CHM Pages:CE VWO 2017 1

Advanced Organizer

PAL

Waterstofopslag in carbazol

Polymeren maken de chip

Chemicaliën uit biomassa

[bewerken]

{{#css:/skins/tabber.css}}

Het VWO examen scheikunde uit 2017 eerste tijdvak werd afgenomen op 18 mei 2017 van 13:30 tot 16:30 uur. Het examen bevat 28 vragen verdeeld over 4 opgaven, waarbij in totaal 67 punten te verdienen zijn.

Het originele examen is te vinden in deze link. Bij dit examen hoort een uitwerkbijlage.
Het oorspronkelijke correctiemodel is hier in te zien. Op dit correctiemodel is een aanvulling gekomen m.b.t. de beoordeling van de vragen 10 (significantie) en 22 (botsingen/energie).

In deze uitwerking ontbreken vooralsnog de figuren uit het examen en het correctiemodel. Deze worden op een later moment toegevoegd.

[bewerken]

PAL is een enzym dat voorkomt in planten en micro-organismen. PAL zet het aminozuur fenylalanine om tot kaneelzuur. De omzetting van fenylalanine door PAL is in figuur 1 weergegeven met een onvolledige vergelijking.

Bestand:VWO Sk 2017 1 PAL fig1.png Figuur 1

Geef de formule van het ontbrekende deeltje.

antwoord: NH₃

ammoniak als antwoord is fout. Er wordt specifiek naar de formule van het deeltje gevraagd.

In feite is het ontstaan van kaneelzuur uit fenylalanine een eliminatiereactie: de aminogroep wordt afgesplitst, waarbij er een waterstofatoom van een naastgelegen C-atoom gebruikt wordt om ammoniak te maken. Tussen de twee betrokken C-atomen ontstaat dan een dubbele binding.

Uit onderzoek naar de structuur van PAL bleek dat in PAL een opvallende kenmerkende groep aanwezig is: de zogeheten MIO-groep. De MIO-groep is in figuur 2 weergegeven. De MIO-groep wordt bij de synthese van PAL gevormd door ringsluiting van een deel van de eiwitketen dat kan worden weergegeven met ~Ala–Ser–Gly~. De eerste stap in de vorming van de MIO-groep is de sluiting van de in figuur 2 weergegeven vijfring door een additiereactie binnen het enzymmolecuul. In de reacties die leiden tot MIO worden twee watermoleculen afgesplitst. Hierbij wordt onder andere de C=C binding gevormd.

Bestand:VWO Sk 2017 1 PAL fig2.png Figuur 2

Geef de structuurformule van het gedeelte ~Ala–Ser–Gly~.

• Geef in de structuurformule met een pijl/pijlen aan welke twee atomen met elkaar worden verbonden bij de ringsluiting.
• Omcirkel in de structuurformule de H-atomen en de O-atomen die bij de vorming van de MIO-groep worden afgesplitst.

Bestand:VWO Sk 2017 1 PAL MIO.png

Synthese MIO-groep uit -Ala-Ser-Gly-

Het antwoord moet uit vier onderdelen bestaan:

1. correct weergeven van de uiteinden van het peptidefragment: dus de NH-groep en de C=O-groep met een ~ of -
2. kloppende amine/peptide verbinding plus juiste structuur van de restgroepen van Ala en Gly
3. aangeven van de N_Gly en (carbonyl) C_Ala voor de ringsluiting (pijlen)
4. omcirkelen van O en H atomen: een O uit C=O_Ala, een OH-groep en 3 H-atomen (2 N-H en 1 C-H_Ser) (in rood en omcirkeld)

Alleen het serine-residu wordt veranderd in de omzetting van het fragment ~Ala-Ser-Gly~ naar de MIO-groep. Bij die verandering worden er twee watermoleculen afgesplitst (dus 2 O's en 4 H's). De rest van de structuur van het fragment blijft onveranderd (eerste twee punten).

Bij de ringsluiting tot de MIO-groep van het fragment ~Ala-Ser-Gly~ wordt een tweede amidegroep gevormd tussen het restant van de zuurgroep van Ala - de C=O-groep - en de NH-groep van Gly. Het laatste waterstofatoom wordt geleverd door de NH-groep van Ser, waardoor de amidegroep tussen Ala en Ser een iminegroep wordt (een groep met een C=N-deel). Het mechanisme is in de figuur [1] weergegeven.

De onderzoekers vermoedden dat de MIO-groep een rol speelt in de omzetting van fenylalanine tot kaneelzuur. Om vast te stellen welke aminozuureenheden nog meer een rol spelen bij de omzetting, hebben ze rondom de MIO-groep veranderingen aangebracht in de aminozuur-samenstelling van PAL. Wanneer op positie 110 het aminozuur Phe werd ingebouwd, bleek de gevormde PAL nauwelijks nog katalytische activiteit te vertonen. In actieve PAL is op plaats 110 de aminozuureenheid Tyr (Tyr110) aanwezig.

Geef twee chemische redenen waarom Phe is gekozen als vervanger van Tyr110. Licht je antwoord toe, zodat duidelijk wordt waarom dit voor het onderzoek relevante redenen zijn.

Er zijn meerdere mogelijkheden. Per reden moet voldaan worden aan twee eisen:

• de reden moet valide zijn (samenhang tussen / vergelijking van de twee aminozuren) en
• de relevantie voor het onderzoek moet genoemd worden

Er zijn verschillende mogelijkheden om reden en relevantie te benoemen:

1. Phe en Tyr zijn structureel vrijwel identiek, waardoor de structuur van het PAL eiwit behouden blijft.
2. Phe is volledig apolair in de restgroep, Tyr heeft daar een OH-groep en is polair. De invloed van die polariteit kan nu bekeken worden.
3. Tyr kan waterstofbruggen vormen, Phe niet door het ontbreken van de OH-groep. De invloed van deze groep op de binding van het substraat kan zo onderzocht worden.
4. Zowel Phe als Tyr zijn aromatische aminozuren. De invloed van deze groep op de werking van het enzym blijft behouden.

Phe en Tyr zijn zogenaamde structuur analogen. Het verschil tussen beide aminozuren is de aanweizgheid van een hydroxygroep op C₄ van Tyr, die bij Phe ontbreekt. Deze groep heeft twee belangrijke eigenschappen:

1. hij introduceert de mogelijkheid om waterstofbruggen te vormen met andere polaire stoffen (substraten)
2. hij is een zwak zuur: het waterstofatoom kan afgesplitst worden, waardoor er een zure katalyse mogelijk wordt.

Beide eigenschappen zijn te onderzoeken door Tyr te vervangen door een Phe residu.

