Eindexamen scheikunde vwo 2021 tijdvak 2

bij dit examen

Tenzij anders vermeld, is er sprake van standaardomstandigheden:

T = 298 K en p = p₀.

opgave 1Waterstofauto’s die methaanzuur tanken

Omdat de opslag van waterstof een probleem is, wordt onderzoek gedaan

naar manieren om waterstof om te zetten tot stoffen met een hogere

dichtheid. Een voorbeeld van zo’n stof is methaanzuur (HCOOH).

Methaanzuur wordt momenteel industrieel bereid in drie stappen:

1 Waterstof reageert met koolstofdioxide tot methanol en water.

2 Methanol reageert met koolstofmono-oxide tot methylmethanoaat.

3 Methylmethanoaat reageert met water tot methaanzuur en methanol.

13p

Geef de reactievergelijking van stap 3 in structuurformules.

In totaal komt het proces neer op de omzetting van waterstof met CO₂ en

CO tot methaanzuur en methanol. Methaanzuur en methanol ontstaan

hierbij in de molverhouding 1: 1.

24p

Voer de volgende opdrachten uit:

− Geef de totaalvergelijking van het hele proces.

− Bereken de atoomeconomie van deze productie van methaanzuur.

Als het technisch mogelijk is om methaanzuur in een auto om te zetten tot

waterstof en koolstofdioxide, kan de auto de vrijgekomen waterstof

gebruiken als brandstof. De omzetting van methaanzuur tot waterstof in

een auto is hieronder weergegeven.

HCOOH

CO₂

Een Hyundai-waterstofauto kan 594 km rijden op 5,64 kg waterstof.

De dichtheid van methaanzuur is 1,22 kg L^–1.

34p

Bereken het volume in L methaanzuur dat minstens nodig is om 5,64 kg

waterstof te kunnen produceren. Geef de uitkomst in het juiste aantal

significante cijfers.

Twee onderzoeksgroepen hebben een katalysator ontwikkeld die de

directe omzetting van H₂ en CO₂ tot methaanzuur katalyseert.

Omdat deze omzetting in basisch milieu optreedt, wordt er geen

methaanzuur gevormd, maar onder andere het zuurrest-ion van

methaanzuur.

42p

Geef de reactievergelijking van deze omzetting.

Afhankelijk van de pH komen in oplossingen van de gebruikte katalysator

voornamelijk deeltjes [H₄kat]⁴⁺ of deeltjes [kat]⁰ voor.

In de figuur is het evenwicht tussen deze deeltjes weergegeven met

structuurformules.

figuur

In elk katalysatordeeltje zijn twee iridium-ionen door elektrostatische

interacties gebonden aan enkele omringende deeltjes. Deze interacties

zijn in de figuur weergegeven met stippellijnen. In de figuur zijn alle

formele ladingen aangegeven, behalve de lading van de iridium-ionen.

Alle iridium-ionen in de figuur hebben dezelfde lading.

52p

Leg uit welke lading een iridium-ion in de figuur heeft.

Op de uitwerkbijlage is een Lewisstructuur van het deeltje X^–

weergegeven. Een andere grensstructuur is onvolledig weergegeven.

62puitwerkbijlage

Maak op de uitwerkbijlage de rechter grensstructuur van het deeltje X^–

compleet.

− Geef de formele lading(en) aan.

− De C-atomen in deze grensstructuur moeten voldoen aan de

oktetregel.

De gebruikte katalysator is ook werkzaam bij de omzetting van

methaanzuur tot H₂ en CO₂ in een auto. Deze omzetting treedt alleen op

bij lage pH.

72p

Leg uit welk van beide katalysatordeeltjes uit de figuur overwegend

aanwezig is bij lage pH.

opgave 2Retinal in het oog

In de cellen van het netvlies bevindt zich het eiwit opsine. In een holte van het opsine-molecuul is een molecuul retinal covalent gebonden aan de restgroep van de aminozuureenheid lysine. Bij absorptie van lichtenergie treedt in retinal op één plaats in het molecuul cis/trans -isomerisatie op. Als gevolg van deze verandering ontstaat uiteindelijk een signaal in de oogzenuw. In figuur 1 is de structuurformule van retinal weergegeven. Hierbij is informatie over stereo-isomerie in retinal weggelaten. figuur 1 In een retinal-molecuul is cis/trans -isomerisatie op een aantal plaatsen mogelijk. De biochemicus George Wald (Nobelprijs 1967) heeft ontdekt dat uitsluitend de dubbele binding tussen C 11 en C 12 onder invloed van licht isomeriseert van het in opsine aanwezige cis naar trans ; dit is de eerste stap van de waarneming van licht.

