Dit examen is verwerkt in een arrangement, waarbij de oefening centraal staat.
De antwoorden op de open vragen kun je invullen, zodra je op de knop 'controleer antwoord' drukt, worden de mogelijke antwoorden onder het kopje 'Uitleg' zichtbaar.
Bij de vragen waarbij een berekening wordt gevraagd, kun je het antwoord invullen in de invulbalk. Als je nu op de knop 'controleer antwoord' drukt, krijg je tekst 'Goed' te zien, als het antwoord juist is. Zo niet dat wordt aangegeven dat het antwoord 'fout' is en gelijktijdig zie je de juiste oplossing.
Bij vragen met 2 of meer punten is aangegeven met bolletjes wat de goede deelantwoorden zijn. Op deze manier kun je zelf een inschatting maken van de score die je antwoord oplevert.
De open vragen kun je ook op een stuk papier maken en vervolgens op de knop 'controleer antwoord' drukken. Je kunt dan ook zien of je antwoord goed is.
Als je (type)fouten in het examen opmerkt, of de uitleg bij een bepaalde opgave onvoldoende vindt, dan verzoek ik je een mail te sturen naar dicknaafs@live.nl
Dick Naafs, oud-docent scheikunde
PAL
PAL is een enzym dat voorkomt in planten en micro-organismen. PAL zet het aminozuur fenylalanine om tot kaneelzuur. De omzetting van fenylalanine door PAL is in figuur 1 weergegeven met een onvolledige vergelijking.
Uit onderzoek naar de structuur van PAL bleek dat in PAL een opvallende kenmerkende groep aanwezig is: de zogeheten MIO-groep. De MIO-groep is in figuur 2 weergegeven. De MIO-groep wordt bij de synthese van PAL gevormd door ringsluiting van een deel van de eiwitketen dat kan worden weergegeven met ~ Ala – Ser – Gly ~.
De onderzoekers vermoedden dat de MIO-groep een rol speelt in de omzetting van fenylalanine tot kaneelzuur. Om vast te stellen welke aminozuureenheden nog meer een rol spelen bij de omzetting, hebben ze rondom de MIO-groep veranderingen aangebracht in de aminozuursamenstelling van PAL. Wanneer op positie 110 het aminozuur Phe werd ingebouwd, bleek de gevormde PAL nauwelijks nog katalytische activiteit te vertonen. In actieve PAL is op plaats 110 de aminozuureenheid Tyr (Tyr110) aanwezig.
Om deze PAL-variant te kunnen produceren, hebben de onderzoekers in een micro-organisme een puntmutatie aangebracht in het deel van het DNA dat codeert voor PAL. Een puntmutatie is de vervanging van een basenpaar in het DNA door een ander basenpaar. De code voor het eerste aminozuur van PAL begint bij het basenpaar met nummer 1.
Het pH-optimum van PAL ligt bij pH = 8,80. Bij deze pH komen moleculen fenylalanine vooral voor in de vorm zoals hieronder is weergegeven.
De Kz van de ~NH3+ groep in fenylalanine bedraagt 7,4·10–10.
Nader onderzoek leidde uiteindelijk tot opheldering van de rol van de MIO-groep en van Tyr110 bij de omzetting van fenylalanine tot kaneelzuur. De volgende punten zijn vastgesteld:
− De MIO-groep bevindt zich in een holte van het enzym en katalyseert de omzetting van fenylalanine;
− de restgroep van Tyr110 bevindt zich bij de ingang van deze holte;
− bij het pH-optimum van PAL heeft de restgroep van Tyr110 een negatieve lading.
In figuur 3 is schematisch weergegeven hoe volgens de onderzoekers een fenylalanine-deeltje het actieve centrum van een molecuul PAL nadert.
Tyr110 oefent aantrekkende en afstotende krachten uit op atoomgroepen van een fenylalanine-deeltje.
Door deze interacties wordt het fenylalaninedeeltje georiënteerd zoals in figuur 3 is weergegeven.
In een meting bleek een monster van 148 mg onzuivere PAL de vorming van 158 µmol kaneelzuur per minuut te katalyseren. Het monster bestond voor 90 massa% uit PAL. De overige 10 massa% bestond uit enzymen zonder katalytisch effect op de reactie. Met behulp van deze gegevens is het mogelijk de turnover frequency (TOF) te berekenen. De TOF is gedefinieerd als het aantal substraatmoleculen dat per minuut door één molecuul PAL kan worden omgezet.
