Eindexamen scheikunde vwo 2018, tijdvak 2: vragen en antwoorden

In 1856 probeerde William Perkin kinine, een medicijn tegen malaria, te synthetiseren. Hij verkreeg geen kinine maar een mengsel met een paarse kleur. In de reactie was een paarse kleurstof gevormd, die later geschikt bleek om textiel te verven. Perkin noemde deze stof mauveïne en deze toevallige ontdekking werd een mijlpaal in de geschiedenis van de textielverf. In 1994 onderzocht men de samenstelling van de paarse kleurstof uit verschillende historische textielmonsters. De kleurstof bleek een mengsel te zijn van verwante verbindingen, waaronder mauveïne A, B, B2 en C. Perkins gebruikte voor de synthese drie organische beginstoffen en een oxidator. Hieronder zijn de structuurformules van de organische beginstoffen weergegeven.

aniline o-toluïdine p-toluïdine NH2 NH2 NH2 H3C

CH3

Op de uitwerkbijlage is de structuurformule van mauveïne B weergegeven. In de structuur van mauveïne B is de oorspronkelijke structuur van de drie organische beginstoffen te herkennen.

In het onderzoek van de monsters mauveïne is gebruikgemaakt van chromatografie. De onderzoekers gebruikten daarbij een hydrofobe stationaire fase en methanol als mobiele fase. De structuurformules van de drie stoffen die het meest in het paarse mengsel aanwezig zijn, zijn hieronder weergegeven.

CH3 CH3 H3C N H 3C N H3C N

H2N N NH H 2N N NH H2N N NH

mauveïne A CH3 mauveïne B CH3 mauveïne C CH3 CH3

Van het mengsel van mauveïnes van Perkin is een massaspectrum gemaakt. Met de gebruikte techniek zagen de onderzoekers alleen de pieken van de molecuulionen van de mauveïnes. De gegevens van de mauveïnes A, B en C afkomstig uit het massaspectrum zijn in onderstaande tabel gegeven.

tabel

A B C m/z-waarde 390 405 420 intensiteit 94 100 77

De onderzoekers hebben mauveïne B2, een isomeer van mauveïne B, op microschaal gesynthetiseerd. Een molecuul mauveïne B2 wordt gevormd uit één molecuul aniline, één molecuul o-toluïdine en twee moleculen p-toluïdine. Zij hebben hiertoe 60 μL aniline, 60 μL o-toluïdine en 120 μL p-toluïdine laten reageren. Ze verkregen 12 mg mauveïne B2. De molaire massa van mauveïne B2 is 406 g mol–1.

Bij nader onderzoek naar de structuur van de moleculen bleek dat mauveïne A in twee vormen voorkomt. Deze vormen kunnen worden opgevat als een cis- en een trans-isomeer. Op de uitwerkbijlage is de Lewisstructuur gegeven van mauveïne A en de onvolledige Lewisstructuur van een andere grensstructuur. In deze grensstructuur is de positieve lading verplaatst naar een ander N atoom. In het molecuul is dan ook een andere C=N binding aanwezig. Met behulp van deze grensstructuur kan het bestaan van cis-trans- isomerie in mauveïne A worden verklaard.

In brandstofcellen die glucose of zetmeel gebruiken als energiebron worden enzymen gebruikt. Zo kan amylose in zetmeel met behulp van enzymen door hydrolyse worden omgezet tot glucose. Andere enzymen zetten vervolgens de glucose om. Op de uitwerkbijlage is de onvolledige reactievergelijking weergegeven van de gedeeltelijke hydrolyse van amylose.

Wetenschappers hebben een brandstofcel voor biomassa ontwikkeld waarin geen enzymen worden gebruikt. Met deze brandstofcel kan energie worden opgewekt uit biomassa waarvoor geen geschikte enzymen bestaan. In het onderzoek naar een geschikte brandstofcel is gebruikgemaakt van ammonium-12-molybdofosfaat. De verhoudingsformule van deze stof is (NH4)3 PO4 (MoO3)12. Ammonium-12-molybdofosfaat wordt gemaakt door ammonium- orthomolybdaat ((NH4)2 MoO4) te verhitten in aanwezigheid van fosforzuur en salpeterzuur. Als bijproducten ontstaan waterdamp en ammoniumnitraat.

In oplossingen van ammonium-12-molybdofosfaat komen ionen PO4 (MoO3)123– voor. Een ion PO4 (MoO3)123– wordt in de rest van deze opgave voorgesteld als POM3–. Het deeltje POM3– kan worden beschouwd als een fosfaat-ion dat wordt omringd door twaalf eenheden molybdeen(VI)oxide (MoO3). Elke eenheid MoO3 bestaat uit drie oxide-ionen en een Mo(VI)-ion. Onder invloed van licht wordt een deeltje POM3– omgezet tot het zeer reactieve deeltje rPOM3–, dat snel reageert met allerlei organische stoffen. De structuur van POM3– en rPOM3– is gelijk, de deeltjes verschillen alleen in de verdeling van de elektronen binnen het deeltje. Bij de omzetting van POM3– tot rPOM3– wordt binnen een eenheid MoO3 één elektron van één oxide-ion overgedragen naar de N-schil van één Mo(VI)-ion.

