Eindexamen scheikunde vwo 2021, tijdvak 3: vragen en antwoorden

Polycarbonaat is een kunststof die sterk en krasvast is en daarom wordt toegepast in veiligheidsglas, veiligheidsbrillen en auto-onderdelen. In dit polymeer zijn zogeheten carbonaatgroepen aanwezig, waarvan de naam polycarbonaat is afgeleid. De synthese van polycarbonaat verloopt in een aantal stappen. Op de uitwerkbijlage die bij dit examen hoort is een vereenvoudigd en onvolledig blokschema voor deze synthese weergegeven. De vorming van polycarbonaat is de laatste stap in het productieproces. In reactor 4 (R4) reageren de monomeren bisfenol-A en difenylcarbonaat (DPC) volledig met elkaar. In R4 ontstaan uitsluitend polycarbonaat en fenol (benzenol). Deze stoffen verlaten R4 als twee aparte stofstromen. De structuurformules van bisfenol-A en DPC zijn hieronder weergegeven.

Om DPC te bereiden wordt in R1 eerst dimethylcarbonaat (DMC) bereid uit CO, zuurstof en methanol. In R1 worden de beginstoffen volledig omgezet.

In R2 reageert DMC met fenol (benzenol). In een evenwichtsreactie ontstaan fenylmethylcarbonaat (PMC) en methanol, zoals hieronder is weergegeven.

De omzetting in R2 wordt uitgevoerd als een zogeheten reactieve destillatie: er vindt zowel een chemische reactie als een destillatie plaats. Het destillaat bestaat uit methanol. De uitstroom onder uit R2 bestaat uitsluitend uit fenol, PMC en een klein restant DMC. Dit mengsel wordt naar R3 gevoerd. Daar treedt de volgende reactie op:

Het in R3 ontstane mengsel wordt naar scheidingsruimte S gevoerd. Door destillatie wordt zuiver DPC verkregen dat naar R4 wordt geleid. In reactor 4 (R4) reageren de monomeren bisfenol-A en difenylcarbonaat (DPC) volledig met elkaar. De in R4 gevormde moleculen van polycarbonaat hebben aan de uiteindes een O–C6H5 groep. Hierdoor wordt in het gehele proces een kleine hoeveelheid fenol verbruikt.

De moleculen van het polycarbonaat zijn zodanig lang dat de massa van de –O–C6H5 groepen aan de uiteindes mag worden verwaarloosd. De formule van polycarbonaat kan daarom worden weergegeven met (C16H14O3)n.

Bij de industriële productie, die als een continu proces wordt uitgevoerd, wordt polycarbonaat in de vorm van korrels geproduceerd. Voorwerpen van polycarbonaat worden in andere fabrieken uit polycarbonaatkorrels geproduceerd volgens een batchproces.

Als mensen munten door hun handen laten gaan, ruiken ze een typische ‘metaalgeur’. Ook ijzeren voorwerpen kunnen dit verschijnsel veroorzaken. Uit onderzoek blijkt dat deze geur wordt veroorzaakt door allerlei afbraakproducten van huidvet. Op het metaaloppervlak treedt een reeks van omzettingen op. Als eerste worden vetzuren uit het huidvet gevormd. Voor deze omzetting is, behalve huidvet, nog een beginstof nodig. Hierbij ontstaat, behalve vetzuren, nog een reactieproduct.

De gevormde vetzuren zijn vaak (meervoudig) onverzadigd. Deze onverzadigde vetzuren zijn gevoelig voor zogenoemde peroxidatie. In de figuur is de eerste stap van de peroxidatie van een onverzadigd vetzuur weergegeven. Uit een molecuul zuurstof en een molecuul van een onverzadigd vetzuur wordt een vetzuur-radicaal gevormd en een H–O–O• radicaal. Van het vetzuur-radicaal bestaan twee mesomere structuren, M1 en M2.

figuur

In de volgende stap van de peroxidatie bindt het H–O–O• radicaal aan de C• in het vetzuur-radicaal, waardoor een molecuul vetzuurperoxide (R–O–O–H) wordt gevormd. De atoomgroepen rondom de C=C binding in moleculen van onverzadigde vetzuren komen uitsluitend in de cis-configuratie voor. De atoomgroepen rondom de C=C binding in vetzuurperoxidemoleculen komen zowel in de cis- als de trans-configuratie voor.

