Eindexamen scheikunde vwo 2023, tijdvak 2

Bereken de oplosbaarheid van indigo in water in mol L⁻¹.

Een molecuul indigo is vlak. Dit kan alleen worden verklaard als alle

mogelijke grensstructuren worden meegenomen in de redenering.

Op basis van figuur 1 zou de conclusie moeten zijn dat een indigo-

molecuul niet vlak is.

Leg uit dat de structuur uit figuur 1 niet vlak is. Gebruik hierbij de VSEPR-

theorie.

Van indigo zijn veel grensstructuren mogelijk. De O-atomen hebben

hierbij telkens een negatieve formele lading. De positieve formele

ladingen kunnen daarbij op elk atoom in de beide vijfringen terechtkomen.

Op de uitwerkbijlage is de lewisstructuur van zo’n grensstructuur

onvolledig weergegeven. In deze lewisstructuur zijn de formele ladingen

geplaatst, maar ontbreekt een aantal elektronenparen.

Maak op de uitwerkbijlage de lewisstructuur compleet met de ontbrekende

bindende en niet-bindende elektronenparen.

De slechte oplosbaarheid van indigo kan worden verklaard vanuit de

structuur van het molecuul. Er spelen hierbij twee factoren een rol:

1 Er bestaan onderlinge interacties tussen atomen/atoomgroepen

binnen een molecuul indigo, waardoor deze atomen/atoomgroepen

minder goed interacties met watermoleculen kunnen aangaan.

2 Delen van het molecuul kunnen alleen zwakke interacties aangaan

met watermoleculen.

Geef aan welke atomen/atoomgroepen onderlinge interacties aangaan,

zoals bedoeld bij factor 1.

Noteer je antwoord als volgt:

− atomen/atoomgroepen: …

− interactie: …

Indigo wordt na extractie uit de indigoplant eerst met een reductor

omgezet tot het oplosbare indigowit (zie figuur 2). Opgelost indigowit

wordt tijdens het verven van katoen opgezogen door de katoenvezels.

Leid de halfreactie van de omzetting van indigo tot indigowit af.

Gebruik hierbij molecuulformules.

Tijdens het drogen komen de vezels in contact met zuurstof uit de lucht

en wordt indigowit weer omgezet tot indigo. Op deze manier wordt indigo

bij het drogen wasbestendig ‘opgesloten’ in de vezels.

Omdat plantaardig indigo duur is en te weinig beschikbaar, bestaan vele

industriële manieren om indigo te produceren uit niet-hernieuwbare

grondstoffen. Deze productiemethodes zijn vaak sterk vervuilend.

Het wetenschappelijk team van John Dueber heeft onderzocht hoe textiel

kan worden gekleurd met indigo door gebruik te maken van genetisch

gemodificeerde E. coli-bacteriën. Het doel was hierbij om in de bacteriën

de vorming van indigo net zo te laten verlopen als in de plant.

Als eerste werd het actieve centrum van één van de betrokken enzymen

(het enzym UGT) in de plant onderzocht.

De onderzoekers vermoedden dat een histidine-eenheid in het

enzym UGT een rol speelt bij de koppeling van glucose aan indoxyl.

Om dit te onderzoeken vervingen de onderzoekers, door genetische

modificatie van het DNA, deze histidine-eenheid door een alanine-

eenheid. Deze vervanging maakte het enzym UGT inderdaad inactief.

Geef aan welke twee nucleïnebasen in de coderende streng van het DNA

zijn vervangen voor deze aanpassing in het enzym UGT.

Noteer je antwoord als volgt:

1. Nucleïnebase... is vervangen door...

2. Nucleïnebase... is vervangen door...

In figuur 3 is de vorming van indigo in de plant schematisch weergegeven.

Drie betrokken enzymen zijn met de afkortingen FMO, UGT en BGL

aangegeven.

In het blad van de indigoplant wordt indool door het enzym FMO omgezet

tot indoxyl. In aanwezigheid van het enzym UGT wordt indoxyl vervolgens

geheel omgezet tot indicaan. Het gevormde indicaan wordt opgeslagen.

Bij beschadiging van de bladeren komt het enzym BGL vrij dat indicaan

omzet tot indoxyl, waaruit vervolgens indigo ontstaat.

Het enzym UGT bevindt zich op een andere plaats in de cel, waardoor

UGT het gevormde indoxyl in deze situatie niet kan omzetten.

