miljoen vaten olie. Met honderd ton helium-3 heb je een jaar lang energie voor de hele wereld. Daarvoor hoef je maar vijf vrachtvaartuigen ter grootte van de spaceshuttle naar de maan te sturen.” naar: http://www.kennislink.nl
Helium-3 is een isotoop van het element helium. Een atoom helium-3
heeft massagetal 3.
82pGeef met een tekening de bouw van een helium-3 atoom weer. Teken de
kern en de schil(len) van de elektronenwolk en geef de plaats van elk
proton, neutron en elektron aan door middel van de notaties p, n en e.
In de bovenste meters van de maanbodem is het gehalte helium-3
gemiddeld 0,01 massa-ppm. Voor het winnen van helium-3 wil men een
speciaal ontworpen bulldozer inzetten die de bovenste laag van de
maanbodem afgraaft, zeeft en verwerkt. De gezeefde bodemdeeltjes
worden vermalen en sterk verhit. De gassen die daarbij vrijkomen,
waaronder helium-3, worden onder druk opgeslagen. De energie voor
deze processen zal worden gehaald uit zonne-energie.
92pBereken hoeveel ton maanbodem die 0,01 massa-ppm helium-3 bevat,
nodig is om 100 ton helium-3 te winnen. Neem aan dat alle helium-3 wordt
gewonnen.
Op de maan kan het temperatuurverschil tussen dag en nacht wel een
paar honderd graden Celsius zijn. Dit temperatuurverschil zou kunnen
worden gebruikt om het gasmengsel dat ontstaat bij het verhitten van de
korrels maanbodem, te scheiden.
102pGeef aan welk verschil in stofeigenschap dan wordt gebruikt om het
gasmengsel te scheiden. Licht je antwoord toe.
Helium-3 zou in de toekomst kunnen worden gebruikt in kernfusiereactors.
In de reactor laat men de kernen van helium-3 met hoge snelheid op
elkaar botsen, waardoor deze kunnen ‘fuseren’. Bij deze fusiereactie van
twee helium-3 kernen ontstaan één helium-4 kern en twee protonen (p).
Deze reactie kan als volgt worden weergegeven:
23He2+ →4He2+ + 2 p
Net als bij een chemische reactie is ook bij een kernreactie sprake van
een energie-effect. Het energieverloop van de reactie kan weergegeven
worden in een energiediagram. De activeringsenergie van de reactie
wordt bij kernreacties de ‘energiebarrière’ of ‘Coulomb-barrière’ genoemd.
111pGeef aan de hand van de formule van een helium-3 kern aan waarom
deze energiebarrière bij de fusie-reactie (relatief) hoog is.
123pGeef het energiediagram van de fusie-reactie.
Noteer daarin, met de bijbehorende bijschriften:
− het energieniveau van de beginstoffen;
− het energieniveau van de overgangstoestand;
− het energieniveau van de reactieproducten;
− de energiebarrière.
Er is discussie mogelijk over het winnen van helium-3 op de maan en het
inzetten ervan voor energieproductie op aarde. Een centrale vraag daarbij
is of het totale proces om energie te produceren, zoals dat beschreven is
in deze opgave, netto energie oplevert of uiteindelijk juist energie kost.
132pGeef twee aspecten van dit (totale) proces die een rol spelen bij deze
afweging. Deze aspecten moeten betrekking hebben op benodigde of
vrijkomende energie.
opgave 3‘Zoete ijsthee’
Stichting C3 heeft als doel kinderen op een speelse manier kennis te laten
maken met scheikunde. Op de website van C3 vindt Annemieke een
proefje met ijsthee. Ze voert dit proefje samen met haar vader uit.
Het proefje is hieronder afgebeeld.
Vraag of een volwassene het Hang de theezakjes in de kopjes. Kook het water in de waterkoker. hete water in de theekopjes Haal de theezakjes er na schenkt. 2 minuten uit. Doe in het ene kopje 2 eetlepels Wacht tot de thee is afgekoeld. suiker. Onthoud in welk kopje Doe in het andere kopje ook Proef de ijsthee. de suiker zit. 2 eetlepels suiker.
naar: www.expeditionchemistry.nl
Tijdens het oplossen van suiker (sacharose) in water worden de
aanwezige bindingen tussen de suikermoleculen verbroken. De
structuurformule van sacharose staat in Binas-tabel 67F2.
