In deze voorkennismodule is per hoofdstuk van de NLT-module 'Food or Fuel' een aantal vragen opgenomen. Je kunt hier testen of je voldoende voorkennis hebt om aan het betreffende hoofdstuk te kunnen beginnen. Mocht je de vragen lastig vinden bestudeer dan de voor jou relevante voorkennis die is opgenomen in de bibliotheek van deze voorkennismodule.
Hoofdstuk 2
Voorkennis ten behoeve van hoofdstuk 2 waarin je leert:
de verschillende vormen van biobrandstof kennen;
het spanningsveld tussen voedsel en brandstof kennen en hoe de komst van zogenaamde tweede generatie biobrandstoffen dit dilemma kan helpen oplossen;
berekeningen maken over de energieopbrengst van biobrandstof per hectare landbouwgrond;
berekenen hoeveel grond er nodig is voor een bepaalde transportbehoefte
Energie - eenvoudig
Heb je beide vragen fout maak dan de onderstaande toets en maak daarbij gebruik van de informatie in de bibliotheek.
Het volgende plaatje maakt duidelijk dat de koolstofcyclus uit balans raakt. De rode stroom in onderstaande cyclus is veel groter, dan de zwarte stroom.
Tekst? bijv: Heb je beide vragen fout maak dan de onderstaande toets en maak daarbij gebruik van de informatie uit de bibliotheek.
Een alcohol is de verzamelnaam voor een groep moleculen binnen de organische chemie die een bepaalde overeenkomst hebben. Alle alcoholen hebben een OH groep gebonden aan een koolstofatoom. De meest bekende alcohol is ethanol. Ethanol heeft de chemische formule C2H5OH. Het is de enige alcohol die geconsumeerd kan worden. Verder kan ethanol gebruikt worden als vervanger voor benzine. Om ethanol te kunnen gebruiken als brandstof is een kleine aanpassing van de benzinemotor nodig.
De reactie voor het vormen van ethanol uit biomassa is alsvolgt:
C6H12O6 → 2C2H5OH+ 2CO2 + warmte
De structuur van ethanol
Biodiesel
Zoals de naam al suggereert, is biodiesel een vervanger van diesel afkomstig van fossiele brandstoffen. Om deze brandstof te kunnen gebruiken zijn geen verdere aanpassingen van de motor nodig. Biodiesel wordt gemaakt uit plantaardige olie. Plantaardige olie bestaat uit een glycerol basis met 3 vetzuren in een esterverbinding gebonden. In het plaatje te zien onder triglyceride. Een nadeel van deze olie is dat het heel stroperig is, waardoor het niet ideaal als brandstof is. Door een olie te laten reageren met methanol (CH3OH) of andere kleine alcoholen ontstaan vrije vetzuren, te zien in het plaatje als “a free fatty acid.” Deze vrije vetzuren zijn veel minder stroperig en daardoor geschikt als biobrandstof.
Plandaardige Olie
Hydrolyse en condensatie
Hydrolyse en condensatie
In de natuur komen veel moleculen voor als polymeer. Bij de vorming van polymeren uit monomeren en de afbraak van polymeren naar monomeren spelen hydrolyse en condensatie reacties een belangrijke rol. Hydrolyse en condensatie zijn elkaars tegengestelde reactie.Bij de vorming van polymeren uit monomeren is er sprake van condensatie. Dit houdt in dat bij de reactie water gevormd wordt. Als 2 monomeren een reactie aangaan en een polymeer vormen, reageren een OH residu en een H residu met elkaar tot H2O. Bij de vorming van monomeren uit polymeren is er sprake van hydrolyse. Voor deze reactie is een watermolecuul nodig. Het water splitst zich op in een OH en een H residu en reageren met de losgekomen monomeren.
(NB.: condensatie en hydrolyse zijn elkaars tegengestelde reactie)
Hydrolyse en condensatie
Destillatie
Destillatie
Nadat de vaste bestanddelen uit het mengsel verwijderd zijn, is destillatie vrijwel de enige mogelijkheid om de ethanol uit het restant te winnen. Je hebt destillatie leren kennen als een van de belangrijkste scheidingsmethoden. Het principe waarop deze methode berust, is een verschil in kookpunt van de verschillende componenten, waarvan water en ethanol hier de belangrijkste zijn. Water heeft een kookpunt van 100 °C; ethanol van ongeveer 78.5 °C.