De onderzoekers kweekten enkele stammen van E. coli. In deze stammen

waren wel of niet genen van de indigoplant overgebracht.

In de tabel op de uitwerkbijlage is te zien welke experimenten zijn

uitgevoerd. Bij elk experiment bevatte de voeding glucose en tryptofaan.

Tryptofaan wordt door E. coli van nature omgezet tot indool.

De bacteriën hebben geen genen voor de aanmaak van het enzym BGL.

Om toch blauwkleuring mogelijk te maken, werd aan sommige

bacteriekweken het enzym BGL toegevoegd.

Niet in alle experimenten werd blauwkleuring door de vorming van indigo

waargenomen.

Geef in de tabel op de uitwerkbijlage voor elk experiment aan of

blauwkleuring door de vorming van indigo optreedt.

Gebruik onder andere informatie uit figuur 3.

Geef de verhoudingsformule van het gevormde calciumfluorethanoaat.

Marais bepaalde ook de LD₅₀-waarde van fluorethaanzuur bij konijnen

door ze gedroogde bladeren van de gifblaar te voeren.

De LD₅₀-waarde is de dosis waarbij 50% van de dieren die eraan zijn

blootgesteld, sterft. Deze dosis bedroeg 0,40 mg fluorethaanzuur per kg

lichaamsgewicht. Het blad van de gifblaar bevat gemiddeld

90 µg F per g gedroogd blad. Dit fluor is uitsluitend aanwezig in

fluorethaanzuur.

Bereken bij hoeveel gram vers blad van de gifblaar de LD₅₀-waarde voor

een konijn wordt overschreden.

Gebruik hierbij de volgende gegevens:

− Een konijn weegt gemiddeld 2,0 kg.

− Een vers blad van de gifblaar bevat 85 massaprocent water.

Bij het drogen is uitsluitend water uit het blad verdampt.

De Engelse onderzoeker R.A. Peters heeft rond 1950 baanbrekend

onderzoek gedaan naar de biochemische werking van fluorethaanzuur. Hij

ontdekte dat de citroenzuurcyclus niet meer functioneert in cellen

waaraan fluorethaanzuur is toegevoegd. In figuur 2 is een gedeelte van

de gewone citroenzuurcyclus schematisch weergegeven.

Acetyl–S–CoA is ontstaan door een condensatiereactie van co-enzym A

(HS–CoA) met ethaanzuur. Een SH-groep van co-enzym A wordt hierbij

omgezet tot een zogeheten thio-estergroep. Een thio-estergroep is

vergelijkbaar met een gewone estergroep, waarin het enkelgebonden

O-atoom is vervangen door een S-atoom.

Peters ontdekte dat fluorethaanzuur de plaats inneemt van ethaanzuur in

de citroenzuurcyclus, waardoor fluoracetyl–S–CoA wordt gevormd.

In de volgende stap van de citroenzuurcyclus wordt fluoracetyl–S–CoA

door het enzym citraat-synthase met oxaalazijnzuur omgezet tot

fluorcitroenzuur (C₆H₇FO₇).

Voer de volgende opdrachten uit:

− Geef de structuurformule van fluoracetyl–S–CoA. Gebruik hierbij de

aanduiding –S–CoA.

− Geef de structuurformule van fluorcitroenzuur.

Gebruik hierbij Binas-tabel 68C of ScienceData-tabel 13.9.e.

Na de vorming van fluorcitroenzuur treden in het actieve centrum van het

enzym aconitase de volgende processen na elkaar op:

stap 1: Een molecuul fluorcitroenzuur wordt omgezet tot een molecuul

water en een molecuul fluor-cis-aconietzuur.

stap 2: Vervolgens roteert het molecuul fluor-cis-aconietzuur 180° in het

actieve centrum.

stap 3: Daarna wordt het molecuul fluor-cis-aconietzuur met een

molecuul water omgezet tot een molecuul trans-

hydroxyaconietzuur.

Het trans-hydroxyaconietzuur kan niet meer loskomen uit het actieve

centrum, waardoor de stofwisseling van een dier dat de plant eet, wordt

ontregeld.

In een molecuul trans-hydroxyaconietzuur staan de COOH-groepen in

een trans-configuratie ten opzichte van elkaar.

Op de uitwerkbijlage is de omzetting van fluor-cis-aconietzuur volgens

stap 3 onvolledig weergegeven.

Voer de volgende opdrachten uit:

− Geef in het omkaderde deel met pijlen weer hoe elektronenparen

worden verplaatst.

