opgave 1Smart StitchTM
Veel kleding wordt niet duurzaam ontworpen en eindigt na gebruik op
vuilstortplaatsen of in verbrandingsovens. Doordat bijvoorbeeld ritsen en
knopen zijn vastgenaaid, kan de kleding moeilijk gerecycled worden. Het
Belgische bedrijf Resortecs heeft hier iets op bedacht: smeltbaar garen
om de verschillende onderdelen mee vast te naaien (Smart Stitch™). De
kleding kan worden gerecycled in een speciale oven, waarin het Smart
Stitch™-garen smelt. Daarna valt de kleding zonder schade in losse
onderdelen uit elkaar. In een experiment met spijkerbroeken kon 70% van
de teruggewonnen spijkerstof worden gebruikt voor nieuwe
kledingstukken.
12pVoer de volgende opdrachten uit:
− Geef een argument waarom gebruik van kleding met Smart Stitch™-
garen aansluit bij het cradle-to-cradle-principe.
− Geef een argument waarom gebruik van kleding met Smart Stitch™-
garen niet aansluit bij het cradle-to-cradle-principe.
Resortecs maakt verschillende soorten Smart Stitch™-garen. Een
bepaalde soort Smart Stitch™-garen wordt gemaakt van polypropeen
(C3H6)n. Polypropeen is het additiepolymeer van propeen (figuur 1).
figuur 1
22pGeef de structuurformule van een fragment uit het midden van een
molecuul polypropeen. Dit fragment moet bestaan uit drie eenheden
propeen.
Het gebruikte polypropeen wordt gemaakt van fossiele brandstoffen. Aan
het eind van de levensduur wordt de kleding met het Smart Stitch™-garen
verbrand. Om de totale CO2-uitstoot door het gebruik van dit type Smart
Stitch™-garen te bepalen, is een levenscyclus-analyse uitgevoerd. Hierbij
worden alle processen meegenomen: productie, transport,
afvalverwerking en verbranding.
De totale CO2-uitstoot bleek 3,88 kg per kilogram garen te zijn. Een groot
deel van deze uitstoot was afkomstig van verbranding van het garen.
35pBereken hoeveel procent van deze 3,88 kg CO2-uitstoot werd veroorzaakt
door verbranding van 1,0 kg Smart Stitch™-garen.
Geef de uitkomst in het juiste aantal significante cijfers.
Gebruik de volgende aannames:
− Dit type Smart Stitch™-garen bestaat volledig uit polypropeen.
− Bij de verbranding van een mol repeterende eenheden polypropeen
ontstaat 3 mol CO2.
Een ander soort Smart Stitch™-garen is een polyamide. Een van de
grondstoffen voor dit polyamide is ricinus-olie, die wordt gewonnen uit de
zaden van de ricinusplant. Uit de analyse blijkt dat het garen op basis van
dit polyamide gedurende de hele levenscyclus minder bijdraagt aan het
versterkt broeikaseffect dan het garen op basis van polypropeen.
41pGeef een argument waarom het garen op basis van dit polyamide
gedurende de hele levenscyclus minder bijdraagt aan het versterkt
broeikaseffect dan het garen op basis van polypropeen.
De algemene structuurformule van het gebruikte polyamide is
weergegeven in figuur 2.
figuur 2
Voor het recyclen in een oven is het belangrijk dat het Smart Stitch™-
garen de juiste smelttemperatuur heeft. De smelttemperatuur wordt
bepaald door de mate van binding tussen de ketens onderling. Zie
figuur 3.
figuur 3
Bij polyamides wordt deze aantrekking tussen ketens mede bepaald door
waterstofbruggen tussen C=O-groepen en NH-groepen. De
smelttemperatuur van polyamides blijkt afhankelijk te zijn van het aantal
CH2-groepen (n) per repeterende eenheid. Hoe groter dit aantal
CH2-groepen, hoe lager de smelttemperatuur.
52pLeg uit op microniveau dat een groter aantal CH2-groepen per
repeterende eenheid leidt tot een lagere smelttemperatuur van het
polyamide.
− Gebruik gegevens uit figuren 2 en 3.
− Ga ervan uit dat polyamides met een verschillend aantal CH2-groepen
per repeterende eenheid wel dezelfde gemiddelde ketenlengte
hebben.
In figuur 4 is het verband weergegeven tussen de smelttemperatuur van
de polyamides en het aantal CH2-groepen per repeterende eenheid in de
polyamides.
figuur 4
Het polyamide dat voor Smart Stitch™-garen wordt gebruikt, heeft een
smelttemperatuur van 195 °C.