Hiermee konden we in de 3de klas verklaren hoe destillatie werkt: ethanol heeft het laagste kookpunt en verdampt als eerste. De ethanoldamp condenseert in de koeler en wordt aan het einde daarvan opgevangen. Het water blijft uiteindelijk achter. Dit klopt ook mooi met iets dat je ook al in de derde klas hebt geleerd, namelijk dat een mengsel van ethanol en water geen kookpunt heft, maar een kooktraject. Als een mengsel een kooktraject heeft, loopt de temperatuur van het mengsel tijdens het koken op. Dit betekent dat de samenstelling van het mengsel tijdens het koken verandert: de component met het laagste kookpunt verdwijnt er het eerste uit, totdat uiteindelijk die met het hoogste kookpunt overblijft. De verhouding tussen de bestanddelen in de vloeistof verander dus voortdurend. Tot zover de derde klas-scheikunde. Maar in werkelijkheid ligt het allemaal wat ingewikkelder.
We kijken nog eens nauwkeuriger naar de verschijnselen die hier een rol spelen. Koken is op zichzelf een bijzonder verdampinsproces. Wat gebeurt er precies bij koken? Daarvoor moet je eerst iets weten overdampdruk.
Dampdruk
Beschouw een afgesloten ruimte met vloeistof, bijvoorbeeld water. Boven het vloeistofoppervlak bevindt zich waterdamp. Voortdurend ontsnappen er moleculen aan de vloeistof. Dit noemen we de uitgaande stroom. Tegelijkertijd keren moleculen terug in de vloeistof. Dit is de ingaande stroom. Op een zeker moment zal er een dynamisch evenwicht ontstaan waarbij ingaande stroom en uitgaande stroom aan elkaar gelijk zijn. De damp is dan verzadigd. Er heerst boven de vloeistof een bepaalde dampdruk. Als de temperatuur stijgt, stijgt ook de dampdruk. De uitgaande stroom hangt af van temperatuur en bij toenemende temperatuur zal de uitgaande stroom ook toenemen. Daardoor neemt de dampdichtheid ook toe. Dampevenwicht ontstaat doordat de ingaande stroom bij toenemende dampdichtheid groter wordt.
Koken
Bij koken ontstaan dampbellen in de vloeistof. Waar komen deze bellen vandaan? Waarom heeft kokend wate een temperatuur van 100 °C? dampbelletjes ontstaan regelmatig in water. Ze verdwijnen echter weer omdat de dampdruk kleiner is dan de buitendruk. Bij toenemende temperatuur stijgt de dampdruk. Als de dampdruk is opgewassen tegen de buitendruk of zelfs groter is zwelt de dampbel op. De bellen stijgen vervolgens naar het vloeistofoppervlak. Als de dampdruk niet groot genoeg is zal een dampbel weer verdwijnen. Als de dampbel wel groot genoeg is ontstaat er een kookbel.
Destillatie
Bij destillatie wordt een mengsel van water en alcohol aan de kook gebracht. In de kokende vloeistof ontstaan weer dampbellen omdat de dampdruk weer gelijk is aan de buitendruk. Ditmaal hebben we echter niet te maken met één vloeistof maar met twee. Wanneer er bij een destillatie een hoeveelheid van een water/ethanol mengsel aan de kook brengen, ontstaan er weer dampbellen in de vloeistof. Maar binnen de dampbel zullen er zowel alcohol als watermoleculen zijn. Het totale aantal moleculen in de bel bestaat voor een deel uit watermoleculen en voor een deel uit alcoholmoleculen.
Je kunt met destilleren niet verder komen dan 96% ethanol. Dit komt doordat het mengsel water en alcohol azeotroop is. Het woordt komt zals zoveel wetenschappelijke termen uit het grrieks. A-zeo-troop betekent zoveel als zonder-kook-verandering.
