opgave 1Absint
Absint is een sterk alcoholisch extract van diverse kruiden, waaronder alsem
(Artemisia absinthium). De drank kreeg een slechte naam, doordat sommige
drinkers tekenen van waanzin gingen vertonen of blind werden. Daarom is
absint in veel landen lange tijd verboden geweest.
De genoemde gezondheidseffecten worden niet alleen veroorzaakt door het
hoge alcoholgehalte. Rond 1900 werd ontdekt dat in absint ook de verbinding
thujon voorkomt. In experimenten met proefdieren bleek deze stof schadelijke
werkingen te hebben.
In de natuur komen twee soorten thujon voor: α-thujon en β-thujon.
Hieronder staan de ruimtelijke structuurformules van α-thujon en β-thujon.
De bindingen die zijn getekend met – liggen in het vlak van tekening, de
bindingen die zijn getekend met
komen uit het vlak van tekening naar voren
en de bindingen die zijn getekend met ··· liggen achter het vlak van tekening.
Met de groep C3H7 wordt de isopropylgroep bedoeld: CH3–CH–CH3.
α-Thujon is een stereo-isomeer van β-thujon.
12pLeg aan de hand van de structuurformules uit of een molecuul α-thujon het
spiegelbeeld is van een molecuul β-thujon.
22pLeg aan de hand van de structuurformules uit of α-thujon en β-thujon
cis-trans-isomeren zijn.
Uit onderzoek is gebleken dat tijdens de stofwisseling van α-thujon en β-thujon
een zogenoemde hydroxylering plaatsvindt. Bij hydroxylering worden één of
meer OH groepen in het molecuul ingebouwd. Hydroxylering van thujon kan
onder andere plaatsvinden aan de isopropylgroep. Hierbij wordt de C3H7 groep
omgezet tot een C3H6OH groep. Deze omzetting kan worden opgevat als een
redoxreactie.
33pGeef de vergelijking van de halfreactie voor deze hydroxylering van thujon. In
deze vergelijking komen onder andere H2O en H+ voor. Noteer in deze
vergelijking thujon als R–C3H7 en het reactieproduct als R–C3H6OH.
Volgens de normen van de Europese Unie mag absint maximaal 35 mg thujon
(α en β samen) per kg bevatten.
De Voedsel en Waren Autoriteit controleert het gehalte thujon in absint. Tijdens
de bepaling van dat gehalte wordt een mengsel eerst gescheiden, waarna de
afzonderlijke stoffen langs een detector worden gevoerd. Het signaal dat de
detector daarbij afgeeft, wordt als een getal op een display weergegeven.
De bepaling gaat als volgt:
− Er wordt een standaardoplossing gemaakt van α-thujon, β-thujon en een
referentiestof A. De concentraties van deze stoffen zijn bekend.
− Dit mengsel wordt in een gaschromatograaf geanalyseerd. Hierbij worden de
oppervlaktes van de pieken in het chromatogram gemeten (bepaling 1).
− Vervolgens wordt een mengsel gemaakt van absint en stof A. De
concentratie van stof A hierin is even groot als in de standaardoplossing.
− Dit mengsel van absint en stof A wordt ook in de gaschromatograaf
geanalyseerd, en de oppervlaktes van de pieken in het chromatogram
worden gemeten (bepaling 2).
Uit de gemeten piekoppervlaktes kunnen de gehaltes α-thujon en β-thujon in
absint worden berekend.
In onderstaande tabel zijn de piekoppervlaktes (zonder eenheid) vermeld van
α-thujon en stof A die bij zo’n bepaling zijn gemeten.
43pBereken de concentratie, in mol L–1, van α-thujon in de onderzochte absint. Ga
ervan uit dat door het toevoegen van stof A aan de absint het volume niet
toeneemt en dat tijdens de bepaling stof A niet met andere stoffen reageert.