− Teken de ontbrekende atomen/atoomgroepen in trans-

hydroxyaconietzuur.

In het actieve centrum van aconitase is een kubusvormig cluster met de

formule Fe₄S₄²⁺ gebonden aan de peptideketen.

In figuur 3 is dit cluster schematisch weergegeven, waarbij ladingen zijn

weggelaten.

Het cluster Fe₄S₄²⁺ is opgebouwd uit ijzerionen en sulfide-ionen.

De ladingen van de aanwezige ijzerionen en de sulfide-ionen wijken niet

af van de gebruikelijke ladingen.

Geef voor elke ionsoort die in het cluster aanwezig is de lading en het

aantal deeltjes.

De ijzerionen Fe en Fe zijn gebonden aan de peptideketen van aconitase

via cysteïne-eenheden. Hierbij is de S–H-binding vervangen door een

S–Fe-binding.

De cysteïne-eenheden die binden aan en maken deel uit van het

peptidefragment .

Teken dit peptidefragment. Gebruik hierbij structuurformules.

− Het cluster hoef je niet te tekenen.

− Geef de bindingen die het peptidefragment heeft met de ijzerionen

en weer als –S–Fe.

Geef de vergelijking voor de vorming van polytetrafluoretheen uit

tetrafluoretheen. Gebruik hierbij structuurformules.

Bij de productie van Teflon™ wordt perfluoroctaanzuur (PFOA) gebruikt

als. COOH) behoort tot de zogenoemde poly- en

perfluoralkylstoffen (PFAS). Deze groep stoffen wordt toegepast in allerlei

industriële processen en producten. PFOA wordt geproduceerd uit

octaanzuurfluoride in twee reactoren. De omzettingen in deze reactoren

zijn vereenvoudigd weergegeven in figuur 1.

Reactor 1 is een elektrochemische cel. Aan de positieve elektrode treedt

halfreactie 1 op, waarbij telkens een waterstofatoom van

octaanzuurfluoride wordt vervangen door een fluoratoom.

Bereken de ladingsoverdracht in coulomb wanneer 3,0∙10² g

octaanzuurfluoride wordt omgezet tot stof P.

Gebruik hierbij onder andere de volgende gegevens:

− De molaire massa van octaanzuurfluoride is 146 g mol⁻¹.

− 1,00 mol elektronen heeft een lading van 9,65∙10⁴ C.

De omzetting van octaanzuurfluoride tot PFOA is vereenvoudigd en

onvolledig met een blokschema weergegeven op de uitwerkbijlage.

− In reactor 1 (R1) reageren octaanzuurfluoride en HF. Aan de positieve

elektrode wordt stof P gevormd en aan de negatieve elektrode wordt

waterstof gevormd

− Waterstof verlaat R1 samen met een lage concentratie HF

De waterstof wordt in scheidingsruimte 1 (S1) gescheiden van HF met

− Als alle octaanzuurfluoride heeft gereageerd, wordt stof P

doorgevoerd naar reactor 2 (R2). Hier reageren stof P en water

volledig tot PFOA en HF, die als afzonderlijke stofstromen de reactor

De instroom in R1 is op de uitwerkbijlage al volledig gegeven.

Leg uit welke scheidingsmethode wordt gebruikt in S1.

Maak het blokschema op de uitwerkbijlage compleet.

− Teken R2.

− Teken ontbrekende pijlen en noteer ontbrekende stoffen bij alle pijlen.

Je hoeft hierbij geen rekening te houden met hergebruik van stoffen.

PFOA is een zwak zuur met een K_z-waarde van . PFOA is daarom

in water vooral aanwezig in de vorm van de geconjugeerde base

C₇F₁₅COO. Dit PFOA^– is goed oplosbaar in water.

Bereken hoeveel procent van PFOA aanwezig is als C₇F₁₅COOH in water

met pH = 7,00.

Wetenschappelijk onderzoek heeft aangetoond dat PFOA een risico vormt

voor de gezondheid en het milieu. Het gebruik van PFOA is in Nederland

sinds 2020 verboden voor consumentenproducten. Omdat PFOA slecht

afbreekbaar is, is deze stof nog wel aanwezig in ons milieu.

Voor de bepaling van de hoeveelheid PFOA in water of grond wordt onder

andere gebruikgemaakt van massaspectrometrie. Een deel van het

massaspectrum van PFOA (414 g mol^–1) is in figuur 2 weergegeven.

