VWO Scheikunde examen 2017 2e tijdvak met video-uitleg
VWO Scheikunde examen 2017 2e tijdvak met video-uitleg
Vooraf
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
De filmpjes met uilteg over de verschillende opgaven zijn toegevoegd door Wouter Renkema.
Kerosine uit zonlicht
Europese chemici zijn erin geslaagd om vliegtuigbrandstof (kerosine) te produceren uit koolstofdioxide en water. De onderzoekers gebruikten voor deze omzetting een zogeheten solar-reactor. Hierin wordt zonlicht gebundeld waardoor in de reactor een zeer hoge temperatuur ontstaat. De reactie (reactie 1) tussen koolstofdioxide en water verloopt bij hoge temperatuur (1000 K).
4 H2O + 2 CO2 --> 2 CO + 4 H2 + 3 O2 (reactie 1)
De gevormde zuurstof moet worden verwijderd voordat het gasmengsel verder kan worden gebruikt.
De onderzoekers hebben hiervoor in de reactor een fijn gaas aangebracht, bedekt met cerium(III)oxide.
Als cerium(III)oxide reageert met zuurstof ontstaat cerium(IV)oxide (reactie 2).
Uiteindelijk wordt door reacties 1 en 2 een mengsel van CO en H2 verkregen.
Het in de reactor gevormde cerium(IV)oxide kan door sterke verhitting weer worden omgezet tot cerium(III)oxide (reactie 3).
De onderzoekers willen reacties 1 en 2 uitvoeren met een continue instroom en uitstroom van de gassen.
Om de productie van CO en H2 uit te voeren als een continuproces moeten reacties 1 en 3 tegelijk plaatsvinden.
Het gasmengsel waar de zuurstof uit is verwijderd, ook wel syngas genoemd, werd door de onderzoekers met het Fischer-Tropsch-proces omgezet tot kerosine. De gevormde kerosine had een gemiddelde molecuulformule van C14H28. Als bijproduct ontstond alleen water.
video-uitleg kerosine uit zonlicht (vraag 1 t/m 6)
KNOxOUTTM-verf
Stikstofoxiden (NOx) worden voornamelijk uitgestoten door motorvoertuigen en zijn een belangrijke veroorzaker van luchtvervuiling en zure regen. Vooral het roodbruine NO2 is giftig en een belangrijke veroorzaker van smog.
In Makati, een grote stad in de Filipijnen, is een groot project van start gegaan om de NOx-uitstoot te verminderen.
Het gemeten gemiddelde volumepercentage NO2 op de plek van het project (metrostation Guadalupe) was in 2009 meer dan 9,6·10–6 %.
In Makati verfde men het drukke metrostation Guadalupe met een speciaal soort verf: de zogeheten KNOxOUT™-verf van de Filipijnse firma Boysen. Deze verf zorgde ervoor dat de NOx-concentratie drastisch daalde.
Dit succes is te danken aan de katalysator TiO2 die in de verf verwerkt is.
TiO2 zet water- en zuurstofmoleculen onder invloed van uv-straling om volgens reactie 1.
H2O + O2 --> H+ + HO• + O2– (reactie 1)
De gevormde deeltjes reageren met NOx tot salpeterzuur.
Hierbij wordt uit elk deeltje NOx één deeltje salpeterzuur gevormd.
Het gevormde salpeterzuur wordt vervolgens door het in de verf aanwezige calciumcarbonaat (CaCO3) volledig geneutraliseerd.
De stoffen die bij deze reactie ontstaan, spoelen tijdens een regenbui weg.
Als het gevormde salpeterzuur volledig wordt geneutraliseerd door calciumcarbonaat ontstaan CO2 en opgelost calciumnitraat.
In het experiment in Makati werd in totaal 4100 m2 muur geverfd.
Gemiddeld zette de verf per m2 muur 0,26 gram aan NOx per dag om tot salpeterzuur. Er is gepland om de muur elke vijf jaar opnieuw te verven.
video-uitleg KNOxOUT verf (vraag 7 t/m 10)
Batterijen opladen met NaSi
In 2012 werd op een vakantiebeurs een draagbare batterijoplader gepresenteerd om bijvoorbeeld een mobieltje op te laden.
In de oplader bevindt zich een eenmalig te gebruiken capsule met natriumsilicide. Het benodigde natriumsilicide wordt bereid door siliciumpoeder en vloeibaar natrium met elkaar te laten reageren bij 400 °C.
