Examen scheikunde havo 2018 1e tijdvak met video-uitleg

Examen scheikunde havo 2018 1e tijdvak met video-uitleg

Melkzuursensor

Onderzoekers aan de Universiteit van Californië
hebben een melkzuursensor ontwikkeld. Dit is
een soort pleister die is voorzien van een kleine
elektrochemische cel. Met de melkzuursensor
kan de conditie tijdens een sportprestatie
worden bepaald.
Sporten kost energie. Het lichaam haalt die
energie uit de afbraak van glucose.
Wanneer voldoende zuurstof wordt aangevoerd,
wordt glucose volledig verbrand.

Bij onvoldoende zuurstoftoevoer wordt glucose afgebroken tot melkzuur (C3H6O3). Wanneer melkzuur zich ophoopt in de spieren, treedt verzuring op. Hoe beter de conditie van een sporter is, des te later treedt verzuring op. Het gevormde melkzuur komt voor een deel ook in zweet terecht. Zweet heeft meestal een pH tussen 4 en 6.

Met de melkzuursensor wordt de concentratie van melkzuur in het zweet bepaald. De elektrochemische cel van de melkzuursensor is hieronder vergroot en schematisch weergegeven:

 

Elektrode A is gemaakt van grafiet (koolstof) en is bedekt met het enzym lactaatoxidase (verder afgekort als LOx). Zweet fungeert als elektrolyt.
Onder invloed van LOx wordt melkzuur omgezet tot pyrodruivenzuur (C3H4O3). Melkzuur treedt in deze reactie op als reductor. De vergelijking van de halfreactie waarin melkzuur wordt omgezet tot pyrodruivenzuur is hieronder onvolledig weergegeven. De elektronen en de coëfficiënten ontbreken. 

                           C3H6O3 --> C3H4O3 + H+

Zweet is een oplossing waarin verschillende stoffen zijn opgelost. Doordat in zweet een bepaald soort deeltjes voorkomt, kan zweet als elektrolyt dienen.

Zweet bevat onder andere ureum, dat ook als reductor kan reageren. In de melkzuursensor wordt ureum echter niet omgezet door het enzym LOx doordat enzymen een bepaalde eigenschap bezitten.

Wanneer de melkzuurconcentratie in zweet groter wordt dan een bepaalde waarde, treedt verzuring van spieren op. Deze waarde wordt de melkzuurdrempel genoemd.
Tijdens een sporttraining wordt bij Matthieu de stroomsterkte gemeten die de melkzuursensor levert. Zie diagram 1.
Na ongeveer 800 seconden begint de sensor een signaal te geven. Tussen ongeveer 1250 en 1400 seconden blijft de melkzuurconcentratie constant. Dit geeft de melkzuurdrempel van Matthieu aan. Daarna stijgt de stroomsterkte verder en treedt verzuring op.

diagram 1

 

video-uitleg melkzuursensor

Arseen in drinkwater

In Bangladesh bleek rond 1980 dat het drinkwater in veel waterbronnen hoge concentraties arseenverbindingen bevatte. Zulke hoge concentraties zijn schadelijk voor de gezondheid.
De aanwezige arseenverbindingen zijn afkomstig uit gesteentes. Eén van de arseenverbindingen is natriumarseniet, Na3AsO3. Natriumarseniet is opgebouwd uit natriumionen en arsenietionen.

Op den duur kunnen arseenverbindigen beschadigingen aan het DNA veroorzaken doordat in het DNA arseenatomen worden ingebouwd in plaats van fosforatomen. Hierdoor veranderen de structuur en de functie van het DNA.

Sinds bekend is dat drinkwater in Bangladesh arseenverbindingen bevat, test men het drinkwater. Een veelgebruikte test is de Gutzeit-test. Een Gutzeit-test bevat de volgende materialen:
- teststrips met de vaste stof HgBr2
- een plastic flesje
- een kunststof zakje met zinkpoeder (stof 1)
- een kunststof zakje met zoutzuur (stof 2)
- een kleurenkaart
De bijsluiter van de test is hieronder weergegeven.

 

Bij het uitvoeren van de test reageren zink en zoutzuur volgens onderstaande reactievergelijking.

                            Zn + 2 H+ --> Zn2+ + H2               reactie 1

In de test is de hoeveelheid zoutzuur in overmaat aanwezig. Het waterstofgas dat in reactie 1 ontstaat, reageert met de arseenverbindingen. Bij die reactie worden de arseenverbindingen
omgezet tot het gas arsaan (AsH3). Arsaan komt vrij uit de oplossing en reageert met HgBr2 op de teststrip. Bij deze reactie ontstaat AsH2HgBr.
Afhankelijk van de hoeveelheid arseenverbindingen in het drinkwater ontstaat op de teststrip een kleur die varieert van lichtgeel tot donkerbruin. Hoe meer AsH2HgBr ontstaat, des te bruiner kleurt de teststrip.

Met behulp van de kleurenkaart kan de concentratie van de arseenverbindingen in het drinkwater worden vastgesteld. De kleurenkaart staat hieronder afgebeeld in grijstinten.

