Eindexamen scheikunde vwo 2023, tijdvak 1: vragen en antwoorden

In het project Algaeparc van Wageningen University & Research wordt onderzoek gedaan naar de productie van biodiesel uit algenolie. Algenolie is een mengsel van triglyceriden, dat in een aantal stappen in de algen wordt gevormd:

Door fotosynthese ontstaat eerst glucose, waarbij tevens zuurstof ontstaat.

Glucose wordt vervolgens met een deel van deze zuurstof volledig omgezet tot pyrodruivenzuur (C3H4O3) en water.

Pyrodruivenzuur wordt ten slotte omgezet tot algenolie.

Uit het onderzoek bleek onder andere dat de algengroei wordt geremd door de ontstane zuurstof. Bij een bepaalde algensoort neemt de vorming van algenolie sterk af als het gehalte zuurstof, dat na de omzettingen is overgebleven in de bioreactor, hoger is dan 44,2 g m–3. De algen groeien in een buisvormige bioreactor die afgesloten is van de buitenlucht.

De onverzadigde vetzuren die in de triglyceriden van algenolie zijn gebonden, hebben enkele structuurkenmerken gemeenschappelijk:

De CH=CH-groepen hebben uitsluitend de cis-configuratie.

In de koolwaterstofrest bevindt zich een herhalende atoomgroep die vereenvoudigd kan worden weergegeven als –(CH=CH–CH2) –. Een voorbeeld van een veelvoorkomend vetzuur in algenolie is linolzuur. Linolzuur kan worden aangeduid met de verkorte notatie 18:2 ω-6. Deze verkorte notatie geeft informatie over:

het totaal aantal C-atomen: 18;

het aantal C=C-bindingen: 2;

het plaatsnummer van de eerste CH=CH-groep vanaf de CH3-groep.

Het vetzuur DHA in de algenolie heeft als verkorte notatie 22:6 ω-3.

Als er voldoende algen zijn gekweekt, wordt de algenolie uit het mengsel geëxtraheerd. Biodiesel wordt verkregen door de reactie van algenolie met methanol. Deze reactie is hieronder vereenvoudigd weergegeven met de juiste coëfficiënten.

1 triglyceride + 3 methanol → glycerol + 3 vetzuur-methylesters algenolie biodiesel

Bij een proefproductie werd 500 g algenolie en voldoende methanol ingevoerd. De gemiddelde molaire massa van algenolie was 884 g mol–1. Op deze wijze werd 0,392 L biodiesel verkregen. De dichtheid van de geproduceerde biodiesel is 0,874·103 kg m–3 met een gemiddelde molaire massa van 296 g mol–1.

Op de uitwerkbijlage is het blokschema van de omzetting van algenolie tot biodiesel onvolledig weergegeven. Aan een reactor (R1) met daarin het enzym lipase worden de algenolie en een ondermaat methanol toegevoegd. In een scheidingsruimte (S1) wordt de ontstane glycerol gescheiden van de overige stoffen. De omzetting van de algenolie is na één reactor niet volledig. Door om en om meerdere reactoren en scheidingsruimtes te plaatsen, wordt een zo hoog mogelijke omzetting bereikt. De ondermaat methanol is zo gekozen dat de hoeveelheid methanol na elke reactor te verwaarlozen is.

In het uiteindelijke proces werden 10 reactoren en scheidingsruimtes gebruikt. In het blokschema is met één blok de herhaling van reactoren R2 t/m R9 en scheidingsruimtes S2 t/m S9 aangegeven. In R10 wordt een overmaat methanol toegevoegd zodat de algenolie volledig wordt omgezet tot biodiesel. In S10 wordt ten slotte biodiesel afgescheiden van het mengsel afkomstig uit R10.

Gerolsteiner® is een Duits merk koolzuurhoudend mineraalwater uit Gerolstein, een kleine stad in de Eifel. In de ondergrond van Gerolstein bevindt zich het gesteente dolomiet. Dolomiet reageert met opgelost koolstofdioxide dat afkomstig is uit neerslag of uit dieper gelegen aardlagen. In figuur 1 is schematisch weergegeven hoe koolzuurhoudende neerslag in contact komt met dolomiet, waardoor Gerolsteiner® mineraalwater wordt gevormd.

[figuur 1: zie het originele examen]

neerslag + CO2 neerslag + CO2

aard- oppervlak

dolomiet: bron H2O + CO2 Cax Mg(1-x) CO3 He Mg2 HCO3 Ca2 H2O He aard- CO2 mantel

De waarde van x in de verhoudingsformule van dolomiet ligt tussen nul en een.

