ANTWORTBOGEN Luxembourg. Aufgabe B.1 Aluminium- Luft Batterie (40 Punkte)

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1 Aufgabe B.1 Aluminium- Luft Batterie (40 Punkte) Aufgabe B.1.1 Vorbereitung der Kohlenstoffkathode und anderer Komponenten FALLS IHR NACH WEITEREM STAHLNETZ FRAGT, WIRD DER LABORASSISTENT HIER UNTERSCHREIBEN. Anzahl der ersetzten Stahlnetze Lab assistant s signature - 0,5 Punkte für jedes zusätzliche 4,4x17 cm 2 Stahlnetzstück. Aufgabe B.1.2 Chemie und Physik der Aluminium- Luft Batterie B Schreibt eine ausgeglichene Reaktionsgleichung für die Entladung der Batterie auf. Kombiniert dazu die obigen Halbreaktionen. Was ist die Anzahl z der Elektronen, die in dieser Reaktion übertragen werden? ANTWORT (eine ausgeglichene Reaktionsgleichung und Wert für z) (2 Punkte): z = 1

2 ! B Berechnet das Standardreduktionspotential E!"## der Zelle in der in B bestimmten Reaktion durch Kombination der Standardreduktionspotentiale der beiden Halbreaktionen. ANTWORT (Berechnung und Ergebnis mit Einheit) (1 Punkt): 0 E cell = B Berechnet die theoretische Energiedichte der Al- Luft Batterie, also die Gibbs- Energie oder freie Enthalpie pro Masse an Aluminium, in MJ/kg. ANTWORT (Berechnung und Ergebnis mit Einheit) (3 Punkte): Die theoretische Energiedichte der Al- Luft Batterie = 2

3 B Leitet eine Formel ab, mit der die Spannung U der Schaltung in Abb. 2.1 durch die Stromstärke I, den Innenwiderstand r der Batterie und die Leerlaufspannung E der Energie (auch als Urspannung oder electromotive force bezeichnet) ausgedrückt werden kann. ANTWORT (Herleitung) (1,5 Punkte): 3

4 Aufgabe B.1.3 Zusammenbau der Batterie B Zeigt eure Luftkathoden einem Laborassistenten, der Fotos davon macht. Falls die Kathoden nicht in Ordnung sind, erhaltet ihr Ersatz für einen Punkt Abzug und einer Zeitstrafe von 1,5 s für das Rennen für jede ersetzte Kathode, die im Rennen verwendet wird. LAB ASSISTANT S SIGNATURE (1 Punkt): Number of cathodes replaced Lab assistant s signature (and takes photo) Punkte für jede ersetzte Kathode B Zeigt einem Laborassistenten, dass ihr in keiner Zelle einen Kurzschluss habt. Der Laborassistent wird Fotos der zusammengebauten Zellen machen und euch ggf. bitten, die Zellen noch einmal zusammenzubauen. Wenn es auch im zweiten Anlauf einen Kurzschluss gibt, erhaltet ihr eine Ersatzzelle gegen einen Punktabzug (5 Punkte für jede Ersatzzelle) sowie 5 Sekunden Zeitstrafe im Rennen, wenn die Zelle dafür verwendet wird. LAB ASSISTANT S SIGNATURE (1 Punkt): Short- circuit 1 st attempt: yes / no Number of cells replaced Lab assistant s signature (and takes photo) 2 nd attempt: yes / no 4

