Eindexamen scheikunde havo 2024, tijdvak 2: vragen en antwoorden

Wijn wordt gemaakt uit druivensap waaraan gist wordt toegevoegd. In de gistcellen vinden verschillende reacties plaats. Bij een van die reacties wordt glucose uit druivensap omgezet tot koolstofdioxide en ethanol.

Sauvignon blanc is een witte wijn met een passievruchtaroma. Dit aroma wordt onder meer veroorzaakt door de stof 3-MH. De stof 3-MH is niet aanwezig in druivensap, maar wordt door gistcellen gevormd uit de geurloze stof glutathion-3-MH. In figuur 1 zijn de structuurformules van glutathion-3-MH en 3-MH gegeven.

[figuur 1: zie het originele examen]

CH3 CH2 CH2 CH CH2 CH2 OH S

HO O CH2 CH3 CH2 CH2 CH CH2 CH2 OH

C O O O S H2N CH CH2 CH2 C N CH C N CH2 C OH H

H H

glutathion-3-MH 3-MH

Glutathion-3-MH is opgebouwd uit een tripeptide en een molecuul 3-MH. De laatste twee eenheden van het tripeptide zijn een cysteïne- en een glycine-eenheid.

De eerste aminozuur-eenheid van het tripeptide is anders gekoppeld dan de andere eenheden. Bij deze aminozuur-eenheid is de restgroep via een peptidebinding gekoppeld aan de cysteïne-eenheid.

De omzetting van glutathion-3-MH naar 3-MH vindt plaats in drie stappen (figuur 2).

[figuur 2: zie het originele examen]

stap 1 stap 2 stap 3 glutathion-3-MH 3-MH-Cys-Gly 3-MH-Cys 3-MH

Deze stappen vinden plaats onder invloed van enzymen.

Na het vergisten wordt de gist door middel van bezinken en afschenken gescheiden van de wijn. Dit proces zou sneller uitgevoerd kunnen worden door een andere scheidingsmethode toe te passen. Deze methode berust op hetzelfde verschil in stofeigenschap als bezinken.

In sauvignon blanc is nog een andere stof aanwezig die bijdraagt aan het passievruchtaroma: 3-MHA (figuur 3). De stof 3-MHA is de ester van 3-MH en één andere stof.

[figuur 3: zie het originele examen]

O CH3 CH2 CH2 CH CH2 CH2 O C CH3 CH3 CH2 CH2 CH CH2 CH2 OH S S

H H 3-MHA 3-MH

Tijdens de opslag van de wijn kan hydrolyse van 3-MHA plaatsvinden. Op de uitwerkbijlage is de hydrolyse van 3-MHA onvolledig weergegeven.

Om een geurstof in wijn te kunnen waarnemen, moet de geurdrempel van die geurstof worden overschreden. De geurdrempel wordt hier gedefinieerd als de minimale concentratie die de geurstof in wijn moet hebben om door mensen waargenomen te kunnen worden. De geurdrempel van 3-MHA is 4,0 ng L–1 en de geurdrempel van 3-MH is 60 ng L–1.

Havoleerling Danilo formuleert de volgende hypothese: De geurdrempel van een geurstof in wijn is hoger naarmate de geurstof beter in de wijn oplost. Wijn bestaat voor het grootste deel uit water.

Hoe sterk het passievruchtaroma in wijn wordt waargenomen, kan worden berekend met de Odour Activity Value (OAV).

concentratie van de geurstof in de wijn OAV = geurdrempel van de geurstof in de wijn

In tabel 1 staan gegevens over de concentraties 3-MH en 3-MHA in een bepaalde fles sauvignon blanc.

[tabel 1: zie het originele examen]

geurstof concentratie in geurdrempel OAV vloeistof (ng/L) (ng/L) 3-MHA 2,50·103 4,0 6,3·102 3-MH 1,80·104 60 3,0·102

De totale OAV van 3-MH en 3-MHA bij elkaar opgeteld is volgens tabel 1 gelijk aan 9,3·102. Wanneer sauvignon blanc lang bewaard wordt, zal het passievruchtaroma minder sterk worden. Een oorzaak hiervan is de omzetting van 3-MHA tot 3-MH. De totale OAV neemt hierdoor af.

