opgave 1Ureum
O
Ureum,
N H
2, en ammoniumnitraat zijn beide stikstofmeststoffen.
Ureum is minder gevaarlijk dan het explosieve ammoniumnitraat.
13pIs het massapercentage N in ureum hoger dan, of gelijk aan, of lager dan het
massapercentage N in ammoniumnitraat? Geef een verklaring voor je antwoord.
In de industrie wordt ureum gemaakt uit de grondstoffen koolstofdioxide en
ammoniak. De synthese verloopt in twee reactiestappen.
In de eerste stap ontstaat, in een evenwichtsreactie, de stof
ammoniumcarbamaat:
O
CO
2 + 2 NH
3 
ON
H4ammoniumcarbamaat
In de tweede stap wordt het ammoniumcarbamaat omgezet tot ureum en water.
Ook dit is een evenwichtsreactie:
ONH
4 
NH
2 + H2O (evenwicht 2)
Beide stappen verlopen in één reactievat. De omstandigheden in het reactievat
zijn zodanig dat ammoniumcarbamaat en ureum vloeibaar zijn.
De reactie naar rechts van evenwicht 1 is exotherm.
De reactie naar rechts van evenwicht 2 is endotherm.
In een bepaald type ureumfabriek worden koolstofdioxide en ammoniak in de
molverhouding CO2:NH3 = 1,00: 2,95 in de reactor geleid. Onder de
omstandigheden die in de reactor heersen, wordt 60% van het koolstofdioxide
omgezet.
22pBereken de molverhouding CO2:NH3 waarin deze stoffen de reactor verlaten.
Hieronder is een deel van het blokschema weergegeven van deze
ureumsynthese. Dit blokschema is ook afgebeeld op de uitwerkbijlage die bij
deze opgave hoort.
In reactor 1 vinden de beide hiervoor vermelde evenwichtsreacties plaats
(evenwicht 1 en evenwicht 2). Vanwege de optredende evenwichten komt uit
reactor 1 een mengsel van koolstofdioxide, ammoniak, water, ureum en
ammoniumcarbamaat. De omstandigheden in reactor 2 zijn zodanig dat het
ammoniumcarbamaat hierin wordt omgezet tot ammoniak en koolstofdioxide:
evenwicht 1 loopt af naar links. Doordat de omstandigheden in reactor 2
verschillen van de omstandigheden in reactor 1, wordt ook de ligging van
evenwicht 2 beïnvloed. De reacties van evenwicht 2 verlopen echter veel
langzamer dan de reacties van evenwicht 1, daarom mag worden aangenomen
dat de omzetting van ammoniumcarbamaat tot koolstofdioxide en ammoniak de
enige reactie is die in reactor 2 plaatsvindt.
34pHoe moeten de omstandigheden in reactor 2 zijn om te bewerkstelligen dat
hierin het ammoniumcarbamaat wordt omgezet tot koolstofdioxide en
ammoniak? Bespreek twee factoren. Geef een verklaring voor je antwoord.
Uit het mengsel dat in reactor 2 ontstaat, zijn het koolstofdioxide en de
ammoniak gemakkelijk te scheiden van het ureum en het water. Het
koolstofdioxide en de ammoniak wil men terugvoeren naar reactor 1. Om
technische redenen is het echter noodzakelijk om deze gassen eerst te scheiden
en ze vervolgens afzonderlijk terug te voeren naar reactor 1. Om het
koolstofdioxide en de ammoniak van elkaar te scheiden, leidt men deze gassen
in een reactor, reactor 3. In deze reactor wordt tevens een oplossing van
zwavelzuur geleid. De ammoniak reageert in deze oplossing, het koolstofdioxide
niet.
De oplossing die in reactor 3 ontstaat, wordt naar een volgende reactor,
reactor 4, geleid. In reactor 4 wordt tevens een oplossing van een stof Y geleid.
Bij de reactie die in reactor 4 optreedt, komt de ammoniak weer vrij.
41pGeef de formule van een stof Y die, in opgeloste vorm, kan worden gebruikt in
reactor 4.
53puitwerkbijlageMaak het blokschema af dat op de uitwerkbijlage bij deze opgave is gegeven.
− Gebruik daarvoor:
een blok voor reactor 3;
een blok voor reactor 4;
lijnen met pijlen voor de stofstromen die reactor 3 en reactor 4 ingaan en
verlaten.