Om deze PAL-variant te kunnen produceren, hebben de onderzoekers in een micro-organisme een puntmutatie aangebracht in het deel van het DNA dat codeert voor PAL. Een puntmutatie is de vervanging van een basenpaar in het DNA door een ander basenpaar. De code voor het eerste aminozuur van PAL begint bij het basenpaar met nummer 1.

Geef de symbolen van het basenpaar van de puntmutatie, zowel voor de actieve PAL met Tyr110 als voor de inactieve PAL met Phe110.

• Gebruik Binas-tabel 71G.
• Noteer je antwoord als volgt en licht je antwoord toe:

	actieve PAL	inactieve PAL
base op coderende streng	...	...
base op matrijsstreng	...	...
Toelichting	...	...

	actieve PAL	inactieve PAL
base op coderende streng	A	T
base op matrijsstreng	T	A

Toelichting: beide aminozuren worden door een vrijwel identiek codon gecodeerd, dat gemuteerd is op de tweede plaats. Aangezien de matrijsstreng complementair is aan de coderende streng is ook op die streng de base gewijzigd in de corresponderende base / paar vormer: A - T resp. T - A.

De coderende streng heeft dezelfde base volgorde als het mRNA. De base U in het mRNA is dan wel vervangen door de base T. De matrijsstreng is complementair aan de coderende streng / mRNA.

Zowel Phe als Tyr worden door meerdere codons gecodeerd. De derde base - de zogenaamde wobble base - kan dus al verschillen zonder gevolgen voor de aminozuurvolgorde in een eiwit. De tweede base in alle codons verschilt: A dan wel T. De mutatie is een inversie van het betreffende basepaar.

Geef aan wat het nummer is van het basenpaar van de puntmutatie. Licht je antwoord toe.

De berekening leidt tot basepaar 329:

1. berekening aantal basenparen t/m Tyr110: 330
2. middelste basepaar muteert, dus basepaar 330-1=329

De mutatie treedt op in het midden van het 110^de codon. Dat betekent dat er 109 tripletten voor zitten, dus 3 * 109 = 327 basenparen. De mutatie is dan in het basenpaar 327 + 2 = 329. Het alternatief is om een basenpaar van 3 * 110 = 330 af te trekken.

Aminozuren worden in triplets gecodeerd. Dat betekent, dat het eerste aminozuur van een eiwit gecodeerd wordt door de eerste drie basenparen en het tiende aminozuur door de basenparen 28, 29 en 30. Het honderdtiende aminozuur wordt dan gecodeerd door de basenparen 328, 329 en 330.

Het pH-optimum van PAL ligt bij pH = 8,80. Bij deze pH komen moleculen fenylalanine vooral voor in de vorm zoals hiernaast is weergegeven. De Kz van de ~NH3+ groep in fenylalanine bedraagt 7,4·10–10.

Bestand:VWO Sk 2017 1 Phe pH88.png

Bereken hoeveel procent van de aminogroepen van fenylalanine aanwezig is als ~NH₃⁺ bij pH = 8,80 (T=298 K).

Het percentage geprotoneerde aminogroepen in Phe bedraagt 68%. De berekening wordt in vier stappen gedaan:

1. berekening van [[math]\ce{ H3O+ }[/math]]: [math]\displaystyle{ [H_3O^+] = 10^{-pH} = 10^{-8,80} = 1.585*10^{-9} }[/math] M
2. invullen evenwichtsvoorwaarde: [math]\displaystyle{ K_z = \frac{[H_3O^+] * [NH_2]}{[NH_3^+]} }[/math]
3. berekenen verhouding [math]\displaystyle{ \frac{[NH_2]}{[NH_3^+]} = \frac{K_z}{[H_3O^+]} = 0,47 }[/math]
4. berekenen percentage ~NH₃⁺: [math]\displaystyle{ \frac{[NH_3^+]}{[NH_3^+] + [NH_2]} \times 100\% = 68\% }[/math]

De evenwichtsvoorwaarde luidt: [math]\displaystyle{ K_z = \frac{[H_3O^+] * [NH_2]}{[NH_3^+]} }[/math], want een K_z-waarde hoort bij een reactie waar H₃O⁺ ontstaat. Het percentage wordt berekend uit de verhouding van de aminodeeltjes. Die verhouding is af te leiden uit de breuk [math]\displaystyle{ \frac{[NH_2]}{[NH_3^+]} }[/math]: [math]\displaystyle{ \frac{[NH_2]}{[NH_3^+]} }[/math] = [~NH₂] : [~NH₃⁺] = 1 : 2,1. Het percentage wordt dan: [math]\displaystyle{ \frac{2,1}{2,1 + 1} \times 100\% = 68\% }[/math]

Nader onderzoek leidde uiteindelijk tot opheldering van de rol van de MIO-groep en van Tyr110 bij de omzetting van fenylalanine tot kaneelzuur. De volgende punten zijn vastgesteld:

• De MIO-groep bevindt zich in een holte van het enzym en katalyseert de omzetting van fenylalanine;
• de restgroep van Tyr110 bevindt zich bij de ingang van deze holte;
• bij het pH-optimum van PAL heeft de restgroep van Tyr110 een negatieve lading.

In figuur 3 is schematisch weergegeven hoe volgens de onderzoekers een fenylalanine-deeltje het actieve centrum van een molecuul PAL nadert. figuur 3

Tyr110 oefent aantrekkende en afstotende krachten uit op atoomgroepen van een fenylalanine-deeltje. Door deze interacties wordt het fenylalanine-deeltje georiënteerd zoals in figuur 3 is weergegeven.

Leg uit welke twee elektrostatische interacties tussen een fenylalanine-deeltje en het Tyr110 ervoor zorgdragen, dat een fenylalanine-deeltje de

holte binnengaat op de manier zoals is weergegeven in figuur 3. Geef ook aan welke atoomgroep van het fenylalanine-deeltje betrokken is bij elke afzonderlijke interactie.

Er zijn twee verschillende elektrostatische interacties verantwoordelijk voor de positionering van fenylalanine t.o.v. Tyr110:

1. de aantrekking tussen de O^- van Tyr110 in de benzeenring en de NH₃⁺ op Phe
2. de afstoting tussen dit negatief geladen zuurstofatoom en de zuurrestgroep (COO^-) op Phe

In de uitleg voorafgaand aan de vraag was aangegeven dat de restgroep van Tyr110 een negatieve lading had in het pH-optimum van PAL. Dat betekent dat de OH-groep van Tyr een H⁺ kwijtgeraakt is. In de vraag hiervoor werd uitgerekend dat er NH₃⁺-deeltjes op Phe aanwezig moeten zijn. Onder deze omstandigheden komt Phe ook met een negatieve zuurrest voor (basische pH).

