bij dit examen
Tenzij anders vermeld, is er sprake van standaardomstandigheden:
T = 298 K en p = p0.
opgave 1‘Groene’ verf?
Om textiel te verven, worden pigmenten gebruikt die slecht in water
oplossen. Deze pigmenten zijn apolaire vaste stoffen die zich tijdens het
verven hechten aan het oppervlak van de textielvezels. Met een vezel
wordt in deze opgave een bundel polymeerketens bedoeld.
Omdat het verven plaatsvindt in water, worden emulgatoren gebruikt om
de pigmenten te mengen met het water. Na afloop van het verven komen
deze milieubelastende emulgatoren in het afvalwater terecht.
Het Nederlandse bedrijf DyeCoo heeft een verftechniek ontwikkeld waarbij
geen afvalwater vrijkomt. In het proces wordt superkritisch CO2 gebruikt
als oplosmiddel. Superkritisch CO2 is CO2 dat bij T = 120 °C is
samengeperst tot p = 300 bar. In deze opgave mag je aannemen dat het
CO2 zich dan als een vloeistof gedraagt.
Het superkritisch CO2 is ook apolair, zodat de pigmenten in superkritisch
CO2 oplossen zonder gebruik van emulgatoren.
12p
Geef de structuurformule van CO2 en leg daarmee uit dat CO2 een
apolaire stof is.
De verftechniek van DyeCoo is vooral geschikt voor het verven van
polyester kledingmateriaal. Als het CO2 in contact komt met polyester,
zwellen de vezels op. Dit komt doordat de CO2-moleculen tussen de
apolaire polymeerketens dringen.
Een gevolg van het opzwellen is dat een sterkere kleuring van polyester
kan worden verkregen dan met de op water gebaseerde verfmethode.
21p
Geef aan waarom het opzwellen van de polyestervezels tot gevolg heeft
dat een sterkere kleuring van het polyester kan worden verkregen.
Wanneer het polyester enige tijd is behandeld met de pigment-oplossing,
wordt het polyester gescheiden van de pigment-oplossing.
Het mengsel van superkritisch CO2 en het overgebleven pigment wordt
gescheiden, zodat het pigment kan worden hergebruikt.
32p
Leg uit hoe men het superkritisch CO2 van het overgebleven pigment kan
scheiden.
Het proces van DyeCoo is met een aantal aanpassingen ook te gebruiken
voor katoen. Het katoen wordt dan voorbehandeld met een oplossing van
methanol in superkritisch CO2. Hierdoor zwelt het katoen op. Daarna
wordt een stroom superkritisch CO2 met een zogeheten reactief pigment
doorgeleid.
Een reactief pigment wordt gevormd door een geschikt pigment te laten
reageren met dichloortriazine. Het gevormde reactieve pigment reageert
vervolgens met het katoen. Deze reactie is op de uitwerkbijlage
schematisch en onvolledig weergegeven.
De reactie van het reactieve pigment met katoen is een substitutiereactie.
Het O-atoom van een OH-groep van katoen valt als nucleofiel aan op één
van de twee C-atomen waaraan een Cl-atoom is gebonden.
42puitwerkbijlage
Maak de reactievergelijking op de uitwerkbijlage compleet.
Gebruik schematische structuurformules zoals op de uitwerkbijlage.
Het reactieve pigment wordt in ondermaat toegevoegd ten opzichte van
de OH-groepen in het katoen. Wanneer methanol ook tijdens het verven
wordt bijgemengd, blijkt dat het percentage pigmentmoleculen dat aan het
katoen is gebonden, terugloopt.
52p
Leg uit dat het percentage gebonden pigmentmoleculen lager is wanneer
methanol ook tijdens het verven aanwezig is in het mengsel.
