Eindexamen scheikunde vwo 2019, tijdvak 2: vragen en antwoorden

Een rijpe appel produceert etheen. Op de uitwerkbijlage bij vraag 5 staat de biosynthese van etheen in appels schematisch weergegeven in een reactieschema. In reactie I van het reactieschema wordt onder invloed van het enzym SAM-synthetase het deeltje SAM gevormd uit onder andere ATP en het aminozuur methionine. NH2 O NH2 CH3 N N HO C C CH2 CH2 S+ O N N

H CH2

SAM HO OH Het methionine heeft maar één stereo-isomeer. Bij de vorming van SAM verandert de ruimtelijke bouw rondom het C*-atoom van methionine niet. Toch kunnen in reactie I twee stereo-isomeren van SAM worden gevormd. Dit wordt veroorzaakt doordat de groepen rondom het S-atoom in SAM, net als bij een koolstofatoom, op twee verschillende manieren kunnen zijn gerangschikt.

Uit onderzoek blijkt dat slechts een van beide stereo-isomeren van SAM wordt gevormd door SAM-synthetase.

In reactie II van het reactieschema wordt SAM onder invloed van het enzym ACC-synthase omgezet. De biosynthese van dit enzym verloopt in twee stappen. Op basis van de DNA-code wordt eerst een aminozuurketen gevormd van 473 aminozuren. Vervolgens wordt de aminozuurketen op twee plaatsen gehydrolyseerd, waardoor de ACC- synthase nog 421 aminozuren bevat. Een van de beide plaatsen waar hydrolyse optreedt, is tussen de aminozuren Gly–430 en Glu–431.

Het in reactie II gevormde ACC (C4H7NO2) wordt in reactie III onder invloed van het enzym ACC-oxidase omgezet tot onder andere etheen. Uit één molecuul ACC wordt hierbij één molecuul etheen gevormd.

Uit het reactieschema is af te leiden dat de atomen in etheen, via SAM en ACC, uiteindelijk van methionine afkomstig zijn.

Het etheen komt vrij uit de appel en bevordert de rijping van andere appels. Om appels lang houdbaar te maken, moet de vorming van etheen worden geremd. De biosynthese van etheen kan worden geremd met het gas 1-methylcyclopropeen (MCP). Het effect van MCP op de activiteit van de enzymen ACC-synthase en ACC-oxidase is onderzocht. Hiertoe werden appels direct na de pluk in drie groepen verdeeld en 20 uur lang onder verschillende omstandigheden bewaard:

• groep 1: in gewone lucht
• groep 2: in lucht met MCP
• groep 3: in lucht met MCP en etheen Hierbij was [MCP]groep2 = [MCP]groep3 = [etheen]groep3 . Direct na de pluk en na afloop van de bewaarperiode werd de activiteit van de beide enzymen gemeten. Ook werd het gehalte ACC in de appels bepaald. In de tabel zijn de resultaten van deze metingen weergegeven.

tabel

activiteit activiteit gehalte ACC-synthase ACC-oxidase ACC

(nmol ACC (nL etheen (nmol ACC per mg enzym per mg enzym per g appel) groep per uur) per uur) direct na pluk 1,0 40 2,1

1 gewone lucht 2,6 128 3,8

2 lucht met MCP 1,2 56 4,3

3 lucht met MCP 1,8 72 4,1 en etheen

Uit deze resultaten is af te leiden dat de activiteit van beide enzymen door MCP wordt geremd.

Er is tegenwoordig veel vraag naar duurzame energiebronnen zoals bio-ethanol. Bio-ethanol wordt veel geproduceerd uit zetmeel van bijvoorbeeld aardappelen of mais. De omzettingen die optreden bij de vorming van zetmeel in planten en de productie van bio-ethanol uit het zetmeel zijn in figuur 1 vereenvoudigd weergegeven.

[figuur 1: zie het originele examen]

plant fabriek oogst CO2 C6H12O6 zetmeel zetmeel C6H12O6 C2H6O

De gemiddelde opbrengst per hectare bedraagt in Nederland 4,5·104 kg aardappelen per jaar. Aardappelen bevatten gemiddeld

19 massa% zetmeel. Het zetmeel wordt in bioreactoren gehydrolyseerd tot glucose. De glucose wordt door vergisting omgezet tot koolstofdioxide en ethanol. Hierbij ontstaat twee mol ethanol per mol glucose.