In het mineraalwater is ook een beetje helium opgelost. Het helium blijkt zowel uit 3He als uit 4He te bestaan. De verhouding tussen de heliumisotopen hangt af van de herkomst van het helium. Dit gegeven hebben onderzoekers gebruikt om te bepalen of het opgeloste CO2 in Gerolsteiner® mineraalwater uitsluitend afkomstig is uit neerslag of ook uit dieper gelegen aardlagen. 4 He ontstaat door het radioactief verval van 238U. Bij dit radioactief verval ontstaat nog één ander deeltje.

Na afscheiding van het helium van de overige gassen kan de verhouding 3 He 4 worden bepaald met behulp van een analysetechniek. He

De oplosbaarheid van CO2 in water is 2,3 g L−1 (T = 283 K, p=p0). CO2 is daarmee ruim 30 keer beter oplosbaar dan O2 onder dezelfde omstandigheden. Dit wordt onder andere veroorzaakt door elektrostatische interacties. Deze interacties treden op tussen moleculen CO2 en H2O maar niet tussen moleculen O2 en H2O.

De koolzuurhoudende variant van Gerolsteiner® mineraalwater heet Gerolsteiner® Sprudel en is vergelijkbaar met SPA® Intense (ook wel bekend als SPA® Rood). In de tabel zijn enkele gegevens van Gerolsteiner® Sprudel en SPA® Intense gegeven.

tabel

gehalte in Gerolsteiner® Sprudel gehalte in SPA® Intense (mg L−1) (mg L−1) HCO3− 1816 18 H2CO3 8,3 8,2

In koolzuurhoudend water stelt zich onder andere evenwicht 1 in.

H2CO3 (aq) + H2O (l) H3O (aq) + HCO3 (aq) (evenwicht 1)

De pH van Gerolsteiner® Sprudel is 5,95. De pH van SPA® Intense is 3,95.

Glyfosaat (H2Glyf) wordt wereldwijd op grote schaal gebruikt als onkruidverdelgingsmiddel. In water komt glyfosaat vooral voor in de vorm van Glyf 2− en HGlyf −. De Kz van HGlyf

• bedraagt 2,5∙10−6.

Het Glyf 2− blokkeert het enzym EPSPS in planten. Dit enzym speelt een belangrijke rol bij de aanmaak van aromatische aminozuren. EPSPS katalyseert de omzetting die is weergegeven in figuur 1.

[figuur 1: zie het originele examen]

O O O O

C C O CH2 enzym EPSPS CH2 O P C O O O O C C O P OH O X P O C O O O O OH O OH O S3P PEP EPSP

Bij deze omzetting ontstaat ook het deeltje X.

In het mechanisme van de omzetting uit figuur 1 neemt een koolstofatoom in het deeltje PEP eerst een H+-ion op. Het gevormde deeltje PEP-H+ heeft sterke overeenkomsten met het deeltje Glyf 2− wat betreft ladingsverdeling. De structuurformule O

H H O 2− van Glyf is hiernaast weergegeven. O P N C + CH2 CH2 O In de structuur van het deeltje PEP-H heeft O één C-atoom geen volledig oktet. Glyf 2

De binding van glyfosaat aan EPSPS is onomkeerbaar, waardoor de aanmaak van aromatische aminozuren geheel tot stilstand komt. Onderzoekers hebben een bacterie ontdekt die glyfosaat-resistent is. De resistentie wordt veroorzaakt door een mutatie in de genetische code voor het enzym EPSPS. Het werkzame enzym dat in de bacterie aanwezig is, wordt aangeduid als CP4. In CP4 is op positie 100 een alanine-eenheid aanwezig, waar in EPSPS een glycine-eenheid aanwezig is.

Om de wereldvoedselopbrengst te verhogen zijn veel gewassen tegenwoordig genetisch gemodificeerd, zodat met glyfosaat uitsluitend het onkruid wordt bestreden. Per jaar wordt ruim 650.000 ton glyfosaat geproduceerd. Het DEA-proces staat bekend als het meest ‘groene’ van de verschillende productiemethoden. Dit proces start met de omzetting van DEA met natronloog tot DSIDA. Deze reactie is weergegeven in figuur 2. DSIDA is een zout dat bestaat uit Na+-ionen en C4H5NO42–-ionen.