Vergisting: DNA/RNA
DNA
DNA is het molecuul dat de genetische code draagt. DNA is in elke levende cel aanwezig. Al het erfelijk materiaal wordt via het DNA overgedragen naar de volgende generatie. De opbouw van DNA is een polymeer bestaande uit 4 verschillende monomeren. De monomeren zijn te zien in onderstaand plaatje. Door een verbinding tussen de α-fosfaat met de omcircelde OH groep wordt een polymeer gevormd dat DNA heet. De gebruikte basen zijn elkaars tegenstelde en kunnen elkaar op een specifieke manier aantrekken. A en T vormen samen een paar en C en G vormen een paar. Wanneer 2 sequenties elkaars tegengestelde zijn zullen beide strengen een interactie met elkaar aangaan en zal een zogenaamde dubbele helix ontstaan. dit is te zien in het plaatje.
links: DNA monomeer, rechts: dubbele helix
RNA
RNA heeft een bijna gelijke opbouw aan DNA met 3 verschillen:
als je naar het plaatje van de dNTP’s kijkt zie je dat DNA 4 basen heeft, A, T, G en C. Bij RNA bestaat de C niet maar wordt een U gebruikt.
verder zie je in het plaatje dat bij 2’ een rode H getekend staat. Bij RNA zit op deze plaats een OH.
RNA komt alleen in een enkelstrengs structuur voor.
Vergisting: celstructuur
Prokaryoot
Een prokaryote cel is een hele simpele cel als het ware. Evolutionair gezien staat deze cel vrij ver onder aan de evolutie. Maar dat maakt deze celsoort niet onbelangrijk! Vrijwel alle bacteriën op aarde zijn prokaryoot. Zoals je kunt zien in het plaatje is de opbouw zeer simpel. De cel beschikt over een celmembraan. Binnen de celmembraan zitten alle functies van de cel. Het DNA bevindt zich vrij in de cel en de ribosomen bevinden zich ook overal vrij in de cel. Aan de buitenkant van de cel bevinden zich vaak pili en flagellum. Dit zijn uitsteksels aan de buitenkant van de cel die zorgen voor beweging van de cel. Hiermee kan ie als het ware rondzwemmen.
doorsnede prokaryoot
Eukaryoten
Een eukaryote cel is een cel met vele verschillende compartimenten die elk een eigen functie hebben. Elk compartiment wordt een organel genoemd. Een organel is een op zichzelf staand ‘fabriekje’ dat z’n eigen taak vervuld.
Er zijn vele verschillende organellen. De belangrijkste worden hieronder besproken. De kern: in de kern bevindt zich al het DNA, het zit hier netjes opgevouwen. Het wordt hier gelezen om de erfelijke informatie toe te passen. Ribosomen: ribosomen zijn de fabriekjes die ervoor zorgen dat enzymen gemaakt worden. Meestal zitten ze rechtstreeks gebonden aan het ‘endoplasmatisch reticulum.’(ER) Mitochondrium: mitochondrium is het organel waar de aerobe dissimilatie plaatsvindt. In de mitochondria worden complexe organische moleculen afgebroken tot kleiner producten en de vrijgekomen energie wordt opgevangen zodat het ergens anders in de cel gebruikt kan worden.
doorsnede eukaryote cel
Plantencel
Een plantencel heeft vele overeenkomsten met een eukaryote cel. Hoewel er een paar grote verschillen zijn. Een plantencel maakt zijn eigen glucose om af te kunnen breken. Daarvoor heeft hij een speciaal organel nodig. Dit organel wordt de chloroplast genoemd. Verder heeft een plant een heel groot organel dat water opslaat, dit wordt een vacuole genoemd. Dit organel neemt vrijwel alle ruimte van een plantencel in. Een ander deel van de cel verschilt met dat van eukaryote, buiten de celmembraan heeft de plant nog een extra celwand. Dit is voor de stevigheid van de cel en voor de stevigheid van de complete plant. Het bestaat voornamelijk uit cellulose, hemi-cellulose en lignine.
Doorsnede plantencel
Informatiestroom
Alle erfelijke informatie van cellen zit opgeslagen in chromosomen. Een chromosoom is zeer compact opgeslagen DNA. Op het DNA van de chromosomen ligt de informatie opgeslagen aan de hand van genen. Dus een gen is een effectief stuk DNA waarop een eigenschap vastligt. Wanneer een cel meerdere chromosomen heeft, bijvoorbeeld de mens, wordt de hele verzameling van chromosomen het genoom genoemt. Wanneer een gen actief is begint de informatiestroom van de erfelijke eigenschap. Eerst wordt DNA omgezet naar RNA, dit heet translatie. Vervolgens wordt de RNA code omgezet naar een functioneel eiwit, dit heet transcriptie.