63pTeken de structuurformule van het monomeer van dit polyamide. Gebruik
gegevens uit figuur 2 en 4.
opgave 2Slimme kattenbakkorrels
Een kattenbak wordt gevuld met korrels van een stof die kattenurine kan
adsorberen, zoals silicagel. Silicagel bestaat uit een driedimensionaal
netwerk van voornamelijk silicium- en zuurstofatomen. Op de
uitwerkbijlage is een deel van een korrel silicagel vereenvoudigd
weergegeven.
Kattenurine bevat ammoniak. Deze stof heeft een onaangename geur.
Silicagel bindt ammoniak, waardoor de ammoniakgeur wordt verminderd.
73puitwerkbijlageTeken op de uitwerkbijlage twee moleculen ammoniak die elk met een
waterstofbrug zijn gebonden aan het oppervlak van silicagel.
− Geef de moleculen ammoniak met structuurformules weer.
− Geef de waterstofbruggen weer met een stippellijntje: •••.
Je kunt de gezondheid van je kat in de gaten houden door analyse van
zijn urine. Er zijn kattenbakkorrels op de markt waarin indicatoren zijn
verwerkt. Je kunt deze korrels mengen met de normale kattenbakkorrels.
De verkleuring van deze indicatorkorrels geeft dan aan of je met je kat
naar de dierenarts moet. Een van de indicatoren die gebruikt zou kunnen
worden, is de zuur-base-indicator broomthymolblauw (tabel 1).
tabel 1
Urine van gezonde katten heeft een pH tussen 6,3 en 6,6. Een afwijkende
pH is een indicatie voor een nier- of blaasontsteking.
82pBereken de minimale [H+] in mol L–1 in urine van gezonde katten.
Eslem gebruikt broomthymolblauw om de urine van haar kat te
controleren. De korrels kleuren groen.
92pLeg uit of de groene kleur in dit geval voldoende informatie geeft om vast
te stellen of de pH van de urine afwijkend is.
Er zijn kattenbakkorrels op de markt die glucose in de urine van katten
kunnen aantonen. Glucose in urine is een aanwijzing voor suikerziekte.
Deze kattenbakkorrels bevatten een mengsel van kaliumjodide, zetmeel
en twee enzymen. Aanwezige glucose kan enzymatisch worden omgezet
tot gluconolacton volgens reactie 1.
Reactie 1 is een redoxreactie. De halfreactie waarbij glucose wordt
omgezet, is onvolledig weergegeven op de uitwerkbijlage.
102puitwerkbijlageMaak de halfreactie op de uitwerkbijlage compleet met elektronen en
coëfficiënten.
Vervolgens katalyseert een ander enzym reactie 2 tussen het ontstane
H2O2 en jodide-ionen:
Het jood (I2) dat in reactie 2 ontstaat, geeft een kleur aan het zetmeel dat
in de korrels zit. Hoe meer jood is ontstaan, hoe donkerder de kleur.
De kleur varieert van lichtgroen bij een kleine hoeveelheid jood tot zwart
bij een grote hoeveelheid jood.
112pLeg uit dat een donkere kleur van de korrels duidt op een grote
hoeveelheid glucose in de urine. Gebruik reacties 1 en 2.
Bij katten met suikerziekte moet de urine regelmatig worden
gecontroleerd. Dit gebeurt niet alleen met korrels, maar ook met teststrips
die de concentratie glucose in urine meten. Door urine op te vangen en de
teststrip erin te dopen, kan de katteneigenaar de concentratie glucose
bepalen. In tabel 2 is de schaalverdeling van twee merken teststrips
weergegeven, met de bijbehorende glucose-concentraties.
Merk A drukt de glucose-concentratie uit in mmol L–1 en merk B drukt de
glucose-concentratie uit in mg dL–1.
tabel 2
Roelof heeft een kat met suikerziekte. De dierenarts heeft niet gezegd
welk merk teststrips hij voor de urinetests moet gebruiken. Roelof kan na
een berekening gelukkig concluderen dat de waarde +++ op beide
schaalverdelingen behoorlijk overeenkomt.
122pLaat met een berekening zien dat de concentraties die bij merk A en B
aangegeven worden met de waarde +++ redelijk overeenkomen.
Ga verder op de volgende pagina.
opgave 3Terugwinning van lithium
Door de toename van het aantal elektrische auto’s zijn er steeds meer
lithium-ion-accu’s (LIA’s) nodig. Het metaal lithium is echter vrij schaars.