Waterstofopslag in carbazool
Waterstof wordt pas een alternatief voor het gebruik van benzine als autobrandstof, wanneer waterstofauto’s met een volle tank eenzelfde afstand kunnen afleggen als een gangbare benzineauto met een tank gevuld met 50 liter benzine. Uit metingen is gebleken dat een benzineauto voor het afleggen van eenzelfde afstand tweemaal zoveel chemische energie nodig heeft als een waterstofauto.
Waterstof als brandstof heeft als groot nadeel dat het onder hoge druk moet worden opgeslagen.
Daarom wordt veel onderzoek gedaan naar manieren om waterstof chemisch te binden aan een drager.
Recent onderzoek richt zich op N-ethylcarbazool als waterstofdrager.
N-ethylcarbazool bindt waterstof door additie.
Alle dubbele bindingen in N-ethylcarbazool worden hierbij omgezet tot enkelvoudige bindingen.
Het product wordt perhydro-N-ethylcarbazool genoemd. De massa neemt hierbij minder dan 10% toe.
In een experiment is het verloop van de additie van waterstof aan N-ethylcarbazool onderzocht.
Het bleek dat in de loop van het experiment enkele tussenproducten konden worden aangetoond.
Van de beginstof en het eindproduct en van een aantal tussenproducten is het verloop van de concentraties gemeten.
In figuur 1 zijn enkele resultaten van de metingen weergegeven.
De schaal op de y-assen verschilt per diagram. Het volume van het reactiemengsel was gedurende het gehele experiment constant.
Uit de diagrammen kan worden opgemaakt welke van de vijf weergegeven omzettingen de snelheidsbepalende stap is voor de omzetting van N-ethylcarbazool tot perhydro-N-ethylcarbazool.
In de waterstofauto wordt het perhydro-N-ethylcarbazool in aanwezigheid van een katalysator verwarmd tot 200 °C.
In een endotherme reactie wordt waterstof gevormd dat in de auto naar een brandstofcel wordt gevoerd.
Zuivere waterstof is zeer explosiegevaarlijk.
Door het gebruik van perhydro-N-ethylcarbazool als waterstofdrager wordt dit probleem voorkomen.
Op de uitwerkbijlage bij dit examen (zie hieronder) is het energiediagram voor de vorming van waterstof uit perhydro-N-ethylcarbazool onvolledig weergegeven.
Hierin ontbreekt onder andere het niveau van de reactieproducten.
De invloed van de katalysator op het verloop van deze reactie kan met behulp van dit energiediagram duidelijk worden gemaakt door energieniveaus met bijbehorende bijschriften te plaatsen.
Polymeren maken de chip
Een computerchip wordt gemaakt van een dunne plaat van puur silicium, een zogeheten wafer. Hierop worden patronen van afwisselend geleidende en niet-geleidende materialen aangebracht. Om deze patronen aan te brengen, maakt men gebruik van een fotogevoelig materiaal, waarvan de oplosbaarheid verandert onder invloed van uv-licht. Een veelgebruikt fotogevoelig materiaal bevat onder andere een copolymeer dat door additiepolymerisatie is ontstaan uit 4-hydroxystyreen en BOC-4-hydroxystyreen. Dit copolymeer noemen we in deze opgave copolymeer X.
BOC-4-hydroxystyreen wordt gemaakt uit 4-hydroxystyreen en di-tert-butyldicarbonaat. Bij deze reactie ontstaan, behalve BOC-4-hydroxystyreen, ook methylpropaan-2-ol en één andere stof. Op de uitwerkbijlage vind je een onvolledige vergelijking voor deze reactie.
Op de wafer wordt eerst een laag siliciumdioxide aangebracht. Daarop wordt een fotogevoelige laag aangebracht. De fotogevoelige laag bevat copolymeer X en een fotogevoelige stof, PAG.
De fotogevoelige laag wordt met uv-licht in het gewenste patroon beschenen.
Onder invloed van uv-licht vormt een molecuul PAG één H+ ion.
De gevormde H+ ionen zitten niet vast op één plek, maar diffunderen langzaam door de fotogevoelige laag.
De H+ ionen katalyseren de omzetting van de BOC-4hydroxystyreen-eenheden uit copolymeer X tot 4-hydroxystyreeneenheden, methylpropeen en koolstofdioxide.
Na het belichten zijn in de belichte delen alle BOC-4-hydroxystyreeneenheden omgezet. Vervolgens wordt de wafer gespoeld met een oplosmiddel. In figuur 1 is het belichten en spoelen van een deel van de wafer schematisch weergegeven.