− Zet bij de zelfgetekende stofstromen de formules van de stoffen of soorten
deeltjes die bij die stofstromen horen.
opgave 3Sulfaat in afvalwater
In rioolwater en industrieel afvalwater komt sulfaat (SO42–) voor. Onder anaërobe
(zuurstofloze) omstandigheden kunnen bacteriën sulfaat omzetten tot het
waterstofsulfide-ion (HS–). HS– is een zogenoemd amfolyt.
132pLeg uit of een oplossing van natriumwaterstofsulfide (NaHS) in water zuur of
basisch is. Vermeld in je uitleg getalwaarden uit Binas waarop je je conclusie
baseert.
Bij lage pH-waarden zal in een oplossing waarin HS– voorkomt H2S ontstaan. Dit
is een gas dat onaangenaam ruikt (rotte eieren) en bovendien giftig is. Het
ontstaan van H2S kan worden tegengegaan door de pH te verhogen van een
oplossing waarin HS– voorkomt. In de industrie wordt dit gedaan door kalkmelk
aan afvalwater toe te voegen.
Kalkmelk kan men bereiden door een overmaat calciumoxide in water te
brengen. Per liter water wordt dan 50 gram calciumoxide toegevoegd. Er zal dan
een suspensie van calciumhydroxide ontstaan met een pH van 12,32 (298 K).
145pBereken hoeveel gram calciumhydroxide per liter in een dergelijke suspensie in
vaste vorm aanwezig is. Je mag aannemen dat al het calciumoxide met water
heeft gereageerd.
De door bacteriën uitgevoerde omzetting van SO42– tot HS– is een redoxreactie.
Sulfaat reageert hierbij als oxidator. De reductor is in veel gevallen acetaat
(ethanoaat). De vergelijking van de halfreactie van acetaat kan als volgt worden
weergegeven:
CH3COO– + 4 H2O → 2 HCO3– + 9 H+ + 8 e–
153pGeef de vergelijking van de halfreactie van sulfaat. In deze vergelijking komen
behalve SO42– en HS– onder andere ook H+ en H2O voor.
162pLeid met behulp van de vergelijkingen van beide halfreacties de totale
reactievergelijking af voor deze bacteriële omzetting van SO42– tot HS–.
Van de atoomsoort zwavel komen in de natuur meerdere stabiele isotopen voor.
In onderstaande tabel staan gegevens van de twee meest voorkomende
zwavelisotopen. In het vervolg van deze opgave mogen andere zwavelisotopen
buiten beschouwing worden gelaten.
Als gevolg van het voorkomen van deze zwavelisotopen bestaan er dus
sulfaationen met 32S en met 34S. Uit onderzoek is gebleken dat bij de bacteriële
omzetting van SO42– tot HS– zogenoemde isotoopfractionering optreedt.
Bacteriën blijken van één van de twee isotopen meer te gebruiken dan van de
andere. Dit betekent dat wanneer aan bacteriën een sulfaatoplossing wordt
aangeboden waarin SO42– met een bepaalde 34S/32S verhouding voorkomt, deze
isotoopverhouding in het niet omgezette SO42– na verloop van tijd zal zijn
veranderd. Bovendien is dan ook de 34S/32S verhouding in het ontstane HS–
anders dan de oorspronkelijke verhouding in het SO42–.
Bij een experiment om deze isotoopfractionering te onderzoeken, werd een
Na2SO4 oplossing aan een bacteriekweek aangeboden. Op verschillende
tijdstippen werd een monster van de bacteriekweek genomen. Het eerste
monster werd direct na toevoeging van de Na2SO4 oplossing genomen (t = 0).
Het tweede monster werd enige tijd later genomen (t = 1). Aan de monsters werd
een BaCl2 oplossing toegevoegd, waardoor al het aanwezige SO42– als BaSO4
werd neergeslagen. Het ontstane mengsel werd vervolgens gefiltreerd en het
BaSO4 in het residu werd in een aantal stappen omgezet tot gasvormig SO2. Het
ontstane gas werd onderzocht in een massaspectrometer.
Hieronder is het massaspectrum gegeven van het gas dat ontstond na de
behandeling van het eerste monster (t = 0).
massaspectrum
De 34S/32S verhouding werd afgeleid uit de verhouding van de hoogtes van de
pieken bij m/z = 66 en m/z = 64. De 34S/32S verhouding is echter niet gelijk aan de
verhouding van de hoogte van de pieken bij m/z = 66 en m/z = 64.
