VWO scheikunde-examen 2016 1e tijdvak met video-uitleg
VWO scheikunde-examen 2016 1e tijdvak met video-uitleg
Nitromusks
Muskus is een belangrijke geur die onderdeel uitmaakt van vrijwel alle parfums.
Al ver voor het begin van onze jaartelling werd er gehandeld in muskus.
Door het geringe aanbod was natuurlijke muskus altijd uiterst kostbaar.
De belangrijkste geurstof in muskus is muscon, een stof met de molecuulformule C16H30O.
De structuurformule van muscon is hieronder schematisch weergegeven.
De productie van synthetische muscon is nooit van de grond gekomen.
Het rendement van de voorgestelde bereidingswijzen was steeds erg laag, mede vanwege het grote aantal tussenstappen.
Ook kwamen goedkopere vervangers voor muscon beschikbaar: de nitromusks.
De nitromusks zijn eenvoudig te bereiden uit goedkope grondstoffen.
Zo kan muskxyleen (MX) worden bereid in slechts twee stappen die in figuur 1 zijn weergegeven.
In stap 1 uit figuur 1 laat men 1,3-dimethylbenzeen reageren met methylpropeen.
Deze omzetting heeft een rendement van 75%.
Vervolgens laat men de ontstane stof na zuivering reageren met geconcentreerd salpeterzuur tot MX en water.
Deze tweede stap heeft een rendement van 88%.
MX hecht goed aan textiel, waardoor de geur lang blijft hangen.
MX is hydrofoob. Daarom is het opmerkelijk dat MX goed hecht aan bijvoorbeeld katoen.
Katoen bestaat vooral uit cellulose. Van katoen is bekend dat het goed water kan binden.
Het blijkt dat de binding aan katoen vooral door de in MX aanwezige ~NO2 groepen plaatsvindt.
Met behulp van Lewisstructuren kan worden verklaard waarom MX goed hecht aan katoen.
Hieronder zijn een nitrogroep van MX en een gedeelte van een molecuul cellulose schematisch en onvolledig weergegeven.
Het bleek dat nitromusks kunnen worden aangetoond in oppervlaktewater en in het vetweefsel van vissen en mensen.
Omdat nitromusks ervan worden verdacht kankerverwekkend te zijn, is het gebruik sterk teruggedrongen.
Uit kwalitatief onderzoek aan vissen bleek dat MX wordt opgenomen uit het water via de huid, waarna het zich in het onderhuids vetweefsel ophoopt.
Onderzoekers stelden de hypothese op dat MX de huid in beide richtingen kan passeren.
Het verdelingsevenwicht van MX in het water en in het vetweefsel kan worden voorgesteld als:
Op basis van modelproeven leidden de onderzoekers af dat de waarde van de evenwichtsconstante K van bovengenoemd evenwicht ongeveer
4·103 moest bedragen.
Om deze waarde te toetsen, werd een kwantitatief onderzoek aan vissen uitgevoerd. In een aquarium werden vissen blootgesteld aan een constant gehalte MX van 22,5 nanogram MX per liter.
Men stelde vast dat [MX (vet) ] in het vetweefsel van de vissen aanvankelijk snel steeg, maar zich na enige tijd stabiliseerde bij 105 microgram MX per liter vet.
video-uitleg nitromusks (vraag 1 t/m 5)
Heet
Voor het snijden van ijzeren voorwerpen zoals spoorrails worden snijbranders gebruikt.
In een snijbrander wordt vrijwel altijd acetyleen (ethyn, C2H2) gebruikt in combinatie met zuivere zuurstof.
Met deze ethyn-zuurstofvlam kan een vlamtemperatuur van ruim boven het smeltpunt van ijzer worden bereikt.
Andere koolwaterstoffen zoals ethaan (C2H6) zijn onbruikbaar voor het snijden van ijzer door een te lage vlamtemperatuur.
De temperatuur die een vlam maximaal kan bereiken, hangt vooral af van twee factoren:
− de reactiewarmte van de verbranding van de brandstof;
− welke verbrandingsproducten ontstaan en in welke hoeveelheden.
Als aangenomen wordt dat ethyn volledig verbrandt, ontstaan koolstofdioxide en waterdamp.
Wanneer verlies van energie naar de omgeving wordt verwaarloosd, wordt de vrijkomende energie uitsluitend gebruikt om koolstofdioxide en waterdamp te verwarmen.