Poly-4-hydroxystyreen en copolymeer X verschillen in hun oplosbaarheid.
Ze lossen beide niet goed op in water.
Maar poly-4-hydroxystyreen lost wel op in een basische oplossing en copolymeer X niet.
Door te spoelen met een basische oplossing lossen alleen die delen van de fotogevoelige laag op die met uv-licht zijn beschenen.
De oplosbaarheid van poly-4-hydroxystyreen in een basische oplossing is te verklaren met behulp het gegeven dat de OH groep van elke 4-hydroxystyreeneenheid in een basische oplossing een H+ afstaat.
Wanneer methoxybenzeen als oplosmiddel wordt gebruikt bij het ontwikkelen, lossen alleen die delen van de fotogevoelige laag op die niet met uv-licht zijn beschenen.
Nadat de wafer is ontwikkeld, wordt hij geëtst met een gasmengsel van CF4 en H2.
Hierbij wordt de SiO2 laag verwijderd op de plekken waar deze niet wordt beschermd door de fotogevoelige laag. Zo ontstaat het gewenste patroon in de SiO2 laag.
Onder de gebruikte omstandigheden valt een groot deel van de moleculen CF4 en H2 uiteen en worden radicalen en dubbelradicalen gevormd.
Het mengsel dat zo ontstaat wordt een plasma genoemd.
In dit plasma treden de volgende reacties op:
CF4 → CF2•• + 2 F• (reactie 1)
H2 → 2 H• (reactie 2)
H• + F• → HF (reactie 3)
Dit plasma reageert vervolgens met SiO2:
SiO2 (s) + 4 F• → SiF4 (g) + 2 O•• (reactie 4)
SiO2 (s) + 2 CF2•• → SiF4 (g) + 2 CO (g) (reactie 5)
Op plekken waar de SiO2 laag weg gereageerd is, kan het plasma ook met het silicium reageren volgens:
Si (s) + 4 F• → SiF4 (g) (reactie 6)
Het doel van het etsen is om uitsluitend de SiO2 laag te verwijderen terwijl de Si laag intact blijft.
De concentratie H2 in het plasmamengsel beïnvloedt zowel de snelheid waarmee SiO2 wordt geëtst (de etssnelheid) als de mate waarin SiO2 ten opzichte van Si wordt geëtst (de selectiviteit)
Chemicaliën uit biomassa
Chemicaliën die in de chemische industrie in grote hoeveelheden worden gebruikt (bulkchemicaliën) worden nu vaak gemaakt van aardolie. Om het gebruik van aardolie terug te dringen, wordt veel onderzoek gedaan om deze bulkchemicaliën te produceren op basis van biomassa. Glutaminezuur is in veel plantenafval het meest voorkomende aminozuur. In een onderzoek is gekeken of glutaminezuur uit plantenafval gewonnen kan worden met behulp van een zogenoemde reactieve extractie. Daartoe werden water en een overmaat butaan-1-ol toegevoegd aan een hoeveelheid gehydrolyseerd plantenafval. Butaan-1-ol lost slecht op in water en vormt een laag boven op het water. Het glutaminezuur vormt een di-ester met butaan-1-ol. De gevormde diester lost vervolgens op in de laag butaan-1-ol.
Behalve glutaminezuur reageren ook de andere aminozuren met butaan-1-ol tot esters. De vorming van deze esters treedt op aan het grensoppervlak van beide vloeistoffen. De omzetting verloopt sneller wanneer het reactiemengsel intensief wordt geroerd.
Na het afscheiden van de gevormde (di-)esters van aminozuren uit butaan-1-ol worden de esters gehydrolyseerd. Uit het onderzoek bleek dat het mogelijk is om op deze wijze uit plantenafval een mengsel van aminozuren te winnen met een hoog gehalte aan glutaminezuur. Een Nederlandse onderzoeker heeft in zijn proefschrift een vervolgonderzoek hierop gepubliceerd. Hij heeft onderzocht of uit het onzuivere glutaminezuur twee belangrijke bulkchemicaliën kunnen worden geproduceerd. Deze chemicaliën zijn N-vinylpyrrolidon (NVP) en N-methylpyrrolidon (NMP). NVP is het monomeer voor het veelgebruikte polymeer polyvinylpyrrolidon dat via additiepolymerisatie wordt gevormd uit NVP.