Daarom wordt veel onderzoek gedaan naar methodes voor het
terugwinnen van lithium en andere metalen uit oude LIA’s. Veel van deze
methodes gebruiken sterke zuren, zoals zoutzuur. Bij de methodes met
zoutzuur ontstaat het gevaarlijke gas chloor (Cl2). Voor chloor gelden
onder andere de gevarenaanduidingen H318 en H319.
Op basis van deze aanduidingen kunnen werknemers van
recyclebedrijven specifieke voorzorgsmaatregelen nemen.
132pGeef de nummers van twee P-zinnen die twee verschillende van deze
voorzorgsmaatregelen beschrijven. Gebruik Binas-tabel 96E of
ScienceData-tabel 38.3.
Zweedse onderzoekers hebben een methode op basis van oxaalzuur
(H2C2O4) bedacht om lithium en andere metalen uit LIA’s terug te winnen.
Hierbij ontstaan geen schadelijke gassen. Oxaalzuur is een triviale naam.
142pGeef de structuurformule van oxaalzuur.
De Zweedse onderzoekers gebruiken elektrodemateriaal van een bepaald
soort LIA. Hierin zijn grafiet, koper, aluminium en het zout NMC111
aanwezig. NMC111 is een oxide van de metalen lithium, nikkel, mangaan
en kobalt, met de verhoudingsformule Li3NiMnCoO6.
Het Co-ion in NMC111 heeft de lading 3+.
152pLeid de lading af van het mangaan-ion in NMC111.
Gebruik Binas-tabel 40A of ScienceData-tabel 8.1.
De methode die de Zweedse onderzoekers bedachten, is op de
uitwerkbijlage bij vraag 21 met een onvolledig blokschema weergegeven.
Als eerste wordt het elektrodemateriaal fijngemalen en gezeefd. Het
verkregen mengsel wordt ‘zwarte massa’ genoemd.
De zwarte massa wordt in reactor 1 (R1) met oxaalzuur-oplossing
gemengd. Het mengsel in R1 wordt intensief geroerd, zie figuur 1.
NMC111 uit de zwarte massa reageert met oxaalzuur.
figuur 1
Als het elektrodemateriaal is fijngemalen, hoeft het minder lang in de
reactor te verblijven voor volledige omzetting dan wanneer het niet
fijngemalen zou zijn. Dit kan met het botsende-deeltjesmodel worden
verklaard.
162pGeef deze verklaring.
De vergelijking van de reactie van NMC111 met oxaalzuur is als volgt:
reactie 1
Lithium-ionen blijven in oplossing. De andere metaal-ionen vormen met
oxalaat-ionen vaste stoffen. De gevormde zouten van positief geladen
metaalionen en C2O42–-ionen worden oxalaten genoemd. Reactie 1 is
zowel een zuur-basereactie als een redoxreactie.
171pGeef de formule van het deeltje in NMC111 dat als base optreedt in de
zuur-basereactie.
De lading van het kobalt-ion in NMC111 is 3+.
182pLeg uit, aan de hand van de ladingsverandering van de kobaltdeeltjes, of
de kobalt-ionen in NMC111 in reactie 1 als oxidator of als reductor
reageren. Noteer je antwoord als volgt:
− lading van het kobalt-ion in CoC2O4:...
− uitleg en conclusie: …
In R1 reageert oxaalzuur ook met aluminium uit het elektrodemateriaal.
Hierbij ontstaat opgelost aluminiumoxalaat (reactie 2). Reactie 1 en 2
vinden tegelijk plaats. Het gevormde CO2 verlaat de reactor.
Het gevormde reactiemengsel wordt in scheidingsruimte 1 (S1)
gefiltreerd. In het filtraat zijn vooral opgeloste lithium-, aluminium- en
oxalaat-ionen aanwezig. Het residu bevat vooral de andere
metaaloxalaten.
In een experiment met 1,25 gram zwarte massa was de verblijftijd in R1
60 minuten. Het massapercentage lithium in de zwarte massa was 3,4%.
Het rendement waarmee lithium-ionen in het filtraat terechtkwamen was
98,8%.
194pBereken de gemiddelde snelheid in mol s–1 waarmee lithium-ionen in het
filtraat terechtkwamen vanuit de zwarte massa.
Geef de uitkomst in het juiste aantal significante cijfers.