De concentratie van de arseenverbindingen is weergegeven in μg As per liter. De veiligheidsnorm voor arseenverbindingen in drinkwater in Bangladesh is 50 μg As per liter.
De Gutzeit-test is niet voor honderd procent betrouwbaar. Eén van de storende factoren is de aanwezigheid van sulfide-ionen (S2– ) in het drinkwater. Deze ionen reageren met het overgebleven zoutzuur tot H2S. H2S reageert ook met HgBr2.
Bij deze reactie ontstaat het grijsgekleurde HgS.
De concentratie van de sulfide-ionen in het drinkwater is zo klein dat deze niet schadelijk is voor de gezondheid. Maar de aanwezigheid van de sulfide-ionen in het drinkwater kan wel leiden tot een ongewenste conclusie na het uitvoeren van de Gutzeit-test.

video-uitleg arseen in drinkwater

Koudemiddel

In de airco van een auto circuleert een zogenoemd koudemiddel. In figuur 1 is schematisch weergegeven hoe de binnenruimte van een auto wordt gekoeld door middel van een airco.

figuur 1

Het koudemiddel wordt rondgepompt in een gesloten circuit tussen de condensor en de verdamper. Het koudemiddel komt als gas de condensor binnen en verlaat de condensor als vloeistof. In de verdamper gebeurt het omgekeerde.

Gehalogeneerde koolwaterstoffen worden veel gebruikt als koudemiddel. Twee koudemiddelen die veel in airco’s worden gebruikt, hebben beide de molecuulformule C2H2F4. Het zijn dus isomeren en ze behoren tot de zogenoemde fluorkoolwaterstoffen.

De koudemiddelen met de molecuulformule C2H2F4 mogen vanaf 2016 niet meer in de airco van nieuwe auto’s worden gebruikt omdat het sterke broeikasgassen zijn. Ze komen in de atmosfeer terecht wanneer ze weglekken uit airco’s.
De mate waarin een broeikasgas bijdraagt aan het broeikaseffect wordt de Global Warming Potential (GWP) genoemd.
Zo heeft C2H2F4 een GWP van 1300. Dat houdt in dat 1,00 kg C2H2F4 1300 maal zoveel bijdraagt aan het broeikaseffect als 1,00 kg CO2, gemeten over een periode van 100 jaar.

Veel autofabrikanten kiezen het koudemiddel R1234 (C3H2F4) als vervanger van C2H2F4.
R1234 is echter niet onomstreden. Uit onderzoek is namelijk gebleken dat bij de verbranding van R1234, bijvoorbeeld bij een autobrand, de giftige gassen waterstoffluoride (HF) en carbonylfluoride (COF2) ontstaan.

video-uitleg koudemiddel

Anatto

Anatto is een oranje-gele kleurstof. Het is een mengsel dat de kleurstoffen bixine en/of norbixine bevat. Zie figuur 1.


figuur 1

Anatto wordt gebruikt in sommige voedingsmiddelen, bijvoorbeeld in kaas. De kaassoort Red Leicester heeft een oranje kleur doordat hij relatief veel anatto bevat. Teun eet zes blokjes Red Leicester.

Een groot deel van de anatto wordt geproduceerd in
Peru uit de zaaddozen van de orleaanboom. Door
de zaaddozen te drogen in de zon barsten ze open.
Het vruchtvlees rond de zaden bevat bixine. De
opengebarsten zaaddozen mogen niet te lang
worden blootgesteld aan zonlicht. Anders treedt een
reactie op waardoor de hoeveelheid bixine afneemt.

De productie van anatto in Peru wordt als volgt uitgevoerd:
- 200 kg anattozaden wordt in een vat (vat I) met 400 L 0,014 molair natronloog gedaan.
- De inhoud wordt tien minuten krachtig geroerd.
- De vloeistof wordt in een tweede vat (vat II) overgebracht, de zaden blijven achter in vat I.
- In vat I wordt vervolgens 300 L 0,0063 molair natronloog gedaan.
- Nogmaals wordt gedurende tien minuten krachtig geroerd.
- De vloeistof uit vat I wordt toegevoegd aan de vloeistof in vat II.
- De zaden worden twee keer gewassen met telkens 200 L water.
- Ook deze vloeistoffen worden in vat II gedaan.
- Aan de inhoud van vat II wordt 3,0 L 1,9 molair zwavelzuuroplossing toegevoegd.
- Er ontstaat een suspensie van anatto.
- Na enkele uren bezinken wordt de vloeistof afgetapt en de anatto van de bodem geschept.

De zwavelzuuroplossing wordt in overmaat toegevoegd aan de verzamelde hoeveelheden natronloog.

Hierbij treedt de volgende reactie op:


                                           H+ (aq) + OH– (aq) --> H2O (l)

Tijdens de productie van anatto uit de zaden kan bixine gehydrolyseerd worden. Behalve norbixine ontstaat hierbij nog een andere stof.