De gevormde vetzuurperoxides reageren vervolgens met het uit de ijzeren voorwerpen afkomstige Fe2+, waarbij veel reactieproducten ontstaan. De omzettingen beginnen met een reactie van Fe2+ met vetzuurperoxide. Daarbij ontstaan deeltjes met een ongepaard elektron ( R–O•) en hydroxide-ionen. Deze reactie van Fe2+ met vetzuurperoxide is een redoxreactie, waarbij Fe3+ ionen ontstaan.

Uiteindelijk ontstaat een mengsel van onder andere aldehyden en ketonen. Het zijn deze stoffen die de ‘ijzergeur’ veroorzaken. In het onderzoek werd een oppervlak van 0,31 dm 2 van de huid van een proefpersoon in contact gebracht met een oplossing van Fe2+ ionen en werden de vluchtige verbindingen die ontstonden, verzameld en geanalyseerd. In de tabel is opgenomen hoeveel mol van een aantal stoffen bij het experiment werd verzameld en geanalyseerd. In de tabel zijn ook de zogenoemde geurdrempels van de stoffen en de molaire massa’s opgenomen. De geurdrempel van een stof is het laagste gehalte waarbij een mens die stof kan ruiken.

tabel

hexanal heptanal octanal nonanal decanal oct-1- een-3-on hoeveelheid 73∙10–12 48∙10–12 234∙10–12 407∙10–12 140∙10–12 24∙10–12 (mol) geurdrempel

30 250 5,8 4,5 1 0,03 (μg m–3) molaire massa 100,2 114,2 128,2 142,2 156,3 126,2 (g mol–1)

Het bedrijf REDStack uit Harlingen is sinds 2005 bezig een techniek te ontwikkelen om grootschalig energie op te wekken uit zout water en zoet water. Zij gebruiken hiervoor een bijzondere techniek: reverse electro- dialysis (RED). In het vooronderzoek naar deze techniek is een RED- opstelling gebruikt zoals die in de figuur vereenvoudigd is weergegeven.

figuur

De opstelling bevat door membranen gescheiden compartimenten waar zout water of zoet water wordt ingevoerd. De membranen zijn in de figuur aangegeven met AM en KM. Omdat de concentraties van Na+ en Cl– in zout water veel hoger zijn dan in zoet water, zullen de ionen uit het zoute water door de membranen naar het zoete water bewegen. Omdat in de figuur een membraan AM alleen negatieve ionen doorlaat en KM alleen positieve ionen, bewegen de Cl– ionen naar links en de Na+ ionen naar rechts. Door de beweging van de ionen ontstaat een ladingsverschil. Om de opstelling neutraal te houden, treden reacties op aan de elektrodes en ontstaat een elektronenstroom van de linker elektrode naar de rechter elektrode. Op deze wijze wordt stroom opgewekt, die elders nuttig kan worden gebruikt. De membranen zijn gemaakt van het polymeer van X-fenyletheen. In de structuurformule van X-fenyletheen bevindt zich op C atoom 4 van de benzeengroep een functionele groep X. Het X-fenyletheen wordt gepolymeriseerd in aanwezigheid van een kleine hoeveelheid 1,3-diëthenylbenzeen. In de stof 1,3-diëthenylbenzeen zijn aan de benzeenring op plaats 1 en 3 etheengroepen gebonden.

Door de groep X in X-fenyletheen te variëren, kunnen de eigenschappen van het materiaal worden aangepast aan de eisen. In één van de twee membranen AM en KM zijn monomeereenheden aanwezig waarin de groep aanwezig is die hiernaast is weergegeven. Een AM laat alleen negatieve ionen door, een KM alleen positieve ionen.

Door de afwisseling van beide membranen ontstaat in de RED-opstelling een ionenstroom van Na+ naar de positieve elektrode en Cl– naar de negatieve elektrode. Aan de elektroden verlopen dan halfreacties, zodat de stroomkring wordt gesloten. In het onderzoek was in beide elektrode-compartimenten een oplossing van NaCl en CuSO4 aanwezig met elektroden van koper, zie de figuur. De vergelijkingen van de reacties die aan de elektroden verlopen zijn hieronder gegeven.

Cu (s) → Cu2+ + 2 e– negatieve elektrode Cu2+ + 2 e– → Cu (s) positieve elektrode

In het onderzoek werd onder andere gemeten hoeveel lading werd overgedragen per m2. Bij gebruik van deze opstelling werd gemiddeld per seconde 50 C per m2 overgedragen. De gebruikte koperelektrode werd hierbij in een week meer dan een millimeter dikker. Een mol elektronen heeft een lading van 9,65·104 C.