[figuur 2: zie het originele examen]

H H H H O H H O HO C C N C C OH 2 OH C C N C C 4 H2

H H H H H O H H H O DEA negatief ion van DSIDA

In een fabriek wordt glyfosaat geproduceerd in batches. Per batch wordt 8,3∙103 kg DSIDA gevormd uit DEA. De omzetting van DEA tot DSIDA heeft een rendement van 86,4%.

Om in een batterij zoveel mogelijk lading op te slaan in zo weinig mogelijk massa, worden batterijen ontworpen waarin zuurstof uit de lucht als oxidator optreedt. In zo’n batterij is dan alleen de reductor opgeslagen. De eigenschappen van de reductor bepalen dan in hoge mate de ladingsdichtheid. Ladingsdichtheid is gedefinieerd als de hoeveelheid lading per massa-eenheid. De aluminium-luchtbatterij is bijvoorbeeld al verkrijgbaar en veel onderzoek wordt verricht aan de lithium-luchtbatterij.

In figuur 1 is een lithium-luchtbatterij figuur 1 schematisch weergegeven. In deze opgave worden eerst de Li O2 elektroden en dan het membraan behuizing besproken.

membraan poreuze elektrode I de elektroden Op het grensvlak van het lithium en het membraan verloopt bij stroomlevering halfreactie 1.

Li → Li+ + e– (halfreactie 1)

Een onderzoeksgroep heeft voor de poreuze elektrode een elektrode-materiaal ontwikkeld op basis van een polymeer. In het materiaal zijn katalysatordeeltjes aanwezig, die de omzetting van zuurstof katalyseren. Bij deze omzetting wordt onder andere het O2–-ion gevormd. Dit ion is erg reactief en tast organische oplosmiddelen en membranen aan. Een van beide atomen in het O2–-ion voldoet niet aan de oktetregel.

De katalysator die door de onderzoeksgroep werd gebruikt, is erg duur en door de vele bijreacties raakte het elektrodemateriaal snel beschadigd. Een andere onderzoeksgroep heeft een elektrodemateriaal ontwikkeld op basis van een eiwit. Dit materiaal bleek de genoemde nadelen minder te vertonen. De eerste stappen in de productie van dit materiaal waren globaal als volgt:

Het DNA van een virus wordt gemodificeerd.

Het virus produceert een eiwit.

Aan een oplossing van dit eiwit wordt in licht basisch milieu een oplossing met daarin Mn2+-ionen toegevoegd. De Mn2+-ionen binden aan de peptideketens door middel van ion-bindingen. De onderzoekers hebben de genetische code voor het eiwit veranderd met als doel dat de peptideketens meer Mn2+-ionen konden binden. Hieronder zijn met behulp van de 1-lettersymbolen van aminozuren de volgordes weergegeven van de aminozuureenheden in een deel van het oorspronkelijke eiwit en in een deel van het genetisch gemodificeerde eiwit.

peptideketen A ~ADVYESALPDPAKAAFN~ peptideketen B ~ADVYESALPDPAEAAFE~

II het membraan Het membraan in de lithium-luchtbatterij is een composiet die CH2 CH3 bestaat uit een polymeer en een zogeheten ionische vloeistof. N Een ionische vloeistof is een zout dat bij kamertemperatuur vloeibaar is. Hiernaast is een van de aanwezige ionen van het N CH3 gebruikte zout weergegeven. De lading van het ion is hierbij weggelaten.

Als polymeer voor het membraan gebruikten de onderzoekers het copolymeer PVDF-HFP. Dit copolymeer is door polyadditie ontstaan uit 1,1-difluoretheen en hexafluorpropeen.

Het lithium in de batterij mag niet in contact komen met lucht of water. Het membraan moet daarom heel precies in vorm worden gebracht. Een materiaal kan op twee manieren in vorm worden gebracht:

1 door het te smelten, waarna het in een mal kan worden gespoten;

2 door bewerkingen, zoals snijden en slijpen.

De totaalvergelijking van de omzettingen die verlopen in de lithium-luchtbatterij is hieronder weergegeven.

2 Li + O2 → Li2O2

Omdat de lithium-luchtbatterij oplaadbaar is, kan deze batterij worden gebruikt in bijvoorbeeld een auto. Het nuttig rendement bij de omzetting van chemische energie naar bewegingsenergie is hierbij 70%. De rest van de energie gaat verloren aan warmteontwikkeling en wrijving. De onderzoekers hebben een lithium-luchtbatterij gemaakt die 45 g lithium bevatte. De vormingswarmte van Li2O2 is –6,43∙105 J mol–1.