Geef aan bij welke C=C -bindingen in retinal ook cis/trans -isomerisatie zou kunnen optreden. In het onderzoek van Wald is gebruikgemaakt van retinal-analoga. Dit zijn stoffen waarbij in het retinal- molecuul op verschillende plaatsen de cis/trans -isomerisatie is geblokkeerd. Hiernaast is de structuurformule van zo’n stof (stof A) weergegeven. In het molecuul van stof A is cis-/trans -isomerisatie van de dubbele binding tussen C 11 en C 12 onmogelijk. Dit molecuul kan worden opgevat als een molecuul retinal waarin onder andere een extra koolstofatoom in de structuur is opgenomen.

Voer de volgende opdrachten uit: − Geef de nummers van de koolstofatomen van retinal waartussen dit extra koolstofatoom is opgenomen. − Leg uit of stof A is afgeleid van 11- cis -retinal of van 11- trans -retinal.

In figuur 2 is weergegeven hoe retinal is gebonden aan een restgroep van de peptideketen van opsine. Na de isomerisatie wordt retinal losgekoppeld van opsine. In figuur 2 is de eerste stap van het loskoppelen weergegeven. In deze eerste stap spelen twee watermoleculen een belangrijke rol. figuur 2 In de holte van opsine is tegenover het gebonden retinal een restgroep van Glu aanwezig. Door de afstanden en aanwezige ladingen in de holte zijn de watermoleculen links van de pijl op een specifieke wijze georiënteerd ten opzichte van de restgroepen in opsine. Hierbij spelen waterstofbruggen en nog een andere soort binding een rol.

Leg uit welke andere soort binding links van de pijl nog meer zorgt voor de oriëntatie van de watermoleculen ten opzichte van de restgroepen in opsine. De na stap 1 weergegeven watermoleculen blijven aanwezig in de holte van opsine. Ze zijn hierbij onder andere met waterstofbruggen gebonden aan restgroepen van de peptideketen.

Teken op de uitwerkbijlage een waterstofbrug tussen een molecuul water en een van de weergegeven restgroepen van de peptideketen.

Opsine bevindt zich deels in het celmembraan. In figuur 3 is vereenvoudigd weergegeven hoe opsine zich volgens onderzoekers in het celmembraan bevindt. Voor de duidelijkheid is een deel van het celmembraan lichter weergegeven. figuur De onderzoekers hebben de modelvoorstelling onder andere gebaseerd op de hydropathie-index. Deze index wordt modelmatig berekend en geeft aan in hoeverre een aminozuureenheid in een peptideketen hydrofiel of hydrofoob is. Hoe hoger de hydropathie-index, hoe meer de hydrofobe eigenschappen overheersen. In figuur 4 is de hydropathie-index van alle aminozuureenheden van opsine weergegeven. figuur 4 In figuur 3 zijn twee gebieden uit opsine vetgedrukt en aangeduid met de letters X en Y. Deze gebieden bevatten een aantal aminozuureenheden. De nummers van deze aminozuureenheden kunnen met behulp van figuur 4 worden geschat.

Geef met behulp van figuur 3 en figuur 4 een schatting van de nummers van de aminozuureenheden die horen bij de gebieden X en Y. Noteer je antwoord als volgt: − gebied X: nummers … t/m … − gebied Y: nummers … t/m …

In het menselijk oog komen drie verschillende varianten van opsine voor. De peptideketen van elke opsine heeft een iets andere ruimtelijke bouw. Hierdoor treedt de isomerisatie van retinal op bij verschillende kleuren licht, zoals rood en groen. De genen voor de ‘rode’ en ‘groene’ opsine zijn voor een groot deel aan elkaar gelijk. In figuur 5 is een gedeelte van het coderende DNA van beide varianten weergegeven vanaf de base met nummer 826. De genetische code van beide opsines begint hierbij bij base nummer 1. Het startcodon codeert voor de aminozuureenheid met nummer 1. figuur 5 Uit de basenvolgordes in figuur 5 valt het nummer af te leiden van de eerste aminozuureenheid die in ‘rode’ opsine anders is dan in ‘groene’ opsine.

Voer de volgende opdrachten uit: − Geef het nummer van de eerste aminozuureenheid die in ‘rode’ opsine anders is dan in ‘groene’ opsine. − Geef aan welke aminozuureenheid zich op die plaats in de peptideketen van ‘rode’ opsine bevindt en welke zich in de peptideketen van ‘groene’ opsine bevindt.

opgave 3Slim gebruik van glycerol

Biodiesel wordt geproduceerd door methanol toe te voegen aan

plantaardige olie of dierlijk vet. Hierbij treedt een reactie op waarbij esters

van methanol en vetzuren worden gevormd. Tevens wordt hierbij glycerol

(propaan-1,2,3-triol) gevormd.

