Examen Scheikunde Havo 1e tijdvak 2025

Examen Scheikunde Havo 1e tijdvak 2025

Plaatstaal maken

Staal is een legering die voornamelijk uit ijzer bestaat. Plaatstaal is een toepassing van staal die onder andere in auto’s en treinen wordt gebruikt.
Plaatstaal wordt gemaakt door middel van walsen. Hierbij worden langwerpige blokken staal verhit tot 1200 oC en vervolgens tussen verwarmde rollen geperst. Zo ontstaat een lange plaat. Door het staal meerdere malen achter elkaar te walsen, kan de gewenste plaatdikte worden verkregen. De lange plaat wordt vervolgens opgerold en afgekoeld. Zie figuur 1.

De reden dat staal eerst wordt verhit voordat het geperst wordt, is dat staal bij kamertemperatuur moeilijk vervormbaar is.

Tijdens het walsen reageert het hete staal met zuurstof uit de lucht.
Hierbij ontstaat een dun laagje ijzeroxide (mengsel van FeO en Fe2O3).
Voor sommige toepassingen van plaatstaal moet dit laagje worden verwijderd. Dit gebeurt tijdens een proces dat beitsen wordt genoemd. Hierbij wordt een rol plaatstaal afgerold, door een bad met beitsvloeistof geleid en weer opgerold. Zie figuur 2. Beitsvloeistof is een oplossing van HCl in water.

Tijdens het beitsen treden de volgende reacties op:


Fe2O3 (s) + Fe (s) + 6 H+ (aq) --> 3 Fe2+ (aq) + 3 H2O (l) (reactie 1)
FeO (s) + 2 H+ (aq) --> Fe2+ (aq) + H2O (l) (reactie 2)


Reactie 1 is een redoxreactie.

Beitsvloeistof recyclen

Bij het maken van plaatstaal wordt beitsvloeistof gebruikt. Na gebruik bevat deze waterige vloeistof Fe2+-ionen, H+-ionen en Cl–-ionen. In deze opgave worden twee processen beschreven waarmee gebruikte beitsvloeistof wordt gerecycled: het proces van New Zealand Steel (proces A) en het proces van SMS Siemag (proces B). In beide processen wordt gebruikte beitsvloeistof omgezet tot onder andere Fe3+-ionen en HCl-gas.


Proces A
Het bedrijf New Zealand Steel maakt gebruik van een vortexreactor. Zie figuur 1. Een vortexreactor is een reactor waarin een ronddraaiende stroom van gassen (een vortex) aanwezig is. De reactor wordt verwarmd met behulp van gasbranders. 
De gebruikte beitsvloeistof wordt via vernevelaars van boven in de reactor gebracht bij een temperatuur van minimaal 350 °C. 
Hierdoor verdampt het water waarin de ionen zijn opgelost en ontstaan vast FeCl2 en gasvormig HCl. Het vaste FeCl2 reageert vervolgens in de vortexreactor tot Fe2O3, wat aan de onderkant van de reactor wordt afgevoerd en opgeslagen. HCl en stoom verlaten de vortexreactor aan de bovenkant en worden opgevangen.

De omzetting van FeCl2 tot Fe2O3 verloopt volgens reactie 1.


4 FeCl2 (s) + 4 H2O (g) + O2 (g) --> 2 Fe2O3 (s) + 8 HCl (g) (reactie 1)


Reactie 1 verloopt zeer snel onder de omstandigheden in de reactor.

Reactie 1 is exotherm.

Proces B
Het proces van SMS Siemag vindt plaats in drie stappen en is hieronder onvolledig en schematisch weergegeven:

Stap 1: De gebruikte beitsvloeistof wordt verwarmd tot 70 °C in een pre-concentrator.
             Hierdoor verdampt een deel van het water en een deel van het opgeloste HCl.
             Deze gassen worden naar een opvangvat geleid. Een geconcentreerde oplossing van
             Fe2+-ionen, H+-ionen en Cl–-ionen stroomt naar reactor 1 (R1).
Stap 2: In R1 reageren alle Fe2+-ionen met zuurstof volgens reactie 2, bij een temperatuur van
             150 °C en een druk van 7 bar.
           