Vergisting: metabolisme
Metabolisme
Metabolisme is de verzameling van alle reacties binnen een cel. De reacties die plaatsvinden kunnen opbouw en afbraak van moleculen zijn. Termen die binnen het gebied van metabolisme thuishoren zijn: dissimilatie, assimilatie, aeroob, anaeroob, autotroof en heterotroof.
Dissimilatie: Dissimilatie is de afbraak of verbranding van complexe organische moleculen naar kleinere moleculen om energie vrij te maken voor groei en onderhoud.
Assimilatie: Assimilatie is de opbouw van complexe moleculen uit kleinere moleculen. Deze processen kosten energie. Deze energie wordt verkregen uit dissimilatie of uit zonlicht bij fotosynthese. Onder complexe moleculen kan worden verstaan: DNA, eiwitten, membranen, Maar ook glucose in de fotosynthese.
Aeroob/Anaeroob: Aeroob betekent dat de processen van de verbranding (dissimilatie) verlopen door het gebruik van zuurstof. Dissimilatie met het gebruik van zuurstof levert de meeste energie op. Anaeroob betekent dat er bij de verbranding geen zuurstof gebruikt wordt. Vaak heb je dan te maken met fermentaties. In andere situaties worden vervangers van zuurstof gebruikt.
Autotroof/heterotroof: Het onderscheidt tussen autotrofe en heterotrofe organismen zit in in het feit wat gebruikt wordt als koolstofbron voor de opbouw van de cel. Wanneer een cel CO2 gebruikt als koolstofbron is het een autotroof organisme. Wanneer complexere molecullen gebruikt worden zoals methaan of suikers spreken we van heterotrofe organismen.
Vergisting: overzicht reacties
Overzicht van belangrijke vergelijkingen
Een aantal vergelijkingen zie je overal in de natuur voorkomen. Het is daarom ook belangrijk om deze goed op een rijtje te hebben:
Fotosynthese: 12H2O + 6CO2 + licht → C6H12O6 (glucose) + 6O2 + 6H2O
Volledige verbranding: C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2 → 6 CO2 + 12 H2O + 38 ATP + warmte
NB.: zie dat beide reacties elkaars omgekeerde zijn. Licht en warmte zijn beide energie alleen dan in een andere manifestatie.
Wanneer geen zuurstof aanwezig is zal fermentatie plaatsvinden. In deze situatie zal de volgende reactie plaatsvinden:
C6H12O6 → 2C2H5OH+ 2CO2 + warmte
Vergisting: polymeren
Polymeren
De natuur maakt heel veel gebruik van polymeren. Dit is makkelijk, omdat je op deze manier met heel weinig verschillende basisstoffen hele grote moleculen kunt maken. De natuur doet dit met veel van haar belangrijkste moleculen zoals:
DNA: Bestaat uit 4 verschillende monomeren, de nucleïnezuren. Het zijn 4 basen die de code van het DNA vormen. Dit molecuul is te vinden in de celkern.
Eiwitten: Bestaan uit aminozuren, 20 verschillende monomeren. Eiwitten zijn overal te vinden. Ze vervullen taken in de celkern bij en rondom het DNA. Ze zorgen voor het vrijmaken van energie in de cel. Maar ze zorgen ook buiten de cel voor het afbreken van stoffen.
Cellulose:Bestaat uit een enkel monomeer glucose. Cellulose zit in de celwand van plantencellen. Het zorgt voor stevigheid van de cel en de plant.
Polysacheriden:Deze zijn heel divers, ze kunnen uit eenzelfde monomeer bestaan of uit meerdere verschillende suikers aan elkaar gelinkt. Polysacheriden zijn overal in en rondom cellen te vinden.
Al deze polymeren hebben één overeenkomst. Wanneer de polymeren gevormd worden vind een condensatie reactie plaats. En wanneer een polymeer afgebroken wordt naar monomeren vind hydrolyse plaats.