143p

Geef de reactievergelijking van de vorming van biodiesel uit vet.

− Gebruik structuurformules.

− Noteer de koolwaterstofrest van een vetzuur als C_xH_y.

Door de toename van de biodieselproductie is een overschot aan glycerol

op de wereldmarkt ontstaan. Dit heeft geleid tot onderzoek naar de

omzetting van glycerol met behulp van micro-organismen tot waardevolle

chemicaliën. Een van deze chemicaliën is butaandizuur. De bacterie

Anaerobiospirillum succiniciproducens kan onder zuurstofloze

omstandigheden glycerol omzetten tot butaandizuur (C₄H₆O₄).

De vergelijking van deze omzetting is hieronder weergegeven.

C₃H₈O₃ + CO _2 → C_4H_6O_4 + H_2O

(reactie 1)

De bacterie kan ook glucose omzetten tot butaandizuur. In deze reactie

(reactie 2) reageert glucose met koolstofdioxide tot butaandizuur,

ethaanzuur en water.

In reactie 2 ontstaat 4 mol butaandizuur uit 3 mol glucose.

153p

Geef de vergelijking van reactie 2 in molecuulformules.

Reactie 1 verloopt traag. Reactie 2 verloopt sneller, maar door de

bacteriën worden dan meer bijproducten gevormd.

Een groep onderzoekers heeft onderzocht of de productie van

butaandizuur uit glycerol kan worden geoptimaliseerd door de bacteriën

gelijktijdig glycerol en glucose te laten omzetten.

Ze voerden een serie experimenten uit waarbij zij de bacteriën lieten

groeien in een mengsel met enkel glycerol en in mengsels van glycerol

met wisselende gehaltes glucose.

Bij een mengsel met een startgehalte van 5,00 g L^–1 glycerol en 1,25 g L^–1

glucose werd uiteindelijk 7,3 g L^–1 butaandizuur geproduceerd.

164p

Bereken het rendement van deze vorming van butaandizuur.

− Neem aan dat alle beginstof geheel werd omgezet.

− Gebruik gegevens van reactie 1 en 2.

Reacties 1 en 2 zijn beide exotherm. De vrijgekomen energie wordt door

de bacteriën gebruikt voor groei.

De vormingswarmte van butaandizuur is –9,40·10⁵ J mol^–1 en die van

glycerol is –6,64·10⁵ J mol^–1.

De reactiewarmte van reactie 2 is –1,82·10⁵ J per mol butaandizuur.

Bij de gebruikte omstandigheden wordt 85% van het butaandizuur

gevormd uit reactie 1.

174p

Bereken de totale reactiewarmte in joule per kg butaandizuur dat wordt

gevormd volgens reacties 1 en 2. In de reacties komt water voor als

vloeistof.

De vorming van butaandizuur zorgt voor een verlaging van de pH van het

reactiemengsel. Om de pH constant te houden, wordt gedurende het

experiment natronloog aan het mengsel toegevoegd. Hierdoor vormt zich

uiteindelijk een buffer in het reactiemengsel.

182p

Leg uit dat zich gedurende het experiment een buffer vormt in het

reactiemengsel.

Bij het experiment met uitsluitend glycerol bleek dat de opbrengst aan

butaandizuur maximaal was als het gehalte glycerol in de reactor constant

werd gehouden.

De hoeveelheid glycerol die tijdens het verloop van het experiment moet

worden aangevuld, kon worden bepaald door te meten hoeveel NaOH er

nodig was om de pH constant te houden.

Bij de gebruikte pH was het door de bacteriën gevormde butaandizuur

(C₄H₆O₄) voor 87% omgezet tot C_4H_4O_4^2^‒

en voor 13% tot C_4H_5O_4^‒

In het experiment had in totaal 7,50 mL 2,00 M natronloog gereageerd.

194p

Bereken de massa in g glycerol die is omgezet.

− Neem aan dat het butaandizuur uitsluitend via reactie 1 wordt

gevormd.

− Geef de uitkomst in het juiste aantal significante cijfers.

opgave 4Doerian, een delicatesse?

Doerian is een vrucht met een kenmerkende geur. De een houdt ervan terwijl de ander de geur weerzinwekkend vindt. Uit onderzoek is gebleken dat in doerians vooral twee verbindingen geurbepalend zijn: ESET en EMB. Als een van beide verbindingen ontbreekt, is de kenmerkende doerian-geur er niet. De structuurformules van deze verbindingen zijn weergegeven in figuur 1. figuur 1 Gebleken is dat van ESET twee stereo-isomeren voorkomen in doerians.