Met behulp van de reactiewarmte van de verbranding (de verbrandingswarmte) van ethyn en de soortelijke warmtes van koolstofdioxide en water kan de
temperatuurstijging van het gasmengsel berekend worden.
Bij volledige verbranding van ethyn zou de maximale temperatuur van de vlam boven 7·103 K liggen.
De soortelijke warmte van een stof kan worden gedefinieerd als het aantal joule dat nodig is om 1 g stof 1 K in temperatuur te laten stijgen.
De berekende waarde van de temperatuur van de ethyn-zuurstofvlam is veel hoger dan de temperatuur die in werkelijkheid gehaald wordt.
De grote afwijking tussen de berekende en de gemeten vlamtemperatuur kan worden verklaard uit de chemische eigenschappen van onder andere
waterdamp.
Als waterdamp wordt verhit, blijkt water namelijk te ontleden in waterstof en zuurstof. In diagram 1 is weergegeven welk percentage van de
watermoleculen is ontleed afhankelijk van de temperatuur.
Tussen 2000 K en 3500 K is de ontleding van waterdamp een evenwicht.
Uit metingen blijkt dat bij de reactie van ethyn met zuurstof vooral koolstofmonoöxide en waterstof worden gevormd.
Op basis van de aanname dat de verbrandingsproducten van de ethynzuurstofvlam CO en H2 zijn, kan worden berekend dat dan een temperatuurstijging van ruim 3·103 K bereikt wordt.
De temperatuurstijging die kan worden bereikt met een ethaanzuurstofvlam, waarbij ook CO en H2 ontstaan, is lager dan van de ethynzuurstofvlam.
Dit wordt onder andere veroorzaakt doordat bij de ethaan-zuurstofvlam meer mol gas moet worden verwarmd.
Ook is de reactiewarmte lager.
HIeronder zijn twee energiediagrammen weergegeven.
Hierin zijn de energieniveaus van de niet-ontleedbare stoffen en de reactieproducten al aangegeven.
video-uitleg heet (vraag 6 t/m 9)
Biogasfabricage uit afval
Methaan uit aardgas levert in Nederland per jaar ongeveer 1,5·1018 J aan energie.
In 2007 werd in het rapport “Vol gas vooruit!” het doel gesteld dat op korte termijn 3,0% van deze energie wordt geleverd door biogas.
Biogas ontstaat wanneer biomassa door een mengsel van bacteriën wordt afgebroken onder zuurstofarme omstandigheden.
De hoofdbestanddelen van biogas zijn koolstofdioxide en methaan.
De reactiewarmte bij de verbranding van biogas bedraagt gemiddeld –2,0·107 J m–3.
Deze energiewaarde kan vooral worden toegeschreven aan het aanwezige methaan.
Hieronder is een reactievergelijking voor het totale proces van de vorming van biogas uit biomassa weergegeven.
Voor biomassa wordt de verhoudingsformule CcHhOoNnSsgebruikt.
CcHhOoNnSs+ y H2O → x CH4 + n NH3 + s H2S + (c-x) CO2
x = 0,125(4c + h − 2o − 3n + 2s)
y = 0,250(4c − h − 2o + 3n + 2s)
Een bepaalde fractie biomassa kan worden voorgesteld met de volgende verhoudingsformule: C38H60O26N3.
Biomassa bestaat voornamelijk uit koolhydraten, vetten en eiwitten.
De vorming van biogas uit biomassa gebeurt in vier stappen.
Deze stappen verlopen tegelijkertijd.
Stap 1: hydrolyse. Tijdens deze stap worden de koolhydraten, eiwitten en vetten met behulp van enzymen buiten de bacteriecellen afgebroken tot suikers, aminozuren, vetzuren en glycerol. De producten van de hydrolyse worden door bacteriën opgenomen.
Stap 2: verzuring. De in stap 1 gevormde stoffen worden in de bacteriën omgezet tot zuren en alcoholen.
Hierbij ontstaan tevens waterstof en koolstofdioxide. Als bijproducten worden ammoniak en waterstofsulfide (H2S) gevormd.
Stap 3: azijnzuurvorming.
Zogenoemde azijnzuurvormende bacteriën zetten de in stap 2 gevormde zuren en alcoholen met water om tot ethaanzuur en waterstof.