Om te kunnen berekenen wat de minimale hoeveelheid energie is die nodig is om ethanol te produceren uit CO2, wordt zetmeel weggelaten uit bovenstaande omzettingen. De resterende processen kunnen dan worden weergegeven met de volgende reactievergelijkingen:

6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2 fotosynthese C6H12O6 → 2 C2H6O + 2 CO2 vergisting

In het wetenschappelijk tijdschrift Nature is een artikel gepubliceerd over het gebruik van elektrische energie om ethanol te produceren uit CO2. Dit zou een alternatief kunnen zijn voor de genoemde productie van bio-ethanol.

Het elektrochemische proces bestaat uit twee stappen. In de eerste stap wordt CO2 omgezet tot CO. In de tweede stap wordt CO door elektrolyse omgezet tot ethanol. De elektrolyse-opstelling die wordt gebruikt, is in figuur 2 vereenvoudigd weergegeven. In beide halfcellen zijn OH–-ionen en water aanwezig. Alleen OH–-ionen en watermoleculen kunnen door het membraan tussen beide halfcellen bewegen.

[figuur 2: zie het originele examen] zonnepanelen

O2 _ _ CO OH OH - H2O HOH 2 O o.a. ethanol membraan H2O

In de rechter halfcel worden acht elektronen opgenomen per molecuul ethanol dat wordt gevormd.

Aan de negatieve elektrode worden behalve ethanol enkele bijproducten gevormd. Hierdoor is het rendement van de productie van ethanol nog laag. De twee belangrijkste bijproducten zijn ethanoaat en waterstof. De vergelijkingen van de halfreacties waarbij ethanoaat en waterstof worden gevormd, zijn hieronder weergegeven.

2 CO + 3 H2O + 4 e– → CH3COO– + 3 OH–

2 H2O + 2 e– → H2 + 2 OH– De onderzoekers vonden dat onder optimale omstandigheden 43% van de toegevoerde elektronen werd gebruikt voor de productie van ethanol en 13% voor de productie van ethanoaat. De rest werd gebruikt voor de productie van waterstof. Zowel ethanol als waterstof werd vervolgens gebruikt als brandstof.

Bij de verwerking van hout tot bijvoorbeeld papier komt veel afvalwater vrij. In een onderzoek is gekeken of het mogelijk is om op industriële schaal dieselachtige koolwaterstoffen te produceren op basis van dit afvalwater. Afvalwater van de papierindustrie bevat een hoog gehalte xylose-oligomeren. Een xylose-oligomeer is een sacharide met de formule H–(C5H8O4)n–OH met 3 ≤ n ≤ 20. Xylose (C5H10O5) kan worden voorgesteld als een eenheid (α)D-glucose, waarbij de CH2-OH-groep op C-atoom nummer 5 is vervangen door een H-atoom. In een xylose-oligomeer zijn de xylose-eenheden aan elkaar verbonden door middel van de OH-groepen aan de C-atomen met nummers 1 en 4.

De onderzoekers hebben op basis van het onderzoek een productieproces ontworpen. Op de uitwerkbijlage bij vraag 19 is het vereenvoudigde blokschema voor dit proces onvolledig weergegeven. Het proces start met de volledige hydrolyse van de xylose-oligomeren tot xylose. Hiertoe worden in reactor 1 (R1) zoutzuur en een oplossing van xylose-oligomeren geleid. Beide oplossingen worden zo gedoseerd, dat aan het begin van de reacties het gehalte xylose-oligomeren 2,1 massa% is. Er is dan 3,1 mol HCl aanwezig per mol xylose-eenheden.

Aan het mengsel wordt tevens THF toegevoegd. O H2C CH2 De structuurformule van THF is hiernaast weergegeven. Omdat de oplosbaarheid van THF in water laag is, H2C CH2 ontstaan in R1 twee vloeistoflagen. THF

In R1 verloopt ook de omzetting van xylose tot furfural H en bijproducten. De structuurformule van furfural is O C HC C O hiernaast weergegeven. HC CH In R1 ontstaat 1 mol furfural uit 1 mol xylose. Het gevormde furfural lost op in de THF-laag, waardoor furfural volgreacties van furfural met water worden beperkt. Na afloop van de reacties wordt natriumchloride toegevoegd aan het reactiemengsel. Hierdoor wordt THF volledig onoplosbaar in water en kan in scheidingsruimte 1 (S1) de THF-laag volledig worden gescheiden van de waterlaag. De waterlaag met daarin zoutzuur, natriumchloride en bijproducten wordt opgeslagen. De THF-laag met daarin alleen furfural wordt doorgevoerd naar reactor 2 (R2). In R2 wordt aan het mengsel dat afkomstig is uit S1 één mol propanon per twee mol furfural toegevoegd en een overmaat natronloog. In R2 worden furfural en propanon volledig omgezet tot stof A. De vergelijking voor deze omzetting is hieronder weergegeven.