In hout is onder andere het biopolymeer lignine aanwezig. Lignine is een netwerkpolymeer dat in brandstofcellen niet kan worden omgezet met enzymen. Met het gebruikte ammonium-12-molybdofosfaat kan lignine wel worden omgezet, zodat zelfs houtafval kan worden gebruikt in een brandstofcel. Op de uitwerkbijlage is een van de optredende omzettingen weergegeven. In stap 1 treedt oxidatie van lignine op. In stap 2 wordt het omcirkelde H atoom als een H+ ion afgesplitst. Tevens wordt dan een C–C binding verbroken en een H+ ion opgenomen. Dit H+ ion is weergegeven in het kader.

In onderstaande figuur is de gebruikte opstelling schematisch weergegeven. In een lichtdoorlatende reactor heeft men biomassa gemengd met ammonium-12-molybdofosfaat. De reactor is vervolgens in zonlicht geplaatst, zodat POM3– onder invloed van licht wordt omgezet tot rPOM3–. Het rPOM3– reageert met de biomassa, waarbij onder andere H3POM3– en CO2 worden gevormd.

figuur

reactor zonlicht brandstofcel _ _ POM3 rPOM3 POM3 _ H2O _ biomassa rPOM3 _ H3POM3 O2 _ CO2 H3POM3 H+

Na verloop van tijd wordt het mengsel door de brandstofcel gepompt. Het in de reactor ontstane H3POM3– wordt in de brandstofcel weer omgezet tot POM3–.

In het onderzoek is een hoeveelheid verdunde biomassa gemengd met

20 mL van een 0,25 M oplossing ammonium-12-molybdofosfaat. Nadat dit mengsel enige tijd in het zonlicht had gestaan, bleek dat 80% van alle rPOM3– was omgezet tot H3POM3–. Het mengsel werd door de brandstofcel gepompt tot alle ontstane H3POM3– weer was omgezet tot POM3–. De brandstofcel leverde gedurende 30 minuten een gemiddelde stroomsterkte van 0,530 A.

Haarverf moet hechten aan het haar, daarom is kennis van de moleculaire structuur van een haar belangrijk. De buitenkant van een haar bestaat uit schubben die de haar compleet bedekken. Aan het oppervlak van deze schubben zijn moleculen van het vetzuur 18-MEA gebonden aan het eiwit keratine.

O

HO 18-MEA

18-MEA is aan keratine gebonden door middel van een thio-esterbinding. Deze binding is ontstaan door een condensatiereactie tussen moleculen 18-MEA en SH groepen van cysteïne-eenheden in keratinemoleculen. Deze reactie verloopt op dezelfde wijze als de condensatie van een zuur en een alcohol.

Haarverf heeft een hoge pH. Bij deze hoge pH zwellen bepaalde delen van keratine op en dringen pigmentmoleculen tot diep in een haar door. Onderzoekers vermoeden dat het opzwellen van delen van keratine wordt veroorzaakt doordat in de betrokken peptideketens relatief veel aminozuureenheden met zure restgroepen aanwezig zijn.

Voordat haarverf wordt aangebracht, behandelt men soms het haar met waterstofperoxide (H2O2). Tijdens deze behandeling treden allerlei redoxreacties op, die leiden tot veranderingen in de structuur van de peptideketens in keratine. Op de uitwerkbijlage is de halfreactie van de peptideketen in keratine onvolledig weergegeven. In de andere halfreactie wordt H2O2 omgezet tot OH–.

Een doosje permanente haarverf bevat twee flesjes, die de gebruiker mengt vlak voordat hij de verf aanbrengt. Tijdens het aanbrengen en het intrekken van het mengsel ontstaan pas de uiteindelijke kleurpigmenten. Veelgebruikte componenten van haarverf zijn p-fenyleendiamine (PPD) en waterstofperoxide. PPD wordt door waterstofperoxide omgezet tot stof B. Stof B is een zwakke base. Bij de heersende pH is een klein deel van stof B aanwezig als het geconjugeerde zuur (HB+). In onderstaande figuur zijn de omzetting van PPD tot stof B en het evenwicht tussen stof B en HB+ weergegeven.

figuur

H H NH2 NH N

H C H 2 H+ H C H H C H

C C C C H+ C C

C C C C C C

H C H H C H H C H NH2 N N

H H PPD stof B HB+

Het deeltje HB+ is een sterk elektrofiel deeltje dat een rol speelt in het verdere mechanisme van de vorming van de uiteindelijke pigmenten.

Door de hoge pH van haarverf is slechts een klein deel van stof B aanwezig als HB+. De Kz van HB+ is 1,8·10–6.

