De uitlaat van een auto die op benzine rijdt, bevat een katalysator. Deze katalysator vermindert de uitstoot van schadelijke stoffen zoals koolstofmono-oxide en stikstofoxiden. Stikstofoxiden (NOx) veroorzaken milieuvervuiling, doordat ze ongewenste effecten hebben op de kwaliteit van lucht, water en/of bodem.
Een reactie die in de katalysator van een auto optreedt, is de ontleding van stikstofmono-oxide tot stikstof en zuurstof.
Katalysatoren die in auto’s worden gebruikt, bevatten het element palladium. Een klein deel van de palladiumdeeltjes wordt met de uitlaatgassen uitgestoten in de lucht. Men veronderstelt dat deze palladiumdeeltjes in het milieu uiteindelijk worden omgezet tot palladiumionen en dat deze ionen zich in het milieu zullen ophopen.
Onderzoekers hebben een manier gevonden om op laboratoriumschaal palladiumionen uit een oplossing te verwijderen. Ze maken gebruik van eiwitmoleculen die op een specifieke manier palladiumionen binden. De eiwitmoleculen worden eerst aan cellulosemoleculen gebonden. Hierbij ontstaat een zogenoemd eiwit-cellulose-complex. De binding van de eiwitmoleculen aan de cellulosemoleculen is voornamelijk het gevolg van de vorming van waterstofbruggen. Een fragment van een cellulosemolecuul is hieronder afgebeeld.
Hieronder is het laboratoriumexperiment beschreven waarmee Pd2+-ionen uit een oplossing van PdCl2 kunnen worden verwijderd.
1 Het eiwit-cellulose-complex wordt toegevoegd aan een oplossing van PdCl2.
De Pd2+-ionen worden daarbij aan het eiwit-cellulose-complex gebonden.
2 De suspensie die in stap 1 ontstaat, wordt gecentrifugeerd.
Het eiwit-cellulose-complex met de daaraan gebonden Pd2+-ionen wordt daarbij
afgescheiden. De overgebleven oplossing bevat geen Pd2+-ionen meer.
3 Aan het eiwit-cellulose-complex met de daaraan gebonden Pd2+-ionen wordt een
oplossing van thio-ureum toegevoegd. Het mengsel wordt flink geschud.
De Pd2+-ionen komen daarbij los van het complex.
4 Het mengsel dat in stap 3 is ontstaan, is een suspensie.
Deze suspensie wordt gecentrifugeerd.
Het eiwit-cellulose-complex wordt daarbij gescheiden van de oplossing.
Per gram eiwit kan maximaal 175 mg Pd2+-ionen worden gebonden.
Battolyser
Elektriciteit kan duurzaam worden opgewekt met behulp van energie van de zon of de wind. De hoeveelheid energie uit deze bronnen is echter niet constant. Daarom is onderzocht of een tijdelijk energie-overschot kan worden opgeslagen voor gebruik op momenten dat er weinig zon of wind is. Afhankelijk van de termijn tussen de productie en het gebruik van de energie, is een andere vorm van opslag geschikt:
- korte termijn (dag-nacht): opslag in een batterij;
- lange termijn (weken-seizoenen): opslag in een brandstof.
De ‘battolyser’, die ontwikkeld is aan de TU Delft, kan energie opslaan in een batterij en eveneens waterstof produceren door elektrolyse van water.
De battolyser is schematisch weergegeven in figuur 1. De battolyser bestaat uit twee ruimtes die gescheiden zijn door een membraan. Het membraan is doorlaatbaar voor hydroxide-ionen. De ruimtes zijn gevuld met een zeer basische oplossing van kaliumhydroxide en bevatten elk een elektrode. Elke ruimte bevat ook een buis waardoor een gas wordt afgevoerd en een buis waardoor water kan worden aangevuld.
Bij het gebruik van de battolyser zijn twee fasen te onderscheiden:
de energieopslag en de energielevering.
Energieopslag
Wanneer de batterij wordt opgeladen, wordt energie opgeslagen.
Het proces dat hierbij plaatsvindt, kan met de volgende vergelijking worden weergegeven (reactie 1):
Fe(OH)2 (s) + 2 Ni(OH)2 (s) ----> Fe (s) + 2 NiO(OH) (s) + 2 H2O (l)
NiO(OH) kan beschouwd worden als opgebouwd uit nikkelionen, oxide-ionen en hydroxide-ionen. In NiO(OH) komen twee bindingstypen voor.
Hieronder is het energiediagram van reactie 1 nog onvolledig weergegeven. In dit energiediagram ontbreken het niveau van de geactiveerde toestand en het niveau van de reactieproducten.
IJzer en NiO(OH), die ontstaan tijdens het opladen van de batterij, zijn katalysatoren voor de elektrolyse van water. Daardoor wordt in de battolyser, wanneer de batterij al voor een deel opgeladen is, netto water omgezet volgens de volgende halfreacties:
De gevormde waterstof kan vervolgens worden gebruikt als (grondstof voor) brandstof.