Teken op de uitwerkbijlage de twee stereo-isomeren van ESET. Uit eerder onderzoek was de aanwezigheid van een groot aantal stoffen in doerians al bekend. Om de gehaltes van deze stoffen te kunnen bepalen, zijn van deze stoffen analoga gemaakt. Dit zijn stoffen waarbij in de moleculen een of meer atomen zijn vervangen door bijvoorbeeld 2 H en 13 C . In ESET werden twee 12 C- atomen vervangen door 13 C -atomen. De gevormde stof wordt in het vervolg aangeduid met ESET-13. ESET-13 werd gemaakt door gebruik te maken van ethanal, waarin twee 13 C- atomen aanwezig zijn. In figuur 2 zijn de hierbij verlopende reacties weergegeven. figuur 2

In stap 2 wordt uitsluitend deeltje X gevormd. Het mechanisme van de reactie in stap 2 is op de uitwerkbijlage onvolledig weergegeven.

Maak op de uitwerkbijlage het mechanisme van de reactie in stap 2 compleet. − Geef rechts van de pijl de structuurformule van deeltje X. − Geef in alle deeltjes de niet-bindende elektronenparen aan. − Geef met pijlen weer hoe elektronenparen worden verplaatst tijdens deze reactie. − Geef formele ladingen weer wanneer die voorkomen. Van de weergegeven omzettingen in figuur 2 is stap 2 de snelheidsbepalende stap. Van stap 2 en 3 zijn drie mogelijke energiediagrammen weergegeven in figuur 3. figuur 3

Leg uit welk van de diagrammen (P, Q of R) in overeenstemming is met de gegevens over de relatieve snelheden van stap 2 en stap 3 in figuur 2.

Na de reacties die zijn weergegeven in figuur 2, is uit het reactiemengsel een stof geïsoleerd met hetzelfde kookpunt als dat van ESET. Om te onderzoeken of deze stof inderdaad ESET-13 is, is van de stof een massaspectrum genomen. Bij de gebruikte techniek worden H + -ionen opgenomen, waarbij het molecuul-ion [ M–H] + wordt gevormd. Uit het molecuul-ion worden vervolgens fragmenten gevormd. In figuur 4 is het massaspectrum van ESET-13 weergegeven. figuur 4 De piek bij m/z = 91 kan worden verklaard uit het afsplitsen van een neutraal deeltje van het molecuul-ion.

Leg uit welk neutraal deeltje is afgesplitst. In het massaspectrum van ESET-13 komt een piek voor bij m/z = 63. Deze piek wordt veroorzaakt door een fragment dat is ontstaan na het verbreken van één atoombinding in ESET-13.

Leg uit welke atoombinding dat is. Om van alle aanwezige stoffen het gehalte te kunnen bepalen, wordt doerian-pulp enkele malen geëxtraheerd. Na de extracties wordt het verkregen mengsel met behulp van GC-MS geanalyseerd. Dat houdt in dat het mengsel met behulp van gaschromatografie (GC) wordt gescheiden, waarna elke afzonderlijke stof in een massaspectrometer (MS) wordt geleid.

Van twee doerians is het gehalte EMB bepaald met behulp van gaschromatografie. Ook is met proefpersonen onderzocht welke doerian een sterkere geur had. Een sterkere geur wordt vooral bepaald door een hoger gehalte van EMB. Bij dit onderzoek is een interne standaard gebruikt. De signaalsterkte van de interne standaard is recht evenredig met het ingespoten volume. Wanneer in het onderzoek verschillende volumes zijn ingespoten, kunnen zo de resultaten toch met elkaar worden vergeleken. In de tabel zijn de meetgegevens van beide doerians weergegeven. tabel signaalsterkte interne standaard EMB doerian 1 520 7250 doerian 2 320 5610

Leg met behulp van de tabel uit welke doerian een sterkere geur heeft. Als interne standaard is een oplossing van thiofeen bereid met een molariteit van 1,20∙10 –2 mol L –1 . Vervolgens werd 10,0 μ L van deze oplossing toegevoegd aan 10,0 mL pulp van een doerian. Bij deze doerian bleek de molverhouding EMB : thiofeen = 1,0 : 0,18. De molaire massa van EMB is 130 g mol –1 . Bij de gebruikte gaschromatograaf is de signaalsterkte recht evenredig aan de hoeveelheid stof.