             12 Fe2+(aq) + 3 O2(g) ---> 8 Fe3+(aq) + 2 Fe2O3(s) (reactie 2)

Stap 3: De ontstane suspensie wordt in reactor 2 (R2) geleid bij een temperatuur van 170 °C.
             Hier verdampt nog meer water. Ook treedt reactie 3 op:

             2 Fe3+ (aq) + 6 Cl– (aq) + 3 H2O --> 6 HCl (g) + Fe2O3 (s) (reactie 3)

             Vast Fe2O3 wordt onder in R2 afgevoerd en opgeslagen. Alle overige H+-ionen en Cl–-
             ionen verlaten R2 als HCl-gas. Alle gasvormige stoffen worden naar het opvangvat
            geleid.
 
 

Hieronder is het proces B nogmaals in een onvolledig blokschema weergegeven.

Beide processen (A en B) zijn bedoeld om stoffen te hergebruiken. Op basis van de uitgangspunten van de groene chemie hebben beide processen voordelen en nadelen.

Groene coatings

Om oppervlakken van metalen of kunststoffen te beschermen tegen invloeden van buitenaf, kunnen ze worden bedekt met een laagje van een polymeer. Dit laagje wordt een coating genoemd. Veel coatings bevatten polyacrylaten, zoals poly-ethylacrylaat. In figuur 1 is een fragment van een molecuul poly-ethylacrylaat weergegeven.

Poly-ethylacrylaat wordt gemaakt door poly-additie van het monomeer ethylacrylaat.

Polyacrylaten worden gemaakt uit aardolie en zijn daardoor niet duurzaam. Nederlands onderzoek heeft geleid tot een nieuwe methode om monomeren voor coatings te maken. In deze nieuwe methode wordt uitgegaan van biomassa. Uit biomassa wordt de stof furfural gemaakt.
Furfural kan in twee stappen worden omgezet tot een stof die als monomeer voor coatings kan worden gebruikt. In stap 1 reageert furfural dat is opgelost in methanol, met zuurstof tot hydroxybutenolide. 
In figuur 2 zijn de structuurformules van furfural en hydroxybutenolide weergegeven.
 

In stap 2 wordt de temperatuur verhoogd. Hydroxybutenolide reageert dan met methanol tot methoxybutenolide, afgekort B2. Zie figuur 3.

Butenolides zoals B2 zijn monomeren voor polymerisatiereacties. In plaats van methanol kunnen ook andere alcoholen worden gebruikt voor stap 2. Hierbij ontstaan andere butenolides. Zo ontstaat het monomeer B4 uit de reactie van propaan-2-ol met hydroxybutenolide. 
Hieronder is deze reactie onvolledig weergegeven:

B4 kan met een ander monomeer worden gepolymeriseerd tot een copolymeer dat geschikt is als coating. Het andere monomeer bepaalt de eigenschappen van het copolymeer. Een voorbeeld van zo’n ander monomeer is VeoVa-10. Zie figuur 4. Polymerisatie van B4 met VeoVa-10 levert een thermoplast op.

In een onderzoek werd de reactiesnelheid van B4 met VeoVa-10 bepaald.
Na 8000 seconden bleek 96% van alle moleculen B4 en 96% van alle moleculen VeoVa-10 via een poly-additiereactie te zijn omgezet tot een copolymeer.

Coatings die ontstaan uit de poly-additie van B2 of B4 met VeoVa-10 zijn vervormbaar. Wanneer een lagere vervormbaarheid gewenst is, moet men butenolides met een ander monomeer dan VeoVa-10 polymeriseren. Een voorbeeld van een monomeer dat door poly-additie met B2 een coating met een lagere vervormbaarheid oplevert, is DVE. Zie figuur 5.

Een andere belangrijke eigenschap van een coating is een goede hechting aan het te beschermen oppervlak. De onderzoekers onderzochten bij verschillende copolymeren hoe goed ze hechtten aan oppervlakken van polyetheen. Voorbeelden van deze copolymeren zijn die van DVE met B2 en met B3. De structuurformules van B2 en B3 zijn in figuur 6 weergegeven.