Dat komt omdat de piek bij m/z = 66 niet alleen wordt veroorzaakt door deeltjes
waarin 34S voorkomt, maar ook door deeltjes waarin deze isotoop niet voorkomt.
De verhouding van de piekhoogtes moet hiervoor worden gecorrigeerd.
172pGeef de isotopensamenstelling van een deeltje dat geen 34S bevat, maar dat in
het massaspectrum van het ontstane gas wel bijdraagt aan de hoogte van de
piek bij m/z = 66. Neem aan dat het onderzochte gas uitsluitend uit SO2 bestond.
De verhouding
in de onderzochte monsters is in
onderstaande tabel weergegeven. In deze tabel is de correctie voor de
aanwezigheid van andere isotopen dan 34S reeds toegepast.
182pLeg op grond van deze resultaten uit wat bacteriën meer omzetten: 32SO42– of
34SO42–.
In bovengenoemd experiment is de verandering van de 34S/32S verhouding
bepaald door het SO42– te analyseren na een neerslagreactie. De verandering
van de 34S/32S verhouding kun je ook achterhalen door het HS–, dat bij de
bacteriële omzetting is ontstaan, te onderzoeken. Dit gaat echter niet eenvoudig
met een neerslagreactie, omdat de meeste waterstofzouten dus ook de zouten
met HS– goed oplosbaar zijn. Om toch het HS– in een bacteriekweek via een
neerslagreactie en vervolgens met massaspectrometrie van SO2 te
onderzoeken, moeten enkele bewerkingen worden uitgevoerd.
193pBeschrijf een methode om, uitgaande van het HS– in de bacteriekweek, een vast
zout te verkrijgen waarmee in een vervolgonderzoek de 34S/32S verhouding kan
worden bepaald. Vermeld in je beschrijving ook de namen van de stoffen en/of
oplossingen die moeten worden gebruikt.
opgave 4Acrylamide
Acrylamide heeft de volgende structuurformule:
Acrylamide kan gemakkelijk polymeriseren. Door additiepolymerisatie ontstaat
dan polyacrylamide. Polyacrylamide wordt onder andere als superabsorberend
materiaal gebruikt. Er wordt beweerd dat polyacrylamide tot honderd maal zijn
eigen massa aan water kan opnemen.
203pBereken hoeveel watermoleculen per acrylamide-eenheid zijn gebonden
wanneer polyacrylamide honderd maal zijn eigen massa aan water heeft
opgenomen. Geef je antwoord in twee significante cijfers.
Polyacrylamide is een ketenpolymeer. Maar wanneer acrylamide polymeriseert
in aanwezigheid van de stof N,N-methyleen-bisacrylamide ontstaat een
netwerkpolymeer.
212pGeef een gedeelte van een molecuul polyacrylamide in structuurformule weer.
Dit gedeelte moet komen uit het midden van het molecuul en bestaan uit drie
acrylamide-eenheden.
222pLeg uit dat een netwerkpolymeer ontstaat wanneer polymerisatie optreedt in een
mengsel van acrylamide en N,N-methyleen-bisacrylamide. De structuurformule
van N,N-methyleen-bisacrylamide is als volgt:
Netwerkpolymeren van acrylamide en N,N-methyleen-bisacrylamide worden
sinds de jaren vijftig van de vorige eeuw veel in de bouw toegepast als
voegmiddel in metselwerk. Al snel na de introductie van acrylamide ontdekte
men dat deze stof schadelijk kan zijn voor het zenuwstelsel. Dit was de reden
waarom men ertoe overging om acrylamide te vervangen door het minder
schadelijke N-methylolacrylamide. De structuurformule van
N-methylolacrylamide is als volgt:
O
N-methylolacrylamide kan worden verkregen door reactie van acrylamide met
een stof X. Bij deze reactie is N-methylolacrylamide het enige reactieproduct.
232pGeef de structuurformule van de bedoelde stof X.
Tijdens de bouw van een spoorwegtunnel in Zweden kreeg men last van water
dat door spleten in de tunnelwand lekte. Om deze spleten te dichten, injecteerde
men ze met een mengsel van N-methylolacrylamide en
N,N-methyleen-bisacrylamide en liet dat polymeriseren. Het lekken hield op,
maar de tunnelarbeiders klaagden over ‘verdovende prikkelingen in armen en
benen’. Deze verschijnselen kwamen overeen met wat mag worden verwacht bij
een acrylamide-vergiftiging.
