Hulp bij leren Eindexamens

Scheikunde – vwo – 2023 – tijdvak 1 – deel 4

eindexamen Alle eindexamens

Eindexamen

Lithium-luchtbatterij

Vak

Scheikunde

Niveau

Vwo

Leerjaar

6

Dit zijn opgaven 18 t/m 25 uit het eindexamen scheikunde vwo 2023 tijdvak 1.

Wil je bij opgave 1 starten? Ga dan naar het begin van dit examen.

Lithium-luchtbatterij

Om in een batterij zoveel mogelijk lading op te slaan in zo weinig mogelijk massa, worden batterijen ontworpen waarin zuurstof uit de lucht als oxidator optreedt. In zo’n batterij is dan alleen de reductor opgeslagen. De eigenschappen van de reductor bepalen dan in hoge mate de ladingsdichtheid. Ladingsdichtheid is gedefinieerd als de hoeveelheid lading per massa-eenheid. De aluminium-luchtbatterij is bijvoorbeeld al verkrijgbaar en veel onderzoek wordt verricht aan de lithium-luchtbatterij.

Vraag 18 (2 punten)

Leid met behulp van een berekening af welke van deze twee batterijen de hoogste ladingsdichtheid heeft.

Er zijn meerdere juiste mogelijkheden. Deze antwoorden zijn allemaal correct:
- 1 mol lithium levert 1 mol elektronen. Lithium heeft een massa van 6,94 (Binas tabel 99). De ladingsdichtheid van lithium is dus 1 / 6,94 = 0,144 (mol elektronen per gram). 1 mol aluminium levert 3 mol elektronen. Aluminium heeft een massa van 26,98 (Binas tabel 99). De ladingsdichtheid van aluminium is 3 / 26,98 = 0,111 (mol elektronen per gram). Lithium heeft dus de hoogste ladingsdichtheid.
- 1 / 6,94 is groter dan 3 / 26,98 , dus lithium heeft de hoogste ladingsdichtheid.
Toelichting puntenscore:
- Berekening van de ladingsdichtheid van een van beide metalen = 1 punt.
- Vergelijking met de andere berekende waarde en conclusie = 1 punt.

Vraag 19 (2 punten)

In figuur 1 is een lithium-luchtbatterij schematisch weergegeven. In deze opgave worden eerst de elektroden en dan het membraan besproken.

I de elektroden
Op het grensvlak van het lithium en het membraan verloopt bij stroomlevering halfreactie 1.

Leg uit of de lithiumelektrode bij stroomlevering de positieve of de negatieve elektrode is.

In halfreactie 1 ontstaan elektronen/reageert lithium als reductor. De lithiumelektrode is dus de negatieve elektrode.

Toelichting puntenscore:
- In halfreactie 1 ontstaan elektronen/reageert lithium als reductor = 1 punt.
- Consequente conclusie = 1 punt.

Vraag 20 (2 punten)

Een onderzoeksgroep heeft voor de poreuze elektrode een elektrode-materiaal ontwikkeld op basis van een polymeer. In het materiaal zijn katalysatordeeltjes aanwezig, die de omzetting van zuurstof katalyseren. Bij deze omzetting wordt onder andere het O^2–-ion gevormd. Dit ion is erg reactief en tast organische oplosmiddelen en membranen aan. Een van beide atomen in het O^2–-ion voldoet niet aan de oktetregel.

Voer de volgende opdrachten uit:

Teken een grensstructuur van het O^2–-ion. Geef hierbij (de) formele lading(en) aan.
Leg uit waarom het O^2–-ion zo reactief is.

Toelichting antwoord:

Het O^2–-ion is een radicaal want het heeft een ongepaard elektron/want het heeft een oneven aantal elektronen. Radicalen zijn zeer reactief.

Toelichting puntenscore :
- De grensstructuur = 1 punt.
- Het O^2–-ion is een radicaal want het heeft een ongepaard elektron/want het heeft een oneven aantal elektronen = 1 punt.
Opmerking
De volgende grensstructuur wordt goed gerekend:

Vraag 21 (3 punten)

De katalysator die door de onderzoeksgroep werd gebruikt, is erg duur en door de vele bijreacties raakte het elektrodemateriaal snel beschadigd. Een andere onderzoeksgroep heeft een elektrodemateriaal ontwikkeld op basis van een eiwit. Dit materiaal bleek de genoemde nadelen minder te vertonen. De eerste stappen in de productie van dit materiaal waren globaal als volgt:

Het DNA van een virus wordt gemodificeerd.
Het virus produceert een eiwit.
Aan een oplossing van dit eiwit wordt in licht basisch milieu een oplossing met daarin Mn²⁺-ionen toegevoegd. De Mn²⁺-ionen binden aan de peptideketens door middel van ion-bindingen.

