opgave 3Melamine detecteren in voeding
Melkpoeder voor babymelk bevat eiwitten die een baby nodig heeft om te
groeien. Om het eiwitgehalte in melkpoeder te bepalen wordt gebruik-
gemaakt van de Kjeldahl-methode. De Kjeldahl-methode bestaat uit de
volgende stappen:
1 Alle stikstofatomen in het melkpoeder worden omgezet tot
ammoniumionen.
2 Aan de ontstane oplossing wordt een overmaat kaliloog toegevoegd.
Hierbij treedt de volgende reactie op:
NH4+ + OH– → NH3 + H2O
3 Door het mengsel te verwarmen komt de ammoniak vrij als gas. De
ammoniak wordt vervolgens door een boorzuuroplossing geleid.
Hierbij treedt de volgende reactie op:
H3BO3 + NH3 → NH4+ + H2BO3–
4 Het mengsel dat is ontstaan na het doorleiden van ammoniak, wordt
met zoutzuur getitreerd. Hierbij treedt de volgende reactie op:
H2BO3– + H3O+ → H3BO3 + H2O
Uit het titratieresultaat kan het massapercentage stikstof (N) worden
berekend.
141pLeg uit of de overmaat kaliloog in stap 2 nauwkeurig bekend moet zijn.
Henrike en Marjel bepalen het eiwitgehalte in een bepaald soort
melkpoeder volgens de Kjeldahl-methode.
Ze wegen 0,505 g melkpoeder af. Bij de titratie gebruiken ze zoutzuur met
een concentratie van 0,102 M. Ze lezen een beginstand van 2,25 mL en
een eindstand van 7,84 mL af.
Het massapercentage stikstof (N) in een monster kan worden
omgerekend naar het massapercentage eiwit door te vermenigvuldigen
met 6,38.
153pBereken het massapercentage eiwit in het melkpoeder.
Neem aan dat de molverhouding H3O+ en N 1: 1 is.
Een nadeel van de Kjeldahl-methode is, dat alle
stikstofatomen worden bepaald en de methode dus
niet selectief is voor eiwitten. Hierdoor bleef het in
China lang onopgemerkt dat men de stikstofrijke stof
melamine aan melkpoeder toevoegde om het
eiwitgehalte hoger te doen lijken. De structuurformule
van melamine is hiernaast weergegeven.
Een handelaar had melamine toegevoegd aan een partij melkpoeder,
163pBereken de massa in g melamine die deze handelaar had toegevoegd.
Melk bevat gemiddeld 3,3 gram eiwit per 100 mL melk.
In 2007 kwam het schandaal aan het licht omdat veel
baby’s ziek werden. Ook huisdierenvoer bleek
verontreinigd. In dit voer was behalve melamine ook
cyanuurzuur aanwezig. De structuurformule van
cyanuurzuur is hiernaast weergegeven. Het bleek dat
deze stoffen in de nieren kristallen vormen die het
nierweefsel aantasten.
De vorming van deze kristallen wordt veroorzaakt doordat moleculen van
beide stoffen waterstofbruggen vormen met elkaar, waardoor platte lagen
worden gevormd. Op de uitwerkbijlage is een molecuul melamine
weergegeven.
172puitwerkbijlageGeef op de uitwerkbijlage weer hoe een molecuul cyanuurzuur door
middel van drie waterstofbruggen aan een molecuul melamine is
gebonden. Geef elke waterstofbrug weer met een stippellijn.
Om melamine te detecteren in voeding is een methode ontwikkeld die
gebruikmaakt van gefunctionaliseerde goud-nanodeeltjes (GGN’s).
In figuur 1 is een GGN weergegeven. Aan het oppervlak van een goud-
nanodeeltje zijn enkele functionele groepen (R) gekoppeld.
Elke R-groep eindigt met een cyclische ethergroep, bestaande uit
zes

eenheden in een ring. De ethergroep is in figuur 1
vereenvoudigd weergegeven.
De ethergroep vormt waterstofbruggen met een NH2-groep van een
melamine-molecuul. De binding van de ethergroep met een NH2-groep is
zeer specifiek en is veel sterker dan de binding aan andere groepen of
moleculen. Elke R-groep kan één molecuul melamine binden.
figuur 1
Als GGN’s worden toegevoegd aan een mengsel waarin melamine
aanwezig is, vormen zich netwerken waarin vele GGN’s en moleculen
melamine aan elkaar gebonden zijn met waterstofbruggen.
182pLeg uit op microniveau dat deze netwerken ontstaan als in een mengsel
melamine en GGN’s aanwezig zijn.
In de netwerken van melamine en GGN’s is de afstand tussen de
verschillende GGN’s klein. Door de kleine afstand ontstaat een interactie
tussen de aanwezige deeltjes goud. Deze interactie veroorzaakt een
specifieke kleur.
Als GGN’s aan een eiwit-oplossing worden toegevoegd, binden de GGN’s
aan de eiwitketens. Toch blijkt dan geen kleuring te ontstaan, waardoor
de meting aan melamine in eiwitrijke mengsels dus niet wordt verstoord.
De GGN’s binden niet aan de aanwezige peptidegroepen in eiwitten.
192p− Leg uit dat GGN’s wel binden aan eiwitten,
− maar dat er geen kleuring ontstaat wanneer GGN’s aan een eiwit-
oplossing worden toegevoegd.