Ga verder op de volgende pagina.
opgave 2Chloropreenfabriek
Chloropreen is de beginstof voor de productie van neopreen. Neopreen is een synthetisch rubber. De structuurformule van chloropreen is hiernaast weergegeven. Chloropreen wordt in een aantal stappen gemaakt. De eerste stap is de additie-reactie van buta-1,3-dieen met chloor. Daarbij ontstaat onder andere 3,4-dichloorbut-1-een (3,4-DCB). Het mechanisme voor de vorming van 3,4-DCB is weergegeven in mechanisme 1. In stap 1 van mechanisme 1 wordt een cyclisch chlorinium-ion gevormd. Van dit ion kunnen ook twee niet-cyclische structuurisomeren worden gevormd. Op de uitwerkbijlage is de Lewisstructuur van een niet-cyclische structuurisomeer weergegeven, dit is structuurisomeer 1. De andere niet-cyclische structuurisomeer is structuurisomeer 2. Van dit deeltje kunnen twee grensstructuren worden gegeven. Deze grensstructuren zijn op de uitwerkbijlage onvolledig weergegeven. In beide grensstructuren heeft telkens één C- atoom geen volledig oktet. Met behulp van de grensstructuren van structuurisomeer 2 kan worden verklaard dat in stap 2 behalve 3,4-DCB ook 1,4-DCB (1,4-dichloorbut-2-een) wordt gevormd.
Maak op de uitwerkbijlage beide grensstructuren van structuurisomeer 2 compleet. − Geef het Cl -atoom en de ontbrekende elektronenparen weer. − Geef de formele lading(en) weer. Van het gevormde 1,4-DCB bestaan twee stereo-isomeren, namelijk cis- 1,4-DCB en trans -1,4-DCB. Een leerling doet een voorstel voor het mechanisme voor het ontstaan van 1,4-DCB. Dit voorstel is in mechanisme 2 weergegeven.
Leg uit dat mechanisme 2 geen verklaring biedt voor de waargenomen verhouding van de stereo-isomeren bij de vorming van 1,4-DCB uit chloor en buta-1,3-dieen. Op de uitwerkbijlage bij vraag 10 is het onvolledige blokschema van de productie van chloropreen weergegeven. In reactor 1 (R1) reageert buta-1,3-dieen met chloor. Het mengsel van 1,4-DCB en 3,4-DCB wordt na een scheidingsstap (S1) als vloeistofmengsel naar reactor 2 (R2) gevoerd. In R2 treedt evenwicht 1 op. 1,4-DCB 3,4-DCB De temperatuur in R2 ligt tussen 125 °C en 150 °C. De temperatuur is zo gekozen dat eenvoudig een zo hoog mogelijke opbrengst aan 3,4-DCB kan worden bereikt. Bij de druk in R2 is het kookpunt van 3,4-DCB 119 °C. De kookpunten van cis -1,4-DCB en trans -1,4-DCB liggen boven 152 °C.
Voer de volgende opdrachten uit: − Geef de evenwichtsvoorwaarde voor evenwicht 1. Houd hierbij rekening met de omstandigheden die heersen in R2. − Leg uit dat onder deze omstandigheden een zo hoog mogelijke opbrengst aan 3,4-DCB kan worden bereikt. In reactor 3 (R3) reageert ten slotte 3,4-DCB met natronloog tot chloropreen en een oplossing van natriumchloride. Op de uitwerkbijlage is het mechanisme van deze reactie onvolledig weergegeven.
Het gehele productieproces is hieronder samengevat. − Chloor en buta-1,3-dieen worden als gas in R1 geleid, waar 3,4-DCB en 1,4-DCB en nevenproducten worden gevormd. De omzetting van chloor en buta-1,3-dieen in R1 is niet volledig. − Het mengsel afkomstig uit R1 is vloeibaar en wordt naar scheidingsruimte 1 (S1) geleid. In S1 wordt stikstof door het mengsel geblazen waardoor het ongereageerde chloor en buta-1,3-dieen uit de vloeistofstroom worden verwijderd. Het gasmengsel van stikstof, chloor en buta-1,3-dieen wordt boven uit S1 teruggeleid naar R1. Om ophoping van stikstof in het systeem te voorkomen wordt een deel van deze recycle-stroom afgetapt. De vloeistofstroom uit S1 wordt naar R2 geleid. − In R2 wordt 1,4-DCB onvolledig omgezet tot 3,4-DCB. Uit R2 komen twee stofstromen. De ene stroom, met uitsluitend 3,4-DCB, wordt doorgevoerd naar R3. − De andere stroom uit R2 bevat 1,4-DCB en de nevenproducten. Deze stroom wordt doorgevoerd naar een destilleerkolom (S2) waar het 1,4-DCB wordt afgescheiden en teruggeleid naar R2. De nevenproducten worden als vloeistofstroom afgevoerd. − In R3 reageert ten slotte 3,4-DCB met een overmaat natronloog tot chloropreen en een oplossing van natriumchloride. Het chloropreen verlaat R3 als gasstroom.