Als in een zuur of alcohol een oneven aantal C atomen aanwezig is, ontstaat hierbij tevens CO2.
Bij een even aantal C atomen ontstaat geen CO2.
De reacties in stap 3 kunnen worden voorgesteld als evenwichtsreacties.
In stap 4 wordt door methaanvormende bacteriën ten slotte methaan en CO2 gevormd.
Hierbij verbruiken ze het in stap 2 gevormde waterstof.
In sommige bronnen van biomassa, zoals havenslib, zijn veel sulfaationen aanwezig.
De aanwezigheid van sulfaat-afbrekende bacteriën in een reactor kan dan de methaanproductie verminderen.
Deze bacteriën verbruiken namelijk het aanwezige waterstof om sulfaationen om te zetten tot H2S.
De vergelijking van de halfreactie van het sulfaation is hieronder weergegeven.
SO42– + 10 H+ + 8 e– → H2S + 4 H2O
Het gevormde H2S en het tevens aanwezige HS– zijn bij een hoge concentratie giftig voor de methaanvormende bacteriën.
Om het remmende effect van H2S en HS– op de methaanproductie te onderzoeken werd in een laboratoriumopstelling de methaanproductie van
methaanvormende bacteriën bepaald na toevoeging van verschillende hoeveelheden Na2S.
Dit experiment werd uitgevoerd bij drie pH-waarden, die met behulp van buffers werden ingesteld. De overige omstandigheden werden constant gehouden.
In diagram 1 is het resultaat van de metingen weergegeven.
Bij de gebruikte pH-waarden worden de opgeloste S2- ionen volledig omgezet tot H2S en HS–.
In de oplossing stelt zich het volgende evenwicht in: \(H_{2}S\:+\:H_{2}O\:_{\rightarrow }^{\leftarrow }\:H_{3}O^{+}\:+\:HS^{-}\)
Bij pH = 7,10 is een afname van 50% van de methaanvorming gemeten na het toevoegen van 0,20 g Na2S per liter.
Berekend kan worden dat dan de concentratie H2S 0,041 g L–1 bedraagt.
Bij pH = 7,95 is dezelfde afname van de methaanvorming gemeten na het toevoegen van 0,90 g Na2S per liter.
Hoewel in deze proef meer Na2S is toegevoegd, is er toch ongeveer evenveel H2S aanwezig als in de genoemde proef bij pH = 7,10.
video-uitleg biogasfabricage uit afval (vraag 10 t/m 16)
99,999999999% zuiver silicium
Chips voor elektronica worden gemaakt van dunne ronde schijven zeer zuiver silicium, wafers genoemd. Het benodigde silicium wordt gewonnen uit de steensoort kwartsiet. Hieruit kan silicium worden verkregen met een zuiverheid van ruim 98%. Dit wordt metallurgical-grade silicium (MGS) genoemd. MGS dient als grondstof voor de bereiding van electronical grade silicium (EGS), dat een zuiverheid heeft van 99,999999999%.
Het productieproces van EGS uit MGS staat in de uitwerkbijlage die bij dit examen hoort in een onvolledig blokschema weergegeven. In reactor R1 reageert MGS met HCl. Hierbij wordt het silicium uit MGS omgezet tot SiHCl3 en waterstof. Het HCl reageert hierbij volledig.
Behalve SiHCl3 en waterstof ontstaan nog allerlei andere reactieproducten in R1.
De voornaamste reactieproducten en hun kookpunten staan vermeld in tabel 1.
De siliciumverbindingen die in R1 worden gevormd, hebben verschillende kookpunten.
Dit kan worden verklaard aan de hand van de sterkte van de bindingen tussen de moleculen.
Tussen de moleculen van een aantal van de in tabel 1 genoemde stoffen is een dipool-dipoolbinding aanwezig.
Deze binding wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van één of meer polaire Si–Cl atoombindingen.
De in R1 ontstane stoffen AlCl3, FeCl2 en FeCl3 worden in R1 al direct afgevoerd als afval.
Het mengsel van gassen en vloeistoffen dat overblijft, wordt in S1 gedestilleerd bij 308 K.
In alle destillatiestappen in dit proces komt (komen) de stof(fen) met het laagste kookpunt boven uit de destillatiekolom.
