Eindexamen scheikunde vwo 2022, tijdvak 3: vragen en antwoorden

Dioxines en PCB’s zijn zeer giftige chloorbevattende stoffen die zich gemakkelijk ophopen in vetweefsel. Onder de term dioxines vallen twee groepen stoffen: PC-DD’s en PC-DF’s. In figuur 1 is de basisstructuur van de PC-DD’s, PC-DF’s en PCB’s weergegeven.

[figuur 1: zie het originele examen]

In elke weergegeven structuur kunnen een of meer waterstofatomen zijn vervangen door chlooratomen. In de afkortingen wordt daarom PC (polychloor) gebruikt.

In 1976 kwam in Seveso in Italië door een fout in de productie van 2,4,5-trichloorfenol een grote hoeveelheid 2,3,7,8-tetrachloor-DD vrij. Deze stof is de giftigste dioxine. Men heeft ontdekt dat de toxische werking hiervan mede wordt veroorzaakt door de platte vorm van de moleculen. In figuur 2 zijn de structuurformules van twee PCB’s weergegeven. Een molecuul PCB-126 kan ook een platte vorm aannemen, wat mede verklaart waarom deze stof een vergelijkbare toxische werking heeft als 2,3,7,8-tetrachloor-DD. PCB-54 heeft deze toxische werking niet.

Dioxines ontstaan bij verbrandingsreacties, zowel in verbrandingsovens als bij natuurlijke branden. Eenmaal in het milieu terechtgekomen, hopen dioxines zich op in het vetweefsel van onder andere paling. Omdat paling wordt geconsumeerd, wordt regelmatig onderzocht of in paling dioxines aanwezig zijn. Hiertoe worden monsters van palingen genomen, waarna met massaspectrometrie wordt bepaald welke stoffen in de monsters aanwezig zijn. In figuur 3 is het massaspectrum van zuiver 2,3,7,8- tetrachloor-DD vereenvoudigd weergegeven.

[figuur 3: zie het originele examen]

De bundel van vijf pieken vanaf m/z = 320 is afkomstig van het molecuulion. De formule van het molecuulion is C12H4O2Cl4+.

In het massaspectrum zijn drie samenhangende piekenbundels te zien. Vanaf m/z = 320 zijn er vijf pieken van het molecuulion, vanaf m/z = 257 vier pieken van één fragmention en vanaf m/z = 194 drie pieken van één volgend fragmention. De piekenbundels ontstaan doordat telkens een fragment COCl afsplitst.

De stijging van het CO2-gehalte in de atmosfeer heeft geleid tot onderzoek naar het gebruik van CO2 als grondstof voor brandstoffen. Zo is bijvoorbeeld de elektrochemische omzetting van CO2 tot methanol onderzocht. Hierbij is gebruikgemaakt van een elektrochemische cel zoals is weergegeven in figuur 1.

[figuur 1: zie het originele examen]

De totaalvergelijking van de reactie in de elektrochemische cel is hieronder weergegeven.

2 CO2 (g) + 4 H2O (l) → 2 CH3OH (l) + 3 O2 (g) (totaalreactie)

De elektrode die in het onderzoek is gebruikt, was bedekt met een laagje polyaniline. Hiervoor is gekozen omdat door de polyaniline niet alleen elektrische energie maar ook lichtenergie kan worden overgedragen bij elektrochemische reacties. Het rendement van de omzetting van CO2 tot methanol nam inderdaad sterk toe wanneer de elektrode werd belicht met een felle lamp. Men heeft de stroomsterkte tijdens de omzetting onderzocht, waarbij de volgende omstandigheden werden gekozen:

• De oplossing bevatte geen CO2 (blanco) of was juist verzadigd met CO2.
• De cel werd verlicht of verduisterd.

