Eindexamen scheikunde vwo 2004 tijdvak 1

opgave 1Nitrosylchloride

Wanneer geconcentreerd salpeterzuur met geconcentreerd zoutzuur reageert, ontstaat onder

bepaalde omstandigheden nitrosylchloride, ClNO. Behalve nitrosylchloride ontstaan bij

deze reactie water en chloor.

13p

Geef de vergelijking van deze reactie. Gebruik hierin voor de sterke zuren de

molecuulformules.

In een nitrosylchloridemolecuul is het stikstofatoom gebonden aan het chlooratoom en aan

het zuurstofatoom. Een nitrosylchloridemolecuul is niet cyclisch.

22p

Geef de elektronenformule van nitrosylchloride.

Onder invloed van licht ontleedt nitrosylchloride in chloor en stikstofmonooxide:

2 ClNO(g) → Cl₂(g) + 2 NO(g)

De enthalpieverandering (reactiewarmte) van deze reactie is + 0,38·10⁵ J per mol

nitrosylchloride (298 K, p = p₀).

33p

Bereken de vormingsenthalpie (vormingswarmte) van nitrosylchloride in J per mol

nitrosylchloride (298 K, p = p₀).

Nitrosylchloride kan ook ontstaan in een reactie van stikstofmonooxide met chloor. Het

volgende evenwicht stelt zich in:

2 NO + Cl

2 ClNO

Men heeft 0,200 mol NO en 0,100 mol Cl₂ samengevoegd in een afgesloten ruimte van

1,0 dm³. Toen het evenwicht zich had ingesteld, bleek 85% van het Cl₂ te zijn omgezet. De

temperatuur was 500 K. Bij deze temperatuur zijn alle bij het evenwicht betrokken stoffen

gasvormig.

45p

Bereken de waarde van de evenwichtsconstante van het evenwicht

2 NO + Cl

2 ClNO bij 500 K.

Men herhaalt het bovenbeschreven experiment bij 750 K.

52p

Leg uit of dan in de evenwichtstoestand ook 85% van het Cl₂ zal zijn omgezet of dat er

meer of minder dan 85% van het Cl₂ is omgezet.

opgave 2Alkanalen

Propanal kan op verschillende manieren worden bereid. Bij één van die manieren gaat men

uit van etheen, waterstof en koolstofmonooxide die in een reactor samengebracht worden:

Onder de reactiesnelheid bij deze omzetting verstaat men het aantal mol propanal dat per

seconde per dm³ reactorruimte wordt gevormd. Deze reactiesnelheid hangt af van de

concentraties van etheen en waterstof in de reactorruimte, maar niet van de concentratie van

koolstofmonooxide in de reactorruimte. Mede op grond hiervan veronderstelt men dat de

bovengenoemde reactie via de volgende drie achtereenvolgende stappen verloopt:

stap

Eén van deze drie stappen is voor de vorming van propanal de snelheidsbepalende stap.

62p

Leg aan de hand van een gegeven over de reactiesnelheid uit of stap 2 de

snelheidsbepalende stap voor deze vorming van propanal kan zijn.

Behalve propanal wordt in het reactiemengsel nog een ander alkanal aangetroffen. In deze

opgave wordt dit andere alkanal verder aangegeven als X. Het ontstaan van X kan worden

verklaard met behulp van het bovenbeschreven reactiemechanisme.

71p

Geef de structuurformule van X.

Als men butanal wil bereiden, gaat men uit van een mengsel van propeen, waterstof en

koolstofmonooxide. Men veronderstelt dat deze omzetting volgens eenzelfde

reactiemechanisme verloopt als het geval is bij de bereiding van propanal. Bij de bereiding

van butanal ontstaat, behalve butanal en het eerder genoemde alkanal X, nog een alkanal Y.

Dit alkanal Y kan niet ontstaan bij de bovengenoemde bereiding van propanal.

