Eindexamen scheikunde vwo 2022, tijdvak 2: vragen en antwoorden

In de negentiende en begin twintigste eeuw werden door de chemische industrie veel nieuwe pigmenten ontwikkeld, zoals cadmiumgeel (cadmiumsulfide, CdS). Cadmiumgeel werd onder andere gemaakt door de reactie van cadmiumcarbonaat met zwavel (S). Bij deze reactie ontstaan behalve cadmiumsulfide ook zwaveldioxide en koolstofdioxide.

Bij deze productie werd zwavel in overmaat toegevoegd. De overgebleven zwavel kon na afloop van de reactie gemakkelijk worden gescheiden van de gevormde cadmiumsulfide door het verkregen mengsel te verwarmen. Hierbij verdampt de zwavel maar de cadmiumsulfide niet.

Helaas bleek cadmiumgeel op de lange termijn niet chemisch stabiel. Op verschillende schilderijen zijn drie opeenvolgende aantastingen van cadmiumgeel waargenomen:

verbleking door de vorming van cadmiumsulfaat.

de vorming van kleine witte vlekken waarin vooral cadmiumsulfaat- monohydraat aanwezig is.

verkleuring door onder andere de vorming van lood(II)sulfaat PbSO4. Deze verkleuring trad alleen op nadat vernis was aangebracht op een al aangetast schilderij.

De omzetting van cadmiumgeel met zuurstof tot cadmiumsulfaat-monohydraat treedt alleen op in vochtige lucht.

Behalve cadmiumsulfaatmonohydraat ontdekte men in de witte vlekken een ander zout. In dit zout zijn cadmiumionen en sulfaationen in de molverhouding 2 : 3 aanwezig. Behalve deze ionen is er nog één andere ionsoort aanwezig. Op grond van de gevonden samenstelling van het zout vermoedden de onderzoekers dat een van de schilderijen ooit met een oplossing van ammoniak is schoongemaakt.

Tijdens periodes met hoge luchtvochtigheid lossen de zouten die in een verflaag aanwezig zijn enigszins op. Dit wordt veroorzaakt doordat zich dan bijvoorbeeld het evenwicht CdSO4 Cd2+ + SO42– kan instellen in de verflaag. De gehydrateerde ionen kunnen vervolgens door verf- en vernislagen heen bewegen. Voor het evenwicht CdSO4 Cd2+ + SO42– geldt Ks = [Cd2+][SO42–]. Ks is het zogenoemde oplosbaarheidsproduct. De waardes van Ks van enkele stoffen zijn in de tabel gegeven.

tabel

stof formule Ks = … waarde van Ks

cadmiumsulfaat CdSO4 [Cd2+][SO42–] 5,3·10–1 lood(II)sulfaat PbSO4 [Pb2+][SO42–] 1,7·10–8 lood(II)ethanoaat Pb(CH3COO)2 [Pb2+][CH3COO–]2 2·101

Op een schilderij waar het cadmiumgeel al deels was omgezet tot cadmiumsulfaat is in het verleden een laag vernis aangebracht. De gebruikte vernis bevatte als enige loodverbinding lood(II)ethanoaat (Pb(CH3COO)2). Zowel in de verflaag als in de vernislaag is door de onderzoekers vast lood(II)sulfaat (PbSO4) aangetroffen.

Het Merox-proces is een industrieel proces om zwavelhoudende verbindingen te verwijderen uit aardolieproducten zoals lpg. Lpg is een mengsel van koolwaterstoffen met een laag kookpunt. De zwavelhoudende verbindingen kunnen worden aangeduid met R–SH, waarbij de groep R staat voor een koolwaterstofketen. In figuur 1 is het blokschema van het Merox-proces onvolledig weergegeven.

[figuur 1: zie het originele examen] lpg natronloog

R1 onzuiver lpg

natronloog * R2 NaRS- oplossing

Het is niet mogelijk om lpg en R–SH te scheiden met behulp van water. Daarom wordt het gasvormige, nog onzuivere lpg in reactor 1 (R1) in contact gebracht met een overmaat natronloog. In R1 reageren de zwavelhoudende verbindingen volgens reactie 1.

