Examen Scheikunde Havo 2e tijdvak 2022

Examen Scheikunde Havo 2e tijdvak 2022

Houtspons

Bij scheepsongelukken kan olie lekken naar het water. Om milieuschade te voorkomen hebben onderzoekers een materiaal op basis van hout ontwikkeld, waarmee olie uit water kan worden opgenomen. De werking van dit materiaal lijkt op die van een spons. Daarom heeft het de naam  ‘houtspons’ gekregen.
Hout bestaat uit cellulose, lignine en hemicellulose.
Bij het maken van een houtspons moet het hout als volgt worden behandeld:
stap 1: Lignine wordt verwijderd.
stap 2: Hemicellulose wordt verwijderd.
stap 3: De overgebleven cellulose wordt gedroogd.
stap 4: De gedroogde cellulose wordt hydrofoob gemaakt.
stap 1
Voor het verwijderen van lignine wordt een oplossing van natriumchloriet gebruikt met een pH van 4,7. Deze oplossing bevat onder andere chlorietionen (ClO2–). Uit deze chlorietionen wordt chloordioxide (ClO2) gevormd volgens reactie 1.
5 ClO2– + 4 H+ --> 4 ClO2 + Cl– + 2 H2O        (reactie 1)
Chloordioxide (ClO2) reageert vervolgens met lignine. Bij deze redoxreactie wordt ClO2 omgezet tot ClO2– volgens onderstaande halfreactie a. Deze vergelijking is onvolledig: er ontbreekt een elektron.
ClO2 --> ClO2–                                                                  (halfreactie a)

ClO2– wordt in reactie 1 omgezet en tijdens de reactie van ClO2 met lignine weer gevormd. Toch is ClO2– geen katalysator.

 

De reactie met ClO2 veroorzaakt veranderingen in de structuur van lignine. In figuur 1 is zo’n verandering schematisch weergegeven.

Door deze veranderingen wordt lignine beter oplosbaar in water en kan lignine uit het hout verwijderd worden. De verbeterde oplosbaarheid is onder andere te danken aan de vorming van waterstofbruggen met de ontstane zuurgroep en door hydratatie van de geladen groep.

stap 2 en 3
Na het verwijderen van de lignine wordt de hemicellulose uit het hout verwijderd met natronloog. Van het hout blijft dan alleen de cellulose over, die nog een kleine hoeveelheid water bevat. Dit water moet ook nog worden verwijderd. Hiertoe wordt de cellulose sterk afgekoeld, zodat het  aanwezige water bevriest. Door de luchtdruk steeds laag te houden, verdampt het bevroren water en wordt dit vervolgens afgevoerd. Deze scheidingsmethode heet ‘vriesdrogen’ en heeft  overeenkomsten met het indampen van een oplossing. Zo zijn bijvoorbeeld de fasen van het water en van het residu, direct na uitvoering van het vriesdrogen, gelijk aan de fasen direct na uitvoering van het indampen van een oplossing.

stap 4
Om olie te kunnen opnemen, moet het oppervlak van de cellulose hydrofoob worden gemaakt. Dit gebeurt door een behandeling waardoor op de cellulose een laagje van het polymeer polysiloxaan wordt gevormd. 
Daarna is de houtspons klaar. In figuur 2 is de reactie tussen drie monomeereenheden van polysiloxaan en drie monomeereenheden van cellulose schematisch weergegeven.

 

Olie is een mengsel van koolwaterstoffen.

Geabsorbeerde olie kan uit houtspons worden verwijderd door deze eenvoudigweg eruit te persen. De houtspons veert daarna terug tot zijn oude vorm en kan opnieuw worden gebruikt. Onderzoekers hebben de opname van olie door de houtspons gemeten tijdens een aantal cycli van opname en uitpersen. De resultaten zijn in figuur 3 weergegeven. De opname van olie is uitgedrukt in het aantal gram olie dat per gram houtspons is opgenomen.

In 2018 botste in de Rotterdamse haven een Noorse olietanker op een steiger, waardoor de tanker 200 ton olie verloor.