Na een bepaalde tijd is 50% van de 3-MHA in tabel 1 omgezet tot 3-MH.

In hoogovens wordt ijzererts omgezet tot vloeibaar ijzer. De wanden van hoogovens moeten dus bestand zijn tegen zeer hoge temperaturen. Deze wanden worden daarom gemaakt van een hittebestendige stof zoals magnesiumoxide (MgO).

Magnesiumoxide wordt gemaakt uit bischofiet: MgCl2·6H2O. Bischofiet is een vaste stof die kan worden gewonnen uit een meters dikke bischofiet-laag die zich op ongeveer anderhalve kilometer onder de grond bevindt. Door een metalen buis wordt water in deze laag geïnjecteerd. Het bischofiet lost hierin op.

Doordat het bischofiet oplost, ontstaat een ruimte die caverne wordt genoemd. Deze caverne is gevuld met een oplossing van magnesiumchloride (MgCl2). Op deze oplossing wordt een vloeistoflaag aangebracht die dak-olie wordt genoemd. De dak-olie voorkomt dat de zoutlagen boven de bischofiet-laag oplossen, zie figuur 1.

[figuur 1: zie het originele examen]

MgCl2-oplossing H2O H2O

bovenste grondlaag

zoutlagen

dak-olie H2O H2O caverne

MgCl2-oplossing bischofiet-laag

Een aantal stoffen is onderzocht op bruikbaarheid als dak-olie. Ethaan-1,2-diol is ook onderzocht, maar bleek ongeschikt.

Doordat in het water een kleine hoeveelheid zuurstof is opgelost, kan corrosie van de metalen buis optreden. Aan het water wordt daarom een kleine hoeveelheid natriumsulfiet-oplossing (Na2SO3) toegevoegd, waardoor corrosie wordt verhinderd. In de buis treden de volgende halfreacties op:

SO32– + H2O → SO42– + 2H+ + 2 e– (halfreactie a) O2 + 2 H2O + 4 e– → 4 OH– (halfreactie b)

Bij de omzetting van sulfiet tot sulfaat blijkt de pH van de oplossing in de buis niet te veranderen.

De MgCl2-oplossing die uit de bodem wordt gewonnen, wordt verzameld in bezinkbakken. Aan de MgCl2-oplossing wordt de vaste stof dolime toegevoegd. Dolime is een mengsel van de stoffen calciumoxide en magnesiumoxide. Wanneer dolime aan de MgCl2-oplossing wordt toegevoegd, treedt reactie 1 op. Door reactie 1 ontstaan de vaste stof magnesiumhydroxide (Mg(OH)2) en een oplossing van calciumchloride (CaCl2).

CaO + MgO + 2 H2O + Mg2+ 2 Mg(OH)2 + Ca2+ (reactie 1)

dolime

Het Mg(OH)2 bezinkt. Het grootste deel van het Mg(OH)2 wordt in een reactor (R) ontleed tot MgO en water. Een klein deel van het Mg(OH)2 wordt afgevoerd en verkocht. De CaCl2-oplossing wordt in een scheidingsruimte (S) ingedampt.

In figuur 2 en op de uitwerkbijlage is een blokschema van dit proces schematisch en onvolledig weergegeven. In dit proces worden de volgende stoffen geproduceerd: CaCl2, Mg(OH)2 en MgO.

[figuur 2: zie het originele examen]

MgCl2-oplossing

bezinkbak

Fosfine (PH3) is een brandbaar en zeer giftig gas. Het wordt gebruikt voor bestrijding van ongedierte, bijvoorbeeld in de lading van een schip.

tekstfragment

Bij een meting op een schip in Utrecht werden concentraties fosfine gemeten van meer dan 300 massa-ppm. Voor mensen is de stof al gevaarlijk vanaf een concentratie van 0,5 massa-ppm. Fosfine wordt niet als gas in het ruim van een schip verspreid, maar er worden pillen met magnesiumfosfide in het ruim van het schip gelegd. Het magnesiumfosfide in de pillen zal langzaam reageren met waterdamp, waarbij gasvormige fosfine wordt gevormd.

naar: nos.nl (zomer 2021)

De verhoudingsformule van magnesiumfosfide is Mg3P2.