R–SH (g) + OH– (aq) → R–S– (aq) + H2O (l) (reactie 1)

In een basische oplossing kunnen de zwavelhoudende verbindingen wel van het lpg worden afgescheiden. Dit wordt veroorzaakt door de vorming van bindingen tussen watermoleculen en deeltjes die in R1 zijn ontstaan.

Het reactiemengsel wordt onderin R1 afgetapt en doorgevoerd naar reactor 2 (R2). In R2 wordt een overmaat lucht door de oplossing afkomstig van R1 geleid, waarbij disulfides (R–S–S–R) worden gevormd. De totaalvergelijking van de reacties die in R1 en R2 verlopen, is hieronder weergegeven.

4 R–SH + O2 → 2 R–S–S–R + 2 H2O (totaalreactie)

In een onderzoek is de omzettingssnelheid van R–SH tot R–S–S–R nader onderzocht. Men onderzocht de omzetting van butaanthiol (C4H10S) in [C4H10S]t natronloog. Hierbij werd op verschillende tijdstippen de fractie [C4H10S]0 bepaald. In figuur 2 zijn de resultaten van een meting weergegeven.

[figuur 2: zie het originele examen] 1,00 [C4H10S]t [C4H10S]0 0,80

0,60

0,40

0,20

0

0 2,0 4,0 6,0 8,0 10 tijd (h)

Op t = 0 bevatte het mengsel 372 massa-ppm butaanthiol. De molaire massa van butaanthiol is 90,2 g mol–1. De dichtheid van het reactiemengsel was 0,75 kg L–1.

In scheidingsruimte 1 (S1) wordt het vloeibare mengsel afkomstig uit R2 gescheiden. De laag met daarin de vloeibare disulfides (R–S–S–R) wordt als afval afgevoerd. De laag met natronloog bevat geen organische stoffen, zodat het natronloog kan worden hergebruikt in het proces. Om de reactie in R1 steeds onder gelijke omstandigheden te laten verlopen, moet het natronloog een bewerking ondergaan voordat het kan worden teruggevoerd.

EPDM-rubber is een synthetische rubbersoort, die veel wordt gebruikt in de auto-industrie voor bijvoorbeeld afdichtingsstrips en raamrubbers. Bij de productie van EPDM-rubber wordt eerst thermoplastisch EPDM (t-EPDM) gemaakt. Hierbij ondergaat een mengsel van etheen, propeen HC CH en een zogeheten dieen een additie-polymerisatie. HC CH2 CH Een veelgebruikt dieen hierbij is ethylideen-norborneen (ENB). De structuurformule van ENB is hiernaast H2C C weergegeven. Bij de vorming van t-EPDM reageert alleen CH CH3 de C=C-binding die zich in de ring bevindt. ENB

De polymerisatie tot t-EPDM verloopt onder invloed van een katalysator. Er zijn twee types katalysator beschikbaar:

Type 1: hiermee wordt de vorming van een willekeurig (random) copolymeer bevorderd;

Type 2: hiermee wordt de vorming van een blok-copolymeer bevorderd. Het blijkt dat de keuze van het type katalysator een sterke invloed heeft op de vorming van kristallijne gebieden in het t-EPDM. In een kristallijn gebied vertonen de polymeerketens een grote mate van ordening. In t-EPDM zijn geen crosslinks aanwezig tussen de polymeerketens.

De vervormbaarheid van t-EPDM wordt minder naarmate het materiaal meer kristallijne gebieden bevat.

Het t-EPDM wordt vervolgens omgezet tot het eindproduct EPDM-rubber. Tot voor kort werd EPDM-rubber geproduceerd op basis van fossiele grondstoffen. In Brazilië gebruikt men nu bio-ethanol uit suikerriet in plaats van aardolie als grondstof voor het benodigde etheen. De omzetting van ethanol tot etheen is hieronder weergegeven.