Omdat de koperen elektroden meedoen in de reacties moeten deze zo nu en dan worden vervangen. Hierdoor is het niet mogelijk om continu stroom op te wekken. Het bedrijf REDStack gebruikt een vergelijkbare opstelling, maar dan met onaantastbare elektroden en een andere oplossing in de elektroderuimtes. Gekozen is om in beide elektroderuimtes een oplossing te gebruiken waarin de ionen Fe2+, Fe3+, Na+ en Cl– aanwezig zijn. De oplossingen in de elektroderuimtes worden continu rondgepompt tussen beide elektroderuimtes. Hierdoor is het mogelijk om continu stroom op te wekken.

Vanaf het begin van de twintigste eeuw is geprobeerd om de structuur op te helderen van ascorbinezuur ( C6H8O6), bekend als vitamine C. In 1932 werd de structuur van ascorbinezuur geheel opgehelderd. De structuurformule van ascorbinezuur is hiernaast weergegeven.

Ascorbinezuur is een zwak zuur. Van andere stoffen was al bekend dat de zure eigenschap kan worden veroorzaakt door de aanwezigheid van een carbonzuurgroep in het molecuul, maar ook door een zogeheten enolgroep. Een enolgroep is een C=C–OH groep. Om uitsluitsel te krijgen over de aanwezigheid van een carbonzuurgroep dan wel een enolgroep in het molecuul, voerde men de volgende twee reacties uit.

1 Reactie met diazomethaan. Diazomethaan zet OH groepen van uitsluitend carbonzuren en enolgroepen om tot O–CH3 groepen. Bij de reactie van ascorbinezuur met diazomethaan ontstond één reactieproduct met de molecuulformule C8H12O6. Deze stof noemde men dimethylascorbinezuur. De ontstane stof had geen zure eigenschappen meer.

2 Hydrolyse van het reactieproduct in basisch milieu. Onder deze omstandigheden worden alleen esterbindingen verbroken. Het bleek dat hierbij slechts één koolstofverbinding ontstond.

Op basis van de beschreven reacties trok men de volgende conclusies over ascorbinezuur:

• een molecuul ascorbinezuur bevat geen carbonzuurgroep;
• een molecuul ascorbinezuur bevat een cyclische esterbinding;
• ascorbinezuur heeft zure eigenschappen vanwege de aanwezigheid van enolgroepen in het molecuul.

De zuurconstante van ascorbinezuur is in 1935 bepaald door een titratie met natronloog. In figuur 1 is het pH-verloop van deze titratie weergegeven. Op het punt dat de lijn uit figuur 1 het steilst is, is alle ascorbinezuur omgezet. Uit figuur 1 is op te maken dat ascorbinezuur in deze titratie reageert als een eenwaardig zuur.

[figuur 1: zie het originele examen]

Met behulp van de grafiek kan worden berekend wat de waarde is van de Kz van ascorbinezuur. Hiertoe lazen de onderzoekers de waarde van de pH af, op het punt dat de helft van alle ascorbinezuur met natronloog heeft gereageerd.

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

Slechts één van de OH groepen op C-2 en C-3 kan in zuur-basereacties een H+ ion afstaan. Dit kan worden verklaard met behulp van Lewisstructuren. In één van beide zuurrestionen treedt namelijk mesomerie op en in het andere zuurrestion niet. Op de uitwerkbijlage staan twee onvolledige Lewisstructuren weergegeven van de zuurrestionen die gevormd zouden worden als van ascorbinezuur een OH groep op C-2 dan wel op C-3 een H+ ion afstaat.

In later onderzoek is onderzocht hoe ascorbinezuur wordt gesynthetiseerd door planten. Het bleek dat ascorbinezuur wordt gesynthetiseerd uit de beginstof (α)D-glucose. In een aantal stappen wordt glucose eerst omgezet tot stof X. Vervolgens treden de reacties op die zijn weergegeven in figuur 2.

[figuur 2: zie het originele examen]

Beide omzettingen uit figuur 2 worden gekatalyseerd door enzymen. In stap 1 en 2 wordt in planten slechts één mogelijke stereo-isomeer van de ontstane stoffen gevormd. De omzetting van stap 2 kan in het laboratorium ook worden uitgevoerd zonder enzym.