Bij de reactie van magnesiumfosfide met waterdamp ontstaan uitsluitend de stoffen fosfine (PH3) en magnesiumhydroxide (Mg(OH)2).

Op de website van een leverancier van magnesiumfosfidepillen staat het volgende vermeld:

1 magnesiumfosfidepil zal maximaal 0,20 gram fosfine vormen.

Een veiligheidsinspecteur die de lading van een binnenvaartschip controleert, moet rekening houden met de aanwezigheid en bijbehorende gevaren van fosfine. Op de veiligheidskaart van fosfine staan de volgende H-zinnen vermeld: H220, H250, H280, H314, H318, H330, H400. Niet alle H-zinnen zijn van belang voor de gezondheid van de veligheidsinspecteur.

Ook de brandbaarheid van fosfine kan tot gevaarlijke situaties leiden. Als de concentratie fosfine in de lucht hoog genoeg wordt, kan fosfine spontaan ontbranden. Bij deze verbrandingsreactie wordt uitsluitend fosforzuur gevormd.

Spontane ontbranding komt doordat de reactie waarbij fosfine ontstaat exotherm is. De temperatuur stijgt als gevolg hiervan, waardoor fosfine kan ontbranden. Daarom bevatten magnesiumfosfidepillen ammoniumcarbamaat (NH2CO2NH4). De aanwezigheid van ammoniumcarbamaat in de pillen verkleint de kans op spontane ontbranding. Als de temperatuur boven de

60 °C komt, zal ammoniumcarbamaat ontleden volgens reactie 1.

NH2CO2NH4 (s) → 2 NH3 (g) + CO2 (g) (reactie 1)

De kans op spontane ontbranding van fosfine is het grootst dicht bij de pil, waar de fosfineconcentraties hoog kunnen oplopen. De ontleding van ammoniumcarbamaat (reactie 1) verkleint deze kans op twee manieren:

Manier 1: de ontleding van ammoniumcarbamaat is endotherm.

Manier 2: bij de ontleding van ammoniumcarbamaat ontstaan gassen.

Uraan kent verschillende toepassingen. Het bekendst is de toepassing als energiebron voor kerncentrales. Hiervoor is de isotoop U-235 nodig.

Tot nu toe wordt uraan in de vorm van erts afgegraven uit mijnen. Bij een jaarlijkse wereldwijde behoefte van 6,0·107 kg uraan zullen deze mijnen een voorraad uraan hebben voor slechts 80 jaar. Zeewater is een veel grotere bron van uraan. Winning van uraan uit zeewater staat daarom in de belangstelling. Een probleem hierbij is echter dat het gehalte in zeewater laag is: 3,38·10–9 kg uraan per L.

In zeewater is uraan vooral aanwezig in de vorm van het UO22+-ion. De winning van uraan uit zeewater is nog experimenteel. Voor deze winning worden polymeren gebruikt die in staat zijn om UO22+-ionen te binden. De basis van dit polymeer is het peptide omiganan. De aminozuurvolgorde van omiganan is als volgt:

Ile-Leu-Arg-Trp-Pro-Trp-Trp-Pro-Trp-Arg-Arg-Lys (omiganan)

Omiganan is in staat om water te binden.

Als omiganan gecrosslinkt wordt, ontstaat een hydrogel. Een hydrogel is een vaste, onoplosbare stof die gebonden water bevat. Behalve water kan deze hydrogel ook UO22+-ionen uit het zeewater binden. Zo kan de hydrogel UO22+-ionen uit zeewater halen. Andere ionen in zeewater worden namelijk niet of in veel mindere mate aan de hydrogel gebonden.

Onderzoekers wilden de massa aan UO22+-ionen bepalen die per gram hydrogel gebonden kan worden. Dit onderzoek werd als volgt uitgevoerd: Stap 1: Een bepaalde hoeveelheid hydrogel werd in een bak gelegd waar zeewater doorheen werd gepompt. Stap 2: Na enkele weken werd de hydrogel uit de bak met zeewater gehaald en spoelden de onderzoekers de hydrogel met gedestilleerd water. Stap 3: De hydrogel werd in een oplossing van de stof EDTA gelegd. Hierdoor kwamen de UO22+-ionen weer los van de hydrogel en bonden aan EDTA-ionen. Stap 4: UO22+-ionen werden weer losgemaakt van EDTA-ionen en de massa van de UO22+-ionen werd bepaald.