5 Aufgabe B.1.4 Modellauto- Rennen ANTWORTBOGEN Luxembourg LAB ASSISTANT S SIGNATURE (10 Punkte): Did the wheels move? Penalty seconds (if cells or cathodes are replaced) Race results (sec) Distance (if car did not finish) (m) Racing judge s signature Aufgabe B.1.5 Spannungs- und Leistungsmessungen B Baut einen elektrischen Stromkreis, wie in Abb. 2.1 gezeigt, auf, um Strom- Spannungsmessungen für unterschiedliche Lastwiderstände durchzuführen (vgl. auch Aufgabe B.2.1). Lasst dabei noch einen der Anschlüsse eurer Batterie unverbunden! Wenn der Stromkreis aufgebaut ist, bittet einen Laborassistenten, den Aufbau zu kontrollieren. Wenn ihr den Stromkreis nicht beim ersten Mal korrekt aufbaut, könnt ihr es noch einmal versuchen. Wenn auch das nicht klappt, erhaltet ihr vom Laborassistenten einen korrekten Aufbau gegen Punktabzug. LAB ASSISTANT S SIGNATURE (1 Punkt): Correct circuit Lab assistant s signature 1 st attempt: yes / no 2 nd attempt: yes / no B Stromstärke- Spannungsmessung mit NaOH als Elektrolyten ANTWORT: FÜLLT DIE TABELLE IN DER EXCEL-DATEI AUF DEM DESKTOP EURES COMPUTERS AUS (2,5 Punkte). SPEICHERT DIE DATEI! 5

6 B Berechnet für jeden Messwert aus Aufgabe B die Leistung in der Excel- Datei. ANTWORT: FÜLLT DIE TABELLE IN DER EXCEL-DATEI AUF DEM DESKTOP EURES COMPUTERS AUS (1 Punkt). SPEICHERT DIE DATEI! B Lest aus dem Graphen in der Excel- Datei die maximale Leistung der Batteriezelle ab. ANTWORT (Wert mit Einheit) (4 Punkte): Maximale Leistung der mit NaOH betriebenen Zelle: B Fügt dem ebenfalls bei der Dateneingabe erzeugten Spannung (y) über Stromstärke (x) Graph in der Excel- Datei eine lineare Trendlinie und die Gleichung für die Trendlinie hinzu. Schätzt aus dem Graphen den Innenwiderstand r der Batteriezelle ab. ANTWORT (Werte mit Einheiten) (2 Punkte): Innenwiderstand der mit NaOH betriebenen Zelle: B Warum ist der basische Elektrolyt (NaOH- Lösung) besser für die Verwendung in der Al- Luft Batterie geeignet als eine neutrale Lösung (NaCl- Lösung)? ANTWORT (in jeder Zeile, + für wahr oder 0 für falsch) (2 points): NaOH ist der bessere Elektrolyt, weil... schreibt +/0 1 es eine höhere ionische Leitfähigkeit (und geringeren Widerstand) besitzt. 2 es Oxide von der Aluminiumoberfläche entfernt. 3 Aluminiumchlorid weniger löslich als Aluminiumhydroxid ist. 4 die Reduktion von Sauerstoff in diesem Elektrolyt schneller abläuft und der Strom damit höher ist. 6

7 Aufgabe B.1.6 Alltagsanwendungen B Was ist die maximale Energieeffizienz eurer Aluminium- Luft- Batterie basierend auf der größten Spannung, die ihr mit der 10 %- igen NaOH- Lösung gemessen habt? Energieeffizienz = Höchste gemessene Spannung / theoretische berechnete Spannung in Aufgabe B.1.2. ANTWORT (Berechnung und Endergebnis) (2 Punkte): Maximal erreichte Spannung = Maximale Effizienz= 7

8 B Welche eurer Beobachtungen zeigt klar, dass die Energieeffizienz unter 100% liegen muss? ANTWORT (in jeder Zeile, + für wahr oder 0 für falsch) (2,5 Punkte): Beobachteter Beweis Tragt + oder 0 ein 1 Freisetzung von Licht 2 Temperaturerhöhung 3 Entstehung von Gas an der Anode 4 Entstehung von Gas an der Kathode 5 Spannung ist niedriger als theoretisch erwartet B Mein grünes Auto kann problemlos 700 km zurücklegen, doch ich habe das ungute Gefühl, dass es nicht grün im Sinne von umweltfreundlich sein könnte. Es hat einen Verbrennungsmotor mit einem Wirkungsgrad von 20 % für die Energieübertragung vom Treibstoff auf die Räder. Es enthält 40 kg Treibstoff mit einer Energiedichte von 44 MJ kg 1. Ich habe die Idee, den Motor auszubauen und durch einen Elektromotor zu ersetzen. Außerdem soll der Treibstofftank durch eine Aluminium- Luft- Batterie ersetzt werden. Wie weit könnte solch ein E- Auto fahren, wenn die Aluminium- Luft- Batterie 40 kg Aluminium enthalten würde (die Energiedichte wurde in Aufgabe B berechnet)? Nehmt an, dass die Batterie die in B berechnete Effizienz hat und der Elektromotor einen Wirkungsgrad von 90 %. ANTWORT (Berechnung und Endergebnis mit Einheiten) (3 Punkte): Erreichbare Entfernung = 8