Teun heeft voor zijn profielwerkstuk een bepaalde soort anatto onderzocht met dunne-laagchromatografie. In figuur 2 is het chromatogram weergegeven.

figuur 2

 

Bij dunne-laagchromatografie wordt het begrip Rf-waarde gebruikt.
De Rf-waarde wordt als volgt berekend:


Op het chromatogram in figuur 2 heeft bixine een Rf-waarde van 0,49 en norbixine een Rf-waarde van 0,45.

video-uitleg anatto

Lignine

Hout bestaat voornamelijk uit cellulose en lignine. Cellulose en lignine zorgen voor de stevigheid van hout en behoren tot de meest voorkomende organische materialen op aarde. Cellulose is een
zogenoemd bio-polymeer en behoort tot de polysachariden. Lignine is ook een bio-polymeer. Het bevat veel crosslinks. In figuur 1 is een gedeelte van de structuur van lignine weergegeven.


Figuur 1

 

Uit cellulose kan bio-ethanol worden geproduceerd. De omzetting van cellulose tot bio-ethanol start met de hydrolyse van cellulose tot glucose.

De vorming van ethanol uit glucose is hieronder weergegeven:

                     C6H12O6 --> 2 C2H6O + 2 CO2 reactie 1

Om cellulose uit houtpulp (fijngemalen hout) te kunnen gebruiken voor de productie van bio-ethanol moet eerst de lignine worden verwijderd. Om lignine te verwijderen uit houtpulp, die afkomstig is van bijvoorbeeld snoeihout en houtafval, zijn grote hoeveelheden chemicaliën nodig.
In recent onderzoek is een methode ontwikkeld om lignine en cellulose van elkaar te scheiden door gebruik te maken van een zogenoemde ionische vloeistof. Lignine lost op in de ionische vloeistof en cellulose niet.
De gebruikte ionische vloeistof wordt gemaakt door een reactie van de base pyrrolidine met het zuur ethaanzuur (azijnzuur). De vergelijking van deze zuur-basereactie is hieronder weergegeven:

1 mol pyrrolidine + 1 mol ethaanzuur --> 1 mol  + 1 mol

Uit deze reactie ontstaat een zout dat vloeibaar is bij kamertemperatuur.
De molecuulformule van de base pyrrolidine is af te leiden uit de bovenstaande reactievergelijking.

Om lignine uit houtpulp te verwijderen moet de houtpulp eerst worden gedroogd. Vervolgens wordt aan de droge houtpulp de ionische vloeistof toegevoegd. Het mengsel wordt flink geroerd en daarna wordt cellulose gescheiden van de lignine-oplossing.
Hieronder is een gedeelte van het blokschema weergegeven van het proces waarbij cellulose en lignine worden verkregen uit hout met behulp van de ionische vloeistof.

In dit blokschema is ervan uitgegaan dat houtpulp alleen bestaat uit cellulose en lignine. Andere bestanddelen zijn buiten beschouwing gelaten.

De lignine-oplossing wordt naar een scheidingsruimte (S2) overgebracht.
Door indampen wordt de vaste stof lignine verkregen en de ionische vloeistof wordt gerecirculeerd.
Hieronder is blokschema 1 ook weergegeven.

De lignine kan worden verbrand en de verbrandingswarmte kan worden gebruikt in het hierboven beschreven proces om cellulose en lignine te verkrijgen uit hout.

De verbranding van lignine kan met de volgende reactievergelijking worden weergegeven:

2 C5H6O2 (s) + 11 O2 (g)  --> 10 CO2 (g) + 6 H2O (l)     reactie 2

(In deze reactievergelijking is lignine met de formule C5H6O2 weergegeven.)

video-uitleg lignine

ETFE

De kunststof ETFE wordt onder meer gebruikt als lichtgewicht materiaal om daken en wanden van gebouwen mee te construeren. De Watercube (het zwemstadion tijdens de Olympische Spelen 2008 in China) is een bekend voorbeeld.

 

Het dak en de wanden van de Watercube zijn gemaakt van ETFE-kussens. Deze zijn gemaakt van ETFE-folie met een dikte van 100·10–6 m en zijn gemonteerd op een stalen frame.
ETFE is een copolymeer dat door poly-additie uit twee soorten monomeren wordt gevormd. De twee monomeren reageren daarbij in de molverhouding 1 : 1. In figuur 1 is de structuurformule van een gedeelte uit het midden van een ETFE-molecuul weergegeven.

In dit gedeelte van ETFE wisselen de twee soorten monomeereenheden elkaar regelmatig af.

ETFE heeft de volgende eigenschappen:
- Het laat 95% van het licht door. Dit is meer dan glas doorlaat, terwijl
het slechts 1% van het gewicht van glas bezit.
- Een regenbui spoelt vuil en stof gemakkelijk van ETFE af.
- Het heeft een hoge smelttemperatuur.

Er zijn verschillende soorten ETFE die met de formule (C4H4F4)n kunnen worden weergegeven. Deze soorten verschillen van elkaar op microniveau en verschillen ook in stofeigenschappen.

video-uitleg EFTE