De verhoudingsformule van natriumsilicide is NaSi. Natriumsilicide is opgebouwd uit Na+ en Si44– ionen. Een Si44– ion heeft de vorm van een tetraëder. Op elk hoekpunt van de tetraëder is een Si deeltje aanwezig.
In de oplader wordt het natriumsilicide in contact gebracht met water, waarbij waterstof ontstaat (reactie 1).
2 NaSi (s) + 5 H2O (l) --> Na2Si2O5 (s) + 5 H2 (g) (reactie 1)
In de technische toelichting bij de oplader staat dat een capsule 4,5 g natriumsilicide-poeder bevat.
Per capsule ontstaat 4,0 L waterstofgas (T = 298 K, p = p0).
De gevormde waterstof stroomt naar het andere deel van de oplader waar zich een waterstofbrandstofcel bevindt. In de waterstofbrandstofcel wordt de waterstof omgezet tot water.
Bijzonder aan deze oplader is dat de oplader voor gebruik moet worden gevuld met water. Een persbericht over deze oplader kreeg daarom als titel ‘Mobieltje opladen met water’. Deze titel lijkt te suggereren dat de oplader zijn energie uit water haalt.
De oplader wordt in persberichten aangeprezen als duurzaam.
Om dat te onderbouwen, noemt de fabrikant de volgende punten:
- natriumsilicide wordt bereid uit grondstoffen die zeer ruimschoots aanwezig zijn op aarde: natriumchloride en siliciumdioxide (zand);
- de reactie waarbij natriumsilicide wordt gevormd uit natrium en silicium kost geen energie en levert geen enkel bijproduct op;
- tijdens stroomlevering komt alleen waterdamp in de atmosfeer;
- de capsule kan na gebruik bij het gewone afval omdat de uitgewerkte capsule geen schadelijke stoffen bevat.
Twee leerlingen twijfelen over de duurzaamheid van deze oplader.
Ze merken dat de fabrikant positieve punten noemt, zoals de goede atoomeconomie van de vorming van natriumsilicide. Om een goede afweging te kunnen maken of deze oplader duurzaam is in productie en gebruik, vullen ze de bovenstaande opsomming aan. Ze noteren enkele gegevens over productie en gebruik van de oplader, waaruit blijkt dat niet wordt voldaan aan enkele uitgangspunten in de groene chemie.
Om de waterstofproductie per gram poeder te verhogen heeft de fabrikant nog een andere capsule ontwikkeld waarin behalve natriumsilicide ook natriumboorhydride (NaBH4) aanwezig is.
De reactie tussen natriumsilicide-poeder en water verloopt snel en exotherm. Natriumboorhydride-poeder reageert maar heel langzaam met water. Opmerkelijk is dat in het mengsel van natriumsilicide-poeder en natriumboorhydride-poeder beide stoffen snel worden omgezet.
De fabrikant vermeldt niet in welke verhouding de twee stoffen gemengd zijn, maar wel dat 100 g van het mengsel na de reactie met water maximaal 15,7 g waterstof kan leveren.
Uit de reactie van natriumboorhydride met water ontstaan waterstof, natriumhydroxide en B(OH)3. Dit is reactie 2.
video-uitleg batterijen opladen met NaSi (vraag 11 t/m 17)
Zwetende gebouwen koelen af
Het koelen van kantoorgebouwen kost veel energie. Een manier om de energiekosten voor het koelen te verminderen is het dak van het gebouw met sponsachtig materiaal te bedekken dat regenwater opneemt.
Wanneer later de zon schijnt, verdampt het water waardoor het gebouw minder opwarmt. Een groep wetenschappers heeft onderzocht of een hydrogel hiervoor een geschikt materiaal is. Een hydrogel is een
homogeen mengsel van een polymeer met water. De watermoleculen zijn ingesloten tussen de polymeerketens. Interacties tussen de ketens zorgen ervoor dat het mengsel niet vloeibaar is en niet ontmengt.
Wetenschappers onderzochten eerst of een hydrogel gebaseerd op het polymeer pHEMA geschikt was om gebouwen te koelen. pHEMA is het additiepolymeer van HEMA.
pHEMA wordt bereid door aan een mengsel van HEMA met water een kleine hoeveelheid ammoniumpersulfaat, (NH4)2S2O8, toe te voegen. De initiatiereactie van de polymerisatie is hieronder weergegeven.
S2O82– --> 2 SO4– (initiatie)
Het deeltje SO4– is het radicaal dat de polymerisatie op gang brengt.
Het radicaal SO4– reageert met HEMA, waardoor uiteindelijk pHEMA ontstaat.
pHEMA kan veel water opnemen. Als pHEMA geheel met water wordt verzadigd, bedraagt het massapercentage water in de ontstane hydrogel 72%.