142pGeef de vergelijking in molecuulformules voor het oplossen van
sacharose in water. Vermeld ook de toestandsaanduidingen.
152pGeef de namen van de twee typen bindingen die verbroken worden
tussen de suikermoleculen bij het oplossen van sacharose.
Tot Annemiekes verbazing smaken de twee kopjes ijsthee niet even zoet.
De ijsthee waarin suiker is gedaan toen de thee nog heet was, smaakt
zoeter dan de andere ijsthee. Dit komt doordat in heet water de sacharose
niet alleen oplost, maar ook wordt omgezet. Hierbij ontstaan per mol
sacharose 1 mol glucose en 1 mol fructose. Deze reactie vindt nauwelijks
plaats in koud water.
161pGeef de naam van dit type reactie waarbij sacharose wordt omgezet tot
glucose en fructose. Maak eventueel gebruik van Binas-tabel 67F.
172pGeef een verklaring voor het gegeven dat deze omzetting van sacharose
wel optreedt in heet water maar nauwelijks in koud water. Gebruik in je
antwoord het botsende-deeltjes-model.
Op www.wikipedia.org is onderstaande informatie te vinden:
* Dit betekent dat 1,00 gram glucose 0,743 maal zo zoet smaakt als
1,00 gram sacharose.
183pBereken, op basis van bovenstaande informatie, hoeveel maal zo zoet de
ijsthee is geworden, vergeleken met de ijsthee waarin geen omzetting
heeft plaatsgevonden.
Neem aan dat:
− in beide kopjes een gelijk volume thee aanwezig is;
− in beide kopjes evenveel (41 gram) sacharose is gedaan;
− er slechts in één kopje sacharose is omgezet, en deze omzetting
volledig heeft plaatsgevonden;
− de zoetkracht van fructose, glucose en sacharose elkaar niet
beïnvloeden.
opgave 4Cafeïne uit koffie verwijderen
Cafeïne is een oppeppende stof die voorkomt in onder meer koffie(bonen)
en chocolade(producten). Cafeïne kan uit koffiebonen worden verwijderd.
Dit proces wordt decafeïneren genoemd. Een manier daarvoor is een
behandeling met dichloormethaan (DCM). Dit proces is hieronder in een
vereenvoudigd en onvolledig blokschema weergegeven.
blokschema
Eerst worden de ruwe koffiebonen vochtig gemaakt met water (ruimte I).
Daarna worden de bonen geweekt in DCM, waarin de cafeïne oplost (ruimte
II). Elk half uur vindt er een meting van het cafeïnegehalte in de bonen plaats.
Het weken in DCM wordt herhaald totdat het cafeïnegehalte in de
koffiebonen voldoende is afgenomen. In ruimte II worden de bonen
afgescheiden. De bonen worden daarna gestoomd (ruimte III) en vervolgens
gedroogd met hete lucht (ruimte IV). De overgebleven vloeistof uit ruimte II
gaat naar ruimte V, waar deze wordt verwarmd. Hierbij verdampt het DCM,
dat na condensatie wordt hergebruikt.
In het blokschema ontbreken de namen van de scheidingsmethodes die in
ruimte II worden gebruikt. Ook ontbreken bij de stofstromen A tot en met
E de namen van de volgende stoffen:
− cafeïne
− cafeïnevrije koffiebonen
− DCM
− water.
192pGeef aan welke twee scheidingsmethodes in ruimte II worden gebruikt.
202pGeef de namen van de stoffen die bij de letters A tot en met E in het
blokschema moeten worden vermeld. Let op:
− sommige stoffen moeten bij meer dan één stofstroom worden vermeld;
− bij één van de stofstromen moet meer dan één stof worden vermeld.
Noteer je antwoord als volgt:
212pLeg met behulp van bovenstaande informatie uit of het decafeïneren een
continu proces of een batchproces is.
DCM heeft nadelen, daarom wordt tegenwoordig
gebruikgemaakt van andere oplosmiddelen. Het
meest gebruikt wordt de ester ethylacetaat (zie
figuur 1). Maar ook warm water (80 °C) wordt als
oplosmiddel toegepast.