Het mengsel van N-methylolacrylamide en N,N-methyleen-bisacrylamide werd
door een Franse fabriek geleverd in vaten. Volgens de opgave van de fabrikant
bevatte dit mengsel slechts een gering percentage acrylamide. Toen men echter
de inhoud van de vaten in Zweden onderzocht, bleek dat het gehalte aan
acrylamide in het mengsel aanzienlijk hoger was dan door de fabrikant was
opgegeven.
241pGeef een mogelijke chemische verklaring voor het feit dat het gehalte
acrylamide hoger was dan door de fabriek was opgegeven. Neem aan dat zowel
de Fransen als de Zweden het acrylamide-gehalte juist hebben bepaald en dat
bij het vervoer van Frankrijk naar Zweden de vaten dicht zijn gebleven.
251pWat moet je onderzoeken aan het mengsel van N-methylolacrylamide en
N,N-methyleen-bisacrylamide om je veronderstelling te toetsen?
Bij onderzoek bleek inderdaad dat de tunnelarbeiders te hoge gehaltes aan
acrylamide in hun bloed hadden. Ook werd een controlegroep van mensen
onderzocht die niet was blootgesteld aan het mengsel van N-methylolacrylamide
en N,N-methyleen-bisacrylamide. Tot veler verrassing bleek dat de mensen uit
de controlegroep ook relatief hoge gehaltes aan acrylamide in hun bloed
hadden. Nader onderzoek toonde aan dat acrylamide voorkomt in veel
zetmeelhoudende producten die gebakken, gegrild of gefrituurd waren, zoals
patates frites, chips, koekjes en pepernoten. De grondstoffen voor deze
voedingsmiddelen bevatten geen acrylamide. Het wordt naar alle
waarschijnlijkheid gevormd in de zogenoemde Maillardreactie, een reactie
tussen suikers en aminozuren die bij bakken, grillen en frituren zorgt voor onder
andere de bruine kleur. De Maillardreactie verloopt in een aantal stappen. In de
eerste stap reageert de aldehydegroep van een suikermolecuul met een
NH2 groep. Bij deze reactie ontstaan een zogenoemd imine en water. Een
voorbeeld van de vorming van een imine is de reactie tussen ethanal en
methaanamine:
O
H
Men veronderstelt dat in de Maillardreactie waarbij acrylamide ontstaat, glucose
reageert met het aminozuur asparagine. Glucosemoleculen komen behalve in de
ringstructuur ook voor in een open ketenstructuur met een aldehydegroep.
Let op: de laatste vragen van dit examen staan op de volgende pagina.
Voor de vorming van acrylamide uit glucose en asparagine heeft men een aantal
mechanismen bedacht. Eén van die mechanismen is hieronder weergegeven.
O
Voor het glucosemolecuul is hierin de notatie
gebruikt.
H
Omdat een asparaginemolecuul twee NH2 groepen heeft, kan zo’n molecuul op
twee manieren met een glucosemolecuul reageren. Alleen de reactie van een
glucosemolecuul met de omcirkelde NH2 groep leidt tot de vorming van een
acrylamidemolecuul.
reactiemechanisme
263pGeef de structuurformules van het imine en van het ‘gedecarboxyleerde imine’
die in respectievelijk stap 1 en stap 2 van de vorming van acrylamide worden
gevormd. Gebruik voor de restgroep van het glucosemolecuul de notatie R.
Noteer je antwoord als volgt:
imine: …
gedecarboxyleerd imine: …
Om na te gaan of inderdaad asparagine de bron is van het ontstaan van
acrylamide heeft men een onderzoek uitgevoerd waarbij gebruik is gemaakt van
het enzym asparaginase. Dit enzym katalyseert de volgende reactie:
Dit onderzoek is uitgevoerd met behulp van aardappelpuree die wordt gegrild bij
een temperatuur die hoog genoeg is om de Maillardreactie te laten optreden.
272pBeschrijf globaal hoe je zo’n onderzoek zou kunnen uitvoeren.
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.
CH 
NH 
CH
NH 
CH 
CH
CH 
NH 
CH
OH
CH
CH
CH 
CH