In reactor 2 (R2) wordt een overmaat natronloog toegevoegd aan het
filtraat afkomstig uit S1. De hydroxide-ionen uit natronloog reageren met
de aluminium-ionen tot een vast zout dat bestaat uit aluminium-ionen en
hydroxide-ionen. De lithium-ionen en oxalaat-ionen blijven opgelost. Door
filtratie in scheidingsruimte 2 (S2) kan aluminiumhydroxide als residu
worden verkregen.
203pGeef de vergelijking van de reactie voor de vorming van vast
aluminiumhydroxide. Gebruik toestandsaanduidingen.
Ten slotte wordt in reactor 3 (R3) een overmaat van een
natriumcarbonaat-oplossing toegevoegd. Zo ontstaat het slecht oplosbare
lithiumcarbonaat. Na filtratie in scheidingsruimte (S3) wordt
lithiumcarbonaat als residu verkregen. Lithiumcarbonaat kan dienen als
grondstof voor het maken van nieuwe accu’s.
Op de uitwerkbijlage ontbreken stofstromen en bijschriften bij de
stofstromen.
213puitwerkbijlageMaak het blokschema op de uitwerkbijlage compleet.
− Teken de pijlen van de ontbrekende stofstromen.
− Noteer op de stippellijntjes en bij de zelf getekende pijlen de juiste
nummers van de onderstaande stoffen.
1 natronloog
2 oplossing van lithium-ionen
3 oplossing van natriumcarbonaat
4 oplossing van oxalaat-ionen
5 vast aluminiumhydroxide
6 vast lithiumcarbonaat
− Sommige nummers moeten meerdere keren worden gebruikt.
− Bij de pijl met een * hoeft geen nummer te worden genoteerd.
opgave 4Gemodificeerd zetmeel
Zetmeel wordt vaak gebruikt als waterbindend middel in
voedingsmiddelen, zoals sauzen. De sauzen worden daardoor dikker. Om
de waterbindende eigenschappen te verbeteren, wordt zetmeel chemisch
veranderd, oftewel gemodificeerd. Een veelgebruikte methode is de
reactie van zetmeel met een oplossing van natriumhypochloriet (NaClO).
Het hypochloriet-ion (ClO–) zet daarbij een deel van de hydroxylgroepen
in zetmeel om tot onder andere carboxylgroepen. In figuur 1 zijn
structuurformules van zetmeel en gemodificeerd zetmeel weergegeven.
figuur 1
De omzetting vindt plaats in basisch milieu. In basisch milieu zal een
aantal van de ontstane carboxylgroepen van gemodificeerd zetmeel als
zuur reageren. Op de uitwerkbijlage is de structuurformule van een deel
van een keten van gemodificeerd zetmeel onvolledig weergegeven.
222puitwerkbijlageMaak in het omkaderde deel op de uitwerkbijlage de structuurformule
compleet. Uit de structuurformule moet blijken dat de carboxylgroep in
gemodificeerd zetmeel als zuur heeft gereageerd.
De omzetting van hydroxylgroepen tot carboxylgroepen is een
redoxreactie. De halfreacties die hierbij verlopen, zijn in figuur 2
weergegeven.
figuur 2
Halfreactie 1 is onvolledig weergegeven: er ontbreken coëfficiënten.
233puitwerkbijlageVoer op de uitwerkbijlage de volgende opdrachten uit:
− Maak halfreactie 1 kloppend.
− Leid met behulp van deze halfreactie en halfreactie 2 de vergelijking af
van de totale reactie.
Voor de productie van gemodificeerd zetmeel wordt een suspensie van
zetmeel gebruikt. Bij de omzettingen (figuur 2) komt een oplossing van
natriumchloride vrij. Deze oplossing moet worden weggespoeld voordat
het omgezette zetmeel kan worden gebruikt in voedingsmiddelen.
243pBereken hoeveel gram natriumchloride er per kilogram suspensie van
zetmeel ontstaat. Ga uit van de volgende gegevens:
− De suspensie bevat 39 massaprocent zetmeel.
− Per gram zetmeel wordt 0,20 g NaClO verbruikt.
− De molaire massa van NaClO is 74,5 g mol–1 en die van NaCl
is 58,5 g mol–1.
− De molverhouding tussen NaClO en NaCl is 1: 1.
Er zijn ook andere manieren om gemodificeerd zetmeel te produceren,
zoals door de reactie van zetmeel met waterstofperoxide. De totale
reactievergelijking kan worden weergegeven met reactie 1.
Deze reactie heeft een hogere atoomeconomie.