222pGeef de structuurformules van de twee stoffen waaruit door verestering
ethylacetaat wordt gevormd.
In onderstaande tabel staat een aantal gegevens per oplosmiddel.
gegeven oplosmiddel DCM (20 °C) ethylacetaat (20 °C) water (80 °C) oplosbaarheid van cafeïne in oplosmiddel (g per 100 mL) 8 2 35-40 lost uit de koffiebonen alleen cafeïne op in het oplosmiddel? ja ja nee molaire massa (g mol –1 ) 84,93 88,10 18,02 grenswaarde* (mg m –3 ) 350 550 - kookpunt (K) 313 350 373
* TGG (= tijd-gewogen-gemiddelde) in 8 uur
232pGeef aan de hand van de gegevens in de tabel een voordeel van het
gebruik van ethylacetaat ten opzichte van het gebruik van DCM. Geef ook
het daarbij behorende uitgangspunt uit Binas-tabel 97F.
Noteer je antwoord als volgt:
voordeel: …
uitgangspunt: …
opgave 5Alcohol
Wanneer iemand een alcoholische drank heeft gedronken, verdeelt de
alcohol (ethanol) zich over de waterige vloeistoffen, zoals bloed, in het
lichaam. Na verloop van tijd wordt de alcohol door het lichaam
afgebroken. Hierbij verlopen onder meer de volgende twee halfreacties:
Beide halfreacties worden enzymatisch gekatalyseerd.
242pGeef de structuurformule van alcohol en leg aan de hand daarvan uit dat
alcohol hydrofiel is.
252pGeef aan welke invloed de katalyse door enzymen heeft op het
energieverloop van de reactie. Kies uit: wordt hoger, wordt lager of blijft
gelijk.
Noteer je antwoord als volgt:
De (netto) reactiewarmte …
De activeringsenergie …
262pLeg uit waarom halfreactie 1 door een ander soort enzym wordt
gekatalyseerd dan halfreactie 2.
Als vuistregel wordt aangenomen dat bij een (gemiddelde) volwassene
één glas alcoholische drank (10 gram alcohol) in 1,4 uur wordt
afgebroken. Alcohol heeft een molaire massa van 46,1 g mol–1.
272pBereken de gemiddelde snelheid waarmee de alcohol wordt afgebroken in
mol alcohol per L lichaamsvocht per seconde. Ga ervan uit dat de
volwassene 45 L lichaamsvocht heeft en alle alcohol uit de drank is
opgenomen.
Rijden onder invloed van alcohol (ethanol) is
gevaarlijk en verboden. Daarom voert de politie
controles uit en meet daarbij het alcoholgehalte in
de adem van de bestuurder. Als een bestuurder een
overtreding heeft begaan, kan een rechter oordelen
dat een ‘alcoholslot’ in de auto van deze bestuurder
moet worden aangebracht. Een alcoholslot is een
startonderbreker in de auto. Voor het wegrijden moet
de bestuurder in het pijpje van het alcoholslot
blazen. Wanneer de bestuurder te veel alcohol heeft
genuttigd, start de auto niet.
Het alcoholslot bevat een soort brandstofcel. Als de uitgeademde lucht
alcohol bevat, reageert de alcohol als reductor aan de ‘actieve’ elektrode
van de cel. De vergelijking van deze halfreactie is:
C2H6O + 3 H2O → 2 CO2 + 12 H+ + 12 e–
Aan de andere elektrode reageert zuurstof als oxidator in zuur milieu.
283pGeef de vergelijking van de halfreactie van de oxidator en de vergelijking
van de totale reactie in deze brandstofcel. Maak hierbij gebruik van Binas-
tabel 48.
De stroom die door de brandstofcel loopt is een maat voor het
alcoholgehalte in de uitgeademde lucht. Het alcoholgehalte in lucht en het
alcoholgehalte in vocht zijn met een vaste omrekeningsfactor aan elkaar
gerelateerd. Een gehalte van 0,44 mg per L lucht komt overeen met 1,0 g
per L lichaamsvocht. Als het alcoholgehalte in het lichaamsvocht van de
bestuurder hoger is dan 0,02 massaprocent, start de auto niet.
Bij een bepaalde bestuurder passeren 50·10–6 mol elektronen per L
uitgeademde lucht de actieve elektrode.
