Es wird dringend empfohlen, Einmalhandschuhe und Schutzbrillen zu tragen, wenn ihr mit Chemikalien umgeht.

Transkript

1 Allgemeine Hinweise Tragt im Labor durchgängig euren Kittel. Essen und Trinken ist im Labor strikt untersagt. Fragt den Laborassistenten, wenn ihr etwas zu trinken wollt oder auf die Toilette müsst. Es wird dringend empfohlen, Einmalhandschuhe und Schutzbrillen zu tragen, wenn ihr mit Chemikalien umgeht. Defekte oder gebrochene Ausrüstung wird durch den Laborassistenten ersetzt, wenn ihr danach fragt. Trotzdem wird von euch erwartet, dass ihr verschüttete Flüssigkeiten o.ä. selbst entfernt und euren Platz sauber haltet. Verhaltet euch während des Experiments umweltfreundlich (denkt an euren CO 2 -Fußabtrug alleine durch die Flüge!). Ihr findet für entstandenen Müll passende Müllgefäße an eurem Platz Papier-, Plastik-, Metall-, Glasmüll oder wässrigen Müll. Alle benutzten Blätter, auch Schmierzettel müssen nach dem Ende des Experiments am Platz gelassen werden. Alle Ergebnisse müssen am Ende im gelben Antwortbogen (oder den Excel-Dateien) eingetragen sein. Speichert bitte eure Dateien mit den experimentellen Daten auf dem Desktop eures Team-Laptops! Nur der gelbe Antwortbogen und die Excel-Dateien werden bewertet. Das Experiment besteht aus drei Aufgaben, die entweder individuell oder als Team bearbeitet werden können. 1 / 30

2 Batterietag Aufgabe B.1 Aluminium-Luft Batterie Es ist wichtig, dass ihr mit der Vorbereitung der längsten Aufgabe B.1 sofort beginnt; auch die Messungen der Parameter der Batterie sollten später zügig zu zweit erledigt werden. Aufgabe B.2 erfordert anfangs eventuell die Teamhilfe der Physik, der Rest ist Mikrobiologie. Aufgabe B.3 ist sehr kurz und sollte von dem Chemiker begonnen werden, sobald beim Vorbereiten der Elektroden aus Aufgabe B.1 geholfen wurde. Mit jedem Tag werden die Erdöl- und Erdgasreserven knapper; deswegen werden neue, effektivere Methoden benötigt, um Energie aus regenerativen Quellen zu erschließen und zu speichern. Elektrische Energie kann in Batterien und Brennstoffzellen gespeichert werden, die beide oft komplex aufgebaut sind. In Batterien und Brennstoffzellen wird Energie über chemische Reaktionen direkt in elektrische Energie umgewandelt. Um dies zu erreichen werden die Halbzellenreaktionen Oxidation und Reduktion räumlich getrennt. Oxidation findet an der Anode und die Reduktion an der Kathode statt. Die Elektroden können inert oder auflösbar sein und werden in Elektrolyte getaucht. Üblicherweise wird eine Membran verwendet, um den Anoden- und Kathodenbereich zu trennen, wobei diese Membran für Ionen durchlässig ist. Die Membran verhindert einen Kurzschluss und/oder das Vermischen der Elektrolyten (des Elektrolyten). Der elektrische Strom im äußeren Stromkreis kann für den Antrieb von elektrischen Motoren oder für Lichtquellen genutzt werden. Hier seid ihr gefordert, einige Batterietypen mit einfachen Materialien zu bauen. Eure Aufgabe in der Physik ist es, eine billigere Batterie mit höherer Energiedichte für ein Elektroauto zu entwickeln (Aufgabe B.1). Im chemischen Teil sollt ihr eine Superbatterieformel entwickeln, um die gewöhnliche 1,5 V Batterie zu ersetzen (Aufgabe B.3). Schließlich ist es auch eure Aufgabe, biologische Untersuchungen zu einer Batterie mit dem billigst möglichen Treibstoff anzustellen (Aufgabe B.2). Beachtet, dass diese Seite vor jeder der drei Aufgaben eingebaut ist. Allgemeine Materialien Laptop 3 Kugelschreiber, 2 Bleistifte 2 wasserfeste Stifte Lineal Schere Faden Kleine Pinzette Post-its Zahnstocher Uhr Taschenrechner Periodensystem der Elemente A3 Liste (blaues Papier) Destilliertes Wasser (500 ml Flasche) Laborbrillen Papiertücher Papierbehälter (blaues Etikett) Plastikbehälter (gelbes Etikett) Glasbehälter (grünes Etikett) Metallbehälter (rotes Etikett) Gelber Abfallkrug 2 / 30