Gebruik bovenstaande gegevens en het gegeven dat in de standaardoplossing
de concentratie van α-thujon gelijk is aan 1,36·10–5 mol L–1.
53pBereken of de onderzochte absint voldoet aan de door de Europese Unie
gestelde norm. Gebruik in de berekening de volgende gegevens:
− dichtheid van absint: 0,92·103 kg m–3;
− massa van een mol thujon: 152,2 g;
− concentratie van β-thujon in de onderzochte absint: 7,38·10–5 mol L–1.
opgave 2Speeksel
Onder normale omstandigheden is de pH van speeksel ongeveer 7. Als de pH in
de mond daalt tot een waarde die lager is dan 5,5 kan aantasting van het gebit
optreden. Speeksel bevat een aantal buffers. Die buffers kunnen de daling van
de pH binnen zekere grenzen houden. Daardoor wordt het gebit beschermd. De
zogenoemde buffercapaciteit geeft aan hoe goed een buffer de daling van de pH
kan beperken. Bij de bepaling van de buffercapaciteit van speeksel wordt met
zogenoemd ‘gestimuleerd speeksel’ gewerkt. Dat is speeksel dat ontstaat als op
iets wordt gekauwd.
Hieronder is een methode beschreven om de buffercapaciteit van ‘gestimuleerd
speeksel’ te bepalen.
− de pH van het ‘gestimuleerde speeksel’ wordt gemeten;
− 1,0 mL speeksel wordt toegevoegd aan 3,0 mL 0,0050 M zoutzuur;
− het mengsel wordt 20 minuten geroerd om de ontstane CO2 te verwijderen;
− de pH wordt gemeten.
63pLeg uit aan de hand van bovenstaande gegevens en het feit dat de pH van
speeksel ongeveer 7 is, welk zuur-base koppel in ieder geval in het
‘gestimuleerde speeksel’ aanwezig is.
73pBereken in welke molverhouding dit zuur en zijn geconjugeerde base in
speeksel met pH = 6,8 voorkomen. Noteer de uitkomst van je berekening als
aantal mol zuur
volgt:
=
aantal mol geconjugeerde base 1
Bij een proefpersoon werd de buffercapaciteit van het speeksel onderzocht
volgens deze methode. De begin-pH van zijn speeksel was 7,0. Na afloop van
de bepaling was de pH van het mengsel 4,5.
83pToon met behulp van een berekening aan dat het speeksel van deze
proefpersoon inderdaad een bufferende werking bezit.
opgave 3Cacaoboter
Eén van de hoofdbestanddelen van chocolade is cacaoboter.
Cacaoboter is een mengsel van voornamelijk vetten. Welke vetzuurresten
voornamelijk in deze vetten voorkomen, is achterhaald met behulp van een
methode waarbij de tri-esters eerst werden gehydrolyseerd en de daarbij
verkregen vetzuren werden omgezet tot de overeenkomstige methylesters.
93pGeef de vergelijking voor de reactie waarbij onder andere uit oliezuur de
methylester van oliezuur wordt gevormd. Gebruik structuurformules.
De koolwaterstofrest van oliezuur mag worden weergegeven als C17H33.
Uit onderzoek is gebleken dat in de meeste vetten van cacaoboter glycerol op
positie 2 is veresterd met oliezuur. Verder is glycerol vooral met palmitinezuur
en/of stearinezuur veresterd.
Deze vetten worden als volgt schematisch aangeduid: P - O - P, P - O - S en
S - O - S. Hierin staat P voor palmitinezuur, O voor oliezuur en S voor
stearinezuur; de middelste letter geeft het vetzuur op positie 2 weer.
Aangezien de beschikbare hoeveelheid cacaoboter niet toereikend is om aan de
vraag naar chocolade te voldoen, wordt voor bepaalde chocoladeproducten
gebruik gemaakt van andere grondstoffen. De vetzuursamenstelling van die
andere grondstoffen is anders dan die van cacaoboter. Men kan vetten uit die
andere grondstoffen op twee manieren omzetten tot vetten die wel in cacaoboter
voorkomen.