De onderzoekers hebben de genetische code voor het eiwit veranderd met als doel dat de peptideketens meer Mn²⁺-ionen konden binden. Hieronder zijn met behulp van de 1-lettersymbolen van aminozuren de volgordes weergegeven van de aminozuureenheden in een deel van het oorspronkelijke eiwit en in een deel van het genetisch gemodificeerde eiwit.

peptideketen A ~ADVYESALPDPAKAAFN~
peptideketen B ~ADVYESALPDPAEAAFE~

Leg uit welke peptideketen bij hogere pH het meest Mn²⁺-ionen kan binden: peptideketen A of peptideketen B.

Er zijn meerdere juiste mogelijkheden. Deze antwoorden zijn allemaal correct:
- Het verschil tussen beide peptideketens is dat er in peptideketen B twee eenheden glutaminezuur meer aanwezig zijn. De eenheden glutaminezuur bevatten een zure restgroep (terwijl in peptideketen A op die plaatsen een basische en een neutrale restgroep aanwezig zijn). Deze restgroepen kunnen bij hogere pH een H⁺ afgeven en daarmee meer negatieve ladingen vormen op peptideketen B (dan op A). Peptideketen B kan hierdoor meer positieve ionen / meer Mn²⁺-ionen binden.
- Het doel van de modificatie was om meer positieve ionen / meer Mn²⁺-ionen te binden. Dat houdt in dat er op de peptideketen meer negatieve lading aanwezig moet zijn. Negatief geladen groepen kunnen ontstaan uit zure restgroepen van aminozuureenheden / uit restgroepen die een H⁺-ion afstaan. In peptideketen A zijn aminozuureenheden aanwezig met een basische (K) en een neutrale (N) zijgroep. In peptideketen B zijn die vervangen door (twee) aminozuureenheden met een zure restgroep. Bij hogere pH kan peptideketen B hierdoor meer positieve ionen / meer Mn²⁺ binden.
Toelichting puntenscore:
- Een relevant verschil tussen beide peptideketens = 1 punt.
- Inzicht dat bij hogere pH negatieve ladingen ontstaan in de restgroepen van zure aminozuureenheden = 1 punt.
- Consequente conclusie = 1 punt.

Vraag 22 (2 punten)

II het membraan
Het membraan in de lithium-luchtbatterij is een composiet die bestaat uit een polymeer en een zogeheten ionische vloeistof. Een ionische vloeistof is een zout dat bij kamertemperatuur vloeibaar is. Hiernaast is een van de aanwezige ionen van het gebruikte zout weergegeven. De lading van het ion is hierbij weggelaten.

Leid af wat de lading is van dit ion.

Het ion bevat een N-atoom met vier atoombindingen/vier bindende elektronenparen. Dit atoom heeft dus een formele lading van 1+. (De aanwezige C- en H-atomen hebben geen formele lading.) Het ion heeft dus ook de lading 1+.

Toelichting puntenscore:
- Het ion bevat een N-atoom met vier atoombindingen/vier bindende elektronenparen = 1 punt.
- Consequente conclusie = 1 punt.

Vraag 23 (3 punten)

Als polymeer voor het membraan gebruikten de onderzoekers het copolymeer PVDF-HFP. Dit copolymeer is door polyadditie ontstaan uit 1,1-difluoretheen en hexafluorpropeen.

Teken de structuurformule van een gedeelte van een molecuul PVDF-HFP. Dit gedeelte moet komen uit het midden van het molecuul en moet bestaan uit één eenheid van beide monomeren.

Er zijn meerdere juiste mogelijkheden. Deze antwoorden zijn allemaal correct:

Toelichting puntenscore:
- Een hoofdketen van vier C-atomen verbonden door C–C-bindingen = 1 punt.
- De zijgroep ~CF₃ en de overige F-atomen op de juiste posities = 1 punt.
- De uiteinden weergegeven, bijvoorbeeld met ~ en de rest van de structuurformule = 1 punt.

Vraag 24 (2 punten)

Het lithium in de batterij mag niet in contact komen met lucht of water. Het membraan moet daarom heel precies in vorm worden gebracht. Een materiaal kan op twee manieren in vorm worden gebracht:

Door het te smelten, waarna het in een mal kan worden gespoten;
Door bewerkingen, zoals snijden en slijpen.

Leg uit of het copolymeer PVDF-HFP in de juiste vorm kan worden gebracht door het materiaal te smelten, waarna het in een mal kan worden gespoten.

Het copolymeer heeft geen reactieve zijgroepen/kan geen crosslinks vormen/is een ketenpolymeer. Het is dus een thermoplast, zodat het door spuitgieten in vorm kan worden gebracht.