Een copolymeer van DVE met B2 (copolymeer A) bleek slechter te hechten aan een oppervlak van polyetheen dan een copolymeer van DVE met B3 (copolymeer B).

Plastic-etende bacterie

Het polymeer polyethyleentereftalaat (PET), waarvan PET-flessen worden gemaakt, is slecht afbreekbaar en wordt vaak op vuilnisbelten gestort. Japanse onderzoekers hebben in 2016 in slib van een vuilnisbelt een soort bacterie aangetroffen die PET kan afbreken. Deze bacterie bleek het enzym PET-ase te produceren, dat de afbraak van PET mogelijk maakt. Dit enzym kan de oplossing zijn voor onze berg PET-afval die steeds groter wordt. In figuur 1 is de eerste stap van deze afbraakreactie weergegeven.

 

Wanneer PET-ase aan een molecuul PET gebonden is, vindt de afbraakreactie plaats. PET-ase kan een molecuul PET doormidden ‘knippen’ bij de karakteristieke groep die in figuur 1 is aangeduid met de cijfers 1, 2 en 3.

Om de structuur van het enzym PET-ase te achterhalen, gebruikten onderzoekers een tussenproduct van de afbraak van PET: de stof BHET.
De structuurformule van BHET is in figuur 2 weergegeven.

Uit onderzoek blijkt dat drie aminozuur-eenheden van het enzym PET-ase een belangrijke rol spelen bij de afbraak van BHET door PET-ase. Dit zijn serine, histidine en asparaginezuur. De restgroepen van deze aminozuur-eenheden zijn door middel van waterstofbruggen met elkaar of
met het molecuul BHET verbonden.
Hieronder zijn deze aminozuur-eenheden, een molecuul BHET en hun onderlinge bindingen (deels vereenvoudigd en onvolledig) weergegeven. Van de aminozuur-eenheid Ser ontbreekt de restgroep. Er is één waterstofbrug weergegeven, tussen de OH-groep van Asp en een N-atoom van His. In dit geval gaat het N-atoom namelijk een waterstofbrug aan.

Bij de binding van een molecuul BHET aan PET-ase zijn ook de aminozuur-eenheden Met, Trp, Ala en Ile van belang. Hierbij zijn de hydrofobe restgroepen van deze aminozuur-eenheden betrokken.

Om het pH-optimum van PET-ase te onderzoeken, mengden de onderzoekers PET-folie en PET-ase met telkens een andere oplossing met een pH-waarde tussen 6,00 en 10,00. Bij elk experiment werd na 18 uur de concentratie van vrijgekomen afbraakproducten gemeten.
Figuur 3 toont de resultaten van dit onderzoek.

Het belangrijkste afbraakproduct van PET is de stof MHET. MHET wordt vervolgens door een ander enzym, MHET-ase, met water omgezet tot de stof TPA en nog één andere stof, stof X. TPA en stof X zijn grondstoffen voor nieuw PET. In figuur 4 zijn de structuurformules van MHET en TPA weergegeven.

Momenteel wordt ingezameld PET nog vaak door extruderen verwerkt tot nieuwe voorwerpen. Maar bij meerdere keren achter elkaar extruderen ontstaat PET met veel kortere ketens. Als PET door enzymen zou kunnen worden afgebroken tot TPA en stof X (de grondstoffen van PET) heeft dit een aantal voordelen ten opzichte van extruderen.

Waterstofbromide-flowbatterij

Om duurzame energie betaalbaar op te slaan, hebben onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven een batterij ontwikkeld die voldoende zonne-energie kan opslaan om een kantoor enkele weken van elektrische energie te voorzien. Deze batterij is een waterstofbromideflowbatterij (HBFB) en heeft de grootte van een aantal zeecontainers.


Een HBFB bevat een oplossing van het zuur waterstofbromide (HBr) in water. Deze oplossing bevat de deeltjes H+ (aq) en Br– (aq). De zure oplossing wordt door een pomp door de batterij gepompt. Een laagje polypropeen aan de binnenzijde van de pomp beschermt deze tegen de hoge zuurgraad.