9 B Die Aluminium- Luft- Batterie hat eine höhere Leistung als die mikrobielle Brennstoffzelle, denn die Aluminium- Luft- Batterie hat: ANTWORT (in jede Zeile, + für wahr oder 0 für falsch) (2,5 Punkte): Tragt + oder 0 ein 1 Einen kleineren Innenwiderstand 2 Eine höhere Konzentration des Reaktanden an der Anode 3 Eine höhere Konzentration des Reaktanden an der Kathode 4 Eine höhere Konzentration an Ionen 5 Die Konzentration der Bakterien ist kleiner, als die Konzentration von NaOH 9

10 Aufgabe B.2 Mikrobielle Brennstoffzellen und ihre Mikroorganismen Aufgabe B.2.1. Mikrobielle Brennstoffzelle (13,5 Punkte) Baut dem Stromkreis (Abbildung 2.1) auf und schließt dabei ein Batteriekabel noch nicht an. Benutzt ein Multimeter zur Messung der Spannung und ein anderes zur Messung der Stromstärke. Benutzt zunächst den größten Widerstand. Lasst euch den Aufbau des Stromkreises von einem Laborassistenten bestätigen. Solltet ihr den Stromkreis einmal falsch aufbauen, wird euch eine zweite Chance gegeben. Solltet ihr den Stromkreis auch beim zweiten Versuch nicht korrekt aufbauen, wird der Laborassistent das für euch übernehmen. Euch werden dann natürlich Punkte abgezogen. UNTERSCHRIFT DES LABORASSISTENEN (2 Punkte): Microbial fuel cell code Correct circuit Lab assistant s signature 1 st attempt: yes / no 2 nd attempt: yes / no B Füllt die Widerstand- Spannung- Stromstärke- Leistung- Tabelle in der Excel- Datei B.2.1 Country Team A B.xsls aus, indem ihr die nötigen Messungen und Berechnungen durchführt. ANTWORT: FÜLLT DIE TABELLE IN DER EXCEL-DATEI AUF DEM DESKTOP EURES COMPUTERS AUS, INDEM IHR DIE NÖTIGEN MESSUNGEN UND BERECHNUNGEN DURCHFÜHRT. (3 Punkte). B Welche Spannung wird maximal erreicht? Welche Stromstärke wird maximal erreicht? Welche Leistung wird maximal erreicht? 10

11 ANTWORT (3 Zahlen mit Einheiten) (1,5 Punkte): Maximale Spannung Maximale Stromstärke Maximale Leistung B Benutzt das Spannung (y) versus Stromstärke (x) Diagramm in eurer Excel- Datei, um eine Ausgleichsgerade und die entsprechende Geradengleichung darzustellen. Eure Daten erscheinen im Diagramm, sobald ihr die Tabelle mit euren experimentellen Ergebnissen füllt. Der Innenwiderstand der Zelle ist dann r = - Steigung. Notiere den Innenwiderstand r. ANTWORT: ZEICHNET DIE AUSGLEICHSGERADE UND DIE ENTSPRECHENDE GERADENGLEICHUNG IN DER EXCEL-DATEI AUF DEM DESKTOP EURES COMPUTERS. SPEICHERT DIE DATEI! ANTWORT (Innenwiederstand r mit einer Einheit) (1 Punkt): r = B Was wäre die Gesamtmasse einer mikrobiellen Brennstoffzelle, die als Stromquelle in einem Auto mit einer Leistung von 75 kw dienen würde? Die einzelne mikrobielle Brennstoffzelle wiegt ca. 300 g. Benutzt die Leistung eurer Brennstoffzelle aus Aufgabe B