Metal fuels

De komende jaren zullen steenkolencentrales worden gesloten om de elektriciteitsproductie duurzamer te maken. Een onderzoeksteam van de TU Eindhoven onderzoekt of deze centrales toch nog langer te gebruiken zijn wanneer steenkool wordt vervangen door een zogeheten ‘metal fuel’.
Een metal fuel is een metaalpoeder dat verbrand kan worden. Het onderzoeksteam gebruikt hiervoor ijzerpoeder. De verbrandingsreactie van ijzerpoeder verloopt als volgt:

4 Fe (s) + 3 O2 (g) --> 2 Fe2O3 (s) (reactie 1)

In deze opgave wordt de productie van elektrische stroom op basis van de verbranding van ijzerpoeder beschreven.
Hieronder is hiervoor een vereenvoudigd en nog onvolledig blokschema gegeven. Eerst wordt ijzerpoeder dat in ruimte I is opgeslagen, gemengd met lucht. In een verbrandingskamer (ruimte II) wordt dit lucht-ijzermengsel tot ontbranding gebracht.
 

De verbranding van ijzerpoeder in ruimte II verloopt specifiek: de zuurstof reageert aan het  oppervlak van de ijzerpoederdeeltjes en er vormt zich een korst van ijzeroxide. Dit is weergegeven in figuur 1. De korst wordt steeds dikker en uiteindelijk blijft er een vast deeltje over dat  voornamelijk uit Fe2O3 bestaat.

Wanneer ijzerpoederdeeltjes reageren in ruimte II nemen ze in massa toe. Wanneer de poederdeeltjes na de verbranding groot en zwaar genoeg zijn, zakken ze naar de onderkant van de verbrandingskamer en komen ze in een opvangruimte terecht (ruimte III).

De overgebleven gassen uit de lucht worden in      
ruimte II verhit, door de warmte die vrijkomt bij de verbranding van ijzerpoeder (zie uitwerkbijlage).

De hete gassen worden boven uit ruimte II afgetapt en gebruikt voor de productie van hete stoom. Hiervoor moet de energie van de hete gassen via een apparaat (IV) worden overgedragen aan water. Het symbool voor dit apparaat is in figuur 2 weergegeven. Met de gevormde hete stoom wordt een stoomturbine (V) met
elektriciteitsgenerator (VI) aangedreven.
De stoom die uit de stoomturbine komt, wordt afgekoeld in een koeler (VII) en het gevormde afgekoelde water wordt weer naar het apparaat (IV) teruggevoerd.

Het ontstane ijzeroxide bestaat voornamelijk uit Fe2O3 en is opgevangen in ruimte III. Dit Fe2O3 wordt vervolgens in een recyclingproces weer omgezet tot ijzerpoeder. Deze terugwinning van ijzer is mogelijk door Fe2O3 te laten reageren met waterstof. Hierbij ontstaan ijzer en water.

In het eerder weergegeven blokschema ontbreekt een blok voor het recyclingproces.

BioGlue®

BioGlue® is een lijm die chirurgen gebruiken bij het repareren van de wand van een bloedvat. BioGlue® bevat onder andere de stof glutaaraldehyde. Glutaaraldehyde kan worden gemaakt door stof X te laten reageren met zuurstof. De molecuulformule van stof X is C5H8. In een molecuul van stof X zijn alle C-atomen gerangschikt in een ring.

De werking van BioGlue® is onder andere gebaseerd op de reactie van de stof glutaaraldehyde met (vrije) NH2-groepen in de restgroepen van eiwitten.

In figuur 1 is de reactie van de C=O-groepen van glutaaraldehyde met NH2-groepen weergegeven.

Wanneer glutaaraldehyde-moleculen reageren met NH2-groepen in de restgroepen van een eiwit, ontstaan crosslinks. Hieronder is de reactievergelijking voor de vorming van een crosslink tussen twee eiwitmoleculen met één glutaaraldehyde-molecuul schematisch en  onvolledig weergegeven.

BioGlue® wordt geleverd in een spuit met twee compartimenten met verschillende oplossingen (figuur 2). Wanneer de spuit wordt ingedrukt, komen een glutaaraldehyde-oplossing en een oplossing van het eiwit albumine in de juiste verhouding gemengd bij elkaar in de tip. De druppels  BioGlue® die uit de tip komen, moeten vrijwel meteen op de wond worden aangebracht.