Maak het blokschema op de uitwerkbijlage compleet. − Teken S2. − Teken de ontbrekende pijlen en noteer de ontbrekende stoffen bij de pijlen. − Geef de stofstromen in het schema weer met de volgende cijfers: 1 buta-1,3-dieen 6 natriumchloride-oplossing 2 chloor 7 natronloog 3 chloropreen 8 nevenproducten 4 3,4-DCB 9 stikstof 5 1,4-DCB − Cijfers voor de verschillende stofstromen kunnen meerdere malen voorkomen. Het rendement van de omzetting van buta-1,3-dieen tot 3,4-DCB in R1 en R2 bedraagt in totaal 70%. Het rendement van de omzetting van 3,4-DCB tot chloropreen in R3 bedraagt 93%. Het molair volume van een gas onder de heersende omstandigheden is 2,45·10 –2 m 3 mol –1 .
opgave 3IJzerstapeling
Hemochromatose of ijzerstapeling is een erfelijke ziekte waarbij te veel
ijzerionen uit de darminhoud worden opgenomen terwijl het lichaam niet in
staat is de overmaat aan ijzerionen uit te scheiden. Deze ziekte wordt
vaak veroorzaakt door een mutatie in het gen dat codeert voor het eiwit
HFE. HFE speelt een rol bij de opname van ijzerionen.
Bij de synthese van HFE wordt in eerste instantie mRNA gevormd dat
bestaat uit 2727 basen. De eerste 221 basen spelen echter geen rol bij de
synthese van HFE. Het startcodon begint pas bij base nummer 222. Dit is
tevens het codon voor het aminozuur met nummer 1.
Hieronder is een deel van de mRNA-volgorde bij mensen zonder en
mensen met hemochromatose weergegeven. De mutatie treedt op bij
base nummer 1066.
Met behulp van de 1-lettersymbolen van aminozuren kan men dit soort
mutaties vereenvoudigd weergeven. Zo kan een mutatie waarbij op
plaats 86 van een eiwit een glutaminezuur-eenheid is ingebouwd in plaats
van een glutamine-eenheid, worden weergeven als Q86E.
124p
Leid met behulp van het gegeven voorbeeld af wat de notatie is van de
hierboven beschreven mutatie die hemochromatose veroorzaakt.
De uit de darminhoud opgenomen ijzerionen
komen in het bloed terecht. Daar worden deze
ionen gebonden door het eiwit transferrine en
worden zo getransporteerd naar de lever en
naar de plaatsen waar de productie van rode
bloedlichaampjes plaatsvindt. Het binden en
afstaan van de ijzerionen door transferrine is
afhankelijk van de pH. Daarbij zijn de
restgroepen van de aminozuren Tyr, Asp en
His betrokken. Hiernaast is schematisch
weergegeven hoe een Fe3+-ion in een molecuul
transferrine is gebonden.
Bij de pH van bloed (7,4) zijn Fe3+-ionen sterk gebonden aan transferrine.
Op de plaatsen in het lichaam waar transferrine de gebonden Fe3+-ionen
moet afstaan, is de pH aanzienlijk lager. De Fe3+-ionen komen dan vrij uit
de moleculen transferrine.
132p
Leg uit dat bij lage pH Fe3+-ionen vrijkomen uit de moleculen transferrine.
Patiënten met hemochromatose kunnen worden behandeld met
desferrioxamine, een stof die in opgeloste vorm met behulp van een
infuus wordt toegediend. Desferrioxamine bindt Fe3+. Via de nieren wordt
de ontstane verbinding uitgescheiden.