3 Aufgabe B.1 Aluminium-Luft Batterie Eure erste Aufgabe ist die Herstellung von zwei Aluminium-Luft Batterien. Die erste sollt ihr dazu verwenden, die Leistung dieser Batterieart zu charakterisieren. Mit der zweiten sollt ihr ein Modellauto in einem Rennen betreiben. Die Rennstrecke wird zu Beginn der dritten Stunde der Klausur geöffnet und kann bis zum Ende der Klausur genutzt werden. Kommt zur Rennstrecke, sobald eure Batterie fertig ist! So könnt ihr euch eine mögliche Wartezeit am Ende ersparen. Chemikalien: 23 g (40 ml) Aktivkohle (active carbon) 10 % NaOH-Lösung (in einem 125 ml Behälter; entspricht handelsüblichem Rohrreiniger) Achtet darauf, dass die NaOH-Lösung nicht auf Haut oder Kleidung gelangt! Arbeitet mit Handschuhen und Schutzbrille! Zweikomponenten-Epoxidharzkleber in zwei Spritzen (mit glue und hardener beschriftet, in Plastikbeutel) Materialien: 2 leere Tic-Tac Behälter Modellauto auf einem Holzblock Stahlschüssel Messer und Löffel Stahlnetz (17 x 8,8 cm 2 ) Schleifpapier Aluminiumfolie (Dicke: 70 μm) Plastikfolie (als Unterlage für das Kleben) 1 Spritzen (6 ml) mit Plastiknadeln (beschriftet mit NaOH, in Plastikbeutel) dicke und dünne Metallplatten (3 + 2) dicke weiße Metallunterlage (zum Abkühlen) Bolzen, Gewindemuttern und Schraubenschlüssel 3 Multimeter, 10 Kabel mit Bananensteckern und 8 Krokodilklemmen (zur gemeinsamen Nutzung mit den anderen Teammitgliedern) 11 Widerstände (566 kω, 10 kω, 1 kω, 470 Ω, 100 Ω, 47 Ω, 18 Ω, 10 Ω, 4,7 Ω, 2,2 Ω, 1 Ω) (zur gemeinsamen Nutzung mit den anderen Teammitgliedern) Excel-Datei Battery B.1.5 Germany Team A B.xslx auf dem Desktop des Computers Video Al-air battery car race challenge auf dem Desktop des Computers Materialien im Labor (getrennt vom Arbeitsplatz): Heizplatte, Kochtopf, Topfhandschuhe Handpresse auf Basis eines 12 t Wagenhebers (ein bis zwei Stück pro Labor) 3 / 30