In S2 wordt het uit S1 afkomstige mengsel gedestilleerd bij 303 K, waardoor zeer zuiver SiHCl3 wordt verkregen.
In reactor R2 wordt het SiHCl3 met waterstof weer omgezet tot gasvormig silicium en HCl.
In R2 vindt dus de omgekeerde reactie plaats van R1.
Het silicium rijpt hierbij op een kristallisatiekern van zeer zuiver silicium.
Zo ontstaat een staaf vast silicium (EGS).
SiHCl3 reageert in R2 echter ook met het in R2 gevormde HCl, waarbij SiCl4 en H2 ontstaan.
In R2 reageert niet al het SiHCl3 met H2, waardoor slechts een rendement van 30% wordt behaald.
In S3 wordt het gasmengsel afkomstig uit S2 en R2 gebracht.
In S3 worden waterstof en HCl gescheiden van de siliciumverbindingen.
De siliciumverbindingen worden weer teruggevoerd in het proces.
In S4 worden waterstof en HCl van elkaar gescheiden, waarna ze elk worden teruggevoerd in het proces.
Het SiCl4 afkomstig uit S1 wordt niet teruggevoerd in het proces.
In het proces wordt geen H2 van buiten aangevoerd.
Het silicium (EGS) dat volgens dit proces ontstaan is, is nog niet bruikbaar als materiaal voor computerchips.
De kristalstructuur bevat nog te veel onregelmatigheden.
Een van de meest schadelijke verontreinigingen in silicium voor chips is het element boor.
De aanwezigheid van deeltjes boor heeft invloed op de roosteropbouw en de geleidbaarheid van het silicium.
Om het gevormde EGS nog verder te zuiveren wordt het omgesmolten via het Czochralski-proces.
Men laat een kristal zeer zuiver silicium, de zogeheten kiem, neer op een hoeveelheid gesmolten EGS.
Aan het oppervlak van de kiem stolt het silicium.
Door het geheel langzaam omhoog te trekken, ontstaan uiteindelijk lange staven zeer zuiver silicium.
Dit silicium is geschikt voor toepassing in computerchips.
Het stollingsproces zorgt voor extra zuivering van het silicium.
De extra zuivering is te verklaren door de verschillende oplosbaarheden van een onzuiverheid in vast en vloeibaar silicium.
Aan het grensvlak tussen vast en vloeibaar silicium stelt zich namelijk een verdelingsevenwicht in.
De waarde van de evenwichtsconstante K voor dit verdelingsevenwicht kan worden berekend volgens:
Hierin is Cs de concentratie in mol L–1 van de onzuiverheid in vast silicium en Cl de concentratie van de onzuiverheid in vloeibaar silicium.
Voor enkele onzuiverheden in silicium zijn de waarden van K vermeld in tabel 2.
Uit tabel 2 is af te leiden hoe groot het gedeelte van een aanwezige verontreiniging is, dat in het vaste silicium terechtkomt.
Het silicium dat in het Czochralskiproces wordt ingevoerd, bevat minder dan 1 deeltjes-ppb boor.
Eén deeltjes-ppb is één deeltje onzuiverheid per 109 deeltjes.
Een nadeel van het Czochralskiproces is dat voor een goede kwaliteit van de siliciumstaven, niet al het vloeibare silicium kan worden gekristalliseerd.
Dit komt doordat gedurende het proces, de concentratie van de vervuiling in het vloeibare silicium stijgt.
Het arrangement VWO scheikunde-examen 2016 1e 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
2017-12-17 11:48:04
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.
Het arrangement met de vragen en antwoorden is gemaakt door Dick Naafs. De filmpjes met uitleg zijn erbij geplaatst door Wouter Renkema
Aanvullende informatie over dit lesmateriaal
Van dit lesmateriaal is de volgende aanvullende informatie beschikbaar:
Toelichting
Het vwo eindexamen 1e tijdvak 2016 is verwerkt in een arrangement.
Bij de beantwoording van de vragen is gebruik gemaakt van het correctievoorschrift van de CEVO.
VWO scheikunde-examen 2016 1e tijdvak met video-uitleg
nl
Wouter Renkema
2017-12-17 11:48:04
Het vwo eindexamen 1e tijdvak 2016 is verwerkt in een arrangement.
Bij de beantwoording van de vragen is gebruik gemaakt van het correctievoorschrift van de CEVO.