De interactie tussen Tyr110 en Phe kan als een zuurbase reactie opgevat worden. Daarbij is de OH-groep op Tyr110 het zuur en de NH₂-groep van Phe de base. Door deze reactie kun je het Phe als een zwitterion opvatten. In deze vorm ontstaan er twee tegengestelde ladingen, die een specifieke orientatie van Phe ten opzichte van Tyr110 en de MIO-groep mogelijk maken.

In een meting bleek een monster van 148 mg onzuivere PAL de vorming van 158 μmol kaneelzuur per minuut te katalyseren. Het monster bestond voor 90 massa% uit PAL. De overige 10 massa% bestond uit enzymen zonder katalytisch effect op de reactie. Met behulp van deze gegevens is het mogelijk de turnover frequency (TOF) te berekenen. De TOF is gedefinieerd als het aantal substraatmoleculen dat per minuut door één molecuul PAL kan worden omgezet.

Bereken de TOF van PAL.

De molaire massa van PAL bedraagt 2,75·10⁵ g mol^–1.

De berekening bestaat uit drie stappen en leidt tot de uitkomst: TOF = 3,3*10².

1. berekening aantal mg zuiver PAL: 148 * 0,90 = 133,2 mg
2. berekening aantal mmol zuiver PAL: 133,2 / 2,75·10⁵ = 4,844*10^-4 mmol
3. berekening molverhouding: kaneelzuur : PAL = 158*10^-3 / 4,844*10^-4 = 3,3*10²

In de gegeven uitwerking is steeds milli gebruikt. Let op: significantie is 2 cijfers (uit de percentages)

De TOF is in principe een molverhouding tussen het aantal mol product (kaneelzuur) en het aantal mol PAL (1 mol).

[bewerken]

Waterstof wordt pas een alternatief voor het gebruik van benzine als autobrandstof, wanneer waterstofauto’s met een volle tank eenzelfde afstand kunnen afleggen als een gangbare benzineauto met een tank gevuld met 50 liter benzine. Uit metingen is gebleken dat een benzineauto voor het afleggen van eenzelfde afstand tweemaal zoveel chemische energie nodig heeft als een waterstofauto.

Bereken hoeveel kilogram waterstof een auto moet tanken om dezelfde afstand af te leggen als een benzineauto met een tank gevuld met 50 liter benzine (T=298 K, p=p₀). Bij beide verbrandingen komt het water als gas vrij. Bij de verbranding van 1,0 m³ benzine komt 3,3·10¹⁰ J vrij.

De berekening in drie stappen komt uit op 6,9 kg waterstof:

1. energie uit 50 L benzine: 5,0 x 10^-2 x 3,3 x 10¹⁰ = 1,650 x 10⁹ J
2. aantal mol waterstof nodig: 1,650 x 10⁹ / (2 x 2,42 x 10⁵) = 3,409 x 10³ mol H₂
3. aantal kg waterstof: 3,409 x 10³ x 2,018 / 10³ = 6,880 = 6,9 kg

Veel gemaakte fouten: 50 liter = 50 dm³ = 0,050 m³ en het gebruik van de verbrandingswarmte van waterstof in plaats van de vormingswarmte van water (gas). Het verbrandingsproduct is water in gasvorm (gegeven)

Er is gegeven dat een waterstofauto de helft van de chemische energie van een benzineauto nodig heeft, dus de energie die door waterstof geleverd wordt is de helft van de energie die bij verbranding van 50 liter benzine vrijkomt. Verder komt water als gas uit de auto, dus T = 373K. Als water vervolgens condenseert komt er nog meer warmte vrij, maar daar heeft de motor niets aan ...

Waterstof als brandstof heeft als groot nadeel dat het onder hoge druk moet worden opgeslagen. Daarom wordt veel onderzoek gedaan naar manieren om waterstof chemisch te binden aan een drager. Recent onderzoek richt zich op N-ethylcarbazool als waterstofdrager. N-ethylcarbazool bindt waterstof door additie. Alle dubbele bindingen in N-ethylcarbazool worden hierbij omgezet tot enkelvoudige bindingen. Het product wordt perhydro-N-ethylcarbazool genoemd. De massa neemt hierbij minder dan 10% toe.

Bestand:VWO Sk 2017 1 N carbazool.png

Bereken met welk percentage van zijn oorspronkelijke massa de massa van N-ethylcarbazool toeneemt als alle dubbele bindingen in N-ethylcarbazool worden omgezet tot enkelvoudige bindingen. Geef je antwoord in twee significante cijfers.

Twee stappen:

1. molverhouding N-ethylcarbazool : H<sub2 = 1 : 6
2. massatoename: (6 x 2,018) / 195,25 x 100% = 6,2%

Significantie in beide vragen is 2.

In deze vraag wordt een massatoename gevraagd. Bij de berekening van het percentage wordt dan de bijkomende masse gedeeld door de oorspronkelijke massa en met 100% vermenigvuldigd.

Per dubbele binding in N-ethylcarbazool is 1 mol waterstof nodig: 6 dubbele bindingen levert dus 6 H₂ op.

In een experiment is het verloop van de additie van waterstof aan N-ethylcarbazool onderzocht. Het bleek dat in de loop van het experiment enkele tussenproducten konden worden aangetoond. Van de beginstof en het eindproduct en van een aantal tussenproducten is het verloop van de concentraties gemeten. In figuur 1 zijn enkele resultaten van de metingen weergegeven. De schaal op de y-assen verschilt per diagram. Het volume van het reactiemengsel was gedurende het gehele experiment constant.

Leg aan de hand van de diagrammen in figuur 1 uit of na 400 minuten een volledige omzetting tot perhydro-N-ethylcarbazool is bereikt.

Meerdere antwoorden mogelijk:

1. juist aflezen en interpreteren van de diagrammen 1 (concentratie beginstof) en 6 (concentratie eindprodct) in de figuur
2. conclusie koppelen aan deze interpretatie

De eindconcentratie van het eindproduct is lager dan de beginconcentratie van de beginstof. Niet alle tussenproducten zijn dus omgezet en derhalve heeft er nog geen volledige omzetting plaatsgevonden.

Voor het beantwoorden van deze vraag zijn alleen het eerste en laatste diagram uit de figuur van belang. Uit die twee is de concentratie van begin- en eindstof af te lezen tijdens het reactieverloop en te vergelijken op omzetting.

Uit de diagrammen kan worden opgemaakt welke van de vijf weergegeven omzettingen de snelheidsbepalende stap is voor de omzetting van N-ethylcarbazool tot perhydro-N-ethylcarbazool.

Leg aan de hand van de diagrammen in figuur 1 uit welke omzetting de snelheidsbepalende stap is.

Interpretatie van de diagrammen 2 t/m 5 m.b.t. concentratie en tijdsverloop.