4 Aufgabe B.1.1 Vorbereitung der Kohlenstoffkathode und anderer Komponenten Aluminium-Luft Batterien erzeugen elektrische Energie aus der Reaktion von Luftsauerstoff mit Aluminium. Batterien dieser Bauart besitzen eine der höchsten Energiedichten, da die in üblichen Batterien enthaltenen oxidierenden Verbindungen an der Kathode (wie MnO 2 in normalen Batterien) durch Luftsauerstoff ersetzt werden. Aluminium Luft Batterien, die wässrige Lösungen verwenden, sind elektrisch nicht wieder aufladbar. Wenn die Aluminiumanode durch die Reaktion mit Luftsauerstoff verbraucht ist (dabei entsteht Aluminiumhydroxid), kann die Batterie keine elektrische Energie mehr erzeugen. Die Batterie kann allerdings durch einen Austausch der Aluminiumanoden mechanisch wieder aufgeladen werden. Um Luftsauerstoff in einer Batterie (oder Brennstoffzelle) als Oxidationsmittel zu verwenden, wird eine chemisch inerte, elektrisch leitfähige Elektrode mit einer großen Oberfläche benötigt. Eine Möglichkeit dafür ist ein poröses Kohlenstoffmaterial, wie die Aktivkohle, die in einem Wasserfilter zu finden ist. Das Vorgehen bei der Herstellung einer Aluminium-Luft Batterie wird in dem Demonstrationsvideo ( Al-air battery - car race challenge ) auf dem Desktop eures Computers erläutert. Für die folgenden Schritte 1-9 könnte die Mitarbeit eures Chemikers hilfreich sein. 1. Geht zu eurer Heizplatte und schaltet sie an, indem ihr den Knopf bis zur roten Linie dreht (die Platte soll auf bis zu 100 o C aufgeheizt werden). Stellt den leeren Topf auf die Platte. Schaut euch das Video an. 2. Verwendet die Schere, um vier elektrische Kontakte (Kontaktelektroden) aus dem Stahlnetz auszuschneiden. Überlegt wie! Die Abmessungen der Kontaktelektroden sind in Abb. 1.1 dargestellt. Verschwendet kein Material. Ihr habt nur die absolut notwendige Menge. Achtet darauf, euch nicht an den scharfen Kanten des Netzes zu schneiden. Abbildung 1.1. Stahlnetz, das als Kontaktelektrode für die schlecht leitende Kohlenstoffelektrode verwendet wird. 3. Bereitet 0,6 ml des Epoxidharzklebers vor. Nehmt dazu 5 Teile Kleber (glue) sowie 1 Teil Härter (hardener) und vermischt sie auf der Plastikfolie für ca. 1 min mit Hilfe eines Zahnstochers. Achtet darauf, Handschuhe zu tragen, wenn ihr mit dem Kleber arbeitet. Fasst mit den Handschuhen nichts an außer den Kontaktelektroden. Entsorgt die Handschuhe nach dem Kleben. 4 / 30

5 4. Verteilt auf beiden Seiten der Kontaktelektrode (mit Ausnahme des herausstehenden Teils, vgl. Abb. 1.1) eine dünne Schicht des Epoxidharzklebers mit den Fingern (Handschuhe!). Wiederholt diese Prozedur für alle vier Kontaktelektroden. Legt die klebrigen Elektroden ausschließlich auf die Plastikfolie. Benutzt so wenig Klebstoff wie möglich, aber so viel, dass die ganze Elektrodenfläche bedeckt ist. Vgl. das Vorgehen im Video. Zieht die Handschuhe nach dem Verteilen des Klebers aus (ihr könnt euch ein neues Paar nehmen). Achtet darauf, dass der Kleber nirgendwo sonst hingelangt. 5. Aktivkohle (aus einem Wasserfilter) wurde für euch bereits zerkleinert und gefiltert. 6. Verwendet die dicke Metallplatte mit den Bolzen als Unterlage und legt eine dünnere Metallplatte darauf. Bedeckt die dünne Metallplatte sparsam aber gleichmäßig mit einer ca. 1 mm dicken Aktivkohleschicht. Die bedeckte Fläche sollte dabei an jeder Seite ca. 0,5 cm größer als die Fläche der Kontaktelektroden sein. 7. Streut über der Stahlschüssel Aktivkohle auf beide Seiten einer der Kontaktelektroden. Spart dabei den hervorstehenden Teil aus. Die Aktivkohle sollte gleichmäßig an der Elektrode haften bleiben (vgl. das Vorgehen im Video). Wiederholt diese Prozedur mit einer zweiten Kontaktelektrode. 8. Legt die beiden entstandenen Kathoden, wie in dem Video gezeigt, auf die Aktivkohleschicht auf der Metallplatte. Bedeckt sie gleichmäßig und vollständig mit einer weiteren Aktivkohleschicht. 9. Legt eine zweite dünne Metallplatte auf die Kathoden. Wiederholt die in den Schritten 7 und 8 beschriebene Prozedur mit den beiden verbleibenden Kontaktelektroden. 10. Legt dann eine weitere dünne Platte und schließlich die dicke Metallplatte mit Löchern auf den Stapel. Dreht die Muttern nacheinander mit den Fingern fest. Haltet die Platten im Folgenden möglichst horizontal, um keine Aktivkohle zu verschütten. 11. Bringt euren Plattenstapel zu einer hydraulischen Presse (in jedem Labor sind 1-2 davon). Drückt die Platten mit Hilfe des Wagenhebers mit einem Druck von 12 t zusammen. Dazu muss die Presse ziemlich kräftig betätigt werden. Schraubt die Muttern noch einmal fest, wenn die Platten zusammengedrückt werden. Ihr könnt nach Hilfe fragen. 12. Entlastet die Presse, indem ihr den Hebel eine volle Drehung gegen den Uhrzeigersinn dreht, und nehmt euren Plattenstapel heraus. 13. Legt den Plattenstapel auf die vorgeheizte Heizplatte und deckt den Plattenstapel mit dem Topf ab. Heizt für 35 Minuten, um den Kleber auszuhärten. In der Zwischenzeit könnt ihr die theoretischen Aufgaben (B.1.2 und B.1.6) bearbeiten. 14. Schneidet zwei Stücke Aluminiumfolie in der gleichen Form wie die Kontaktelektroden (Abb. 1.1) aus. Diese dienen später als Anoden. Raut sie mit Schleifpapier an! 15. Verwendet ein doppelt gefaltetes Papiertuch als Membran. Schneidet dazu aus einem gefalteten Papiertuch Membranen heraus, die an allen Seiten einige mm größer sind als die Aluminiumanode. 5 / 30