12 ANTWORT (Berechnung und Endergebnis mit Einheiten) (1,5 Punkte): Gesamtgewicht der mikrobiellen Brennstoffzelle = B Wo können die mikrobiellen Brennstoffzellen in der Praxis eingesetzt werden? ANTWORT (In jeder Zeile + für wahr, 0 für falsch) (2 Punkte): Mögliche Anwendung Schreibt + oder 0 1 als Batterie für ein Elektroauto 2 als Batterie für einen Temperatursensor in einem Treibhaus 3 um elektrische Energie in Kläranlagen zu erzeugen 4 um gefährliche Kernkraftwerke zu ersetzen B Schaut euch an, wie die Brennstoffzelle konstruiert ist und entscheidet, welche Art von Bakteriengemeinschaft sich am Boden der Zelle bildet. 1. aerobe 2. anaerobe ANTWORT (eine Zahl) (0,5 Punkte): 12

13 B Schlagt eine einfache chemische Formel für die Entladung der bakteriellen Brennstoffzelle vor. Gebt die Reaktionen an der Anode und Kathode getrennt an. Geht davon aus, dass die Nahrung der Bakterien eine Form von Kohlenhydrat ist (CH 2 O) n. Benutzt Protonen und Wasser, um die Gleichung auszugleichen. ANTWORT (zwei ausgeglichene Reaktionsgleichungen) (2 Punkte): Reaktion an der Anode: Reaktion an der Kathode: AUFGABE B.2.2 Identifizierung eines Bakterienstammes aus einer mikrobiellen Brennstoffzelle (25,5 Punkte) B Schaut euch den Objektträger mit der unbekannten Bakterienkultur genau an und bestimmt die Gram- Färbung (Vergleich mit der Referenz: Objektträger mit gefärbten G+/G- Bakterien!) 1. Gram- Positiv 2. Gram- Negativ ANTWORT (eine Zahl) (0,5 Punkte): 13

14 B Bestimmt die Form (Abbildung 2.4) des unbekannten Bakterienstammes mit Hilfe des Mikroskops. (Vergleich mit der Referenz: Objektträger mit gefärbten G+/G- Bakterien!) 1. bacillus 2. coccus 3. coccobacillus ANTWORT (eine Zahl) (0,5 Punkte): Abbildung 2.4. Unterschiedliche Bakterienformen. Coccus (Kokken) kugelförmig. Bacillus (Stäbchen) länglich. Coccobacillus - Zwischenform B Bewertung des mikroskopischen Präparats durch das Laborpersonal. Sobald ihr die Auswertung der unbekannten Bakterienprobe abgeschlossen habt, und die Einstellung unter dem Mikroskop optimal ist (fokussiert), muss das Laborpersonal dies bewerten und im Antwortbogen eintragen LAB ASSISTANT S SIGNATURE (4 Points): Lab assistant s signature Quality grade True Gram reactivity True shape B Betrachte die Bakterien und beurteile, ob sie sich frei bewegen oder nicht. 1. beweglich 2. nicht beweglich ANTWORT (eine Zahl) (0,5 Punkte): 14

15 B Bewertung des mikroskopischen Präparats durch das Laborpersonal. Sobald ihr die Auswertung der Beweglichkeit abgeschlossen habt, und die Einstellung unter dem Mikroskop optimal ist (fokussiert), muss das Laborpersonal dies bewerten und im Antwortbogen eintragen. LAB ASSISTANT S SIGNATURE (2 Points): Lab assistant s signature Quality grade True motility B Ist es möglich, mit diesem Mikroskop Bakteriengeißeln zu beobachten? 1. Ja, weil sich die Bakteriengeißel strukturell und größenmäßig den Strukturen von eukaryotischen Zellen, wie z.b. Spermien, ähnelt. 2. Ja, aber der untersuchte Bakterienstamm hat keine Geißel. 3. Nein, weil die Bakteriengeißel nur ungefähr 20 nm im Durchmesser misst und die Auflösung des Lichtmikroskops dazu nicht ausreicht. 4. Nein, weil die Bakteriengeißel, verglichen mit der Gesamtgröße des Bakteriums, sehr kurz ist. ANTWORT (eine Zahl) (1 Punkt): B Gebt hier an, ob Cytochrom C Oxidase im unbekannten Bakterienstamm vorhanden ist. 1. Oxidase positiv 2. Oxidase negativ ANTWORT (eine Zahl) (0,5 Punkte): B Gebt hier an, ob Katalase im unbekannten Bakterienstamm vorhanden ist. 1. Katalase positiv 2. Katalase negativ ANTWORT (eine Zahl) (0,5 Punkte): 15

