VWO scheikunde examen 2019 2e tijdvak met video- uitleg
VWO scheikunde examen 2019 2e tijdvak met video- uitleg
Lang houdbare appels
Een rijpe appel produceert etheen.
Hieronder staat de biosynthese van etheen in appels schematisch weergegeven in een reactieschema.
In reactie I van het reactieschema wordt onder invloed van het enzym SAM-synthetase het deeltje SAM gevormd uit onder andere ATP en het aminozuur methionine.
Het methionine heeft maar één stereo-isomeer. Bij de vorming van SAM verandert de ruimtelijke bouw rondom het
C*-atoom van methionine niet. Toch kunnen in reactie I twee stereo-isomeren van SAM worden gevormd. Dit wordt veroorzaakt doordat de groepen rondom het S-atoom in SAM, net als bij een koolstofatoom, op twee verschillende manieren kunnen zijn gerangschikt.
Uit onderzoek blijkt dat slechts een van beide stereo-isomeren van SAM wordt gevormd door SAM-synthetase.
In reactie II van het reactieschema wordt SAM onder invloed van het enzym ACC-synthase omgezet. De biosynthese van dit enzym verloopt in twee stappen. Op basis van de DNA-code wordt eerst een
aminozuurketen gevormd van 473 aminozuren. Vervolgens wordt de aminozuurketen op twee plaatsen gehydrolyseerd, waardoor de ACCsynthase nog 421 aminozuren bevat. Een van de beide plaatsen waar hydrolyse optreedt, is tussen de aminozuren Gly–430 en Glu–431.
Het in reactie II gevormde ACC (C4H7NO2) wordt in reactie III onder invloed van het enzym ACC-oxidase omgezet tot onder andere etheen. Uit één molecuul ACC wordt hierbij één molecuul etheen gevormd.
Uit het reactieschema is af te leiden dat de atomen in etheen, via SAM en ACC, uiteindelijk van methionine afkomstig zijn.
Het etheen komt vrij uit de appel en bevordert de rijping van andere appels. Om appels lang houdbaar te maken, moet de vorming van etheen worden geremd. De biosynthese van etheen kan worden geremd met het gas 1-methylcyclopropeen (MCP).
Het effect van MCP op de activiteit van de enzymen ACC-synthase en ACC-oxidase is onderzocht. Hiertoe werden appels direct na de pluk in drie groepen verdeeld en 20 uur lang onder verschillende omstandigheden bewaard:
- groep 1: in gewone lucht
- groep 2: in lucht met MCP
- groep 3: in lucht met MCP en etheen
Hierbij was [MCP]groep2 = [MCP]groep3 = [etheen]groep3.
Direct na de pluk en na afloop van de bewaarperiode werd de activiteit van de beide enzymen gemeten. Ook werd het gehalte ACC in de appels bepaald. In de tabel zijn de resultaten van deze metingen weergegeven.
Uit deze resultaten is af te leiden dat de activiteit van beide enzymen door MCP wordt geremd.
uitlegfilmpje lang houdbare appels
Zonnepanelen voor ethanol
Er is tegenwoordig veel vraag naar duurzame energiebronnen zoals bio-ethanol. Bio-ethanol wordt veel geproduceerd uit zetmeel van bijvoorbeeld aardappelen of mais.
De omzettingen die optreden bij de vorming van zetmeel in planten en de productie van bio-ethanol uit het zetmeel zijn in figuur 1 vereenvoudigd weergegeven.
De gemiddelde opbrengst per hectare bedraagt in Nederland 4,5·104 kg aardappelen per jaar. Aardappelen bevatten gemiddeld 19 massa-% zetmeel. Het zetmeel wordt in bioreactoren gehydrolyseerd tot glucose. De glucose wordt door vergisting omgezet tot koolstofdioxide en ethanol. Hierbij ontstaat twee mol ethanol per mol glucose.
Om te kunnen berekenen wat de minimale hoeveelheid energie is die nodig is om ethanol te produceren uit CO2, wordt zetmeel weggelaten uit bovenstaande omzettingen. De resterende processen kunnen dan worden weergegeven met de volgende reactievergelijkingen:
6 CO2 + 6 H2O --> C6H12O6 + 6 O2 fotosynthese
C6H12O6 --> 2 C2H6O + 2 CO2 vergisting
In het wetenschappelijk tijdschrift Nature is een artikel gepubliceerd over het gebruik van elektrische energie om ethanol te produceren uit CO2. Dit zou een alternatief kunnen zijn voor de genoemde productie van bio-ethanol.
Het elektrochemische proces bestaat uit twee stappen. In de eerste stap wordt CO2 omgezet tot CO. In de tweede stap wordt CO door elektrolyse omgezet tot ethanol.
De elektrolyse-opstelling die wordt gebruikt, is in figuur 2 vereenvoudigd weergegeven. In beide halfcellen zijn OH–-ionen en water aanwezig.
Alleen OH–-ionen en watermoleculen kunnen door het membraan tussen beide halfcellen bewegen.