6 16. Schaltet nach 35 min die Heizplatte aus. Verwendet die Topfhandschuhe, um den Plattenstapel auf die weiße Metallunterlage zu stellen. Lasst ihn mindestens 10 min abkühlen. Aufgabe B.1.2 Chemie und Physik der Aluminium-Luft Batterie Die Aluminium-Luft Batterie besitzt eine Luftkathode und eine Aluminiumanode. Während der Entladung finden die folgenden Reaktionen an den Elektroden statt: Anode: Al + 3OH Al(OH) 3 + 3e E 0 (Al(OH) 3 /Al) = 2,3 V, Kathode: O 2 + 2H 2 O + 4e 4OH E 0 (O 2 /OH ) = +0,4 V. Dabei gibt E 0 das Standardreduktionspotential an, also die Spannung der Halbreaktion bei einer Reaktionsmittelkonzentration von 1 mol/l und einem Druck der Gase von 1 bar. Das Reduktionspotential ist ein Maß für die Tendenz einer Verbindung Elektronen aufzunehmen und damit reduziert zu werden. B Schreibt eine ausgeglichene Reaktionsgleichung für die Entladung der Batterie auf. Kombiniert dazu die obigen Halbreaktionen. Wie groß ist die Anzahl z der Elektronen, die in dieser Reaktion übertragen werden? % B Berechnet das Standardreduktionspotential E "#$$ der Zelle in der in B bestimmten Reaktion durch Kombination der Standardreduktionspotentiale der beiden Halbreaktionen. B Berechnet die theoretische Energiedichte der Al-Luft Batterie, also die Gibbs-Energie oder freie Enthalpie pro Masse an Aluminium, in MJ/kg. Die molare Gibbs-Energie ΔG 0 (in J/mol) der Zelle kann mit Hilfe der folgenden Gleichung berechnet werden: ΔG % % = z F E "#$$. Dabei ist z die Anzahl der Elektronen und F die Faradaykonstante ( / 01$ ). B Leitet eine Formel her, 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 Batterie, die ein Maß für das elektrochemische Potential der Batterie ist (auch als Urspannung oder electromotive force bezeichnet) ausgedrückt werden kann. Aufgabe B.1.3 Zusammenbau der Batterie 17. Entfernt die Kathoden aus dem Plattenstapel, nachdem dieser etwa 10 min abgekühlt ist. Benutzt dabei Topfhandschuhe, um euch nicht zu verbrennen. Klopft die Elektroden vorsichtig ab, um überschüssige Aktivkohle zu entfernen. 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). 6 / 30