NMP is een oplosmiddel dat op grote schaal wordt gebruikt om koolwaterstoffen op te lossen. Het is ook goed oplosbaar in water. De oplosbaarheid van NMP in water is te verklaren met behulp van de Lewisstructuur van een mesomere grensstructuur van NMP. In deze Lewisstructuur komen formele ladingen voor.
In figuur 1 zijn de routes weergegeven die de onderzoeker voorstelt om glutaminezuur uit het mengsel van aminozuren om te zetten tot NMP en NVP. In figuur 1 is een aantal structuurformules schematisch weergegeven.
In reactie 1 uit figuur 1 wordt het onzuivere glutaminezuur omgezet tot de stof GABA en CO2. In een scheidingsruimte wordt GABA gescheiden van het afval, waarin onder andere ongereageerde aminozuren aanwezig zijn. In reactie 2 treedt ringsluiting van GABA op waarbij water ontstaat.
In reactie 2 ontstaat 2-pyrrolidon, de grondstof voor zowel NMP als NVP. Voor de productie van NVP laat men in reactie 4 het 2-pyrrolidon reageren met ethyn.
De onderzoeker heeft de verschillende stappen voor de productie van NMP en NVP uit glutaminezuur onderzocht met behulp van laboratoriumreactoren. Op basis van de resultaten heeft hij een industrieel productieproces ontworpen. Dit proces kan worden weergegeven met een blokschema. Dit blokschema is op de uitwerkbijlage onvolledig weergegeven. Hieronder is het productieproces van NMP en NVP beschreven.
1 In reactor R1 wordt een mengsel van aminozuren ingevoerd. In R1 vindt reactie 1 uit figuur 1 plaats.
Voor reactie 1 zijn zowel de omzetting als de selectiviteit 100%.
2 In scheidingsruimte S1 wordt het mengsel afkomstig uit R1 volledig gescheiden in GABA en afval van de ongereageerde
aminozuren.
3 In R2 vindt reactie 2 plaats. Voor reactie 2 zijn zowel de omzetting als de selectiviteit 100%.
4 In R2 treedt ook reactie 3 op. Methanol is hier in overmaat aanwezig. Voor reactie 3 is de omzetting 50%
en de selectiviteit 92%.
5 In S2 wordt het mengsel afkomstig uit R2 met behulp van destillatie gescheiden in vier stromen: NMP, 2-pyrrolidon,
methanol en afval. De overmaat methanol kan voor 95% worden teruggevoerd naar R2.
De overige 5% bevindt zich met onder andere water in het afval van S2.
6 Het 2-pyrrolidon dat in R2 niet heeft gereageerd wordt volledig doorgevoerd naar reactor R3.
Hier treedt reactie 4 op. Voor reactie 4 is de omzetting 100% en de selectiviteit 90%.
7 In S3 wordt ten slotte het NVP gescheiden van een afvalstroom.
De term omzetting geeft aan welk percentage van het aantal mol beginstof in een reactie is omgezet.
De term selectiviteit geeft aan welk percentage van het aantal mol omgezette stof heeft gereageerd tot het gewenste product.
De bovenstaande meetgegevens zijn verkregen in een laboratoriumopzet van de fabriek.
De metingen zijn gedaan aan een mengsel van aminozuren waarin 1538 kg glutaminezuur aanwezig was.
Het arrangement VWO Scheikunde examen 2017 1e tijdvak is gemaakt met
Wikiwijs van
Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt,
maakt en deelt.
Auteur
Dick Naafs
Je moet eerst inloggen om feedback aan de auteur te kunnen geven.
Laatst gewijzigd
2017-07-06 20:44:50
Licentie
Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding 3.0 Nederlands licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding vrij bent om:
het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat
het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.
Leeromgevingen die gebruik maken van LTI kunnen Wikiwijs arrangementen en toetsen afspelen en resultaten
terugkoppelen. Hiervoor moet de leeromgeving wel bij Wikiwijs aangemeld zijn. Wil je gebruik maken van de LTI
koppeling? Meld je aan via info@wikiwijs.nl met het verzoek om een LTI
koppeling aan te gaan.
Maak je al gebruik van LTI? Gebruik dan de onderstaande Launch URL’s.
Arrangement
IMSCC package
Wil je de Launch URL’s niet los kopiëren, maar in één keer downloaden? Download dan de IMSCC package.
Wikiwijs lesmateriaal kan worden gebruikt in een externe leeromgeving. Er kunnen koppelingen worden gemaakt en
het lesmateriaal kan op verschillende manieren worden geëxporteerd. Meer informatie hierover kun je vinden op
onze Developers Wiki.