De HBFB bevat vijftig elektrochemische cellen die met elkaar zijn verbonden. Elke elektrochemische cel bestaat uit twee halfcellen: een HBr-halfcel en een H2-halfcel. Zie figuur 1. De HBr-halfcel bevat een poreuze elektrode van koolstof waar de zure HBr-oplossing doorheen
wordt gepompt. De H2-halfcel bevat ook een poreuze elektrode van koolstof. De halfcellen worden van elkaar gescheiden door een membraan dat H+-ionen doorlaat.

Wanneer een HBFB voor de eerste keer wordt opgeladen, worden in de HBr-halfcel de Br–-ionen omgezet tot Br3–-ionen. In de H2-halfcel worden H+-ionen die door het membraan zijn gegaan, omgezet tot waterstofgas.
Tijdens het opladen treden de volgende halfreacties op:


HBr-halfcel: 3 Br– (aq) --> Br3– (aq) + 2 e–
H2-halfcel:   2 H+ (aq) + 2 e– --> H2 (g)

Hieronder is de elektrochemische cel nogmaals schematisch weergegeven.

Figuur 2 geeft een vereenvoudigde weergave van de HBFB. In plaats van 50 elektrochemische cellen zijn er maar 5 getekend.

De HBr-halfcellen zijn aangesloten op een voorraadvat met HBr-oplossing. Hierin komt na het opladen ook Br3– terecht. Uit voorzorg is rond dit voorraadvat een opvangbak met  calciumcarbonaat geplaatst.
Wanneer de zure HBr-oplossing zou lekken, ontstaat een gevaarlijke situatie. Het calciumcarbonaat vermindert dit gevaar.

De H2-halfcellen zijn aangesloten op 4 voorraadvaten met waterstof. Het volume van elk vat is 50 m3.
De dichtheid van H2 in een opgeladen HBFB is 0,732 kg m–3. 
Uiteindelijk wordt 89% van deze hoeveelheid H2 omgezet tijdens stroomlevering. Hierbij komt 2,4∙105 J per mol H2 vrij.

Disulfiram

Disulfiram (C10H20N2S4) is een alcohol-ontwenningsmiddel. Wanneer bij gebruik slechts een kleine hoeveelheid van een alcoholhoudende drank wordt gedronken, veroorzaakt disulfiram al vervelende lichamelijke verschijnselen, zoals hoofdpijn en overgeven. Bij de afbraak van alcohol
ontstaat ethanal. Disulfiram zorgt ervoor dat het enzym dat ethanal omzet tot azijnzuur, niet meer werkt.

Een hoge concentratie ethanal in het bloed geeft de drinker het gevoel doodziek te zijn. De plek waar disulfiram met het enzym reageert, is in het onderstaande fragment:

Disulfiram verbindt de cysteïne-eenheden met elkaar door middel van een S–S-binding tussen de SH-groepen van de restgroepen. Deze reactie is in de figuur schematisch en onvolledig weergegeven.

Op het stippellijntje na de pijl ontbreekt één coëfficiënt en één soort deeltje.

  • Het arrangement Examen Scheikunde Havo 1e tijdvak 2025 is gemaakt met Wikiwijs van Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt, maakt en deelt.

    Auteur
    Dick Naafs
    Laatst gewijzigd
    2025-05-28 14:15:50
    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.

    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 1e tijdvak 2025 is verwerkt in een arrangement. Bij de beantwoording van de vragen is gebruik gemaakt van het correctievoorschrift van de CEVO.
    Leerniveau
    HAVO 5;
    Leerinhoud en doelen
    Scheikunde;
    Eindgebruiker
    leerling/student
    Moeilijkheidsgraad
    gemiddeld
    Studiebelasting
    3 uur 0 minuten
    Trefwoorden
    beitsvloeistof recyclen, disulfiram, groene catings, plaatstaal maken, plastic-etende bacterie, waterstofbromide-flowbatterij

  • 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