O H O H O O C O C C C O HC C H C HC C C C C CH

2 H3C CH3 2 H2O HC CH HC CH H H HC CH furfural propanon stof A

De vorming van stof A verloopt via een aantal tussenstappen. Twee stappen uit het reactiemechanisme zijn op de uitwerkbijlage weergegeven. In stap 2 wordt stof B gevormd. Hierbij neemt een OH–-ion eerst een H+-ion op van het organische deeltje dat in het kader is weergegeven. Het OH–-ion treedt in stap 2 op als katalysator.

In scheidingsruimte 2 (S2) wordt de THF-laag met daarin uitsluitend stof A volledig afgescheiden van de vloeistoflaag met daarin het natronloog. Omdat het natronloog geen organische stoffen bevat, kan het worden hergebruikt in het proces. Om de reactie in R2 telkens onder gelijke omstandigheden te laten verlopen, moet het natronloog in een ruimte Z worden bewerkt voordat het wordt teruggevoerd in R2.

Het mengsel van THF en stof A wordt doorgevoerd naar reactor 3 (R3). In R3 reageert stof A volledig met waterstof tot tridecaan (C13H28) en water. Het ontstane tridecaan is onvertakt. Het mengsel afkomstig uit R3 wordt ten slotte in scheidingsruimte 3 (S3) gescheiden in drie stromen: tridecaan, water en THF. Het tridecaan kan worden gebruikt als toevoeging aan diesel of een andere brandstof.

Stikstofmono-oxide (NO) en stikstofdioxide (NO2) zijn schadelijke gassen die ontstaan in het verkeer en bij grootschalige verbrandingsprocessen zoals bij de productie van elektriciteit. In de afvalgassen van de gasturbine van een energiecentrale is gemeten hoe de uitstoot van onder andere CO en NO afhangt van de temperatuur in de turbine. In figuur 1 zijn de resultaten van deze metingen weergegeven.

[figuur 1: zie het originele examen]

gehalte NO (volume-ppm) gehalte CO (volume-ppm)

120 30 NO

100 25

80 20 CO

60 15

40 10

20 5

0 0

1500 1600 1700 1800 1900 2000 temperatuur (K)

In een molecuul NO komen zeven niet-bindende elektronen voor.

Stikstofdioxide wordt in de turbine gevormd door de reactie van stikstofmono-oxide met zuurstof. Een molecuul stikstofdioxide heeft een niet-cyclische structuur. Voor de volgorde van de atomen in het molecuul zijn twee mogelijkheden: NOO en ONO. Met behulp van massaspectrometrie kan worden bepaald welke van de twee mogelijkheden de juiste is. Het massaspectrum van NO2 is in figuur 2 weergegeven.

[figuur 2: zie het originele examen]

relatieve 100 intensiteit 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

10 20 30 40 50 m/z

In dit massaspectrum zijn pieken waarin de isotopen N-15, O-17 en O-18 voorkomen niet weergegeven. Uit de vier pieken in het massaspectrum kan geen conclusie worden getrokken over de volgorde van de atomen in NO2.

Doordat bij een bepaalde m/z-waarde in het massaspectrum een piek ontbreekt, kan toch worden bepaald of de volgorde NOO of ONO is.

De vorming van stikstofdioxide uit stikstofmono-oxide en zuurstof is hieronder weergegeven.

2 NO + O2 → 2 NO2 (reactie 1)

De snelheid s1 van reactie 1 is gedefinieerd als het aantal mol NO2 dat per seconde per liter reactiemengsel ontstaat. Bij het onderzoek naar de snelheid van reactie 1 werd in twee experimenten een aantal metingen uitgevoerd met verschillende beginconcentraties van NO en O2. De resultaten van het onderzoek zijn weergegeven in de tabel.

tabel

[NO]0 [O2]0 s1 op t0 exp meting (mol L–1) (mol L–1) (mol L–1 s–1)

1 1.1 8,0·10–5 1,6·10–3 7,2·10–8 1.2 1,2·10–4 1,6·10–3 1,6·10–7 1.3 1,6·10–4 1,6·10–3 2,9·10–7 1.4 2,4·10–4 1,6·10–3 6,5·10–7

2 2.1 8,0·10–5 2,4·10–3 1,1·10–7 2.2 8,0·10–5 3,2·10–3 1,4·10–7 2.3 8,0·10–5 4,8·10–3 2,2·10–7 2.4 8,0·10–5 6,4·10–3 2,9·10–7

Op basis van de vergelijking van reactie 1 verwachtte men dat voor de snelheid van reactie 1 de volgende reactiesnelheidsvergelijking geldt:

s1 = k1 [NO]2 [O2] (snelheidsvergelijking 1)

De constante k1 wordt de reactieconstante genoemd.