De eerste battolyser werd anderhalf jaar lang getest. In totaal werd in deze periode 1,41 kg water omgezet.
Energielevering
Wanneer meer elektrische energie nodig is dan met behulp van zon of wind wordt opgewekt, kan de battolyser deze energie leveren. Tijdens dit proces treden de volgende halfreacties op:
Hieronder is de battolyser nogmaals schematisch weergeven.
In deze figuur ontbreekt een stroomdraad.
Aan de TU Delft is een model ontwikkeld waarmee de productie van energie uit zon en wind en de vraag naar duurzaam opgewekte energie zijn geschat. In figuur 2 is een van deze schattingen in een diagram weergegeven. In het diagram zijn het verloop van de gemiddelde hoeveelheid geproduceerde energie en de gemiddelde vraag naar deze energie in 2050 opgenomen.
De eerste battolyser had de grootte van een stoeptegel. Bij het vervolgonderzoek krijgt de nieuwe battolyser de grootte van een zeecontainer. Door deze schaalvergroting nemen de risico’s toe die samenhangen met het gebruik van de battolyser.
Lood in wijn
In 2001 beschreven artsen in Australië een wijnmaker met chronische loodvergiftiging door het drinken van zelfgemaakte wijn. De wijn bleek 14 mg Pb2+ per liter te bevatten. Door elke dag van deze wijn te drinken, had de man de aanvaardbare dagelijkse inname (ADI) van het element lood overschreden.
De wijnmaker had een oude metalen badkuip gebuikt
om geplette druiven, waaruit de wijn werd gemaakt,
een week te bewaren. Deze badkuip was bedekt met een dun laagje email, een hard materiaal dat het metaal
beschermde tegen corrosie. Dit email bevat loodzouten en reageert met zuur.
Onderzoekers lieten een kleine hoeveelheid email van de badkuip reageren met verdund zuur. Na de reactie werden in het gevormde mengsel Pb2+-ionen aangetoond. Om te bepalen of Pb2+-ionen uit de badkuip konden vrijkomen tijdens het maken van wijn, deden de onderzoekers commercieel verkrijgbare wijn in de badkuip. Ze bewaarden deze wijn ook een week in de badkuip, waarna de wijn een veel hogere
concentratie Pb2+-ionen bleek te bevatten dan die van de wijnmaker: maar liefst 310 mg per liter.
Dit verschil in de concentratie Pb2+-ionen kan verklaard worden door:
- het verschil in pH van de beide wijnsoorten (oorzaak I)
- het verschil in het gebruikte volume wijn (oorzaak II)
De wijnmaker had ongeveer 100 L wijn gemaakt met pH = 3,8.
De onderzoekers gebruikten 4 L wijn met pH = 3,4.
Eeuwen geleden kwam loodvergiftiging door het drinken van wijn vaak voor. De oorzaak was echter een andere dan het gebruik van een oude badkuip. De Oude Romeinen voegden bijvoorbeeld ‘sapa’ aan wijn toe. Sapa werkt als conserveermiddel en geeft de wijn een zoetere smaak. De sapa werd gemaakt door druivensap in te koken in loden ketels. Daarbij ontstaat als gevolg van een redoxreactie een oplossing van loodsuiker (Pb(CH3COO)2).
Al in de 17e eeuw toonde de Duitse arts Eberhard Gockel aan dat er een verband bestaat tussen hevige darmkrampen en het drinken van wijn die Pb2+-ionen bevat. Hij ontwikkelde een test om de Pb2+-ionen aan te tonen.
Hierbij wordt geconcentreerd zwavelzuur druppelsgewijs toegevoegd aan een beetje heldere wijn. Als de wijn meer dan 4,8.10–5 mol Pb2+-ionen per liter bevat, wordt het ontstaan van lood(II)sulfaat (PbSO4) zichtbaar.
Wasmiddel verwijdert vlekken
Om vuile was schoon te krijgen wordt ‘wasmiddel’ gebruikt. Bij het wassen van textiel wordt het vuil van het textiel losgemaakt en gemengd met water. Het losgemaakte vuil wordt vervolgens met het water afgevoerd.
Wasmiddel is een mengsel van diverse stoffen, waaronder bijvoorbeeld natriumdodecylsulfaat (C12H25SO4Na). Natriumdodecylsulfaat is oplosbaar in water. Het dodecylsulfaation (C12H25SO4–) heeft een negatief geladen hydrofiel deel dat in water gehydrateerd wordt, en een lange hydrofobe ‘staart’. In figuur 1 is het dodecylsulfaation schematisch weergegeven.