82p

Geef de structuurformule van het alkanal Y.

92p

Leg aan de hand van het reactiemechanisme uit hoe het ontstaan van Y in het

reactiemengsel moet worden verklaard.

In het reactiemengsel dat ontstaat bij de bereiding van butanal wordt ook een kleine

hoeveelheid polypropeen aangetroffen. Men veronderstelt dat de vorming van een

polypropeenmolecuul in het reactiemengsel begint met een initiatiereactie. Zo’n

initiatiereactie wordt gevolgd door een aantal opeenvolgende propagatiereacties. Deze

initiatiereactie treedt op na het verlopen van de eerste stap van het reactiemechanisme voor

de omzetting van propeen met waterstof en koolstofmonooxide tot butanal. De eerste stap

van het reactiemechanisme voor deze bereiding van butanal is vergelijkbaar met stap 1 uit

het hierboven weergegeven reactiemechanisme voor de bereiding van propanal.

102p

Geef een gedeelte uit het midden van een molecuul polypropeen in structuurformule weer.

Dit gedeelte dient te zijn opgebouwd uit drie monomeereenheden.

112p

Geef van de reactie die in het reactiemengsel leidt tot de vorming van een

polypropeenmolecuul een mogelijke initiatiereactie en de eerste propagatiereactie in

vergelijkingen met structuurformules weer.

opgave 3Haarkleuring

De buitenkant van een haar, de zogenoemde haarschacht, bestaat hoofdzakelijk uit keratine. Keratine is een eiwit met een hoog gehalte aan cysteïne-eenheden. Het aminozuur cysteïne heeft de volgende structuurformule: H 2 N CH C OH CH 2 SH Aminozuren worden vaak weergegeven met een drieletter-symbool. Het drieletter-symbool voor cysteïne is Cys. De SH groepen van cysteïne-eenheden in polypeptideketens kunnen zogenoemde zwavelbruggen vormen. Omdat in een keratinemolecuul veel cysteïne-eenheden voorkomen, worden er ook veel zwavelbruggen gevormd. Hieraan ontleent keratine zijn sterkte. In figuur 1 is een kenmerkend gedeelte van een keratinemolecuul met twee van deze zwavelbruggen weergegeven. figuur 1 In dit gedeelte zijn, behalve cysteïne-eenheden, ook eenheden opgenomen van twee andere aminozuren. Het hierboven weergegeven fragment kan ook met behulp van drieletter- symbolen schematisch worden weergegeven.

→ Geef de schematische weergave van dit fragment met behulp van drieletter-symbolen. Geef hierin de zwavelbruggen met – S – S – weer. De vorming van een zwavelbrug uit de SH groepen van twee cysteïne-eenheden is een redoxreactie. De vergelijking van de halfreactie voor de vorming van een zwavelbrug is hieronder schematisch en onvolledig weergegeven. ~ S – H + H – S ~ → ~ S – S ~

→ Geef de volledige vergelijking van de halfreactie voor de vorming van een zwavelbrug uit de SH groepen van twee cysteïne-eenheden. Gebruik de hierboven gegeven schematische weergave.

→ Leg uit of voor de vorming van de zwavelbruggen de SH groepen met een oxidator of met een reductor moeten reageren. Om haar te kleuren zijn verschillende middelen in de handel. Bij gebruik van sommige middelen verdwijnt al na enkele wasbeurten de kleurstof uit het haar. De oorzaak daarvan is dat de stof die voor de kleur zorgt zich aan de buitenkant van de haarschacht hecht en dat die hechting niet stevig is.