1. tusenproduct 3 heeft de hoogste concentratie gedurende het hele experiment
2. de omzetting van tussenproduct 3 naar tussenproduct 4 is de snelheidsbepalende stap (omzetting 4 in de reactiesequentie)

Dit is een voorbeeld van een analyse van een meerstappen reactie. Uit de diagrammen in figuur 1 blijkt dat het ontstaan van het product afhankelijk is van een aantal tussenproducten. Deze tussenproducten verschijnen en verdwijnen in volgorde. In de diagrammen is goed te zien dat er bij tussenproduct 3 een vertraging optreedt in de omzetting naar tussenproduct 4 en het eindproduct.

Geen verdere uitleg

In de waterstofauto wordt het perhydro-N-ethylcarbazool in aanwezigheid van een katalysator verwarmd tot 200 °C. In een endotherme reactie wordt waterstof gevormd dat in de auto naar een brandstofcel wordt gevoerd. Zuivere waterstof is zeer explosiegevaarlijk. Door het gebruik van perhydro-N-ethylcarbazool als waterstofdrager wordt dit probleem voorkomen.

Leg uit dat bij opslag en vervoer van perhydro-N-ethylcarbazool het risico op een explosie van waterstof erg klein is.

Gebruik bij de beantwoording van deze vraag drie gegevens uit bovenstaande tekst.

Meerdere antwoordmogelijkheden met als cruciale punten:

1. vorming van waterstof uit N-ethylcarbazool is endotherm en verloopt alleen bij hoge temperatuur en aanwezigheid van katalysator
2. deze omstandigheden ontbreken bij opslag en transport, waardoor er geen explosief mengsel kan worden gevormd

Het antwoord bestaat een analyse van de omstandigheden waaronder waterstof wordt gevormd (eerste punt) en een cosequentie met conclusie in het tweede punt. Dus er worden eigenlijk vier onderdelen gevraagd:

1. energie-effect van de vorming van waterstof uit N-ethylcarbazool
2. omstandigheden waaronder deze reactie plaatsvindt
3. afwezigheid van die omstandigheden in opslag en transport
4. conclusie m.b.t. het explosiegevaar van waterstofmengsels

Geen verdere uitleg

Op de uitwerkbijlage bij dit examen is het energiediagram voor de vorming van waterstof uit perhydro-N-ethylcarbazool onvolledig weergegeven. Hierin ontbreekt onder andere het niveau van de reactieproducten. De invloed van de katalysator op het verloop van deze reactie kan met behulp van dit energiediagram duidelijk worden gemaakt door energieniveaus met bijbehorende bijschriften te plaatsen.

Maak op de uitwerkbijlage het energiediagram voor de vorming van waterstof uit perhydro-N-ethylcarbazool af door energieniveaus met bijbehorende bijschriften te plaatsen, zodat duidelijk wordt wat de invloed van de katalysator is op het verloop van de reactie.

Het antwoord is verdeeld in twee punten

1. tekenen van de energieniveau's: niveau eindproducten hoger dan niveau beginstof en voorzien van het bijschrift waterstof en N-ethylcarbazool
2. teken van de energieniveau's met en zonder katalysator. Beide liggen hoger dan de twee andere niveau's, waarbij het katalysatorniveau het laagste van de twee is. Ook deze twee moeten voorzien zijn van het bijbehorende bijschrift.

De vorming van waterstof uit N-ethylcarbazool is endotherm. Er is dus energie nodig om waterstof vrij te maken en dat betekent dat het energieniveau van de eindstoffen hoger ligt dan het niveau van de beginstof. De activeringsenergie zorgt voor een hoger niveau van de overgangstoestand t.o.v. de beide andere energieniveau's. Die actieveringsenergie is afhankelijk van de reactieomstandigheden en met name het gebruik van een katalysator verlaagt die benodigde energie. Vandaar dat dat niveau lager ligt dan het normale energieniveau van de overgangstoestand.

In deze vraag wordt kennis gebruikt uit de derde klas en het energie-effect / beinvloeding van de reactie door het wijigen van reactieomstandigheden.

[bewerken]

Een computerchip wordt gemaakt van een dunne plaat van puur silicium, een zogeheten wafer. Hierop worden patronen van afwisselend geleidende en niet-geleidende mate rialen aangebracht. Om deze patronen aan te brengen, maakt men gebruik van een fotogevoelig materiaal, waarvan de oplosbaarheid verandert onder invloed van uv-licht. Een veelgebruikt fotogevoelig materiaal bevat onder andere een copolymeer dat door additiepolymerisatie is ontstaan uit 4-hydroxystyreen en BOC-4-hydroxystyreen. Dit copolymeer noemen we in deze opgave copolymeer X.

BOC-4-hydroxystyreen wordt gemaakt uit 4-hydroxystyreen en di-tert-butyldicarbonaat. Bij deze reactie ontstaan, behalve BOC-4-hydroxystyreen, ook methylpropaan-2-ol en één andere stof. Op de uitwerkbijlage vind je een onvolledige vergelijking voor deze reactie.

Maak de vergelijking op de uitwerkbijlage compleet. Gebruik structuurformules.

Twee structuurtekeningen:

1. de structuurformule van methylpropaan-2-ol (verkort: CH₃-C(-CH₃)(-OH)-CH₃
2. de structuurformule van CO₂: O=C=O (hoeft nu niet lineair)

Bij deze reactie vindt er een omestering plaats: de complexe di-ester di-tert-butyldicarbonaat wordt gesplitst waarbij er een nieuwe ester gevormd wordt met 4-hydroxystyreen. In plaats van water worden nu koolstofdioxide en methylpropaan-2-ol (dat het watertofatoom van de hydroxygroep opneemt) gevormd.
Door het gebruik van deze BOC-groep is de OH-groep van 4-hydroxystyreen beschermd bij het maken van de polymeer en zal alleen de dubbele binding in de etheengroep van styreen reageren.

De BOC-groep is een veelgebruikte beschermende groep in de synthese van polymeren met meerdere actieve groepen. De bekendste toepassing is de synthese van polypeptiden: de BOC-groep zorgt ervoor, dat er slechts een zuurgroep beschikbaar is voor het maken van een nieuwe peptidebinding. Die BOC groep zit dan aan het volgende aminozuur, terwijl de aminogroep aangeboden wordt door een fragment dat veresterd zit aan een drager. De exacte methode in deze synthese wordt later apart uitgelegd.