252pBereken de atoomeconomie van reactie 1. Gebruik Binas-tabel 37H of
ScienceData-tabel 1.7.
opgave 5Yoghurt
Yoghurt is een product dat wordt gemaakt van melk. De industriële
productie van yoghurt verloopt in een aantal stappen. Bij de eerste stap
wordt verse melk door centrifugeren gescheiden in drie stofstromen: vaste
deeltjes, room en magere melk. Magere melk bevat voornamelijk suikers,
eiwitten en water. De room bestaat voor een groot deel uit vet en blijft
daarom drijven op de magere melk. Een doorsnede van de centrifuge is in
figuur 1 weergegeven.
figuur 1
De centrifuge bevat een stapel schijven met gaten die zeer snel
ronddraaien en zo melk scheiden in vaste deeltjes, room en magere melk.
Deze drie stofstromen worden afzonderlijk afgetapt op de plekken die in
figuur 1 zijn aangeduid met 1, 2 of 3.
263pVoer de volgende opdrachten uit:
− Geef het verschil in stofeigenschap waarop de scheiding door
centrifugeren berust.
− Leg uit aan de hand van dit verschil in stofeigenschap op welke plek
(1, 2 of 3) de room wordt afgetapt.
Yoghurt wordt gemaakt met een mengsel van magere melk en room.
Op een zeker moment worden hieraan twee bacteriesoorten toegevoegd.
Uit onderzoek blijkt dat deze twee bacteriesoorten elkaar stimuleren,
waardoor het melkmengsel wordt omgezet tot yoghurt. Tijdens dit proces
zetten de bacteriën lactose (C12H22O11) met water om tot melkzuur
(C3H6O3). Zie reactie 1. De bacteriën gebruiken de energie die bij deze
omzetting vrijkomt.
C12H22O11 (aq) + H2O (l) →
4 C3H6O3 (aq)
De vormingswarmte van C12H22O11 bedraagt –22,26·105 J mol–1 en die
van C3H6O3 bedraagt −7,00·105 J mol–1.
273pBereken de reactiewarmte van reactie 1 in joule per mol melkzuur.
Gebruik Binas-tabel 57 of ScienceData-tabel 9.2.
Melk bevat een stof met de formule CH4N2O. De bacteriën bevatten een
enzym dat CH4N2O met water omzet tot ammoniak en koolstofdioxide, zie
reactie 2.
CH4N2O (aq) + H2O (l) → CO2 (aq) + 2 NH3 (aq) (reactie 2)
De H-atomen in CH4N2O zijn uitsluitend gebonden aan N-atomen.
282pGeef reactie 2 weer met structuurformules voor alle stoffen.
Door reactie 1 daalt de pH van het melkmengsel. Als de pH te veel daalt,
stoppen de enzymen in de bacteriën met de melkzuurproductie.
De ontstane NH3 gaat de pH-daling enigszins tegen.
292pVoer de volgende opdrachten uit:
− Verklaar waarom de enzymen stoppen met de melkzuurproductie als
de pH te veel daalt.
− Geef een verklaring voor het feit dat NH3 de pH-daling enigszins
tegengaat.
Let op: de laatste vragen van dit examen staan op de volgende pagina.
De bacteriën maken ook stoffen die invloed hebben op de smaak van
yoghurt. Een van deze smaakstoffen is aceetaldehyde, C2H4O, dat
ontstaat door een reactie waarbij het aminozuur threonine wordt omgezet
tot uitsluitend aceetaldehyde en één ander aminozuur.
301pGeef de naam van dit andere aminozuur.
Gebruik Binas-tabel 67H1 of ScienceData-tabel 13.7c.
Yoghurt bevat stoffen die de gezondheid bevorderen. Een van deze
stoffen is een tripeptide dat kan worden weergegeven als: Val-Pro-Pro.
313pGeef de structuurformule van het tripeptide Val-Pro-Pro.
Gebruik Binas-tabel 67H1 of ScienceData-tabel 13.7c.
De bacteriën maken ook korte sachariden die bestaan uit drie, vier of vijf
monomeereenheden.
322pLeid de molecuulformule af van de sacharide die is gevormd uit drie
glucose-moleculen. Gebruik eventueel Binas-tabel 67F of ScienceData-
tabel 13.1d.
Bronvermelding
Een opsomming van de in dit examen gebruikte bronnen, zoals teksten en afbeeldingen, is te vinden in het bij dit examen
behorende correctievoorschrift.