Omdat pHEMA in de praktijk bleek tegen te vallen, is het verwante polymeer pNIPAM onderzocht. In figuur 1 is een gedeelte van de microstructuur van pNIPAM weergegeven. pNIPAM is een netwerkpolymeer dat wordt gemaakt uit twee monomeren. Bij de polymerisatie treden uitsluitend additiereacties op.
Als pNIPAM-korrels worden samengevoegd met water bij een temperatuur onder 306 K zwelt het materiaal op door opname van water. Ketendelen van pNIPAM worden dan volledig omgeven door watermoleculen.
Hieronder is figuur 1 nogmaals weergegeven.
Als een dak wordt bedekt met een laag pNIPAM-korrels, kan het materiaal water opnemen tijdens regenbuien. Als dan later de zon schijnt neemt de natte hydrogel energie op én verdampt het water. Hierdoor zal een
gebouw minder opwarmen. Omdat het proces herhaalbaar is, kan het materiaal langere tijd worden gebruikt.
Het eerder onderzochte pHEMA is niet geschikt voor deze toepassing omdat bij het verdampen van water zich een harde korst van pHEMA vormt. Hierdoor wordt de opname van water belemmerd.
De onderzoekers veronderstellen dat dit wordt veroorzaakt doordat tijdens het opdrogen de polymeerketens van pHEMA zich regelmatig rangschikken waardoor kristallijne gebieden worden gevormd. De interacties tussen de ketens zijn dan zo sterk dat watermoleculen niet meer tussen de ketens kunnen dringen.
Om de koelende werking van pNIPAM te onderzoeken, zijn temperatuurmetingen gedaan aan een miniatuurhuis waarvan het dak met een laag pNIPAM-korrels is bedekt. Aan het begin van de meting werd de laag verzadigd met water. Het miniatuurhuis werd vervolgens verwarmd onder een sterke lamp, terwijl de temperatuur van de natte hydrogel werd gemeten. De temperatuur van de natte hydrogel steeg van 297 K tot 306 K door de opname van energie. Bij 306 K bleef de temperatuur constant totdat al het aanwezige water was verdampt.
De totale hoeveelheid energie die op dat moment is opgenomen door de pNIPAM-laag hoeft niet meer door koeling te worden afgevoerd.
video-uitleg zwetende gebouwen koelen af (vraag 18 t/m 24)
De bacteriële celwand
Bacteriën hebben behalve een celmembraan ook een celwand om hun cellen. Het belangrijkste bestanddeel van deze celwand is mureïne.
Mureïne bestaat uit lange sacharide-ketens die door korte peptideketens met elkaar zijn verbonden. In de sacharide-keten zijn afwisselend eenheden NAG en NAM aanwezig. In figuur 1 is een deel van de keten van mureïne weergegeven.
NAG en NAM zijn beide afgeleid van één van de monosachariden die zijn weergegeven in Binas-tabel 67F.
Aan iedere NAM-eenheid is in R2 een korte peptideketen gebonden. Zowel het aantal aminozuren in de peptideketen als de samenstelling van de aminozuren is hierbij afhankelijk van de bacteriesoort. In figuur 2 is de
peptideketen weergegeven die voorkomt in mureïne van de bacteriesoort E. coli. Aminozuur 2 in deze peptideketen is op een afwijkende manier in de keten opgenomen.
Aminozuur 3 in de peptideketen bij E. coli is het zogeheten diaminopimelinezuur (DAP).
De verschillende sacharide-ketens van mureïne liggen parallel aan elkaar.
Tussen de peptideketens aan de NAM-eenheden worden peptidebindingen gevormd. Hierdoor ontstaan crosslinks zoals in figuur 3 schematisch is weergegeven.
In E. coli komen crosslinks voor tussen het derde en het vierde aminozuur in de peptideketens.
Op de uitwerkbijlage zijn de structuurformules van twee mureïne-ketens van E. coli tweemaal weergegeven: eenmaal vóór de vorming van de crosslink en eenmaal ná de vorming van de crosslink.
In de weergave ‘na vorming crosslink’ zijn van sommige aminozuren enkele O en H atomen weggelaten.
Het arrangement VWO Scheikunde examen 2017 2e tijdvak met video-uitleg is gemaakt met
Wikiwijs van
Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt,
maakt en deelt.
Auteur
Wouter Renkema
Je moet eerst inloggen om feedback aan de auteur te kunnen geven.
Laatst gewijzigd
2017-09-03 21:26:12
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.