Toelichting puntenscore:
- Het copolymeer heeft geen reactieve zijgroepen/kan geen crosslinks vormen/is een ketenpolymeer = 1 punt.
- Consequente conclusie = 1 punt.
Opmerking
Als een onjuist antwoord op vraag 24 het consequente gevolg is van een onjuist antwoord op vraag 23, wordt dit niet aangerekend.

Vraag 25 (4 punten)

De totaalvergelijking van de omzettingen die verlopen in de lithium-luchtbatterij is hieronder weergegeven.

2 Li + O₂ → Li₂O₂

Omdat de lithium-luchtbatterij oplaadbaar is, kan deze batterij worden gebruikt in bijvoorbeeld een auto. Het nuttig rendement bij de omzetting van chemische energie naar bewegingsenergie is hierbij 70%. De rest van de energie gaat verloren aan warmteontwikkeling en wrijving. De onderzoekers hebben een lithium-luchtbatterij gemaakt die 45 g lithium bevatte. De vormingswarmte van Li₂O₂ is –6,43 ∙ 10⁵ J mol^–1.

Bereken de maximale nuttige energie in joule die door deze lithium-luchtbatterij kan worden geleverd.

Geef de uitkomst in het juiste aantal significante cijfers en gebruik ^ als het exponent in je antwoord (6,7×10^-2 = 6,7×10^-2).

Let op: op een examen verwacht een docent de hele berekening zoals in de uitwerking staat.

Vul een antwoord in.

Helaas. Het antwoord is niet juist. Probeer het nog een keer!

Klopt! Het gegeven antwoord is juist.

De maximale nuttige energie is 1,5 x 10⁶ J.

Toelichting antwoord:

Uit de tekst kan worden gehaald dat uit 2 mol lithium er 1 mol Li₂O₂ontstaat.

De lithium-luchtbatterij bevatte 45 g lithium.

De molaire massa van lithium is 6,94, zie Binas tabel 99.

Er is dan 45/6,94 = 6,48 (mol) lithium aanwezig in de batterij.

Hieruit wordt 6,48 / 2 = 3,24 (mol) Li₂O₂ gevormd.

In de tekst staat dat de vormingswarmte van Li₂O₂ –6,43 ∙ 10⁵ J mol^–1is. De maximale chemische energie is dan 3,24 x 6,43 · 10⁵ = 2,08 · 10⁶ (J).

In de tekst staat dat de nuttig rendement bij de omzetting van chemische energie naar bewegingsenergie 70% is, dus de maximale nuttige energie 2,08 · 10⁶ x (70/10²) = 1,5 · 10⁶ (J).

Toelichting puntenscore:
- Omrekening van de gegeven massa lithium naar de chemische hoeveelheid Li₂O₂ = 1 punt.
- Omrekening naar de maximale chemische energie = 1 punt.
- Omrekening naar de maximale bewegingsenergie in joule = 1 punt.
- Significantie = 1 punt.
Opmerkingen
- De uitkomst –1,5 · 10⁶ (J) wordt goed gerekend.
- Als de kandidaat bij vraag 18 en bij vraag 25 dezelfde onjuiste molaire massa van lithium heeft gebruikt, dit hier niet aanrekenen.

Dit is het einde van het eindexamen scheikunde vwo 2023 tijdvak 1.

Bron: examenblad.nl

Bekijk ook eens

Lees meer

Bekijk alles

Kom je er nog niet uit?

Stap 1

Zoek verder in hulp bij leren

Stap 2

Stel de vraag in de vraagbaak

Eindexamen

Lithium-luchtbatterij

Vak

Scheikunde

Niveau

Vwo

Leerjaar

6

Lithium-luchtbatterij

Vraag 18 (2 punten)

Toelichting puntenscore:

Vraag 19 (2 punten)

Toelichting puntenscore:

Vraag 20 (2 punten)

Toelichting antwoord:

Toelichting puntenscore :

Vraag 21 (3 punten)

Toelichting puntenscore:

Vraag 22 (2 punten)

Toelichting puntenscore:

Vraag 23 (3 punten)

Toelichting puntenscore:

Vraag 24 (2 punten)

Toelichting puntenscore:

Vraag 25 (4 punten)

Toelichting antwoord:

Toelichting puntenscore:

Bekijk ook eens

Eindexamen

Suikerbatterij

Eindexamen

Biodiesel uit algen

Eindexamen

Gerolsteiner®

Eindexamen

Glyfosaat

Eindexamen

Zalmbatterijtje

Eindexamen

Groene chemie met dimethylcarbonaat

Eindexamen

Autobanden

Eindexamen

Niacine

Eindexamen

Een pleister voor stroom

Eindexamen

‘Groene’ verf?

Kom je er nog niet uit?

Examenopgaven over suikerbatterij - Scheikunde

Examenopgaven over lithium-luchtbatterijen - scheikunde

Ik ga voor duurzame innovaties