De wand van een bloedvat bevat veel eiwitten. Om een gescheurd bloedvat te repareren, brengt een chirurg BioGlue® aan op de wanden van het bloedvat en drukt deze wanden samen. Door de reactie van glutaaraldehyde met albumine én met de eiwitten in de wand van het bloedvat ontstaat een netwerk dat de scheur afdicht (figuur 3). Hierbij wordt BioGlue® hard. Dit wordt uitharden  genoemd.

Het kan gebeuren dat de chirurg te lang wacht voor hij de lijm aanbrengt nadat glutaaraldehyde en albumine zijn gemengd. In dat geval hardt de lijm wel uit, maar wordt de scheur niet goed  afgedicht.

Onderzoekers hebben de snelheid onderzocht waarmee de lijm uithardt. Zij mengden gelijke hoeveelheden albumine met verschillende hoeveelheden glutaaraldehyde. Vervolgens werd de uithardingstijd van de lijm gemeten. In figuur 4 zijn de resultaten weergegeven.

Om een optimale afstemming te krijgen tussen de uithardingstijd en het dichten van de scheur, is het compartiment met albumine-oplossing vier maal zo groot als het compartiment met glutaaraldehyde-oplossing.

Alcohol in de auto

Een fabrikant heeft een elektrische auto ontwikkeld die rijdt op een oplossing van ethanol (alcohol, C2H6O). Deze auto maakt in een ‘reformer’ waterstofgas uit de ethanoloplossing. Vervolgens produceert een zogenoemde ‘solid oxide-brandstofcel’ (SOFC) elektrische stroom uit waterstofgas. De elektrische energie wordt opgeslagen in een batterij en kan worden gebruikt voor het aandrijven van de motor. In figuur 1 is deze energievoorziening schematisch en vereenvoudigd weergegeven.

In de reformer wordt de ethanoloplossing omgezet tot waterstofgas en koolstofdioxide. Dit proces kan vereenvoudigd worden weergegeven met onderstaande vergelijking.


C2H6O (l) + 3 H2O (l) --> 6 H2 (g) + 2 CO2 (g)                                     (reactie 1)

In figuur 2 is de SOFC schematisch weergegeven. De gevormde waterstof reageert bij elektrode A van de SOFC. Bij elektrode B reageert zuurstof uit de lucht. Hierbij treden de volgende halfreacties op:

elektrode A: H2 + O2- --> H2O + 2 e-
elektrode B: O2 + 4 e ̶ --> 2 O2-

In figuur 2 ontbreken de stoffen die halfcel B verlaten.

De elektrolyt in de SOFC is vast en kan bestaan uit zirkoniumoxide (ZrO2) waaraan een kleine hoeveelheid yttriumoxide (Y2O3) is toegevoegd. In figuur 3 zijn de roosters van zuiver ZrO2 en van het mengsel van ZrO2 en Y2O3 schematisch weergegeven.

Door de toevoeging van Y2O3 ontstaan lege plekken in het rooster van ZrO2 die ‘gaten’ worden genoemd. De oorzaak hiervan is dat er per twee Zr4+-ionen die worden vervangen door twee Y3+-ionen, één O2–-ion minder nodig is in het rooster.

De wijze waarop de elektrolyt elektrische stroom geleidt, is als volgt:
- De SOFC wordt verhit tot 600 °C.
- Bij deze temperatuur kunnen O2–-ionen naar een volgende lege plek springen.
- Netto verplaatsen zich op deze manier O2–-ionen door de elektrolyt heen, van de ene elektrode naar de andere elektrode.

Tijdens het rijden wordt vanuit de reformer CO2 uitgestoten (reactie 1).
Toch is onder een bepaalde voorwaarde het rijden met deze auto CO2-neutraal.

Er zijn ook auto’s die rijden op waterstofgas. Op grond van de uitgangspunten van de groene chemie kunnen voordelen en nadelen van een SOFC-auto ten opzichte van een waterstofauto worden gegeven.

Bijensteek

Een bij steekt de mens alleen uit verdediging. Tijdens een bijensteek wordt gif in het lichaam gespoten. Het gif bestaat uit water en een aantal vaste stoffen. Deze vaste stoffen vormen het ‘drooggewicht’. De meest voorkomende vaste stoffen in bijengif staan in tabel 1.

