Eindexamen scheikunde vwo 2021, tijdvak 3

Geef een gedeelte van een molecuul polycarbonaat in structuurformule

weer. Dit gedeelte moet komen uit het midden van het molecuul en moet

zijn ontstaan uit twee moleculen bisfenol-A en twee moleculen DPC.

Geef met behulp van deze gegevens en het blokschema de

reactievergelijking voor de synthese van DMC in R1. Gebruik

molecuulformules.

Bereken de reactiewarmte van de reactie in R1 per mol DMC en geef aan

of R1 moet worden verwarmd of gekoeld tijdens het proces.

Maak onder andere gebruik van de volgende gegevens:

− het gevormde water komt vrij als gas;

− de vormingswarmte van DMC bedraagt –3,24·10⁵ J mol^–1.

In R2 reageert DMC met fenol (benzenol). In een evenwichtsreactie

ontstaan fenylmethylcarbonaat (PMC) en methanol, zoals hieronder is

weergegeven.

De omzetting in R2 wordt uitgevoerd als een zogeheten reactieve

destillatie: er vindt zowel een chemische reactie als een destillatie plaats.

Het destillaat bestaat uit methanol.

De uitstroom onder uit R2 bestaat uitsluitend uit fenol, PMC en een klein

restant DMC. Dit mengsel wordt naar R3 gevoerd. Daar treedt de

volgende reactie op:

Het in R3 ontstane mengsel wordt naar scheidingsruimte S gevoerd.

Door destillatie wordt zuiver DPC verkregen dat naar R4 wordt geleid.

In reactor 4 (R4) reageren de monomeren bisfenol-A en difenylcarbonaat

(DPC) volledig met elkaar. De in R4 gevormde moleculen van

polycarbonaat hebben aan de uiteindes een O–C₆H₅ groep. Hierdoor

wordt in het gehele proces een kleine hoeveelheid fenol verbruikt.

Maak het blokschema op de uitwerkbijlage compleet.

− Noteer ontbrekende pijlen en ontbrekende stoffen bij de pijlen.

− Houd daarbij rekening met hergebruik van stoffen.

De moleculen van het polycarbonaat zijn zodanig lang dat de massa van

de –O–C₆H₅ groepen aan de uiteindes mag worden verwaarloosd.

De formule van polycarbonaat kan daarom worden weergegeven met

(C₁₆H₁₄O₃)_n.

Bereken de atoomeconomie van de productie van polycarbonaat uit

koolstofmonoöxide, zuurstof en bisfenol-A.

De molaire massa van bisfenol-A bedraagt 228 g mol^–1.

Bij de industriële productie, die als een continu proces wordt uitgevoerd,

wordt polycarbonaat in de vorm van korrels geproduceerd.

Voorwerpen van polycarbonaat worden in andere fabrieken uit

polycarbonaatkorrels geproduceerd volgens een batchproces.

Leg uit of polycarbonaat tot de thermoplasten of tot de thermoharders

behoort.

Geef de namen van deze stoffen. Noteer je antwoord als volgt:

naam van de beginstof: …

naam van het andere reactieproduct: …

De gevormde vetzuren zijn vaak (meervoudig) onverzadigd. Deze

onverzadigde vetzuren zijn gevoelig voor zogenoemde peroxidatie.

In de figuur is de eerste stap van de peroxidatie van een onverzadigd

vetzuur weergegeven. Uit een molecuul zuurstof en een molecuul van een

onverzadigd vetzuur wordt een vetzuur-radicaal gevormd en een

H–O–O• radicaal. Van het vetzuur-radicaal bestaan twee mesomere

structuren, M1 en M2.

In de volgende stap van de peroxidatie bindt het H–O–O• radicaal aan de

C• in het vetzuur-radicaal, waardoor een molecuul vetzuurperoxide

(R–O–O–H) wordt gevormd.

De atoomgroepen rondom de C=C binding in moleculen van onverzadigde

vetzuren komen uitsluitend in de cis-configuratie voor.

De atoomgroepen rondom de C=C binding in vetzuurperoxidemoleculen

komen zowel in de cis- als de trans-configuratie voor.

Leg uit dat in vetzuurperoxidemoleculen de atoomgroepen rondom de

C = C binding zowel de cis- als de trans-configuratie kunnen hebben.