292pBereken het aantal gram alcohol in 1,0 L uitgeademde lucht, wanneer het
alcoholpercentage in lichaamsvocht 0,02 massaprocent is. Neem aan dat
de dichtheid van het lichaamsvocht 1,1 kg per L is.
302pLaat met een berekening zien of de auto zal starten. Ga ervan uit dat er
geen elektronenstroom is als de adem geen alcohol bevat.
opgave 6Roestoplosser
IJzer is een veelgebruikt metaal dat echter door reactie met zuurstof en
water gemakkelijk wordt omgezet tot roest. De formule van roest is
Fe2O3.3H2O (s). De omzetting van ijzer tot roest is een redoxreactie
waarvan de totale vergelijking hieronder onvolledig is weergegeven.
… Fe + … O2 + … H2O → … Fe2O3.3H2O
Het proces waarbij ijzer met zuurstof en water wordt omgezet tot roest
wordt wel ‘roesten’ genoemd, maar er is ook een andere (chemische)
naam voor.
311pGeef deze andere naam.
322pNeem bovenstaande onvolledige vergelijking over en maak deze kloppend
door de vier ontbrekende coëfficiënten in te vullen.
332pLeid af, aan de hand van de ladingsverandering van de ijzerdeeltjes, of de
stof ijzer bij het omzetten tot roest de oxidator of de reductor is.
Noteer je antwoord als volgt:
de lading van de ijzerdeeltjes in ijzer: …
de lading van de ijzerdeeltjes in roest: …
de stof ijzer is dus: …………….
Voor het verwijderen van roest zijn speciale ‘roestoplossers’ te koop.
Mads en Matthijs onderzoeken voor hun profielwerkstuk de roestoplosser
van de fabrikant HG. Op het etiket van deze vloeibare roestoplosser staat
onder meer de volgende informatie:
HG roestoplosser • Verwijdert roest zonder schuren. • Heeft bovendien een roestwerende werking. • Het metaal kan na behandeling direct gelakt worden. Gebruiksaanwijzing: Verdun 1 fles HG “roestoplosser” (0,5 liter) met 2,5 liter water. Leg het voorwerp in de oplossing, zodat het geheel ondergedompeld is. Afhankelijk van de hoeveelheid roest 10 minuten tot enige uren laten inwerken. Vervolgens goed naspoelen met veel water. Attentie: Gebruik rubber/plastic handschoenen. Bevat: Fosforzuur (H PO ) 3 4
Mads merkt op dat de aanduiding roestoplosser op het etiket tussen
aanhalingstekens staat. Kennelijk lost roest niet op in de roestoplosser.
Matthijs zegt dat roest reageert met de roestoplosser.
342pOnderbouw de uitspraak van Matthijs aan de hand van de formule van
roest en de informatie op het etiket.
Op een ander deel van het etiket staat een gevarenpictogram. Bij dit
gevarenpictogram hoort een bepaald GHS-nummer.
352pLeg uit met behulp van Binas-tabel 97B welk GHS-nummer past bij de op
bladzijde 12 gegeven informatie van het etiket.
Matthijs verdunt 5 mL roestoplosser volgens de gebruiksaanwijzing.
Hierbij doet hij een bepaalde waarneming en trekt hieruit de conclusie dat
het verdunnen van roestoplosser een exotherm proces is.
361pGeef deze waarneming.
Matthijs doet vervolgens 141 mg onverdunde roestoplosser in 10,0 mL
water. De verkregen oplossing titreert hij met natronloog. De molariteit
van de natronloog is 0,108 M.
372pBereken de pH van de gebruikte natronloog.
Na toevoeging van 8,04 mL natronloog heeft het fosforzuur volledig
gereageerd met de natronloog volgens de vergelijking:
H3PO4 + OH– → H2PO4– + H2O
383pBereken het massapercentage fosforzuur in “HG roestoplosser”.
Neem hierbij aan dat fosforzuur het enige zuur is dat tijdens de titratie
reageert.
De pH van de oplossing is na het toevoegen van 8,04 mL natronloog
ongeveer 4.
392pGeef een beschrijving op microniveau waaruit duidelijk wordt waardoor
deze lage pH wordt veroorzaakt.
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.
