opgave 1Palladiumvanger
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.
11pGeef een van die ongewenste effecten.
Een reactie die in de katalysator van een auto optreedt, is de ontleding
van stikstofmono-oxide tot stikstof en zuurstof.
22pGeef de reactievergelijking van deze ontleding.
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.
33pGeef het aantal protonen, neutronen en elektronen van een Pd2+-ion van
de isotoop Pd-107.
Noteer je antwoord als volgt:
aantal protonen: …
aantal neutronen: …
aantal elektronen: …
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.
42pGeef aan tussen welke atoomgroepen van cellulose en welke
atoomgroepen van eiwitten de waterstofbruggen kunnen worden gevormd.
Maak eventueel gebruik van Binas-tabel 67H1 of
ScienceData-tabel 13.7c.
Noteer je antwoord als volgt:
atoomgroep cellulose: …
atoomgroep eiwit: …
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.
54pBereken hoeveel mol Pd2+-ionen maximaal per mol eiwit kan worden
gebonden
− Neem aan dat de molaire massa van het eiwit 3,0∙104 g mol–1 is.
− Geef de uitkomst in het juiste aantal significante cijfers.
62pLeg uit waarom het eiwit-cellulose-complex hergebruikt kan worden.
Vermeld daarbij uit welke stap(pen) dat blijkt.
opgave 2Battolyser
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.
72pGeef aan welke energieomzetting plaatsvindt bij de elektrolyse van water.
Noteer je antwoord als volgt:
… energie wordt omgezet tot … energie.
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.
figuur 1
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.
82pGeef de namen van deze twee bindingstypen.
Op de uitwerkbijlage 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.
92puitwerkbijlageMaak op de uitwerkbijlage het energiediagram van reactie 1 af door de
ontbrekende energieniveaus weer te geven met de bijbehorende
bijschriften.
101pGeef in het energiediagram de reactiewarmte van reactie 1 aan.
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:
elektrode A: 2 H2O + 2 e– → H2 + 2 OH–
elektrode B: 4 OH– → O2 + 2 H2O + 4e–
De gevormde waterstof kan vervolgens worden gebruikt als (grondstof
voor) brandstof.
112pLaat zien aan de hand van de gegeven vergelijkingen van de halfreacties,
dat netto water wordt omgezet.
De eerste battolyser werd anderhalf jaar lang getest. In totaal werd in
deze periode 1,41 kg water omgezet.
123pBereken hoeveel gram waterstof maximaal kan ontstaan uit 1,41 kg water.
Geef de uitkomst in het juiste aantal significante cijfers.
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:
elektrode A: Fe + 2 OH– → Fe(OH)2 + 2 e–
elektrode B: NiO(OH) + H2O + e– → Ni(OH)2 + OH–
Op de uitwerkbijlage is de battolyser nogmaals schematisch weergeven.
In deze figuur ontbreekt een stroomdraad.
132puitwerkbijlageGeef in de figuur op de uitwerkbijlage aan waar en in welke richting de
elektronen en hydroxide-ionen zich verplaatsen tijdens het leveren van
elektrische energie door het tekenen van:
− een lijn met het bijschrift stroomdraad
− een pijl met het bijschrift e–
− een pijl met het bijschrift OH–
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.
figuur 2
142pLeg uit, aan de hand van figuur 2, in welke maand de battolyser de
meeste waterstof zal produceren: in april of in juni.
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.
151pGeef een risico dat door de schaalvergroting toeneemt.
opgave 3Lood 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.
162pBereken hoeveel keer de ADI de wijnmaker per dag aan lood (Pb2+)
innam.
Maak gebruik van de volgende gegevens:
− De wijnmaker woog 85 kg en dronk 0,50 L wijn per dag.
− De ADI van lood is 3,6⋅10–3 mg kg–1 lichaamsgewicht.
De wijnmaker had een oude metalen badkuip
gebruikt 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
− het verschil in het gebruikte volume wijn
De wijnmaker had ongeveer 100 L wijn gemaakt met pH = 3,8.
De onderzoekers gebruikten 4 L wijn met pH = 3,4.
figuur 1
172pLeg uit met behulp van het botsende-deeltjes-model waardoor de reactie
tussen email en wijn sneller verloopt bij pH = 3,4 dan bij pH = 3,8.
182pLeg uit aan de hand van figuur 1 waardoor een groter volume wijn in de
badkuip voor een lagere concentratie Pb2+-ionen zorgt.
Ga er hierbij van uit dat de pH van de wijn steeds gelijk is.
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).
191pGeef de naam van het negatieve ion in loodsuiker.
202pLeid af, aan de hand van de ladingsverandering van de looddeeltjes, of het
lood van de ketels bij deze reactie reageerde als oxidator of als reductor.
Noteer je antwoord als volgt:
lading van de looddeeltjes in lood:...
lading van de looddeeltjes in loodsuiker:...
lood is dus:...
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.
212pGeef aan welke waarneming wordt gedaan wanneer de test wordt
uitgevoerd met wijn die meer dan 4,8∙10–5 mol Pb2+-ionen per liter bevat.
− Maak gebruik van Binas-tabel 45A of ScienceData-tabel 8.4d.
− Licht je antwoord toe.
222pLaat zien, aan de hand van een berekening, dat de wijnmaker met de test
van Gockel de Pb2+-ionen in zijn wijn had kunnen aantonen.
Maak gebruik van het gegeven dat deze wijn 14 mg Pb2+ per liter bevat.
opgave 4Wasmiddel 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.
figuur 1
Figuur 1 is ook weergegeven op de uitwerkbijlage.
232puitwerkbijlageTeken op de uitwerkbijlage twee watermoleculen die het dodecylsulfaation
hydrateren. Geef elk watermolecuul weer met
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).
figuur 2
Op de uitwerkbijlage 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.
242pLeg uit, aan de hand van de structuurformules, welk vuildeeltje dit is.
Verwerk in je antwoord de begrippen ‘hydrofiel’ en/of ‘hydrofoob’.
Wasmiddel bevat ook enzymen die vuildeeltjes kunnen afbreken door
middel van hydrolyse.
252puitwerkbijlageOmcirkel op de uitwerkbijlage in elk van de twee structuurformules een
atoombinding die kan worden verbroken 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.
figuur 3
262pBereken de concentratie H+-ionen in mol L–1 bij het pH-optimum van
lipase (T = 298 K).
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.
figuur 4
272pGeef de 3-lettersymbolen van elk van de drie aminozuureenheden die in
figuur 4 zijn weergegeven. Maak gebruik van Binas-tabel 67H1 of
ScienceData tabel 13.7c.
Noteer je antwoord als volgt:
A = …
B = …
C = …
In waswater zijn veel meer vetdeeltjes dan lipasedeeltjes aanwezig. Toch
kunnen alle vetdeeltjes worden afgebroken.
281pGeef aan waarom het enzym lipase slechts in relatief kleine hoeveelheden
aanwezig hoeft te zijn om alle vetdeeltjes af te breken.