De gevormde vetzuurperoxides reageren vervolgens met het uit de ijzeren

voorwerpen afkomstige Fe²⁺, waarbij veel reactieproducten ontstaan.

De omzettingen beginnen met een reactie van Fe²⁺ met vetzuurperoxide.

Daarbij ontstaan deeltjes met een ongepaard elektron (R–O•) en

hydroxide-ionen. Deze reactie van Fe²⁺ met vetzuurperoxide is een

redoxreactie, waarbij Fe³⁺ ionen ontstaan.

Geef de vergelijking voor de reactie van Fe²⁺ met een vetzuurperoxide.

Geef het vetzuurperoxidemolecuul weer met R–O–O–H en het

vetzuur-radicaal met R–O•.

Uiteindelijk ontstaat een mengsel van onder andere aldehyden en

ketonen. Het zijn deze stoffen die de ‘ijzergeur’ veroorzaken.

In het onderzoek werd een oppervlak van 0,31 dm² van de huid van een

proefpersoon in contact gebracht met een oplossing van Fe²⁺ ionen en

werden de vluchtige verbindingen die ontstonden, verzameld en

geanalyseerd. In de tabel is opgenomen hoeveel mol van een aantal

stoffen bij het experiment werd verzameld en geanalyseerd. In de tabel

zijn ook de zogenoemde geurdrempels van de stoffen en de molaire

massa’s opgenomen. De geurdrempel van een stof is het laagste gehalte

waarbij een mens die stof kan ruiken.

Bereken het volume vluchtige verbindingen in cm³ dat totaal per dm² is

ontstaan in dit onderzoek (T = 298 K, p = p₀). Ga er bij de berekening van

uit dat:

− 1,0% van de ontstane verbindingen wordt verzameld;

− andere dan de in de tabel genoemde vluchtige verbindingen mogen

worden verwaarloosd.

− Het molair volume van een gas is 2,45·10^–2 m³ mol^–1.

Met behulp van de gegevens uit de tabel is na te gaan welke stof de

belangrijkste bijdrage levert aan de geur van het mengsel. Dat is de stof

waarvan de verhouding tussen de gemeten massa en de geurdrempel het

grootst is.

Leg uit welke van de stoffen heptanal, nonanal of oct-1-een-3-on de

grootste bijdrage aan de geur van het onderzochte mengsel levert.

Geef een gedeelte van een molecuul van het gevormde polymeer in

structuurformule weer. Dit gedeelte moet komen uit het midden van het

molecuul en moet bestaan uit één eenheid X-fenyletheen en één eenheid

1,3-diëthenylbenzeen.

Leg uit of het ontstane materiaal een netwerkpolymeer is.

die hiernaast is weergegeven.

Een AM laat alleen negatieve ionen door, een KM alleen positieve ionen.

Leg uit of de weergegeven monomeereenheid aanwezig is in het AM of in

het KM.

Door de afwisseling van beide membranen ontstaat in de RED-opstelling

een ionenstroom van Na⁺ naar de positieve elektrode en Cl^– naar de

negatieve elektrode. Aan de elektroden verlopen dan halfreacties, zodat

de stroomkring wordt gesloten.

In het onderzoek was in beide elektrode-compartimenten een oplossing

van NaCl en CuSO₄ aanwezig met elektroden van koper, zie de figuur.

De vergelijkingen van de reacties die aan de elektroden verlopen zijn

hieronder gegeven.

Cu Cu²⁺ + 2 e^– negatieve elektrode

Cu Cu (s) positieve elektrode

In het onderzoek werd onder andere gemeten hoeveel lading werd

overgedragen per m².

Bij gebruik van deze opstelling werd gemiddeld per seconde 50 C per m²

overgedragen. De gebruikte koperelektrode werd hierbij in een week meer

dan een millimeter dikker.

Een mol elektronen heeft een lading van 9,65·10⁴ C.

Bereken de toename van de dikte van de koperelektrode in mm

gedurende deze week.

Geef de uitkomst in het juiste aantal significante cijfers.