Tijdens de bijensteek wordt 50 μg gif in het lichaam gespoten.

Op de plaats van de bijensteek veroorzaken de eiwitten mellitine en fosfolipase A2 schade aan celmembranen. Een fragment van een gedeelte van mellitine is: ~ Leu – Pro – Ala ~.

Celmembranen bestaan uit fosfolipidemoleculen. Een fosfolipidemolecuul is opgebouwd uit een glycerolmolecuul dat is veresterd met twee vetzuurmoleculen en een fosforzuurverbinding. Een voorbeeld van een fosfolipidemolecuul dat in celmembranen voorkomt is in figuur 1 weergegeven.

 

Het enzym fosfolipase A2 uit bijengif bevordert de hydrolyse van fosfolipidemoleculen. Bij vraag 35 is de vergelijking van deze hydrolyse onvolledig weergegeven. De koolstofatomen van het fosfolipidemolecuul genummerd. De hydrolyse vindt uitsluitend plaats bij de estergroep aan het C-atoom met nummer 2. De andere estergroepen blijven ongewijzigd.

Op de plaats van de bijensteek geven bepaalde lichaamscellen histamine af. Deze histamine én de histamine uit bijengif veroorzaken de zwelling, roodheid en jeuk. De structuurformule van histamine is hieronder weergegeven.

In het lichaam wordt histamine gemaakt uit het aminozuur histidine. 
Hierbij ontstaat behalve histamine nog één ander deeltje.

Op de internetsite www.bijenhouders.nl staat dat het innemen van een antihistamine-tablet de gevolgen van een bijensteek kan beperken. Een andere internetsite geeft het advies om de plaats van een bijensteek te behandelen met zuiveringszout, omdat zuiveringszout reageert met gif.
Bijengif heeft namelijk een lage pH van 4,5 tot 5,5. Helaas is dit middel niet effectief, omdat het zuiveringszout niet in de huid kan binnendringen waardoor het niet in contact komt met het gif.

  • Het arrangement Examen Scheikunde Havo 2e tijdvak 2022 is gemaakt met Wikiwijs van Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt, maakt en deelt.

    Auteur
    Dick Naafs
    Laatst gewijzigd
    2022-07-20 17:43:30
    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.

    Meer informatie over de CC Naamsvermelding 4.0 Internationale licentie.

    Aanvullende informatie over dit lesmateriaal

    Van dit lesmateriaal is de volgende aanvullende informatie beschikbaar:

    Toelichting
    Het havo eindexamen scheikunde 2e tijdvak 2022 is verwerkt in een arrangement. Bij de beantwoording van de vragen is gebruik gemaakt van het correctievoorschrift van de CEVO.
    Leerniveau
    HAVO 4; HAVO 5;
    Leerinhoud en doelen
    Scheikunde;
    Eindgebruiker
    leerling/student
    Moeilijkheidsgraad
    gemiddeld
    Studiebelasting
    3 uur 0 minuten

  • Downloaden

    Het volledige arrangement is in de onderstaande formaten te downloaden.

    Metadata

    LTI

    Leeromgevingen die gebruik maken van LTI kunnen Wikiwijs arrangementen en toetsen afspelen en resultaten terugkoppelen. Hiervoor moet de leeromgeving wel bij Wikiwijs aangemeld zijn. Wil je gebruik maken van de LTI koppeling? Meld je aan via info@wikiwijs.nl met het verzoek om een LTI koppeling aan te gaan.

    Maak je al gebruik van LTI? Gebruik dan de onderstaande Launch URL’s.

    Arrangement

    IMSCC package

    Wil je de Launch URL’s niet los kopiëren, maar in één keer downloaden? Download dan de IMSCC package.

    Voor developers

    Wikiwijs lesmateriaal kan worden gebruikt in een externe leeromgeving. Er kunnen koppelingen worden gemaakt en het lesmateriaal kan op verschillende manieren worden geëxporteerd. Meer informatie hierover kun je vinden op onze Developers Wiki.

  • Gebruik
    Weergave
  • Wikiwijs is een dienst van