Voorbewerking: enzymen
Enzymen
Een enzym is een eiwit dat in staat is een bepaalde specifieke functie uit te voeren. Een van die taken is de omzetting van een molecuul naar een ander molecuul. De omzetting is zeer specifiek, het enzym kan maar 1 molecuul binden en omzetten.
Waarom worden deze taken door enzymen uitgevoerd? Veel reacties die in een cel plaatsvinden verlopen niet vanzelf. Een enzym katalyseert de reactie waardoor deze wel gaat verlopen. Katalyseren betekent dat een ander molecuul, in dit geval een enzym, gebruikt wordt in de reactie. Dit molecuul wordt de katalysator genoemd. De katalysator wordt dus gebruikt maar niet verbruikt.
Hoe katalyseert een enzym de reactie? Voordat een reactie kan verlopen moet er een drempel overschreden worden, de zogenaamde activeringsenergie. Dit is te zien in onderstaande grafiek. Een veel gebruikte methode, maar zeker niet de enige, is dat een enzym de activeringsenergie verlaagt waardoor een reactie makkelijker spontaan verloopt.
activeringsenergie in een reactie
In de natuur gebruiken cellen enzymen om te overleven. Ze hebben verschillende functies uiteenlopend van vrijmaken van energie tot het delen van cellen. Niet alleen in de natuur zijn enzymen nuttig. Omdat enzymen heel specifiek bepaalde reacties uit kunnen voeren gebruiken wij ze industrieel. Bijvoorbeeld in wasmiddel of bij het brouwen van bier. Enzymen zijn handige moleculen, maar helaas zijn ze gevoelig voor verschillende omgevingsfactoren voor hun werking. In verschillende situaties zullen enzymen kapot gaan, dit wordt ook wel denatureren genoemd. Denaturatie kan plaatsvinden door chemicaliën, te hoge temperatuur of een te zure omgeving. Maar deze eigenschappen zijn voor elk enzym weer anders. Bijvoorbeeld: Bij een pH-waarde waar het ene enzym van denatureert zal het andere enzym een optimale werking hebben.
Voorbewerking: zuren en basen
Zuren en basen
Een zuur is een molecuul dat in staat is een proton (H+) af te staan aan de oplossing. Hierbij ontstaat het molecuul H3O+. Een base daarentegen is een molecuul dat een H+ uit de oplossing opneemt waardoor OH- ontstaat.
Of een oplossing zuur of basisch is wordt aangegeven door de pH waarde. Zuiver water wordt beschouwt als een neutrale pH. Een neutrale pH is pH 7. De pH schaal heeft geen eenheid. Wanneer de oplossing meer H3O+ opgelost heeft, dus zuur is, zal de pH onder 7 komen. Maar wanneer er meer OH- opgelost is en de oplossing basisch wordt zal de pH boven de 7 komen.
De pH kan op 2 manieren gemeten worden. Met een kleurstof (pH indicator) of met een pH meter. De indicator heeft een bepaald omslagpunt waarboven een andere kleur zichtbaar is als eronder. Een voorbeeld is methylrood, deze heeft als omslagpunt pH 4.4–6.2. Hierbij veranderd de kleur van rood naar geel. Een pH-meter bepaald de waarde door het spanningsverschil te meten tussen de oplossing en een referentiewaarde.
Binnen het gebied van zuren en basen bestaat een bijzondere groep moleculen. Dit worden buffers genoemd. Deze moleculen zijn in staat om zowel H+ op te nemen als af te staan. Op deze manier zal bij een toevoeging van zowel zuren als basen de pH minder snel veranderen omdat de buffer een evenwichtsreactie aangaat met het toegevoegde zuur of base. De hoeveelheid zuur of base die gebufferd kan worden is afhankelijk van de buffercapaciteit.
Het arrangement Voorkennismodule Food or Fuel werkversie Coen is gemaakt met
Wikiwijs van
Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt,
maakt en deelt.
Auteur
Coen Klein Douwel
Je moet eerst inloggen om feedback aan de auteur te kunnen geven.
Laatst gewijzigd
2016-08-14 10:10:14
Licentie
Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding en publicatie onder dezelfde licentie 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.