De eerste manier wordt aangeduid als ‘partiële hydrogenering’. Hierbij laat men
een vet reageren met waterstof. Een voorbeeld is het vet P - O - L (L staat voor
linolzuur) uit palmolie. Door additie van waterstof kan dit vet worden omgezet tot
P - O - S.
103pBereken hoeveel dm3 waterstof (T = 298 K, p = p0) minstens nodig is om 1,0 kg
van het vet P - O - L om te zetten tot het vet P - O - S. De massa van één mol van
het vet P - O - L bedraagt 857 g.
De tweede manier is een zogenoemde om-estering: het vervangen van de ene
vetzuurrest door een andere. Bij dit proces maakt men gebruik van het enzym
lipase. Dit enzym katalyseert de hydrolyse van vetzuren die zijn veresterd op de
posities 1 en 3 van een vet. Lipase katalyseert ook de omgekeerde reactie: de
verestering van vetzuren aan de posities 1 en 3 van glycerol.
Door bijvoorbeeld het vet P - O - O te mengen met stearinezuur en lipase kan
onder andere het vet P - O - S worden verkregen.
In dit reactiemengsel ontstaan ook andere vetten.
113pGeef de schematische aanduiding van vier andere vetten, geen
stereo-isomeren, die in dit reactiemengsel kunnen voorkomen.
Het organische oplosmiddel waarin het vet en het stearinezuur worden opgelost,
mengt niet met het water waarin het lipase wordt opgelost. Om een goede
menging voor de om-esteringsreactie te krijgen, wordt daarom een zeepachtige
stof (emulgator) toegevoegd.
Moleculen van een emulgator worden vaak schematisch als volgt weergegeven:
staar
t
p
Door toevoeging van de emulgator worden zogenoemde micellen gevormd:
druppeltjes van de lipase-oplossing die zweven in de oplossing van vet en
vetzuur, met emulgatormoleculen op het grensvlak van de lipase-oplossing en
de oplossing van vet en vetzuur. Dit kan als volgt worden weergegeven:
De om-esteringsreactie vindt plaats op het grensvlak van de twee oplossingen.
De snelheid van de om-estering is afhankelijk van de grootte van de micellen.
Om na te gaan hoe de reactiesnelheid afhangt van de micelgrootte werden, bij
dezelfde temperatuur, twee proeven, proef 1 en proef 2, uitgevoerd. Aan het
begin van beide proeven waren de hoeveelheden emulgator, lipase-oplossing,
vetoplossing en stearinezuur gelijk. Het enige verschil was dat de micellen in
proef 1 kleiner waren dan in proef 2.
122pLeg uit in welke proef de reactiesnelheid het grootst was.
Wanneer men het om-esteringsproces op grote schaal industrieel wil toepassen,
zal men er bij de uitvoering van het proces voor willen zorgen dat het lipase kan
worden hergebruikt.
131pGeef aan waarom het lipase zou kunnen worden hergebruikt.
Om het lipase te kunnen hergebruiken, moet het worden teruggewonnen.
Wanneer het lipase is opgelost, is dit niet makkelijk uitvoerbaar. Daarom
gebruikt men in het industriële proces lipase dat is gebonden aan zeer kleine
vaste bolletjes, de zogenoemde vaste drager. Deze vaste bolletjes met lipase
vormen geen oplossing met water, maar blijven daarin zweven: een suspensie
dus. Met de emulgator vormen druppeltjes van deze suspensie eveneens
micellen.
Het voordeel van het gebruik van lipase dat is gebonden aan een vaste drager is
dat op deze wijze het lipase door middel van filtratie gemakkelijk is terug te
winnen, waarna het kan worden hergebruikt.