Op de wafer wordt eerst een laag siliciumdioxide aangebracht. Daarop wordt een fotogevoelige laag aangebracht. De fotogevoelige laag bevat copolymeer X en een fotogevoelige stof, PAG. De fotogevoelige laag wordt met uv-licht in het gewenste patroon beschenen. Onder invloed van UV-licht vormt een molecuul PAG één H⁺ ion. De gevormde H⁺ ionen zitten niet vast op één plek, maar diffunderen langzaam door de fotogevoelige laag. De H⁺ ionen katalyseren de omzetting van de BOC-4-hydroxystyreen-eenheden uit copolymeer X tot 4-hydroxystyreen-eenheden, methylpropeen en koolstofdioxide.

Geef de vergelijking in structuurformules van de omzetting van één BOC-4-hydroxystyreen-eenheid uit copolymeer X tot één 4-hydroxystyreen-eenheid.

Het antwoord bevat drie onderdelen:

1. voor en na de pijl een C-C binding met de bijbehorende verbindingen met de rest van het polymeer ~CHR-CH₂~
2. voor en na de pijl de R-groep correct weergegeven: voor de pijl BOC-4-hydroxybenzyl, na de pijl 4-hydroxybenzyl
3. na de pijl methylpropeen en koolstofdioxide in structuurformules

Deze reactie vindt plaats in een polymeer. De BOC-4-hydroxystyreen eenheden zitten dus verbonden aan andere eenheden en dat wordt weergegeven met de ~ aan de beide C-atomen. De vraag werd veelal beantwoord in de vorm van de monomeren, dus met de CHR=CH₂ groep nog intact. Een monomeer is de bouwsteen van een polymeer. De monomeren worden dan monomeereenheden genoemd.

Geen verdere uitleg.

Leg uit of je verwacht of de molverhouding PAG : BOC-4-hydroxystyreen-eenheden in de fotogevoelige laag groter is dan 1, kleiner is dan 1 of gelijk is aan 1.

Het antwoord bestaat uit een argument (analyse) en een conclusie:

1. PAG levert een H⁺ ion, dat de omzetting van BOC-4-hydroxystyreeneenheden katalyseert
2. de verhouding PAG : BOC-4-hydroxystyreeneenheden < 1

Een katalysator wordt gebruikt bij een reactie, maar niet verbruikt. Dat betekent dat per H⁺ ion uit PAG er meerdere BOC-4-hydroxystyreeneenheden omgezet kunnen worden. De verhouding tussen PAG en BOC-4-hydroxystyreeneenheden is dan 1 : x, waarbij x > 1 is. De verhouding wordt dan dus 1/x, dus kleiner dan 1.

Geen verdere uitleg.

Na het belichten zijn in de belichte delen alle BOC-4-hydroxystyreen-eenheden omgezet. Vervolgens wordt de wafer gespoeld met een oplosmiddel. In figuur 1 is het belichten en spoelen van een deel van de wafer schematisch weergegeven.

Poly-4-hydroxystyreen en copolymeer X verschillen in hun oplosbaarheid. Ze lossen beide niet goed op in water. Maar poly-4-hydroxystyreen lost wel op in een basische oplossing en copolymeer X niet. Door te spoelen met een basische oplossing lossen alleen die delen van de fotogevoelige laag op die met UV-licht zijn beschenen. De oplosbaarheid van poly-4-hydroxystyreen in een basische oplossing is te verklaren met behulp het gegeven dat de OH groep van elke 4-hydroxystyreeneenheid in een basische oplossing een H⁺ afstaat.

Geef een verklaring op microniveau voor het gegeven dat poly-4-hydroxystyreen dan goed oplost.

Ook in dit antwoord speelt de rol van het woord molecuul een grote rol:

1. in een basische oplossing ontstaan O^- ionen op 4-hydroxystyreen
2. de ion-dipool interactie tussen dit ion en watermoleculen (hydratatie van het ion door watermoleculen) zorgt voor het oplossen

Door de grensstructuren in de 4-hydroxybenzeenring van 4-hydroxystyreen is het waterstofatoom in de OH-groep sterker gepolariseerd dan in andere hydroxy-groepen. Deze OH-groep gedraagt zich als een zwak zuur, dat makkelijk een proton afgeeft aan een sterke base. Het ontstane O^--ion kan een ion-dipool binding aangaan met de omringende watermoleculen, die sterker is dan de binding via waterstofbruggen (dipool-dipool interactie). Het effect is dat 4-hydroxystyreen in een basische omgeving beter zal oplossen.

Bezeenringen hebben een sterke elektronenzuigende werking door de delocalisatie van de zes elektronen in de ring (de elektronen van de dubbele binding tussen de C-atomen - de zogenaamde pi-elektronen (uitleg volgt later)). Door die zuigend werking wordt de polaire atoombinding tussen O en H in de hydroxy-groep nog sterker in de richting van het O-atoom verschoven. Het waterstofatoom is dus sterk positief geladen en zal aan een sterke base afgegeven worden (zwak zuur).

Wanneer methoxybenzeen als oplosmiddel wordt gebruikt bij het ontwikkelen, lossen alleen die delen van de fotogevoelige laag op die niet met UV-licht zijn beschenen.

Geef een verklaring voor het gegeven dat de delen van de fotogevoelige laag die niet met uv-licht zijn beschenen, oplossen als methoxybenzeen als oplosmiddel wordt gebruikt.

Verschil in polariteit / hydrofiel-hydrofoob:

1. in onbelicht polymeer is nog coplymeer X aanwezig, dus BOC-4-hydroxystyreeneenheden. Die zijn hydrofoob
2. methoxybenzeen is ook hydrofoob, waardoor copolymeer X hierin kan oplossen

De BOC-groep verhindert het ontstaan van O^--ionen in 4-hydroxystyreen. Daardoor blijft dit een apolaire groep, ook al zijn er veel zuurstofatomen aanwezig tussen twee C-groepen. Methoxybenzeen heeft een soortgelijke structuur als de zijketen van 4-hydroxystyreen. Dit helpt bij het oplossen van copolymeer X in methoxybenzeen.

Naast hydrofoob/hydrofiel is er ook een interactie tussen de benzeenringen van styreen en benzeen. Die ringen hebben een voorkeur om te stapelen die vergelijkbaar is met de vlakke orientatie van de basen in DNA (ook aromatische ringen). 4-hydroxystyreen verstoort de structuur van het oplosmiddel methoxybenzeen nauwelijks, waardoor het makkelijk in de stapeling van de moleculen van het oplosmiddel past.