In de rechter halfcel worden acht elektronen opgenomen per molecuul ethanol dat wordt gevormd.
Aan de negatieve elektrode worden behalve ethanol enkele bijproducten gevormd. Hierdoor is het rendement van de productie van ethanol nog laag. De twee belangrijkste bijproducten zijn ethanoaat en waterstof. De vergelijkingen van de halfreacties waarbij ethanoaat en waterstofworden gevormd, zijn hieronder weergegeven.
2 CO + 3 H2O + 4 e– --> CH3COO– + 3 OH–
2 H2O + 2 e– --> H2 + 2 OH–
De onderzoekers vonden dat onder optimale omstandigheden 43% van de toegevoerde elektronen werd gebruikt voor de productie van ethanol en 13% voor de productie van ethanoaat. De rest werd gebruikt voor de productie van waterstof. Zowel ethanol als waterstof werd vervolgens gebruikt als brandstof.
uitlegfilmpje zonnepanelen voor ethanol
Diesel uit houtafval
Bij de verwerking van hout tot bijvoorbeeld papier komt veel afvalwater vrij. In een onderzoek is gekeken of het mogelijk is om op industriële schaal dieselachtige koolwaterstoffen te produceren op basis van dit afvalwater. Afvalwater van de papierindustrie bevat een hoog gehalte xylose-oligomeren.
Een xylose-oligomeer is een sacharide met de formule H–(C5H8O4)n–OH met 3 ≤ n ≤ 20.
Xylose (C5H10O5) kan worden voorgesteld als een eenheid (α)D-glucose, waarbij de CH2-OH-groep op C-atoom nummer 5 is vervangen door een H-atoom.
In een xylose-oligomeer zijn de xylose-eenheden aan elkaar verbonden door middel van de OH-groepen aan de C-atomen met nummers 1 en 4.
De onderzoekers hebben op basis van het onderzoek een productieproces ontworpen.
Hieronder is het vereenvoudigde blokschema voor dit proces onvolledig weergegeven.
Het proces start met de volledige hydrolyse van de xylose-oligomeren tot xylose. Hiertoe worden in reactor 1 (R1) zoutzuur en een oplossing van xylose-oligomeren geleid. Als het reactiemengsel reactor 1 verlaat, is het gehalte xylose 2,1 massa%. Er is dan 3,1 mol HCl aanwezig per mol xylose-eenheden.
Tekst is aangepast t.o.v. de examentekst.
Aan het mengsel wordt tevens THF toegevoegd. De structuurformule van THF is hieronder weergegeven. Omdat de oplosbaarheid van THF in water laag is, ontstaan in R1 twee vloeistoflagen.
In R1 verloopt ook de omzetting van xylose tot furfural en bijproducten. De structuurformule van furfural is hiernonder weergegeven.
In R1 ontstaat 1 mol furfural uit 1 mol xylose. Het gevormde furfural lost op in de THF-laag, waardoor volgreacties van furfural met water worden beperkt.
Na afloop van de reacties wordt natriumchloride toegevoegd aan het reactiemengsel. Hierdoor wordt THF volledig onoplosbaar in water en kan in scheidingsruimte 1 (S1) de THF-laag volledig worden gescheiden van de waterlaag. De waterlaag met daarin zoutzuur, natriumchloride en bijproducten wordt opgeslagen.
De THF-laag met daarin alleen furfural wordt doorgevoerd naar reactor 2 (R2). In R2 wordt aan het mengsel dat afkomstig is uit S1 één mol propanon per twee mol furfural toegevoegd en een overmaat natronloog.
In R2 worden furfural en propanon volledig omgezet tot stof A. De vergelijking voor deze omzetting is hieronder weergegeven.
De vorming van stof A verloopt via een aantal tussenstappen. Twee stappen uit het reactiemechanisme zijn hieronder weergegeven.
In stap 2 wordt stof B gevormd. Hierbij neemt een OH–-ion eerst een H+-ion op van het organische deeltje dat in het kader is weergegeven. Het OH–-ion treedt in stap 2 op als katalysator.
In scheidingsruimte 2 (S2) wordt de THF-laag met daarin uitsluitend stof A volledig afgescheiden van de vloeistoflaag met daarin het natronloog. Omdat het natronloog geen organische stoffen bevat, kan het worden hergebruikt in het proces. Om de reactie in R2 telkens onder gelijke omstandigheden te laten verlopen, moet het natronloog in een ruimte Z worden bewerkt voordat het wordt teruggevoerd in R2.
Het mengsel van THF en stof A wordt doorgevoerd naar reactor 3 (R3). In R3 reageert stof A volledig met waterstof tot tridecaan (C13H28) en water. Het ontstane tridecaan is onvertakt.