In de industriële uitvoering van het proces wordt na afloop van de om-estering
water aan het reactiemengsel toegevoegd. Daardoor gaan de micellen kapot en
ontstaan twee vloeistoflagen: een organische laag en een waterige laag. De
emulgator blijkt volledig op te lossen in de organische laag. De waterige laag is
de suspensie van het lipase, gebonden aan de vaste drager. De vloeistoflagen
kunnen gemakkelijk van elkaar worden gescheiden.
Het stearinezuur dat voor de om-esteringsreactie nodig is, verkrijgt men door
volledige hydrolyse van een dierlijk vet (S - S - S).
De gehele om-estering kan in een continuproces worden uitgevoerd. Hieronder
is zo’n continuproces in een blokschema weergegeven. Dit blokschema is ook
afgebeeld op de uitwerkbijlage die bij dit examen hoort.
blokschema
In reactor 1 vindt volledige hydrolyse van dierlijk vet (S - S - S) plaats.
In scheiding 1 worden de reactieproducten van deze hydrolyse volledig van
elkaar gescheiden. Van scheiding 1 wordt dus uitsluitend stearinezuur naar
reactor 2 getransporteerd.
In reactor 2 vindt de eigenlijke om-esteringsreactie plaats.
Scheiding 2 is de scheiding van de waterige laag en de organische laag.
In scheiding 3 wordt door filtratie de vaste drager met het lipase uit de waterige
laag gehaald.
Het blokschema is niet volledig. De stofstromen waar water bij hoort te staan,
ontbreken.
141pGeef de naam van de stof X die uit scheiding 1 komt.
154puitwerkbijlageTeken in het blokschema op de uitwerkbijlage alleen de ontbrekende
stofstromen voor het water. Bedenk daarbij dat de fabriek ernaar streeft zo
weinig mogelijk water te verbruiken. Zet geen bijschriften bij de stofstromen
tussen reactor 2 en scheiding 2, tussen scheiding 2 en scheiding 3 en tussen
scheiding 2 en scheiding 4.
opgave 5Zink
Zink wordt onder andere toegepast als bescherming van ijzeren voorwerpen
zoals hekken, vuilcontainers, vangrails en auto’s. Op de website van een bedrijf
dat zink produceert, staat beschreven hoe zink en diverse bijproducten worden
gemaakt, uitgaande van zinkerts. De tekstfragmenten die in deze opgave
voorkomen, zijn ontleend aan deze website.
tekstfragment 1
Concentraatontvangst, -opslag en roosting De Zinifex Century Mine in Australië produceert een concentraat met een hoog zinkgehalte. Het concentraat bestaat voornamelijk uit zinksulfide en bevat 58% zink en daarnaast kleine hoeveelheden andere metaalverbindingen. Dit concentraat wordt naar Nederland vervoerd en opgeslagen. Uit de opslag wordt het materiaal naar de afdeling roosting getransporteerd. In deze afdeling wordt het concentraat met lucht verbrand (geroost). Hierbij ontstaan onzuiver zinkoxide (ZnO), ook wel roostgoed genoemd, en zwaveldioxidegas (SO ): 2 2 ZnS + 3 O → 2 ZnO + 2 SO 2 2 Met de warmte die tijdens de reactie ontstaat, wordt stoom opgewekt. Met deze stoom worden diverse apparaten aangedreven en wordt voorzien in de warmtebehoefte van een deel van de fabriek.
193pBereken de verbrandingswarmte van zinksulfide in J mol–1.
Neem aan dat de gegevens uit Binas die je voor deze berekening nodig hebt,
mogen worden gebruikt bij de omstandigheden waarbij de roosting plaatsvindt.