De structuurformule van zo’n kleurstof, stof A, is hieronder weergegeven. Bij het kleuren van haar met behulp van stof A wordt een oplossing van stof A in water gebruikt. Stof A lost als volgt op in water: Bij het kleuren van haar met een oplossing van stof A komen bindingen tot stand tussen deeltjes uit de oplossing van stof A en keratinemoleculen van de haarschacht. Daarvoor is het nodig dat een groot deel van de COOH groepen in de keratinemoleculen is omgezet tot COO – groepen. Het percentage van de COOH groepen dat is omgezet tot COO – groepen is afhankelijk van de pH: hoe hoger de pH hoe meer COO – groepen worden gevormd. De pH van de oplossing die wordt gebruikt om haar te kleuren, hoeft echter niet hoog te zijn, want zelfs bij pH = 6,50 is een zeer groot deel van de COOH groepen in de keratinemoleculen omgezet tot COO – groepen.

→ Bereken hoeveel procent van de COOH groepen in de keratinemoleculen is omgezet tot COO – groepen bij pH = 6,50. Bij deze berekening mogen de COOH groepen en de COO – groepen als opgelost worden beschouwd. Ga uit van een K z waarde van de COOH groepen in keratinemoleculen van 2,0·10 –5 . Uit het feit dat de kleuring van het haar met stof A moet plaatsvinden bij een pH waarbij een groot deel van de COOH groepen in de keratinemoleculen is omgezet tot COO – groepen, kan worden afgeleid hoe de bindingen tot stand komen tussen de deeltjes uit de oplossing van stof A en de keratinemoleculen.

→ Leg aan de hand van bovenstaande gegevens uit hoe de bindingen tot stand komen tussen de deeltjes uit de oplossing van stof A en de keratinemoleculen wanneer haar met stof A wordt gekleurd.

opgave 4Scheerkoppen

Sommige soorten roestvast staal bestaan uit een mengsel van ijzer en chroom. Men wil van een soort roestvast staal dat uitsluitend uit ijzer en chroom bestaat het massapercentage ijzer bepalen. Daartoe wordt een afgewogen hoeveelheid van dat staal in een zwavelzuuroplossing gebracht; het opgeloste zwavelzuur is in overmaat aanwezig. Er treedt een reactie op waarbij het staal volledig in Fe 2+ en Cr 3+ wordt omgezet. De ontstane oplossing is lichtgroen van kleur. De hoeveelheid Fe 2+ in de oplossing wordt vervolgens bepaald door een titratie met een oplossing van kaliumpermanganaat; bij het bereiken van het eindpunt van deze titratie treedt een duidelijke kleurverandering op.

→ Geef voor deze titratie aan welke kleurverandering optreedt bij het bereiken van het eindpunt. Het slijpen van voorwerpen van roestvast staal levert niet altijd de gewenste gladheid. Met behulp van elektrolyse kan een gladder oppervlak worden verkregen. Dit ‘ektrolytisch etsen’ van roestvast stalen voorwerpen wordt bijvoorbeeld toegepast bij het bewerken van scheerkoppen van scheerapparaten. Daartoe wordt de roestvast stalen scheerkop opgenomen als positieve elektrode in een elektrolyse-opstelling. Het gebruikte roestvaste staal bevat ijzer en chroom in de molverhouding 4,0 : 1,0. Tijdens de elektrolyse worden ijzer en chroom weggeëtst. Dit gebeurt in de molverhouding ijzer : chroom = 4,0 : 1,0. Bij deze elektrolyse staat elk ijzeratoom 3 elektronen af en elk chroomatoom 6 elektronen. Bij de uitvoering van dit proces wordt gedurende 30 seconden een gelijkstroom met een (constante) stroomsterkte van 6,0 A door de scheerkop geleid (1 ampère = 1 coulomb per seconde).