C2H6O (l) → C2H4 (g) + H2O (l) (reactie 1)

Het etheen afkomstig uit reactie 1 wordt vervolgens gebruikt om EPDM-rubber te produceren onder de merknaam Keltan®-Eco. Biogebaseerde producten worden gecontroleerd om misbruik van belastingvoordelen te voorkomen. Hiertoe wordt het gehalte 14C-atomen in het product bepaald. 14C-atomen worden in de atmosfeer door kosmische straling gevormd uit 14N-atomen. Uit de 14C-atomen wordt in de atmosfeer snel 14CO2 gevormd. Het gehalte 14C in de atmosfeer is constant. Het gehalte 14C in biomassa bedraagt hierdoor gemiddeld 1,5·10–6 ppm van alle C-atomen. De 14C-atomen worden in de loop van de tijd door radioactief verval omgezet tot 14N-atomen.

Reactie 1 is endotherm. De benodigde warmte wordt in het proces geleverd door verbranding van de resten van het suikerriet.

De omzetting van ethanol tot etheen vindt plaats aan het oppervlak van een aluminiumoxide-katalysator. Op de uitwerkbijlage is een deel van het oppervlak weergegeven. Uit onderzoek is gebleken dat de OH-groepen en de O–-groepen aan het oppervlak een belangrijke rol spelen in de katalytische werking. Men vermoedt dat hierbij waterstofbruggen worden gevormd tussen moleculen ethanol en de aanwezige groepen op het oppervlak.

Per mol monomeereenheden van Keltan®-Eco is gemiddeld 0,55 mol etheen, 0,40 mol propeen (C3H6) en 0,050 mol ENB aanwezig.

In de voedselindustrie wordt soms het enzym transglutaminase (TG) gebruikt om reststukjes vlees aan elkaar te lijmen tot grotere stukken. Het enzym katalyseert de koppeling van de restgroepen van de aminozuureenheden glutamine en lysine die aanwezig zijn in peptideketens.

In figuur 1 is de koppeling van de restgroepen van een glutamine-eenheid en een lysine-eenheid in verschillende peptideketens schematisch en onvolledig weergegeven.

[figuur 1: zie het originele examen]

O O CH2 CH2 C NH2 H3N CH2 CH2 CH2 C N CH2 X glutamine-eenheid lysine-eenheid H

Wanneer geen lysine-restgroepen of ongebonden aminozuren beschikbaar zijn, katalyseert TG ook de reactie tussen de restgroep van glutamine-eenheden en water. Hierbij wordt een andere aminozuur-eenheid gevormd en ontstaat ammoniak. Deze omzetting is op de uitwerkbijlage onvolledig weergegeven.

De koppeling die in de figuur is weergegeven, verloopt in een breed pH-gebied. De reactie verloopt alleen als de restgroep van de lysine-eenheid positief geladen is. Bij de gemiddelde pH van bloed zijn de aminogroepen in de restgroepen van lysine-eenheden grotendeels omgezet tot ~NH3+-groepen. De waarde van de Kz van de NH3+-groep is 6,3·10–11.

De NH2-groep in de restgroep van glutamine is een veel zwakkere base dan de NH2-groep in de restgroep van lysine. Dit kan worden verklaard met behulp van een grensstructuur van de restgroep van glutamine. In deze grensstructuur komen formele ladingen voor. Op de uitwerkbijlage is deze grensstructuur onvolledig weergegeven.

In het reactiemechanisme van de koppeling van glutamine en lysine door TG spelen twee aminozuureenheden in het actieve centrum van TG een rol: His373 en Cys314. Op de uitwerkbijlage is een stap uit dit mechanisme onvolledig weergegeven. In deze stap wordt een eenheid Lys gekoppeld aan een eenheid Gln die al aan aminozuureenheid Cys314 van TG was gekoppeld.