203pBereken hoeveel energie, in J, kan worden opgewekt bij de roosting van 1,0 ton
concentraat. Ga ervan uit dat bij de roosting alleen zinksulfide wordt verbrand en
dat alle zink aanwezig is in de vorm van zinksulfide (1,0 ton = 1,0·103 kg).
tekstfragment 2
Loging en zuivering Bij de loging wordt het zinkoxide uit het roostgoed opgelost in verdund zwavelzuur. Behalve zinkoxide gaan tijdens het logingsproces ook oxiden van cadmium en koper in oplossing. Bij de zuivering wordt de ruwe zinksulfaatoplossing van de loging gezuiverd van cadmium en koper. Er wordt een vaste stof X aan de oplossing toegevoegd. Stof X gaat in oplossing terwijl koper en cadmium als metaal neerslaan.
Op de website wordt uiteraard de vaste stof niet met stof X aangeduid, maar met
de naam van die stof.
Wanneer zinkoxide ‘oplost’ in verdund zwavelzuur, treedt een reactie op.
212pGeef de vergelijking van de reactie van zinkoxide met verdund zwavelzuur.
In de ruwe zinksulfaatoplossing komen cadmium en koper voor in de vorm van
de metaalionen Cd2+ en Cu2+.
De fabriek stelt de volgende eisen aan stof X:
1 Stof X moet Cd2+ en Cu2+ kunnen omzetten tot Cd respectievelijk Cu.
2 Stof X mag geen reactieproducten opleveren die later een extra scheiding
noodzakelijk maken.
221pGeef de naam van stof X.
232pLeg uit waarom stof X aan beide gestelde eisen voldoet.
tekstfragment 3
Elektrolyse Bij de elektrolyse wordt, onder invloed van elektrische stroom, metallisch zink uit de gezuiverde zinksulfaatoplossing gewonnen. Het proces vindt plaats in elektrolyse cellen die ieder 45 loden anoden en 44 aluminium kathoden bevatten. De gezuiverde oplossing wordt continu toegevoegd. Op de kathode slaat het metallisch zink neer. Bij een stroomdichtheid van 2 450 A per m heeft zich na 35 uur een laag zink op de kathoden afgezet die dik genoeg is. Met computergestuurde kranen worden de kathoden vervolgens uit de cellen gelicht, van het zink ontdaan en weer teruggeplaatst in de cellen.
Lood en aluminium fungeren bij deze elektrolyse als onaantastbare elektroden.
244pBereken hoeveel kg zink maximaal kan ontstaan per m2 elektrode-oppervlak als
gedurende 35 uur een stroomsterkte van 450 A per m2 elektrode-oppervlak
wordt gebruikt. Maak hierbij onder andere gebruik van het gegeven dat de lading
van een mol elektronen gelijk is aan 9,65·104 C (A is ampère; 1 A komt overeen
met een ladingstransport van 1 C per seconde).
Bij de zuivering (zie tekstfragment 2) ontstaat dus een mengsel van twee
metalen: koper en cadmium. De fabriek wil beide metalen afzonderlijk verkopen.
Het mengsel van koper en cadmium moet dus worden gescheiden. De scheiding
van dit mengsel verloopt in een aantal stappen. Eerst wordt het mengsel
behandeld met een overmaat verdund zwavelzuur. Daarna zijn nog enkele
stappen nodig om beide metalen afzonderlijk te verkrijgen.
251pGeef met behulp van Binas-tabel 48 een verklaring voor de keuze van verdund
zwavelzuur.
262pWelke stappen moeten na toevoeging van het verdunde zwavelzuur worden
uitgevoerd om koper en cadmium afzonderlijk van elkaar te verkrijgen?
Let op: de laatste vraag van dit examen staat op de volgende pagina.
In tekstfragment 3 worden de elektroden aangeduid met de termen ‘anode’ en
‘kathode’. Uit het tekstfragment is op te maken dat de anode de positieve
elektrode is en de kathode de negatieve.
Hieronder staat een vereenvoudigd blokschema van de zinkfabriek.
blokschema
273pLeg uit welke namen bij Q en A moeten worden ingevuld. Vermeld in je uitleg de
vergelijking van de halfreactie die aan de anode optreedt.
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.