Een molecuul desferrioxamine ontstaat uit één molecuul ethaanzuur (E),
twee moleculen butaandizuur (B) en drie moleculen van een stof A.
De structuurformule van stof A is hieronder weergegeven.
Deze zes moleculen worden in de volgorde A – B – A – B – A – E
gekoppeld. Daarbij worden alleen C–N-bindingen gevormd. Per ontstane
C–N-binding wordt één molecuul water afgesplitst.
143p
Geef de structuurformule van het fragment ~ B – A – E van een molecuul
desferrioxamine.
Om te onderzoeken of iemand hemochromatose heeft, wordt
bloedonderzoek gedaan. Voor het onderzoek is een bufferoplossing
bereid. Deze oplossing is bereid door per liter achtereenvolgens
0,338 mol NaHCO3 en 3,4·10–2 mol waterstofchloride (HCl) op te lossen.
In de uiteindelijke oplossing zijn onder andere deeltjes H2CO3 en HCO3–
aanwezig.
155p
Bereken de pH van de uiteindelijke oplossing. Neem hierbij aan dat geen
gasvormig CO2 uit de oplossing ontwijkt.
Geef de uitkomst in het juiste aantal significante cijfers.
Van een patiënt wordt bloed afgenomen, waarna het bloedserum wordt
afgescheiden van de rode bloedlichaampjes. Het bloedserum bevat alle
transferrine. Bij het vaststellen of iemand hemochromatose heeft, is onder
andere de vrije ijzerbindende capaciteit CF van belang. Dit is het aantal
mol Fe3+ dat per liter bloedserum nog aan het transferrine kan worden
gebonden.
Bij gezonde mensen bevat het bloedserum gemiddeld 3,0 g transferrine
per liter en is gemiddeld 30% van de bindingsplaatsen van het transferrine
bezet met Fe3+-ionen. Per molecuul transferrine kunnen twee Fe3+-ionen
worden gebonden. De molaire massa van transferrine is 8,0·104 g mol–1.
163p
Bereken met behulp van de bovenstaande gegevens de gemiddelde CF
in mol L–1 bij gezonde mensen.
opgave 4Suikerbatterij
Een suikerbatterij maakt gebruik van glucose als energiebron.
In de eerste suikerbatterij die is gemaakt, werd glucose met behulp van
enzymen geoxideerd tot onder andere ethaanzuur.
De totaalvergelijking van deze omzetting is hieronder weergegeven.
CO2 + 2 H2O + 2 CH3COOHDe maximale energie per mol glucose die in een batterij vrij kan komen, is
gelijk aan de verbrandingsenergie van glucose, dat is de energie die
vrijkomt bij de volledige verbranding.
De vormingswarmte van glucose is –12,61·105 J mol–1.
174p
Bereken hoeveel procent van de maximale energie vrijkomt wanneer
glucose in deze suikerbatterij wordt omgezet.
− Het gevormde water komt vrij als vloeistof.
− Gebruik Binas-tabel 56 en 57 of ScienceData-tabel 8.7.a en 9.2.
Een groep onderzoekers heeft een batterij ontwikkeld waarbij de
polysacharide maltodextrine volledig werd omgezet tot CO2 en H2O.
Maltodextrine is opgebouwd uit glucose-monomeereenheden en kan
worden weergegeven als H–(C6H10O5)n–OH met 3 < n < 20.
Voor de volledige omzetting van maltodextrine tot CO2 en H2O hebben de
onderzoekers enzymen uit verscheidene micro-organismen gebruikt.
In de figuur is de gebruikte opstelling vereenvoudigd weergegeven.
Met reacties I, II en III zijn de verlopende (half)reacties bij stroomlevering
schematisch aangegeven.
figuur
Door de (half)reacties I t/m III wordt de maltodextrine uiteindelijk volledig
omgezet. Elektronen komen uitsluitend vrij in reactie II.
Reactie I: maltodextrine reageert met een deeltje dat in de oplossing
aanwezig is. Dit deeltje wordt in deze opgave weergegeven met H–Pi.