7 Eine Batterie benötigt eine Kathode (an der die Reduktion stattfindet) und eine Anode (an der die Oxidation stattfindet). Für eure Batterie habt ihr bereits beide hergestellt. Diese beiden müssen elektrisch getrennt sein. Diese Trennung kann durch eine nichtleitende poröse Membran, wie Papier, erreicht werden. Die Aktivkohleelektroden werden außen angebracht, um sie mit dem Luftsauerstoff in Kontakt zu bringen. Abbildung 1.2. Al-Luft Batteriezelle bestehend aus zwei Aktivkohlekathoden ( C ), zwei Membranen ( membrane ) und einer Aluminiumfolienanode ( Al ). 18. Baut eine Batteriezelle, wie in Abb. 1.2 und dem Video gezeigt, zusammen {Kathode Membran Anode Membran Kathode}. Bindet die Zelle mit einem Faden fest zusammen, so dass die Elektroden fest aneinandergedrückt sind. 19. Baut die zweite Batteriezelle in gleicher Weise zusammen. 20. Platziert die Batteriezellen jeweils in einem Tic-Tac-Behälter. 21. Überprüft, dass die Elektroden nicht kurzgeschlossen sind (es muss ein unendlich großer Widerstand zwischen den Elektroden gemessen werden). Falls notwendig baut die Zellen noch einmal zusammen. 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. Aufgabe B.1.4 Modellauto-Rennen Ihr sollt nun eine der Batterien in einem Modellauto-Rennen und die andere für die darauffolgenden Strom-Spannungsmessungen verwenden. 7 / 30

8 Die Batterie benötigt auch einen Elektrolyten - eine Ionen-leitende Lösung, die einen Ladungstransport von einer Elektrode zur anderen ermöglicht. In diesem Fall wird als Elektrolyt eine 10 %-ige NaOH-Lösung (im Video der flüssige Abflussreiniger) verwendet. 22. Befestigt eine der Batterien an dem Modellauto auf dem Holzklotz. Benutzt 2 Krokodilklemmen, um die vom Elektromotor ausgehenden Kabel mit den hervorstehenden Elektrodenanschlüssen zu verbinden. 23. Nehmt 6 ml der 10 %-igen NaOH-Lösung mit einer Spritze auf. Gebt keinen Elektrolyten in den Tic-Tac-Behälter bevor euch gesagt wird, dies zu tun. Teilt dem Laborassistenten mit, dass ihr fertig für das Rennen seid. Er wird euch dann zur Rennstrecke bringen. 24. Haltet das Auto mit einer Hand über dem Boden. Ein Laborassistent wird euch mitteilen, wann ihr der Batterie 5 ml Elektrolyt zufügen sollt. 25. Kontrolliert nach dem Zufügen von 5 ml Elektrolyt, in welche Richtung sich das Modellauto bewegt. Lasst es eine kurze Distanz, etwa 10 cm, zurücklegen. Dann werdet ihr zur Startlinie gebeten. Haltet das Modellauto, mit drehenden Rädern, 1-2 cm über der Startlinie fest. Beim Start-Kommando ( ready und Schuss der Startpistole) setzt ihr das Auto auf die Start-Linie und lasst es los. 26. Der Renn-Assistent wird die Zeit messen, die euer Auto zum Zurücklegen der vorgesehenen Strecke benötigt. Sollte euer Auto das Ziel nicht erreichen, werden Punkte anhand der zurückgelegten Strecke vergeben. 27. Ihr könnt das Rennen noch ein zweites Mal bestreiten. Dafür könnt ihr dann etwa 1 ml Elektrolyt nachfüllen, um die Leistung der Batterie vor dem zweiten Start zu erhöhen. Lasst das beste Resultat in euren Antwortbogen eintragen. Aufgabe B.1.5 Spannungs- und Leistungsmessungen Führt die Spannungs- und Leistungsmessungen mit der anderen Batteriezelle durch. Stellt das Modellauto auf den Holzblock und entfernt vorsichtig den ersten Tic-Tac-Behälter. Positioniert den zweiten Tic-Tac-Behälter mit der unbenutzten Batteriezelle in dem Modellauto, das als Halter für den Behälter dient. 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. Während der Entladung bildet sich auf dem Aluminium eine dünne Schicht verschiedener Reaktionsprodukte. Beginnt eure Messung daher mit dem Widerstand, der den höchsten Widerstandswert aufweist und hört mit dem kleinsten auf. 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. 8 / 30