Het mengsel afkomstig uit R3 wordt ten slotte in scheidingsruimte 3 (S3) gescheiden in drie stromen: tridecaan, water en THF. Het tridecaan kan worden gebruikt als toevoeging aan diesel of een andere brandstof.
uitlegfilmpje diesel uit houtafval
Stikstofmono-oxide en stikstofdioxide
Stikstofmono-oxide (NO) en stikstofdioxide (NO2) zijn schadelijke gassen die ontstaan in het verkeer en bij grootschalige verbrandingsprocessen zoals bij de productie van elektriciteit.
In de afvalgassen van de gasturbine van een energiecentrale is gemeten hoe de uitstoot van onder andere CO en NO afhangt van de temperatuur in de turbine. In figuur 1 zijn de resultaten van deze metingen weergegeven.
In een molecuul NO komen zeven niet-bindende elektronen voor.
Stikstofdioxide wordt in de turbine gevormd door de reactie van stikstofmono-oxide met zuurstof. Een molecuul stikstofdioxide heeft een niet-cyclische structuur. Voor de volgorde van de atomen in het molecuul zijn twee mogelijkheden: NOO en ONO. Met behulp van massaspectrometrie kan worden bepaald welke van de twee mogelijkheden de juiste is.
Het massaspectrum van NO2 is in figuur 2 weergegeven.
In dit massaspectrum zijn pieken waarin de isotopen N-15, O-17 en O-18 voorkomen niet weergegeven. Uit de vier pieken in het massaspectrum kan geen conclusie worden getrokken over de volgorde van de atomen in NO2.
Doordat bij een bepaalde m/z-waarde in het massaspectrum een piek ontbreekt, kan toch worden bepaald of de volgorde NOO of ONO is.
De vorming van stikstofdioxide uit stikstofmono-oxide en zuurstof is hieronder weergegeven.
2 NO + O2 --> 2 NO2 (reactie 1)
De snelheid s1 van reactie 1 is gedefinieerd als het aantal mol NO2 dat per seconde per liter reactiemengsel ontstaat.
Bij het onderzoek naar de snelheid van reactie 1 werd in twee experimenten een aantal metingen uitgevoerd met verschillende beginconcentraties van NO en O2.
De resultaten van het onderzoek zijn weergegeven in de tabel.
Op basis van de vergelijking van reactie 1 verwachtte men dat voor de snelheid van reactie 1 de volgende reactiesnelheidsvergelijking geldt:
s1= k1[NO]2 [O2] (snelheidsvergelijking 1)
De constante k1 wordt de reactieconstante genoemd.
Lange tijd heeft men gedacht dat de reactie tussen NO en O2 verloopt doordat twee moleculen NO en één molecuul O2 op hetzelfde moment tegen elkaar botsen. De kans op zo’n botsing tussen drie moleculen is echter uiterst klein. Nader onderzoek leverde op dat tijdens de reactie deeltjes met de formule N2O2 worden gevormd. Op grond van dit gegeven werd voor de reactie een mechanisme voorgesteld dat uit twee stappen bestaat.
In de eerste stap stelt zich evenwicht 1 in.
De evenwichtsvoorwaarde voor evenwicht 1 is \(K=\frac{[NO_2O_2]}{[NO]^2}\)
In de tweede stap verloopt reactie 2.
N2O2 + O2 --> 2 NO2 (reactie 2)
De snelheid van reactie 2 kan worden weergegeven door: s2 = k2[N2O2] [O2] (snelheidsvergelijking 2)
Mede met behulp van de evenwichtsvoorwaarde van evenwicht 1 en snelheidsvergelijking 2 kan de experimenteel gevonden snelheidsvergelijking 1 worden afgeleid.
Hierbij moet worden aangenomen dat de snelheid van reactie 2 sterk verschilt van de snelheid waarmee evenwicht 1 zich instelt.
Op deze manier heeft men aangetoond dat het bovenbeschreven mechanisme voor reactie 1 juist kan zijn.
uitlegfilmpje stikstofmono-oxide en stikstofdioxide
Het arrangement VWO scheikunde examen 2019 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
2019-07-09 09:43:50
Licentie
Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding 4.0 Internationale 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.
Dick Naafs heeft het arrangement met de vragen en antwoorden gemaakt. Wouter Renkema heeft de filmpjes erbij gezet.
Aanvullende informatie over dit lesmateriaal
Van dit lesmateriaal is de volgende aanvullende informatie beschikbaar:
Toelichting
Het vwo eindexamen 2e tijdvak 2019 is verwerkt in een arrangement.
Bij de beantwoording van de vragen is gebruik gemaakt van het correctievoorschrift van de CEVO.
Leerniveau
VWO 6;
Leerinhoud en doelen
Energie;
Materie;
Schaal, verhouding en hoeveelheid;
Scheikunde;
Systeemdenken (scheikunde);
Reactiviteit;
VWO scheikunde examen 2019 2e tijdvak met video- uitleg
nl
Wouter Renkema
2019-07-09 09:43:50
Het vwo eindexamen 2e tijdvak 2019 is verwerkt in een arrangement.
Bij de beantwoording van de vragen is gebruik gemaakt van het correctievoorschrift van de CEVO.