Het blijkt dat de kleur van het mengsel van GGN’s en melamine
afhankelijk is van het gehalte melamine, waardoor bepaling van het
gehalte melamine mogelijk wordt.
De onderzoekers hebben een serie monsters bereid waarin uitsluitend
melamine aanwezig was. Hiervan hebben ze met behulp van de GGN’s de
kleuring bepaald. De resultaten van de metingen zijn in figuur 2
weergegeven. Het gehalte melamine in de monsters is hierbij uitgedrukt
als gehalte N in massa-ppm.
figuur 2
De onderzoekers hebben vervolgens een monster melk onderzocht, dat
was bereid met verontreinigd melkpoeder. Het gemeten signaal bedroeg
0,68. De grenswaarde (TGG) van melamine voor baby’s bedraagt 0,50 mg
melamine per kg lichaamsgewicht.
204pBereken met behulp van figuur 2 of de grenswaarde in dit geval wordt
overschreden.
− Neem aan dat een baby van 5,0 kg gemiddeld 750 mL van deze melk
drinkt per dag.
− De dichtheid van melk bedraagt 1,02·103 kg m–3.
opgave 4Ammoniak en energie uit afvalwater
geproduceerd om stikstofrijke verbindingen te maken voor kunstmest.
In fabrieken wordt hiervoor aardgas gebruikt als energiebron en als bron
van waterstofatomen.
Het totaalproces kan worden gezien als een reactie van methaan met
zuurstof, water en stikstof. Als reactieproducten ontstaan koolstofdioxide
en ammoniak. In het proces wordt gemiddeld een mol methaan ingevoerd
per mol N2. Het water wordt als vloeistof in het proces ingevoerd.
212pGeef de reactievergelijking van deze productie van ammoniak.
223pBereken de reactiewarmte van het totaalproces in joule per mol
ammoniak.
De kunstmest levert de stikstofverbindingen die noodzakelijk zijn voor een
goede groei van gewassen.
231pNoem twee soorten biologische macromoleculen waarvoor de opname
van stikstofverbindingen essentieel is.
In een Nederlandse onderzoeksgroep is onderzocht of het mogelijk is om
ammoniak uit urine te winnen met een brandstofcel. In verse urine is de
meeste stikstof gebonden als ureum. Wanneer urine in afvalwater
terechtkomt, wordt het ureum door micro-organismen gehydrolyseerd tot
ammoniak en koolzuur (H2CO3). In het onderzoek is urine gemengd met
afvalwater. Bij de gebruikte pH van het mengsel is het uit ureum
gevormde ammoniak volledig omgezet tot NH4+.
In figuur 1 is de gebruikte brandstofcel schematisch weergegeven.
figuur 1
De negatieve elektrode is bedekt met een dunne laag micro-organismen
(biofilm) die organische verbindingen afbreken. De elektronen die hierbij
vrijkomen gaan via een externe stroomkring naar de positieve elektrode.
Aan de positieve elektrode verloopt de onderstaande halfreactie:
O2 + 2 H2O + 4 e– → 4 OH–
In afvalwater zijn onder andere ethanoaat-ionen aanwezig.
243pGeef aan de hand van figuur 1 de vergelijking voor de halfreactie van
ethanoaat aan de negatieve elektrode van de brandstofcel.
De positieve elektrode is poreus, zodat de in het afvalwater en de urine
aanwezige positieve ionen erdoorheen kunnen bewegen.
Wanneer tijdens stroomlevering uitsluitend ionen zoals Na+ en K+ het
membraan en de poreuze elektrode passeren, stijgt de pH in het
waterlaagje op de positieve elektrode.
Wanneer tijdens stroomlevering uitsluitend NH4+ en H+ door het
membraan gaan, blijft de pH in het waterlaagje op de positieve elektrode
gelijk.
252pLeg uit dat tijdens stroomlevering de pH in het waterlaagje bij de positieve
elektrode gelijk blijft wanneer uitsluitend NH4+ en H+ het membraan
passeren.
Wanneer NH4+ door het membraan gaat, wordt dit in het waterlaagje
omgezet tot NH3. Op de positieve elektrode is slechts een dun laagje
water aanwezig, zodat de gevormde ammoniak snel uit het water ontwijkt
en door de luchtstroom wordt meegevoerd.
Om de zo gevormde ammoniak om te zetten tot een stof die in kunstmest
kan worden verwerkt, wordt de uitgaande luchtstroom door een oplossing
geleid. In veel soorten kunstmest is ammoniumnitraat verwerkt.
261pGeef aan welke stof in water moet worden opgelost om op deze wijze een
oplossing met ammoniumnitraat te verkrijgen.
De onderzoekers wilden bepalen welk deel van het ladingstransport door
het membraan van de brandstofcel plaatsvond via NH4+.
Hiertoe hebben de onderzoekers op regelmatige tijdstippen de
hoeveelheid ammoniak bepaald die zich in de luchtstroom bevond.
272pBeschrijf globaal hoe de onderzoekers de hoeveelheid ammoniak in de
luchtstroom hebben bepaald.
Let op: de laatste vraag van dit examen staat op de volgende pagina.
In figuur 2 is het resultaat van de metingen aan het ladingstransport door
NH4+ weergegeven.
figuur 2
282pBereken met behulp van figuur 2 de massa in g ammoniak die door het
membraan is gepasseerd, wanneer het totale ladingstransport