16 B Schreibt eine ausgeglichene Reaktionsgleichung für die Zersetzung von Wasserstoffperoxid in das Feld. ANTWORT (eine Reaktionsgleichung) (1 Punkt): B Gebt hier an, ob das Enzym β- Galactosidase (OPNG) im unbekannten Bakterienstamm vorhanden ist. 1. ONPG positiv 2. ONPG negativ ANTWORT (eine Zahl) (0,5 Punkte): B Gebt im Antwortbogen an, welches Produkt (siehe Tabelle unten) entsteht, wenn β- Galactosidase die Aufspaltung von Lactose ermöglicht. ANTWORT (schreibt in jedes Feld, + für wahr oder 0 für falsch) (1,25 Punkte): Produkt 1. Saccharose 2. Glucose 3. Fructose 4. Mannose 5. Galactose Wahr (+) oder falsch (0) B Schreibt hier eine ausgeglichene Reaktionsgleichung für die Hydrolyse von Harnstoff [CO(NH 2 ) 2 ] katalysiert durch Urease. ANTWORT (eine Reaktionsgleichung) (1 Punkt): 16

17 B Schaut euch die Probenröhrchen an und entscheidet ob die hier getroffenen Aussagen wahr (+) oder falsch (0) sind. ANTWORT (schreibt in jedes Feld, + für wahr oder 0 für falsch) (2 Punkte): Aussage + oder 0 1. Proteus vulgaris ist nicht fähig Harnstoff zu hydrolysieren, was zu einem Absinken des ph- Wertes im Medium führt. 2. Phenolrot ist eine Primärkohlenstoffquelle für Bakterien in Christensens Agar. 3. Zusätzlich zu Harnstoff kann, Proteus vulgaris auch Phenolrot abbauen, was zu einem leuchtenden pinken Abbauprodukt führt. 4. Proteus vulgaris ist fähig Harnstoff zu hydrolysieren, was zu einer Erhöhung des ph- Wertes im Medium führt. B Gebt hier an, ob der unbekannte Bakterienstamm fähig ist Harnstoff zu hydrolysieren. 1. Urease positiv 2. Urease negativ ANTWORT (eine Zahl) (0,5 Punkte): 17

18 B Welche der hier aufgezeigten Antworten sind wahr (+) oder falsch (0) bezogen auf Urease negative Bakterien, die auf Christensen Agar wachsen. ANTWORT (schreibt in jedes Feld, + für wahr oder 0 für falsch) (2 Punkte): Aussage + oder 0 1. Urease negative Bakterien sind nicht fähig Biomasse auf Christensens Agar zu bilden, weil sie nicht fähig sind die einzige Stickstoffquelle im Medium zu nutzen. 2. Weil es verschiedene alternative Stickstoffquellen im Medium gibt, können verschiedene Urease negative Bakterien auf Christensens Agar wachsen. 3. Urease negative Bakterien bilden eine hochsaure Umgebung und werden schnell durch ihre eigenen Abbauprodukte getötet, die auf Grund des Mangels an Urease nicht neutralisiert werden. 4. Weil die meisten Urease negative Bakterien Stickstoff über die Luft aufnehmen, können sie auf Christensens Agar wachsen auch wenn sie kein Stickstoff aus dem Medium aufnehmen können. B Welche Auswirkung wird das Natriumcarbonat, das bei der Nutzung des Na- Citrats entsteht, auf den ph- Wert des Kulturmediums haben? 1. Das entstehende Natriumcarbonat erzeugt eine alkalische Umgebung, das Medium wird blau. 2. Da das Natriumcarbonat den ph- Wert des Mediums nicht verändert, kann man das bakterielle Wachstum nur visuell abschätzen. 3. Natriumcarbonat zerfällt, dadurch erzeugt es eine saure Umgebung und so färbt sich das Medium gelb. ANTWORT (eine Zahl) (1 Punkt): 18