→ Bereken hoeveel mg metaal (ijzer + chroom) in totaal van de scheerkop door deze elektrolyse wordt weggeëtst. Ga er bij de berekening van uit dat de stroom door de scheerkop volledig wordt gebruikt voor de genoemde omzettingen. Gebruik verder onder andere gegevens uit Binas-tabel 7. Bij het elektrolytisch etsen van het staal met de genoemde molverhouding ontstaat een oplossing die onder andere Fe 3+ ionen en Cr 2 O 7 2– ionen bevat. Aangenomen mag worden dat deze ionen niet aan de negatieve elektrode reageren. De verkregen oplossing mag niet worden geloosd. Bij een methode om deze oplossing te zuiveren, wordt eerst een oplossing van een ijzer(II)zout toegevoegd. Door het ijzer(II)zout in overmaat toe te voegen, wordt al het Cr 2 O 7 2– omgezet: Cr 2 O 7 2– + 14 H + + 6 Fe 2+ → 2 Cr 3+ + 7 H 2 O + 6 Fe 3+ Vervolgens wordt aan de ontstane oplossing zoveel natronloog toegevoegd dat alle Fe 2+ , Fe 3+ en Cr 3+ neerslaan; hierbij ontstaan de vaste stoffen Fe(OH) 2 , Fe(OH) 3 en Cr(OH) 3 . De stoffen Fe(OH) 3 en Cr(OH) 3 ontstaan in een andere molverhouding dan 4,0 : 1,0.

→ Leid de molverhouding Fe(OH) 3 : Cr(OH) 3 af waarin deze stoffen ontstaan. Omdat Cr(OH) 3 een milieubelastende stof is, mag het ontstane mengsel van hydroxiden niet als afval worden gestort. Daarom heeft men een ander zuiveringsproces ontwikkeld, waarbij alleen Cr(OH) 3 en Fe(OH) 3 , gescheiden van elkaar, ontstaan. Bij dit moderne zuiveringsproces maakt men gebruik van de reactie tussen Cr 2 O 7 2– en H 2 . Het waterstofgas wordt in overmaat ingeleid. Deze reactie kan alleen in zuur milieu plaatsvinden: Cr 2 O 7 2– + 8 H + + 3 H 2 → 2 Cr 3+ + 7 H 2 O Van een oplossing die op deze manier moet worden ontdaan van Cr 2 O 7 2– blijkt [Cr 2 O 7 2– ] = 1,62 mol L –1 te zijn.

→ Bereken hoeveel m 3 H 2 ( T = 298 K en p = p 0 ) nodig is om 100 liter van deze oplossing te ontdoen van Cr 2 O 7 2– . Bij het moderne zuiveringsproces van de oplossing (met onder andere Fe 3+ en Cr 2 O 7 2– ) die na het etsen uit de elektrolyse-opstelling komt, past men, behalve de genoemde behandeling met H 2 , nog een aantal bewerkingen toe. Door die bewerkingen in de juiste volgorde te laten plaatsvinden, kunnen Fe(OH) 3 en Cr(OH) 3 gescheiden van elkaar worden verkregen. De bewerkingen kunnen in een continu proces worden uitgevoerd. Dit continue proces is hieronder in een nog onvolledig blokschema weergegeven: blokschema oplossing elektrolyse- opstelling Bij de pijlen 1, 2 en 3 worden stoffen of oplossingen van stoffen ingeleid die meteen in de desbetreffende reactoren reageren.

→ Geef de namen van de stoffen of oplossingen van stoffen die respectievelijk bij 1, 2 en 3 moeten worden ingeleid. Houd daarbij rekening met de mogelijkheid dat per pijl meer dan één stof moet worden ingeleid. Noteer je antwoord als volgt: bij 1: … bij 2: … bij 3: … Het Cr(OH) 3 dat scheidingsruimte 2 verlaat, wordt niet als afval gestort, maar weer omgezet tot chroom. De omzetting van Cr(OH) 3 tot chroom vindt plaats in een aantal stappen. Allereerst wordt Cr(OH) 3 door verhitting omgezet tot Cr 2 O 3 . Verdere ontleding van deze stof door verhitting blijkt in de praktijk niet mogelijk. Er zijn echter meerdere mogelijkheden om uit Cr 2 O 3 chroom te maken.