9 B Stromstärke-Spannungsmessung mit NaOH als Elektrolyten 28. Nehmt 6 ml der 10 % NaOH-Lösung mit der Spritze auf. Fügt die 5 ml der 10 % NaOH- Lösung zur Batteriezelle in dem Tic-Tac-Behälter hinzu. Zielt dabei auf das obere Ende der Zelle, um die Membran gut mit NaOH zu benetzen. 29. Arbeitet zügig, da sich das Aluminium aufgrund von Korrosion in NaOH auflöst und so die Leistung mit der Zeit abnimmt. 30. Messt die Stromstärke und die Spannung für alle Lastwiderstände beginnend mit dem größten Widerstandswert. Tragt eure Messwerte in die Excel-datei Battery B.1.5 Germany Team A B.xslx ein. Fügt am oberen Ende der Membran vor jeder Messung 3 Tropfen der NaOH-Lösung hinzu, um die Bedingungen für die Batteriezelle konstant zu halten. Ändert den Messbereich für die vier kleinsten Widerstandswerte auf 10 A. Achtet darauf, auch die Kabel entsprechend auf den 10 A Anschluss umzustecken! B Berechnet für jeden Messwert aus Aufgabe B die Leistung in der Excel-Datei. Beim Eintragen der Werte wird in der Datei automatisch ein Diagramm erzeugt. B Lest aus dem Diagramm in der Excel-Datei die maximale Leistung der Batteriezelle ab und tragt sie in dem Antwortbogen ein. B Fügt dem ebenfalls bei der Dateneingabe erzeugten Spannung (y) über Stromstärke (x) Diagramm in der Excel-Datei eine lineare Trendlinie und die Gleichung für die Trendlinie hinzu. Schätzt aus dem Diagramm den Innenwiderstand r der Batteriezelle ab und tragt ihn im Antwortbogen ein. B Warum ist der basische Elektrolyt (NaOH-Lösung) besser für die Verwendung in der Al- Luft Batterie geeignet als eine neutrale Lösung (NaCl-Lösung)? Aufgabe B.1.6 Alltagsanwendung B Was ist die maximale Effizienz eurer Aluminium-Luft Batterie basierend auf der größten Spannung, die ihr mit der 10 %-igen NaOH-Lösung gemessen habt? Effizienz = höchste gemessene Spannung / theoretische berechnete Spannung in Aufgabe B.1.2. B Welche eurer Beobachtungen zeigt klar, dass die Effizienz unter 100% liegen muss? 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 enthält (die 9 / 30

10 Energiedichte wurde in Aufgabe B berechnet)? Nehmt an, dass die Batterie die in B berechnete Effizienz hat und der Elektromotor einen Wirkungsgrad von 90 % besitzt. B Die Aluminium-Luft Batterie hat eine höhere Leistung als die mikrobielle Brennstoffzelle, denn die Aluminium-Luft Batterie hat (Multiple-Choice-Antworten im Antwortbogen). 10 / 30

11 Batterietag Aufgabe B.2 Mikrobielle Brennstoffzelle und ihre Mikroorganismen Es ist wichtig, dass ihr mit der Vorbereitung der längsten Aufgabe B.1 sofort beginnt; auch die Messungen der Parameter der Batterie sollten später zügig zu zweit erledigt werden. Aufgabe B.2 erfordert anfangs eventuell die Teamhilfe der Physik, der Rest ist Mikrobiologie. Aufgabe B.3 ist sehr kurz und sollte von dem Chemiker begonnen werden, sobald beim Vorbereiten der Elektroden aus Aufgabe B.1 geholfen wurde. Mit jedem Tag werden die Erdöl- und Erdgasreserven knapper; deswegen werden neue, effektivere Methoden benötigt, um Energie aus regenerativen Quellen zu erschließen und zu speichern. Elektrische Energie kann in Batterien und Brennstoffzellen gespeichert werden, die beide oft komplex aufgebaut sind. In Batterien und Brennstoffzellen wird Energie über chemische Reaktionen direkt in elektrische Energie umgewandelt. Um dies zu erreichen werden die Halbzellenreaktionen Oxidation und Reduktion räumlich getrennt. Oxidation findet an der Anode und die Reduktion an der Kathode statt. Die Elektroden können inert oder auflösbar sein und werden in Elektrolyte getaucht. Üblicherweise wird eine Membran verwendet, um den Anoden- und Kathodenbereich zu trennen, wobei diese Membran für Ionen durchlässig ist. Die Membran verhindert einen Kurzschluss und/oder das Vermischen der Elektrolyten (des Elektrolyten). Der elektrische Strom im äußeren Stromkreis kann für den Antrieb von elektrischen Motoren oder für Lichtquellen genutzt werden. Hier seid ihr gefordert, einige Batterietypen mit einfachen Materialien zu bauen. Eure Aufgabe in der Physik ist es, eine billigere Batterie mit höherer Energiedichte für ein Elektroauto zu entwickeln (Aufgabe B.1). Im chemischen Teil sollt ihr eine Superbatterieformel entwickeln, um die gewöhnliche 1,5 V Batterie zu ersetzen (Aufgabe B.3). Schließlich ist es auch eure Aufgabe, biologische Untersuchungen zu einer Batterie mit dem billigst möglichen Treibstoff anzustellen (Aufgabe B.2). Beachtet, dass diese Seite vor jeder der drei Aufgaben eingebaut ist. Allgemeine Materialien Laptop 3 Kugelschreiber, 2 Bleistifte 2 wasserfeste Stifte Lineal Schere Faden Kleine Pinzette Post-its Zahnstocher Uhr Taschenrechner Periodensystem der Elemente A3 Liste (blaues Papier) Destilliertes Wasser (500 ml Flasche) Laborbrillen Papiertücher Papierbehälter (blaues Etikett) Plastikbehälter (gelbes Etikett) Glasbehälter (grünes Etikett) Metallbehälter (rotes Etikett) Gelber Abfallkrug 11 / 30