Voorafgaand aan de experimenten werd met een buffer de waarde van de pH ingesteld op 4 ofwel op 7. De resultaten van de metingen zijn in de tabel weergegeven. De waardes in de tabel zijn de gemeten stroomsterktes in μA.

tabel

blanco verzadigd met CO2 donker licht donker licht pH = 4 7 34 12 67 pH = 7 2 6 8 15

Uit de blanco metingen blijkt dat er ook stroom loopt als er geen CO2 aanwezig is. De stoffen uit de gebruikte buffer kunnen niet als oxidator optreden, en verklaren dus ook niet de stroom die er loopt. Op grond van de resultaten formuleerden de onderzoekers twee conclusies:

1 Aan de polyaniline elektrode verloopt ook de halfreactie

2 H + + 2 e– → H 2.

2 De halfreactie 2 H+ + 2 e– → H2 wordt ook versneld door de polyaniline elektrode.

Uit onderzoek met gaschromatografie bleek dat er behalve methanol ook een aanzienlijke hoeveelheid ethanol aan de polyaniline elektrode wordt gevormd. In het onderzoek werd de ontstane molverhouding tussen ethanol en methanol bepaald. Aangezien de detector een verschillende gevoeligheid kent voor ethanol en methanol werd eerst een chromatogram gemaakt met een standaardoplossing. Deze standaardoplossing bevatte ethanol en methanol in de molverhouding 1 : 1. In figuur 2 zijn het chromatogram van de standaardoplossing en dat van een monster weergegeven. Naast elke piek is het relatieve piekoppervlak genoteerd.

[figuur 2: zie het originele examen]

De oliën en vetten uit sheanoten worden toegepast in onder andere cosmetica en margarine. De meest voorkomende vetzuren in deze triglyceriden in sheaboter zijn gegeven in tabel 1. [tabel 1: zie het originele examen]

vetzuur afkorting linolzuur L oliezuur O palmitinezuur P stearinezuur S

Onderzocht wordt of sheaboter ook geschikt is als grondstof voor biodiesel. Biodiesel wordt verkregen door de reactie van methanol met de triglyceriden. In deze reactie worden de vetzuren volledig omgezet tot methylesters. Het meest voorkomende triglyceride in sheaboter wordt aangeduid met de afkorting SOS.

Behalve SOS komen nog andere triglyceriden in sheaboter voor. In tabel 2 is de samenstelling van een monster sheaboter gegeven. [tabel 2: zie het originele examen]

triglyceride massapercentage molaire massa (%) (g mol–1) SOS 41,0 889 SOO 37,5 887 OOO 11,0 885 SLO 10,5 885

In een proefopstelling werd een monster van de gevormde biodiesel verbrand. Het bleek dat onder de gebruikte omstandigheden 10% van de koolstofatomen werd omgezet tot koolstofmono-oxide en de rest tot koolstofdioxide.

PHA is de verzamelnaam van polyesters die door bacteriën worden gevormd. Deze polyesters worden door de bacterie gebruikt als reservestof. In de bacterie worden eerst allerlei voedingsstoffen omgezet tot een groep stoffen, hier aangeduid met HA. In de eerste stap van de productie van PHA wordt een molecuul van een HA gekoppeld aan het S-atoom van de biologische hulpstof ‘co-enzym-A’ (H-S-CoA). Het gevormde HA-S-CoA wordt vervolgens onder invloed van het enzym PHA-synthase omgezet tot een polyester. Beide stappen van dit proces zijn in figuur 1 weergegeven.

[figuur 1: zie het originele examen]

In de structuur van een molecuul van een HA kan onder andere de groep R variëren. Hierdoor kunnen vele soorten PHA worden gevormd. De systematische naam van een polyester zoals PHA wordt gevormd door ‘poly-’ gevolgd door de systematische naam van het monomeer.

Bij de vorming van PHA door PHA-syntase wordt telkens een nieuwe eenheid HA gekoppeld aan het zich vormende polymeer. Het blijkt dat hierbij een molecuul HA-S-CoA op een specifieke manier georiënteerd is in het enzym. Dit is op de uitwerkbijlage bij vraag 16 weergegeven. Deze oriëntatie wordt onder andere mogelijk doordat een atoomgroep van het HA-S-CoA een elektrostatische interactie heeft met de negatief geladen restgroep van een cysteïne-eenheid ~Cys– in de peptideketen van PHA-synthase.

De weergegeven oriëntatie is voorwaarde voor de nucleofiele aanval van ~Cys– op het molecuul HA-S-CoA. Hierbij wordt een eenheid HA gekoppeld aan de eiwitketen en komt een deeltje [S-CoA]– vrij.