Nadat de wafer is ontwikkeld, wordt hij geëtst met een gasmengsel van CF₄ en H₂. Hierbij wordt de SiO₂ laag verwijderd op de plekken waar deze niet wordt beschermd door de fotogevoelige laag. Zo ontstaat het gewenste patroon in de SiO₂ laag. Onder de gebruikte omstandigheden valt een groot deel van de moleculen CF₄ en H₂ uiteen en worden radicalen en dubbelradicalen gevormd. Het mengsel dat zo ontstaat wordt een plasma genoemd. In dit plasma treden de volgende reacties op:

CF4 → CF2•• + 2 F•		(reactie 1)
H2 → 2 H•		(reactie 2)
H• + F• → HF		(reactie 3)

Dit plasma reageert vervolgens met SiO₂:

SiO2 (s) + 4 F• → SiF4 (g) + 2 O••		(reactie 4)
SiO2 (s) + 2 CF2•• → SiF4 (g) + 2 CO (g)		(reactie 5)

Op plekken waar de SiO₂ laag weg gereageerd is, kan het plasma ook met het silicium reageren volgens:

Si (s) + 4 F• → SiF4 (g)

(reactie 6)

Het doel van het etsen is om uitsluitend de SiO₂ laag te verwijderen terwijl de Si laag intact blijft. De concentratie H₂ in het plasmamengsel beïnvloedt zowel de snelheid waarmee SiO₂ wordt geëtst (de etssnelheid) als de mate waarin SiO₂ ten opzichte van Si wordt geëtst (de selectiviteit).

Neem onderstaande zinnen over en kies het juiste woord. Licht je antwoord toe aan de hand van bovenstaande reacties.

• Als de H₂ concentratie wordt verlaagd, neemt de etssnelheid toe/af.
• Als de H₂ concentratie wordt verlaagd, neemt de selectiviteit toe/af.

Als de H₂ concentratie wordt verlaagd, neemt de etssnelheid toe:

1. bij een lage [H₂] verlopen reacties 2 en 3 minder en neemt [F•] toe
2. dan verloopt reactie 4 sneller en neemt de etssnelheid toe

Als de H₂ concentratie wordt verlaagd, neemt de selectiviteit af:

1. reactie 6 verloopt dan ook sneller en de selectiviteit neemt daardoor af.

Waterstof is nodig voor het afvangen van de fluride-radicalen tot waterstoffluoride. Waterstof is daardoor een sturende factor in de snelheid en selectiviteit van etsen. Minder waterstof betekent immers meer fluorradicalen en dus een toename van de reacties waarin dit radicaal een rol speelt.

Geen verdere uitleg.

[bewerken]

Chemicaliën die in de chemische industrie in grote hoeveelheden worden gebruikt (bulkchemicaliën) worden nu vaak gemaakt van aardolie. Om het gebruik van aardolie terug te dringen, wordt veel onderzoek gedaan om deze bulkchemicaliën te produceren op basis van biomassa. Glutaminezuur is in veel plantenafval het meest voorkomende aminozuur. In een onderzoek is gekeken of glutaminezuur uit plantenafval gewonnen kan worden met behulp van een zogenoemde reactieve extractie. Daartoe werden water en een overmaat butaan-1-ol toegevoegd aan een hoeveelheid gehydrolyseerd plantenafval. Butaan-1-ol lost slecht op in water en vormt een laag boven op het water.

Het glutaminezuur vormt een di-ester met butaan-1-ol. De gevormde di-ester lost vervolgens op in de laag butaan-1-ol.

Geef de structuurformule van de di-ester van glutaminezuur en butaan-1-ol. Gebruik Binas-tabel 67H1.

Bestand:VWO Sk 2017 1 Glu dibut.png

Diester van glutaminezuur met butaan-1-ol.

In de structuurformule moeten aanwezig zijn:

1. een (correct getekend) glutaminezuur met aan beide zuurgroepen een verestering met butaan-1-ol
2. correct getekende estergroep(en)

Het aminozuur glutaminezuur bezit twee zuurgroepen aan weerszijden van de koolstofketen. De zuurgroep naast de aminegroep wordt gebruikt bij het inbouwen van dit aminozuur in een peptideketen (eiwit). De andere zuurgroep heeft een katalytische functie (zie ook de functie van de OH-groep in Tyr110 in PAL) of kan veresterd worden met suikers (poly-alkoholen).

Het veresteren van een wateroplosbaar zuur (hydrofiele zuur) met een alkanol in een twee lagen systeem (hier water en butaan-1-ol) is een voorbeeld van een extractietechniek. Door de verestering wordt het zuur niet meer wateroplosbaar (hydrofoob geworden) en zal zich in de niet-water laag begeven. Het nevenproduct van deze verestering - water - is een stof uit het systeem en geeft dus geen vervuiling van de geextraheerde stoffen.

Behalve glutaminezuur reageren ook de andere aminozuren met butaan-1-ol tot esters. De vorming van deze esters treedt op aan het grensoppervlak van beide vloeistoffen. De omzetting verloopt sneller wanneer het reactiemengsel intensief wordt geroerd.

Leg uit met behulp van het botsende deeltjesmodel waarom de omzetting van een aminozuur tot de ester sneller verloopt, wanneer het reactiemengsel intensief wordt geschud.

Het antwoord moet uit twee delen bestaan:

1. het grensvlak van de emulsie wordt groter - water en butaan-1-ol vormen kleine micellen waardoor het contactoppervlak sterk vergroot wordt
2. de reactie wordt versneld omdat er nu meer effectieve botsingen per tijdseenheid mogelijk zijn - moleculen zuur en alkohol komen elkaar meer tegen en kunnen dus vaker reageren

Uit de laatste zin in de tekst voor de vraag is af te leiden, dat het om een twee-lagen systeem gaat: water met daarboven butaan-1-ol. Op het grensvlak tussen deze twee lagen (oplosmiddelen) vindt de verestering van glutaminzuur plaats tot de di-ester met butaan-1-ol (dibutylglutaminaat). Door te roeren wordt er mechanische energie toegevoegd, die er voor zorgt dat de twee lagen een emulsie gaan vormen. De micellen in deze emulsie hebben samen een veel groter grensvlak met het andere oplosmiddel dan het twee lagen systeem. Er vinden dus veel meer omzettingen per tijdseenheid plaats, omdat de reactanten elkaar makkelijker kunnen vinden. Bovendien zorgt het roeren ervoor, dat de micellen voortdurend opnieuw gevormd worden en er dus steeds een nieuw grensvlak ontstaat.

De keuze voor een reactant die tevens als oplosmiddel kan dienen is een veel gebruikte techniek in de chemische industrie en laboratoria. In verschillende scheikunde methoden staat daar nog een voorbeeld van: de polymerisatie van dihexaanzuur (in water) en hexaan-1,6-diamine tot nylon-6,6. De laatste is een vloeistof, die slecht in water oplost. Op het grensvlak van de twee oplossingen ontstaat een duidelijk zichtbaar vliesje. Wordt dat vliesje voorzichtig met een pincet opgepakt, dan ontstaat er een draad. Het wegnemen van de barriere in het grensvlak zorgt voor een toevoer van nieuwe reactanten, waardoor de polymerisatie gewoon door kan gaan. Het nevenproduct water is onderdeel van een van de lagen, zodat er geen extra vervuiling van het systeem ontstaat.