Hierbij ontstaat onder andere glucose-6-fosfaat (C6H11O5–Pi). De keten
van maltodextrine wordt in reactie I één glucose-eenheid korter.
De vergelijking van reactie I is hieronder gegeven.
Reactie II: in een halfreactie wordt C6H11O5–Pi omgezet tot onder andere
ribulose-5-fosfaat (C5H9O4–Pi).
183p
Geef met behulp van de figuur de vergelijking voor halfreactie II.
Reactie III: het ontstane C5H9O4–Pi wordt weer omgezet tot
C6H11O5–Pi en H–Pi. Het C5H9O4–Pi is hierbij de enige bron van
koolstofatomen.
192p
Geef met behulp van de figuur de vergelijking voor reactie III.
opgave 5Marquis-reagens voor alkaloïden
De politie controleert regelmatig op bezit
van harddrugs. Voor een snelle test is
onder andere het Marquis-reagens
ontwikkeld. Aan een zakje van dit reagens
voegt men wat van het te onderzoeken
monster toe. Als het monster drugs bevat,
ontstaat een kenmerkende kleur.
Het Marquis-reagens wordt bereid door oplossingen van zwavelzuur en
methanal te mengen in de volumeverhouding 20: 1,0.
In de tabel staan enkele gegevens van de gebruikte oplossingen.
tabel
204p
Bereken de molverhouding tussen methanal en zwavelzuur in Marquis-
reagens.
Noteer de verhouding als volgt: zwavelzuur: methanal = ……: 1,0.
Marquis-reagens wordt voornamelijk gebruikt om alkaloïden van elkaar te
onderscheiden. Veel alkaloïden zijn afgeleid van een aminozuur.
In de figuur zijn drie alkaloïden weergegeven die zijn ontstaan uit het
aminozuur tyrosine. De oorspronkelijke structuur van tyrosine is nog in de
drie structuren te herkennen.
figuur
Op de uitwerkbijlage is de structuurformule van morfine nogmaals
weergegeven.
212puitwerkbijlage
Omcirkel op de uitwerkbijlage het deel van het molecuul morfine dat van
het aminozuur tyrosine afkomstig is.
Neem aan dat alle C-atomen van tyrosine in morfine zijn opgenomen.
In alle alkaloïden zijn stikstofatomen aanwezig. Als zo’n stikstofatoom een
niet-bindend elektronenpaar heeft, kan het atoom een H+-ion binden
waardoor het alkaloïde als base kan reageren.
222p
Leg uit welke van de drie alkaloïden uit de figuur niet als base reageert.
Heroïne en morfine geven beide met Marquis-reagens een paars-violette
kleur. Om toch onderscheid te kunnen maken tussen deze twee stoffen,
voert men nog een ander experiment uit.
Er treedt nu een reactie op, waarbij in moleculen van beide stoffen het
H-atoom op C1 wordt vervangen door een NO2-groep. Morfine geeft nu
een oranje kleur en heroïne een gele kleur.
De oorzaak van dit kleurverschil wordt toegeschreven aan het optreden
van een intramoleculaire interactie die bij morfine wel en bij heroïne niet
optreedt. Deze interactie kan worden opgevat als een waterstofbrug
waarbij een O-atoom van de NO2-groep is betrokken.
Op de uitwerkbijlage is een deel van het molecuul van de omgezette
morfine weergegeven. Hierbij zijn de bindende elektronenparen in de
NO2-groep onvolledig weergegeven.
232puitwerkbijlage
Voer op de uitwerkbijlage de volgende opdrachten uit:
− Geef de bindende elektronenparen in de NO2-groep weer.
− Geef de formele en partiële lading(en) aan.
− Geef de waterstofbrug weer met een stippellijn.
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.
vraag 4
vraag 6
vraag 9
vraag 10
vraag 21
vraag 23
12p
21p
32p
42p
52p
62p
72p
82p
93p
104p
115p
124p
132p
143p
155p
163p
174p
183p
192p
204p
212p
222p
232p