19 B Bestimmt die Fähigkeit des unbekannten Bakterienstamms, Na- Citrat als Kohlenstoff- und Energiequelle zu nutzen 1. Citrat positiv 2. Citrat negativ ANTWORT (eine Zahl) (0,5 Punkte): B Welche Gase entstehen bei der Gärung von Glucose. Erinnert Euch dabei an die Säuren und die Endprodukte, die bei der Gärung entstehen! ANTWORT (für jeden Kasten tragt ein + für richtig oder 0 für falsch) (1,25 Punkte): Gas O 2 H 2 CO 2 N 2 CH 4 Richtig oder falsch B Wie müssten die Teströhrchen, die mit den vier verschiedenen Bakterienstämmen angeimpft wurden, aussehen? Tragt in die untenstehende Tabelle die entsprechenden Buchstaben der Teströhrchen aus Abbildung 2.10 ein. ANTWORT (ein Buchstabe für jede Zeile) (2 Punkte): Metabolismus Typ Teströhrchenpaar aus Abbildung oxidativ 2. non- saccharolytisch 3. Gärung ohne Gasentwicklung 4. Gärung mit Gasentwicklung 19

20 B Auf welche Weise nutzt der unbekannte Bakterienstamm Glucose als Kohlenstoff- und Energiequelle, das heißt, welchem Stoffwechseltyp ist er zuzuordnen und wird Gas freigesetzt oder nicht. Tragt entsprechend in die untenstehende Tabelle ein. 1. Das Bakterium hat den oxidativen Stoffwechseltyp. 2. Das Bakterium hat Gärung als Stoffwechseltyp. 3. Das Bakterium kann keine Kohlenhydrate abbauen (non- saccharolytischen Stoffwechseltyp). 4. Das Bakterium produziert Gas. 5. Das Bakterium produziert kein Gas. ANTWORT (für jeden Kasten tragt ein + für richtig oder 0 für falsch) (1 Punkt): B Gebt an, zu welcher Bakteriengattung der unbekannte Stamm gehört. 1. Bacillus 2. Enterobacter 3. Erwinia 4. Escherichia 5. Klebsiella 6. Micrococcus 7. Pseudomonas 8. Raoultella 9. Salmonella 10. Serratia 11. Shigella 12. Staphylococcus ANTWORT (eine Zahl) (1 Punkt): 20

21 Aufgabe B.3 Bau einer wässrigen Batterie mit höchstmöglicher Spannung (11 Punkte) B.3.1 Messt die Spannung und den Kurzschlussstrom eurer Batterie. ANTWORT (zwei Werte mit Einheiten) (3 Punkte): Spannung: Kurschlussstrom: B.3.2 Versucht eine rote LED (Minimalspannung 1,6 V) und eine weiße LED (Minimalspannung 2,3 V) zum Leuchten zu bringen. Zeigt beide dem Laborpersonal. Unterschrift des Laborpersonals (5 Punkte): Signature (Unterschrift) Red LED (rote LED) 1 st attempt: yes / no 2 nd attempt: yes / no White LED (weiße LED) 1 st attempt: yes / no 2 nd attempt: yes / no B.3.3 Schreibt die Gleichungen der Anodenreaktion und der Kathodenreaktion sowie die ausgeglichene Gleichung der Gesamtreaktion. ANTWORT (3 Reaktionsgleichungen) (2 Punkte): Anodenreaktion: Kathodenreaktion: ausgeglichene Gesamtgleichung: 21

22 B.3.4 Sind die euch zur Verfügung gestellten Metalle stärkere Reduktionsmittel in saurer oder in basischer Lösung? 1. in saurer Lösung 2. in basischer Lösung ANTWORT (eine Zahl) (0,5 Punkte): B.3.5 Sind die Oxidationsmittel aus Tabelle 3.1 stärkere Oxidationsmittel in saurer oder in basischer Lösung? 1. in saurer Lösung 2. in basischer Lösung ANTWORT (eine Zahl) (0,5 Punkte): 22