De bacteriën zetten voedingsstoffen via meerdere routes om in HA-S-CoA. Bij sommige routes blijven (delen van) de moleculen van de voedingsstof intact. Daardoor is het mogelijk om de R-groep in het PHA te wijzigen door de voeding van de bacteriën te wijzigen. Een onderzoeksgroep is er in geslaagd om de bacteriën copolymeren te laten maken. Het bleek mogelijk om zowel willekeurige (random)- copolymeren als blok-copolymeren te verkrijgen. Om dit voor elkaar te krijgen, gaf men twee soorten voeding aan de bacteriën. In experiment 1 werden de twee voedingsstoffen tegelijkertijd aangeboden, in experiment 2 werden de twee voedingsstoffen afwisselend aangeboden.

De bacteriën produceren PHA als korrels. De onderzoekers hebben platte stroken van gelijk formaat gemaakt van verschillende monsters PHA- korrels.

Deze stroken zijn vervolgens onderworpen aan een trekproef. Hierbij wordt gemeten hoeveel langer een strook PHA wordt afhankelijk van de aangelegde kracht. In figuur 2 zijn de meetresultaten opgenomen van twee soorten PHA met verschillende R-groepen.

[figuur 2: zie het originele examen]

Een leverziekte kan soms lang onopgemerkt blijven. Een goed functionerende lever breekt afvalstoffen uit bloed af, zodat de afvalstoffen kunnen worden uitgescheiden. Wanneer een lever slecht functioneert, worden sommige afvalstoffen niet meer goed afgebroken. Hierdoor kan de concentratie van deze afvalstoffen in de uitgeademde lucht van leverpatiënten hoger worden. Een groep onderzoekers doet onderzoek naar een ademtest waarmee vroegtijdig een leverziekte kan worden opgespoord. Van vijf stoffen is de concentratie gemeten in de uitgeademde lucht van twee groepen personen:

• een groep leverpatiënten die op de wachtlijst staan voor een levertransplantatie;
• een controlegroep van gezonde vrijwilligers. De resultaten van de metingen zijn in de figuur weergegeven.

figuur

Op basis van deze gegevens concludeerden de onderzoekers dat een concentratiebepaling van limoneen kan worden gebruikt voor deze ademtest.

Bij de metingen werd onder andere gebruikgemaakt van ‘proton transfer massaspectrometrie’. Bij deze techniek treedt de ionisatie in de gasfase op door botsingen van H3O+-ionen met moleculen R van vluchtige organische verbindingen. De ionisatie kan als volgt worden voorgesteld:

H3O+ (g) + R (g) → H2O (g) + RH+ (g)

Als in een molecuul R een zuurstofatoom voorkomt, bindt in deze reactie het waterstofion aan het zuurstofatoom. Wanneer pentaan-2-on een waterstofion bindt, is mesomerie mogelijk in het gevormde molecuulion. Bij een van de grensstructuren van [pentaan- 2-on–H]+ voldoet een atoom niet aan de octetregel.

Bij geprotoneerd limoneen ( C10H17+, m/z = 137) treden fragmentaties op, waarbij telkens een neutraal deeltje en een geladen deeltje worden gevormd. De geladen fragmenten die ontstaan, geven respectievelijk pieken bij m/z = 67 en m/z = 81 en m/z = 95. De neutrale fragmenten die hierbij worden afgesplitst, behoren tot een klasse van koolwaterstoffen.

Limoneen is aanwezig in vetweefsel, in bloed en in de adem. De onderzoekers wilden op basis van de gemeten concentratie limoneen in de adem een schatting maken van de hoeveelheid limoneen die is opgehoopt in het vet van een leverpatiënt. Hiertoe hebben ze experimenten uitgevoerd waarin de verdeling van limoneen tussen olijfolie en bloed en tussen bloed en lucht is bepaald. Ze namen hierbij aan dat olijfolie en vetweefsel vergelijkbare oplosmiddelen zijn voor limoneen. De verdeling van limoneen over deze drie fases is hieronder voorgesteld met twee evenwichten.

limoneen (vet) limoneen (bloed) K1 = 7,1∙10–3

limoneen (bloed) limoneen (lucht) K2 = 2,8∙10–2

De concentratie limoneen wordt bij de berekening van K uitgedrukt in mol L–1. Bij een patiënt bedroeg de concentratie limoneen in de uitgeademde lucht 0,10 volume-ppm. Aan de hand van bovenstaande gegevens en aannames kan worden berekend dat de concentratie limoneen in het vetweefsel van deze patiënt 2,1∙10–5 mol L–1 bedraagt.

De patiënt had een massa van 85 kg en een vetpercentage van

35 massa%. De gemiddelde dichtheid van lichaamsvet is 0,90 kg L–1.