Dodecylsulfaationen vormen in water zogenoemde micellen. Een micel is een samenhangende groep ionen waarin de staarten zo dicht mogelijk bij elkaar geplaatst zijn. Micellen kunnen binden met vuildeeltjes en deze vuildeeltjes insluiten. In figuur 2 is een doorsnede van een micel weergegeven, zonder vuildeeltje (figuur 2a) en met vuildeeltje (figuur 2b).
Hieronder zijn de structuurformules weergegeven van twee verschillende vuildeeltjes die kunnen voorkomen in voedsel. Slechts een van deze vuildeeltjes zal worden gebonden door micellen die zijn opgebouwd zoals weergegeven in figuur 2.
Wasmiddel bevat ook enzymen die vuildeeltjes kunnen afbreken door middel van hydrolyse.
Het enzym lipase hydrolyseert vetten. Lipase moet haar werk kunnen doen onder verschillende omstandigheden (zoals pH en temperatuur) bij het wassen. In figuur 3 is te zien hoe de hydrolyse-activiteit van lipase afhangt van de pH. Lipase heeft een pH-optimum.
Bij het afbreken van vetten door lipase spelen onder andere drie verschillende aminozuureenheden een belangrijke rol. In figuur 4 is een fragment van lipase, met daarin deze aminozuureenheden, in structuurformule weergegeven. Een van deze drie aminozuureenheden is in waswater negatief geladen doordat die een H+-ion heeft afgestaan. De delen van de peptideketen tussen deze drie aminozuureenheden zijn met weergegeven.
In waswater zijn veel meer vetdeeltjes dan lipasedeeltjes aanwezig. Toch kunnen alle vetdeeltjes worden afgebroken.
Toner
In laserprinters en kopieerapparaten wordt ‘toner’ gebruikt om tekst en afbeeldingen op papier te brengen. Toner is een korrelig poeder. De korreltjes toner bevatten een kern van voornamelijk Fe3O4 met daaromheen een laagje kunststof.
Het laagje kunststof bestaat voornamelijk uit een co-polymeer dat is opgebouwd uit de monomeren methylmethacrylaat en styreen. De structuurformules van deze monomeren staan hieronder.
Toner wordt verkocht in een omhulsel, dat een cartridge wordt genoemd. Per jaar worden naar schatting wereldwijd 1,1 miljard cartridges gevuld met toner verkocht. Van deze hoeveelheid cartridges komen er uiteindelijk 500 miljoen na gebruik op een vuilnisbelt terecht. Een gebruikte cartridge bevat nog een achtergebleven hoeveelheid toner. Het is ongewenst wanneer toner in het milieu terechtkomt.
De cartridges zijn veelal gemaakt van een thermoplastische kunststof en kunnen daardoor gemakkelijk gerecycled worden.
De cartridges zouden gerecycled kunnen worden, maar voor de overgebleven toner is dat lastiger. Australische onderzoekers hebben een proces ontwikkeld waarmee ijzer uit toner kan worden teruggewonnen. Dit gebeurt door het Fe3O4 met behulp van het co-polymeer, dat eveneens in toner aanwezig is, om te zetten tot ijzer. Hieronder is beschreven hoe dit proces op kleine schaal wordt uitgevoerd.
De toner wordt samengeperst
tot tabletten. Een tablet wordt
vervolgens in een oven
geplaatst bij een temperatuur
van 1550 °C. Door de oven
wordt voortdurend argon
geleid.
In de oven ontleedt het co-polymeer tot methaan, koolstofmono-oxide en koolstofdioxide. Het gevormde methaan ontleedt vervolgens tot koolstof en waterstof. Vervolgens wordt ijzer gevormd als gevolg van voornamelijk onderstaande reacties.
Fe3O4 + CO ---> 3 FeO + CO2 (reactie 1)
FeO + C ---> Fe + CO (reactie 2)
FeO + CO ---> Fe + CO2 (reactie 3)
Door voortdurend argon door te leiden worden de ontstane gassen, samen met het argon, uit de oven verwijderd. De onderzoekers kregen zo een product dat grotendeels uit ijzer bestond. Dit ijzer kan gebruikt worden in de staalindustrie.
Het terugwinnen van ijzer uit toner is economisch gezien mogelijk voordelig. Er zijn ook andere redenen voor te geven.
Het arrangement Examen Scheikunde Havo 2e tijdvak 2021 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
2021-07-12 18:52:22
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.
Van dit lesmateriaal is de volgende aanvullende informatie beschikbaar:
Toelichting
Het havo eindexamen scheikunde 2e tijdvak 2021 is verwerkt in een arrangement. Bij de beantwoording van de vragen is gebruik gemaakt van het correctievoorschrift van de CEVO.
Het havo eindexamen scheikunde 2e tijdvak 2021 is verwerkt in een arrangement. Bij de beantwoording van de vragen is gebruik gemaakt van het correctievoorschrift van de CEVO.