12 Aufgabe B.2 Mikrobielle Brennstoffzelle und ihre Mikroorganismen Eure Aufgabe ist es, eine Batterie zu untersuchen, die den billigsten Treibstoff überhaupt verwendet, und die Bakterien zu identifizieren, die von dieser mikrobiellen Brennstoffzelle isoliert wurden. Liste benötigter Geräte: Mikrobielle Brennstoffzelle 11 Widerstände (566 kω, 10 kω, 1 kω, 470 Ω, 100 Ω, 47 Ω, 18 Ω, 10 Ω, 4.7 Ω, 2.2 Ω, 1 Ω) (Verwendung zusammen mit anderen Aufgaben) 3 Multimeter, 10 Kabel mit Bananensteckern und 8 Krokodilklemmen (zur gemeinsamen Nutzung mit den anderen Teammitgliedern) 11 Widerstände (566 kω, 10 kω, 1 kω, 470 Ω, 100 Ω, 47 Ω, 18 Ω, 10 Ω, 4,7 Ω, 2,2 Ω, 1 Ω) (zur gemeinsamen Nutzung mit den anderen Teammitgliedern) Excel-Datei Battery B.2.1 Germany A B.xslx auf dem Desktop des Computers Video Microbial fuel cell DIY Elbonian style auf dem Desktop des Computers Aufgabe B.2.1. Mikrobielle Brennstoffzelle Kommerzielle Brennstoffzellen benötigen in der Regel teures Platin als Katalysator. Allerdings ist es auch möglich, Bakterien als lebende Katalysatoren zu verwenden. Der Treibstoff kann dann alles sein, was Bakterien verwerten können Zucker, Gemüse, Fleisch; aber auch günstigere Substanzen wie etwa verdorbenes Essen, (Klär-)Schlamm, Abwasser etc. Einige Bakterien sind in der Lage organische oder anorganische Substanzen freizusetzen, die dann an der Anode oxidiert werden. Der Bau einer mikrobiellen Brennstoffzelle ist einfach und ihr könnt sie auch zu Hause mit normalen Haushaltsutensilien bauen. Eine Zelle wurde bereits vor einigen Wochen für euch vorbereitet, weil die Bakterienkulturen einige Zeit zum Wachsen benötigen. Eure Zelle hat nun einen mittleren Leistungslevel, aber noch nicht das maximale Leistungsniveau erreicht. Ihr könnt euch ein Video über die Herstellung der Brennstoffzelle ( Microbial fuel cell DIY Elbonian style ) anschauen. Es befindet sich auf dem Desktop eures Computers. Die Zelle besteht aus zwei porösen Graphitelektroden, die sich in einer Klärschlamm- / Abwasser-Mischung befinden. Eine Elektrode befindet sich an der Unterseite (die Anode), die andere (die Kathode) befindet sich im oberen Teil und hat Kontakt zum Luftsauerstoff. Eure Aufgabe ist es, diese Zelle zu untersuchen ihr sollt ihre Spannung und Stromstärke messen und analysieren, warum und wie sie funktioniert. 12 / 30