Omdat de koperen elektroden meedoen in de reacties moeten deze zo nu

en dan worden vervangen. Hierdoor is het niet mogelijk om continu

stroom op te wekken. Het bedrijf REDStack gebruikt een vergelijkbare

opstelling, maar dan met onaantastbare elektroden en een andere

oplossing in de elektroderuimtes. Gekozen is om in beide

elektroderuimtes een oplossing te gebruiken waarin de ionen Fe²⁺, Fe³⁺,

Na⁺ en Cl^– aanwezig zijn. De oplossingen in de elektroderuimtes worden

continu rondgepompt tussen beide elektroderuimtes. Hierdoor is het

mogelijk om continu stroom op te wekken.

Leg uit dat het rondpompen van de beide oplossingen tussen beide

elektroderuimtes ervoor zorgt dat er continu stroom kan worden

opgewekt.

Geef de vergelijking van deze hydrolyse. Gebruik structuurformules.

Neem aan dat de hydrolyse van een cyclische ester op dezelfde manier

verloopt als de hydrolyse van een ester.

Op basis van de beschreven reacties trok men de volgende conclusies

over ascorbinezuur:

− een molecuul ascorbinezuur bevat geen carbonzuurgroep;

− een molecuul ascorbinezuur bevat een cyclische esterbinding;

− ascorbinezuur heeft zure eigenschappen vanwege de aanwezigheid

van enolgroepen in het molecuul.

Leg uit hoe men deze conclusies heeft kunnen trekken. Noteer je

antwoord als volgt:

− Als een molecuul ascorbinezuur een carbonzuurgroep had bevat, dan

was er in reactie 2 …

− Als een molecuul ascorbinezuur een niet-cyclische ester had bevat,

dan was er in reactie 2 …

− De zure eigenschappen van ascorbinezuur worden veroorzaakt door

de aanwezigheid van enolgroepen in het molecuul, want na reactie …

bleek dat …

De zuurconstante van ascorbinezuur is in 1935 bepaald door een titratie met

natronloog. In figuur 1 is het pH-verloop van deze titratie weergegeven.

Op het punt dat de lijn uit figuur 1 het steilst is, is alle ascorbinezuur

omgezet. Uit figuur 1 is op te maken dat ascorbinezuur in deze titratie

reageert als een eenwaardig zuur.

Met behulp van de grafiek kan worden berekend wat de waarde is van de

K_z van ascorbinezuur. Hiertoe lazen de onderzoekers de waarde van de

pH af, op het punt dat de helft van alle ascorbinezuur met natronloog

heeft gereageerd.

Bereken de waarde van de K van ascorbinezuur, zoals de onderzoekers

die hebben bepaald. Geef de uitkomst in het juiste aantal significante

cijfers.

Slechts één van de OH groepen op C-2 en C-3 kan in zuur-basereacties

een H⁺ ion afstaan. Dit kan worden verklaard met behulp van

Lewisstructuren. In één van beide zuurrestionen treedt namelijk

mesomerie op en in het andere zuurrestion niet. Op de uitwerkbijlage

staan twee onvolledige Lewisstructuren weergegeven van de

zuurrestionen die gevormd zouden worden als van ascorbinezuur een OH

groep op C-2 dan wel op C-3 een H⁺ ion afstaat.

Maak op de uitwerkbijlage de Lewisstructuur van de weergegeven

zuurrestionen compleet met de ontbrekende elektronenparen.

Geef op de uitwerkbijlage de andere mesomere grensstructuur van het

zuurrestion dat ontstaat als ascorbinezuur een H⁺ ion afstaat.

Gebruik Lewisstructuren en geef formele lading(en) aan.

In later onderzoek is onderzocht hoe ascorbinezuur wordt gesynthetiseerd

door planten. Het bleek dat ascorbinezuur wordt gesynthetiseerd uit de

beginstof (α)D-glucose. In een aantal stappen wordt glucose eerst

omgezet tot stof X. Vervolgens treden de reacties op die zijn

weergegeven in figuur 2.

Leg uit of stof X in stap 1 van figuur 2 met een oxidator of een reductor

moet reageren.

Beide omzettingen uit figuur 2 worden gekatalyseerd door enzymen.

In stap 1 en 2 wordt in planten slechts één mogelijke stereo-isomeer van

de ontstane stoffen gevormd. De omzetting van stap 2 kan in het

laboratorium ook worden uitgevoerd zonder enzym.

Leg uit of in stap 2 ook nog andere stereo-isomeren van ascorbinezuur

kunnen ontstaan als de reactie wordt uitgevoerd zonder het enzym.