In stap 3 kwamen de UO22+-ionen los van de hydrogel omdat deze ionen beter binden met EDTA-ionen dan met de hydrogel. In het onderzoek werd een oplossing van het zout Na2-EDTA gebruikt. In figuur 1 is de structuurformule van de vaste stof Na2-EDTA weergegeven.

[figuur 1: zie het originele examen]

O O

C H2C CH2 C HO O Na N CH2 CH2 N O O

C H2C CH2 C Na O OH

Na oplossen van Na2-EDTA in water ontstaan vrije EDTA-ionen. Deze ionen worden weergegeven met de formule Y2–. Door de pH te veranderen kan men Y2–-ionen omzetten tot Y4–-ionen. Per Y4–-ion kan één UO22+-ion worden gebonden.

De hydrogel kan na stap 3 worden hergebruikt. Na het uitvoeren van de stappen 1 tot en met 4 werd per gram gebruikte hydrogel 2,99·10–5 mol UO22+-ionen verkregen. Dit proces is voor verbetering vatbaar, omdat er erg grote hoeveelheden hydrogel nodig zijn om de wereldwijde jaarlijkse behoefte aan uraan voor kerncentrales te kunnen leveren.

De meeste auto’s met een brandstofcel gebruiken waterstof als brandstof. Om een ‘volle’ tank waterstof te krijgen, moet waterstof onder zeer hoge druk worden opgeslagen. Dit opslaan onder hoge druk is niet nodig als waterstof met stikstof uit de lucht eerst wordt omgezet tot ammoniak.

N2 + 3 H2 → 2 NH3 (reactie 1)

Ammoniak is ook geschikt als brandstof in een brandstofcel en kan gemakkelijker vloeibaar gemaakt worden dan waterstof. In figuur 1 is een ammoniak-brandstofcel schematisch weergegeven.

[figuur 1: zie het originele examen]

lampje

H2O + lucht (zonder O2) H2O + N2

OH− C-MnO2-elektrode

C-Ni-elektrode

OH−

OH−

H2O + lucht (met O2) NH3

membraan

In deze brandstofcel reageert zuurstof aan de C-MnO2-elektrode volgens halfreactie a:

O2 + 2 H2O + 4 e– → 4 OH– (halfreactie a)

Aan de C-Ni-elektrode reageert ammoniak volgens halfreactie b. Halfreactie b is hieronder onvolledig weergegeven: de coëfficiënten ontbreken.

NH3 + OH– → N2 + H2O + e– (halfreactie b)

De C-MnO2-elektrode bevat 20 massaprocent MnO2. MnO2 dient als katalysator en niet als geleidend materiaal.

In een waterstof-brandstofcel reageren waterstof en zuurstof tot water. Het gebruik van ammoniak als brandstof komt neer op dezelfde reactie, maar dan in twee stappen. Stap 1: Waterstof en stikstof worden omgezet tot ammoniak (reactie 1). Stap 2: In een ammoniak-brandstofcel reageren ammoniak en zuurstof tot stikstof en water.

In figuur 2 zijn de energie-effecten in de waterstof-brandstofcel (∆E1) en in de ammoniak-brandstofcel (∆E3) weergegeven in één energiediagram.

[figuur 2: zie het originele examen] waterstof-brandstofcel ammoniak-brandstofcel

H 2 + O 2 + N2 Δ E2 energie NH3 + O2 Δ E1 Δ E3

H2O + N2 H2O + N2

Uit figuur 2 blijkt dat de ammoniak-brandstofcel minder energie levert per mol waterstof dan de waterstof-brandstofcel.

Let op: de laatste vragen van dit examen staan op de volgende pagina.

Stoffen die reageren in een brandstofcel, zouden ook direct verbrand kunnen worden. Bij de verbranding van ammoniak ontstaan dan niet alleen N2 en H2O; onder bepaalde omstandigheden kunnen dan ook stikstofoxides gevormd worden. Stikstofoxides hebben een negatief effect op het milieu.