In een bepaalde soort haarverf is behalve PPD ook de stof 3-aminofenol aanwezig. PPD en 3-aminofenol ondergaan opeenvolgende additie- en oxidatie-reacties. Op de uitwerkbijlage zijn de verlopende reacties weergegeven. Het mengsel met PPD en 3-aminofenol leidt tot een bruinrode haarkleur. Het is ook mogelijk om een paarsrood pigment, stof 2, te verkrijgen. Hiertoe wordt een andere beginstof gekozen dan 3-aminofenol. Wanneer in het molecuul 3-aminofenol een H atoom aan de benzeenring is vervangen door een CH3 groep, wordt uitsluitend stof 2 gevormd. De C atomen van 3-aminofenol op de uitwerkbijlage zijn genummerd.

Afvalgassen uit de staal- en petrochemische industrie bevatten behalve koolstofdioxide vaak ook veel koolstofmono-oxide. Het bedrijf Lanzatech heeft een proces ontwikkeld waarbij deze afvalgassen worden gemengd met waterstof en andere gassen afkomstig van vergaste biomassa en vergaste kolen. Het verkregen mengsel wordt vervolgens door speciale micro-organismen omgezet tot ethanol (C2H6O) en andere alcoholen. De totaalvergelijking van één van de biochemische routes waarmee deze micro-organismen ethanol produceren, is weergegeven met reactie 1.

6 CO (g) + 3 H2O (l) → C2H6O (l) + 4 CO2 (g) (reactie 1)

Een andere biochemische route kan met reactie 2 worden beschreven.

6 H2 + 2 CO2 → 3 H2O + C2H6O (reactie 2)

In de bioreactor wordt uiteindelijk alle CO en CO2 omgezet tot ethanol en andere alcoholen. De opbrengst aan ethanol in het Lanzatech-proces wordt uitgedrukt in MJ. Dit is de hoeveelheid energie die vrijkomt als het geproduceerde ethanol zou worden verbrand. De CO2-opname door de micro-organismen in het Lanzatech-proces is 81,5 g CO2 per MJ. De CO2-uitstoot van de overige processen is

51 g CO2 per MJ.

Het ethanol en de overige alcoholen worden door destillatie gescheiden van het mengsel in de bioreactor. Behalve ethanol worden in de Lanzatech-bioreactor ook butaan-1-ol, butaan-2-ol, 2-methylpropaan-1-ol en 2-methylpropaan-2-ol gevormd door de micro-organismen. Deze C4-alcoholen kunnen in een aansluitend proces worden gebruikt om door additie-reacties koolwaterstoffen te produceren met 12 en 16 koolstofatomen in de moleculen. Deze koolwaterstoffen kunnen worden toegevoegd aan kerosine. Dit proces is in onderstaand blokschema weergegeven. Met C4 tot en met C16 is het aantal koolstofatomen in de koolwaterstoffen aangegeven.

blokschema

C4 alcoholen R1

water C4 C8 -alkenen C4-alcoholen C4 -alkenen C4 C8 C12 C16 S1 R2 S2 C4 -alkenen alkenen water C4-alcoholen C12 C16 -alkenen

H2 R3

C12 C16 is een mengsel H2 C12 C16 van alkanen en alkenen C12 C16

voor kerosine C12 C16 S3

In reactor 1 (R1) worden de C4-alcoholen onvolledig omgezet tot de C4-alkenen methylpropeen, but-1-een en but-2-een. Hierbij ontstaat ook water.

Het mengsel afkomstig uit R1 wordt in scheidingsruimte 1 (S1) afgekoeld. Hierdoor worden de C4-alkenen afgescheiden van het water en van de C4-alcoholen die niet hebben gereageerd.

In R2 vinden additiereacties plaats tussen de C4-alkenen, waarbij alkenen met 8, 12 of 16 C atomen worden gevormd. In S2 wordt het verkregen mengsel van alkenen gescheiden in twee fracties. De fractie met de C4- en de C8-alkenen wordt teruggevoerd naar R2. De fractie met de C12- en de C16-alkenen wordt doorgevoerd naar R3. De scheiding in S2 kan eenvoudig plaatsvinden omdat bij de gebruikte omstandigheden in de scheidingsruimte steeds één fractie in de vloeibare fase is en de andere fractie in de gasfase.

In R3 reageren de gevormde alkenen onvolledig met een overmaat waterstof tot alkanen. In S3 wordt de overmaat waterstof gescheiden van de rest van het mengsel en teruggevoerd naar R3. Een deel van het mengsel afkomstig uit R3 wordt opgeslagen als een product dat kan worden gebruikt als toevoeging aan kerosine. Het overgebleven deel wordt weer naar R3 teruggevoerd. Deze recirculatie zorgt voor een hoger rendement in R3.

In R2 wordt per minuut 1,4·103 mol C4H8 omgezet tot evenveel mol C12- als C16-alkenen. In het product dat uiteindelijk wordt opgeslagen is 98% van de C12- en de C16-alkenen omgezet tot alkanen.