Na het afscheiden van de gevormde (di-)esters van aminozuren uit butaan-1-ol worden de esters gehydrolyseerd. Uit het onderzoek bleek dat het mogelijk is om op deze wijze uit plantenafval een mengsel van aminozuren te winnen met een hoog gehalte aan glutaminezuur. Een Nederlandse onderzoeker heeft in zijn proefschrift een vervolgonderzoek hierop gepubliceerd. Hij heeft onderzocht of uit het onzuivere glutaminezuur twee belangrijke bulkchemicaliën kunnen worden geproduceerd.

Deze chemicaliën zijn N-vinylpyrrolidon (NVP) en N-methylpyrrolidon (NMP). NVP is het monomeer voor het veelgebruikte polymeer polyvinylpyrrolidon dat via additiepolymerisatie wordt gevormd uit NVP.

Bestand:VWO Sk 2017 1 NVP.png

Geef een gedeelte uit het midden van een molecuul polyvinylpyrrolidon in structuurformule weer. Dit gedeelte moet zijn ontstaan uit twee eenheden NVP.

Bestand:VWO Sk 2017 1 NVP pol.png

Twee eenheden uit NVP polymeer

De structuurformule moet uit de volgende onderdelen bestaan:

1. een fragment van een polymeer bestaande uit twee eenheden NVP: dus met een ~ op de uiteinden van de C-keten
2. de polymeer is de C-keten (dubbele band verdwijnt) en de pyrrolidon-ring is daarin een zijketen

Het woord vinyl geeft de aanwezigheid van een etheen-groep aan: C=C. Deze groep kont bv. ook voor in PVC - polyvinylchloride. De polymerisatie van NVP (N-vinylpyrrolidon) is analoog aan de polymerisatie van VC (vinylchloride - ofwel chlooretheen). De polymerisatie is een additiereactie tussen de etheen-groepen van NVP.

Het woord vinyl is een hardnekkig overblijfsel uit een vroegere (negentiende eeuwse) naamgeving. Deze triviale benaming wordt nog veel gebruikt in polymeerchemie om de scheiding tussen de etheen-groep en de zijketen duidelijk te maken. In PVC is dat dus een C-keten met afwisselend chlooratomen. Bij PNVP is het eenzelfde C-keten, maar dan met afwisselend N-gekoppelde pyrrolidonringen.

NMP is een oplosmiddel dat op grote schaal wordt gebruikt om koolwaterstoffen op te lossen. Het is ook goed oplosbaar in water. De oplosbaarheid van NMP in water is te verklaren met behulp van de Lewisstructuur van een mesomere grensstructuur van NMP. In deze Lewisstructuur komen formele ladingen voor.

Bestand:VWO Sk 2017 1 NMP.png

Geef de Lewisstructuur van het hierboven weergegeven NMP en van de andere mesomere grensstructuur van NMP. Geef formele ladingen aan in de structuren. De Lewisstructuren moeten voldoen aan de oktetregel.

Bestand:VWO Sk 2017 1 NVP res.png

Grensstructuren in NMP

Er zijn twee grensstructuren:

1. grensstructuur van NMP met een C=N binding in de ring
2. in deze grensstructuur de formele ladingen juist weergegeven: N⁺ en O^-
3. in de andere grenstructuur een C=O binding (oorspronkelijk) en in beide grensstructuren de vrije (niet-bindende) elektronenparen bij N en O correct weergegeven plus voldoen aan de octetregel.

De groep N-C=O is een voorbeeld van een geconjugeerd elektronen systeem, dat je ook bij aromaten ziet. Door de aanwezigheid van de vrije elektronenparen bij stikstof en zuurstof en het verschil in elektronegativiteit tussen N en O is een verschuiving van het elektronenpaar van stikstof naar het meer elektronegatievere zuurstof mogelijk. De formele ladingen die dan ontstaan, zorgen weer voor een terugkeer naar het oorspronkelijke molecuul (structuur).

Geconjugeerde systemen komen in de natuur veelvuldig voor. Voorbeelden zijn de polyporfirine ringen in bladgroen en hemoglobine.

In figuur 1 zijn de routes weergegeven die de onderzoeker voorstelt om glutaminezuur uit het mengsel van aminozuren om te zetten tot NMP en NVP. In figuur 1 is een aantal structuurformules schematisch weergegeven

In reactie 1 uit figuur 1 wordt het onzuivere glutaminezuur omgezet tot de stof GABA en CO₂. In een scheidingsruimte wordt GABA gescheiden van het afval, waarin onder andere ongereageerde aminozuren aanwezig zijn. In reactie 2 treedt ringsluiting van GABA op waarbij water ontstaat.

Geef de structuurformule van GABA.

Bestand:VWO Sk 2017 1 GABA.png

Structuurformule GABA

De structuur moet voldoen aan:

1. koolstofketen van vier C-atomen met een amino- en een zuurgroep (1 C-atoom)
2. aminogroep op plaats 4 en rest structuur correct weergegeven.

De naam GABA staat voor Gamma Amino Butyric Acid ofwel gamma-aminoboterzuur. De officiele naam luidt 4-aminobutaanzuur. Het C-atoom waar de carbonzuurgroep aan vast zit, wordt het alfa C-atoom genoemd. Tegenwoordig is dat het tweede C-atoom in de keten met een carbonzuur.

De termen alfa, beta, gamma etc. worden nog veelvuldig gebruikt in moleculen en structuren in de biochemie. Ook hier ligt weer een oudere naamgeving aan ten grondslag. Ook al zijn de naamgevingsregels gewijzigd, de triviale namen blijven voortbestaan. Er zouden ook heel wat tekstboeken, websites en artikelen herschreven moeten worden om dat uit te bannen ...

In reactie 2 ontstaat 2-pyrrolidon, de grondstof voor zowel NMP als NVP. Voor de productie van NVP laat men in reactie 4 het 2-pyrrolidon reageren met ethyn.

Leg uit of reactie 4 uit figuur 1 een additie- of een substitutiereactie is.