Bij de gebruikte techniek neemt een molecuul PFOA een elektron op.

Het gevormde [C₇F₁₅COOH]^– fragmenteert vervolgens.

Uit het massaspectrum kan worden opgemaakt dat bij de fragmentatie van

PFOA onder andere enkele malen hetzelfde neutrale fragment Y wordt

afgesplitst. Zo is het fragment behorend bij de piek van m/z = 181 ontstaan

uit het fragment behorend bij de piek van m/z = 231.

Leid de molecuulformule van het neutrale fragment Y af.

Leg uit dat bij lage druk de doorslagspanning groot is. Gebruik hierbij

begrippen uit het botsende-deeltjes-model.

Een veel toegepast vonkremmend gas is zwavelhexafluoride (SF₆). Dit

gas wordt industrieel geproduceerd uit de elementen zwavel en fluor

(proces 1).

Fluor (F₂) is een giftig en agressief gas. Onderzoekers hebben daarom

een andere syntheseroute ontwikkeld (proces 2). De reacties van

proces 2 verlopen bij aanzienlijk lagere temperatuur dan bij proces 1.

In proces 2 treden drie reacties op:

4 KF + S + 2 Br₂ → SF₄ + 4 KBr (reactie 1)

In proces 2 wordt netto geen CoF₃ verbruikt.

De vormingswarmte van SF₆ is –12,25·10⁵ J mol^–1.

Voer de volgende opdrachten uit:

Geef de totaalvergelijking van proces 2.

Bereken de reactiewarmte van proces 2 per mol SF₆.

In een brochure staat: “Dit alternatieve proces voldoet beter aan de

uitgangspunten van groene chemie dan het standaard industriële proces.”

Geef één argument vóór en twee argumenten tégen deze stelling.

Noteer je antwoord als volgt:

Voor: …

Tegen: …

Tegen: …

Zwavelhexafluoride is niet giftig, maar het is wel een sterk broeikasgas.

Het is mogelijk om zwavelhexafluoride in hoogspanningsschakelaars te

vervangen door andere stoffen, zoals Novec™ 4710 (C₄F₇N).

Deze stof wordt in enkele stappen gemaakt. In het totale proces zijn de

beginstoffen hierbij methylpropaanzuur, HF en NH₃.

De andere stoffen die worden gevormd, zijn waterstof en water.

Bij de omzettingen blijft het koolstofskelet gelijk, maar wordt de COOH-

groep omgezet tot een CN-groep.

Geef de vergelijking voor deze vorming van Novec™ 4710.

Gebruik hierbij structuurformules voor de koolstofverbindingen.

In experimenten met zuiver Novec™ 4710 werd de spanning op de

contactpunten zo hoog opgevoerd, dat er toch een elektrische ontlading

plaatsvond in de schakelaar.

Het bleek dat hierbij ontleding van Novec™ 4710 tot de elementen

optreedt. Deze reactie treedt pas op bij zeer hoge waardes van de

toegevoerde energie.

De vormingswarmte van Novec™ 4710 is –33·10⁵ J mol^–1.

In de figuur zie je enkele mogelijke energiediagrammen van deze

omzetting.

Leg uit welk energiediagram het best past bij de ontleding van

Novec™ 4710 tot de elementen.

Een standaard schakelaar bevat 60 kg zuiver SF₆. In een praktijkproef

konden vergelijkbare vonkremmende resultaten worden bereikt door een

gasmengsel van stikstof en Novec™ 4710 te gebruiken met daarin

20,8 kg Novec™ 4710.

De mate waarin een stof bijdraagt aan het versterkt broeikaseffect wordt

uitgedrukt in de GWP (global warming potential). De GWP van een stof is

gedefinieerd als het opwarmingsvermogen van 1,0 kg van de stof in

vergelijking met 1,0 kg CO₂, berekend over een periode van 100 jaar.

Om te berekenen welke winst er wordt gehaald met het oog op het

broeikaseffect, gaat men uit van een situatie waarbij alle gas uit de

schakelaar ontsnapt. Hierbij wordt de bijdrage aan het broeikaseffect

omgerekend naar overeenkomende massa CO₂-uitstoot.

De GWP-waarde van SF₆ is 22800 terwijl Novec™ 4710 een

GWP-waarde van slechts 2100 heeft.

Bereken met hoeveel procent de bijdrage aan het broeikaseffect daalt in

de praktijkproef.