Twee alternatieve antwoordmogelijkheden:

1. in reactie 4 verdwijnt een binding van de drievoudige C-C binding in ethyn
2. er ontstaat maar een eindproduct, dus is het een additiereactie

Of:

1. bij sustitutie staan er links en rechts van de pijl twee stoffen
2. bij reactie 4 ontstaat maar een eindstof, dus een additiereactie

In de atwoorden in het correctiemodel staan de twee belangrijke kenmerken van een additie- en van een substitutie. Bij een substitutiereactie wordt een atoom of groep in een verbinding vervangen door een ander atoom of groep. Er zijn dan altijd twee eindstoffen (en beginstoffen). De bindingen (en de structuur) in het molecuul waarin de substitutie plaatsvindt, blijven verder intact.
Bij een additiereactie wordt een binding in een meervoudige binding tussen twee (C-) atomen vervangen door twee andere enkelvoudige bindingen. Er vindt een optelling van twee moleculen plaats, dus is er maar een eindstof. De atomen in het molecuul waarin de additie plaatsvindt, blijven verder behouden evenals de volgorde (structuur) van die atomen.

Substitutie betekent letterlijk vervangen. In wiskunde wordt substitutie gebruikt om een vergelijking in te voegen in een andere vergelijking om zo een variabele (onbekende) te kunnen berekenen. In chemische reaties is dat niet anders: een deel van een molecuul wordt vervangen door een ander deel. Dat deel komt dan vrij als een tweede eindstof.
Bij additie worden twee verbindingen bij elkaar opgeteld. Uit twee (of meer) beginstoffen ontstaat een enkele eindstof. Het tegenovergestelde van additie is eliminatie'. Dan worden twee atomen (of groepen) van naastliggende (C-)atomen afgesplitst en ontstaat er op die plek een extra binding tussen de (C-)atomen plus een tweede eindproduct. Een voorbeeld van een eliminatiereactie is het verwijderen van water uit ethanol: naast water ontstaat dan etheen.

De onderzoeker heeft de verschillende stappen voor de productie van NMP en NVP uit glutaminezuur onderzocht met behulp van laboratoriumreactoren. Op basis van de resultaten heeft hij een industrieel productieproces ontworpen. Dit proces kan worden weergegeven met een blokschema. Dit blokschema is op de uitwerkbijlage onvolledig weergegeven.

Hieronder is het productieproces van NMP en NVP beschreven.

1. In reactor R1 wordt een mengsel van aminozuren ingevoerd. In R1 vindt reactie 1 uit figuur 1 plaats. Voor reactie 1 zijn zowel de omzetting als de selectiviteit 100%.
2. In scheidingsruimte S1 wordt het mengsel afkomstig uit R1 volledig gescheiden in GABA en afval van de ongereageerde aminozuren.
3. In R2 vindt reactie 2 plaats. Voor reactie 2 zijn zowel de omzetting als de selectiviteit 100%.
4. In R2 treedt ook reactie 3 op. Methanol is hier in overmaat aanwezig. Voor reactie 3 is de omzetting 50% en de selectiviteit 92%.
5. In S2 wordt het mengsel afkomstig uit R2 met behulp van destillatie gescheiden in vier stromen: NMP, 2-pyrrolidon, methanol en afval. De overmaat methanol kan voor 95% worden teruggevoerd naar R2. De overige 5% bevindt zich met onder andere water in het afval van S2.
6. Het 2-pyrrolidon dat in R2 niet heeft gereageerd wordt volledig doorgevoerd naar reactor R3. Hier treedt reactie 4 op. Voor reactie 4 is de omzetting 100% en de selectiviteit 90%.
7. In S3 wordt ten slotte het NVP gescheiden van een afvalstroom.

De term omzetting geeft aan welk percentage van het aantal mol beginstof in een reactie is omgezet. De term selectiviteit geeft aan welk percentage van het aantal mol omgezette stof heeft gereageerd tot het gewenste product.

Maak het blokschema op de uitwerkbijlage compleet.

• Noteer ontbrekende pijlen en ontbrekende stoffen bij de pijlen. Houd daarbij rekening met hergebruik van stoffen.
• Waar in het blokschema een * voorkomt, hoeft niets te worden aangegeven.

De beoordeling van de het blokschema vindt plaats in drie stappen:

1. GABA bij de pijl tussen S1 en R2 (stap 2) en 2-pyrrolidon bij de pijl tussen S2 en R3 (stap 6)
2. instroom van ethyn in R3 (stap 6) en uitstroom van NMP uit S2 (stap 5) en uitstroom van NVP uit S3 (stap 7)
3. invoer van methanol van buiten in R2 (stap 3) en terugvoer van methanol uit S2 naar R2 (stap 5)

Bij het lezen van het stappenplan moeten drie zaken uit elkaar gehouden worden:

• de locatie waar de stap op betrekking heeft en de bestemmingen van de stofstromen
• de stoffen die betrokken zjn in de stofstromen (en reacties)
• de reacties of scheidingen die in de locaties plaatsvinden

In het correctiemodel is aangegeven welke stap bij de stofstroom (en locaties) hoort.

Geen verdere uitleg.

De bovenstaande meetgegevens zijn verkregen in een laboratoriumopzet van de fabriek. De metingen zijn gedaan aan een mengsel van aminozuren waarin 1538 kg glutaminezuur aanwezig was.

Bereken de massa NMP en de massa NVP die uit deze hoeveelheid glutaminezuur werden gevormd.

De berekening bestaat uit twee stappen en een controle van gebruikte eenheden (machten):

1. berekening van de molaire massa's van glutaminezuur (147,13 g mol^-1), NMP (99,13 g mol^-1) en NVP (111,14 g mol^-1)
2. juiste verwerking van alle percentages van omzetting en selectiviteit (twee verhoudingsberekeningen: NVP en NMP)
3. consistent gebruik van de eenheden tijdens de berekening (alles in g en mol of in kg en kmol)

Berekening NMP: [math]\displaystyle{ \mathsf {\frac{99,13}{147,13} \times \frac{100}{100} \times \frac{100}{100} \times \frac{50}{100} \times \frac{92}{100} \times {\small 1538 \cdot 10^3} = \small 4,8 \cdot 10^5 } }[/math] gram of [math]\displaystyle{ \mathsf{\small 4,8 \cdot 10^2} }[/math] kg
Berekening NVP: [math]\displaystyle{ \mathsf{\frac{111,14}{147,13} \times \frac {100}{100} \times \frac{100}{100} \times \frac{100-50}{100} \times \frac{100}{100} \times \frac{90}{100} \times {\small 1538 \cdot 10^3} = \small 5,2 \cdot 10^5} }[/math] g of [math]\displaystyle{ \mathsf{\small 5,2 \cdot 10^2} }[/math] kg

De berekening begint met de massaverhouding tussen NMP en glutaminezuur resp. NVP en glutaminezuur. Dan volgt een serie rendementen uit de omzettingen (zie tekst in het stappenoverzicht) gevolgd door de beginmassa glutaminezuur (in g). Strikt genomen hoeft dus niet eerst omgerekend te worden naar het aantal mol glutaminezuur en weer terug naar de massa NMP/NVP.

Dit is een voorbeeld van de toepassing van rendementsberekeningen in een productieproces.