13 Eure Aufgabe ist es, die elektrische Leistungsabgabe und den Innenwiderstand der Zelle zu bestimmen. Dafür müsst ihr einen Stromkreis (Abbildung 2.1) aufbauen und die Spannung und Stromstärke bei der Verwendung verschiedener Lastwiderstände messen. Abbildung 2.1. Ein Stromkreis bestehend aus Batterie (mit einem Innenwiderstand r und einer Leerlaufspannung E), Lastwiderstand (R), Amperemeter (A) und Voltmeter (V). Experimentelle Durchführung: 1. Baut den 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. 2. 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 Punkte abgezogen. 3. Vergewissert euch, die mikrobielle Brennstoffzelle nicht kurzzuschließen, bevor ihr mit den Messungen anfangt. 4. Messt die Spannung und die Stromstärke im Stromkreis mit allen verfügbaren Widerständen. Benutzt den 2 V DC Messbereich für die Spannungsmessung. Benutzt den DC Mikroampere-Messbereich für den höchsten Widerstand und verändert den Bereich während ihr geringere Widerstände verwendet, wenn es nötig ist. B Füllt die Widerstands-Spannungs-Stromstärke-Leistungs-Tabelle in der Excel-Datei B.2.1 Germany Team A B.xslx aus, indem ihr die nötigen Messungen und Berechnungen durchführt. B Welche Spannung wird maximal erreicht? Welche Stromstärke wird maximal erreicht? Welche Leistung wird maximal erreicht? Schreibt eure Antworten in den Antwortbogen. B Benutzt das Spannung (y) über 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. Schreibt den Innenwiderstand r im Antwortbogen auf. 13 / 30

14 B Wie groß 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 300 g. Benutzt die Leistung eurer Brennstoffzelle aus Aufgabe B B Wo können die mikrobiellen Brennstoffzellen in der Praxis eingesetzt werden? B Schaut euch an, wie die Brennstoffzelle konstruiert ist und entscheidet, im Antwortbogen, welche Art von Bakteriengemeinschaft sich am Boden der Zelle bildet. 1. aerobe 2. anaerobe 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. 14 / 30

15 Aufgabe B.2.2 Identifizierung eines unbekannten Bakterienstammes aus einer mikrobiellen Brennstoffzelle Ein unbekannter Bakterienstamm wurde aus einer mikrobiellen Brennstoffzelle isoliert und eine Reinkultur (mit X markiert) auf einem LB+Laktose Agar (Nährboden) in einer Petrischale kultiviert. Eure Aufgabe besteht darin, diesen Stamm zu identifizieren, indem ihr acht mikrobiologische Tests durchführt. Dazu könnt ihr die Tabellen 2.1 (Bestimmungstabelle) und 2.2 (Umschlagsbereiche von ph-indikatoren) verwenden. Bevor ihr das endgültige Resultat in den Antwortbogen eintragt, könnt ihr eure Beobachtungen für den unbekannten Bakterienstamm in die letzte Zeile von Tabelle 2.1 eintragen. Es wird aber nur die Eintragung im Antwortbogen bewertet. Tabelle 2.1. Makromorphologische, zelluläre, biochemische und physiologische Parameter von verschiedenen Bakteriengattungen. Gattung Gram Form Katalase Oxidase Färbung Bewegung Urease Citrat ONPG Gasbildung aus Glucose Bacillus + bacillus + + keine + +/- +/- +/- - Enterobacter - coccobacillus + - keine Erwinia - coccobacillus + - keine Escherichia - coccobacillus + - keine Klebsiella - coccobacillus + - keine Micrococcus + coccus + + gelb Pseudomonas - bacillus + + keine Raoultella - coccobacillus + - keine Salmonella - coccobacillus + - keine + - +/- - + Serratia - coccobacillus + - rot/keine Shigella - coccobacillus + - keine /- - Staphylococcus + coccus + - keine Unbekannter Bakterienstamm ACHTUNG! Alle Materialien, die mit den Bakterien in Kontakt gekommen sind, müssen im vorgesehenen Abfallbehälter gesammelt werden (Plastikbehälter). Verwendet während der Arbeit mit Bakterien und den Färbelösungen Schutzhandschuhe. Vermeidet während des gesamten Experiments euer Gesicht, euren Mund oder eure Augen mit 15 / 30

16 Fingern zu berühren! Wascht die Hände nach Beendigung des Experiments gründlich mit warmem Wasser und Seife. B Gram-Färbung Die Gram-Färbung ist eine Methode zur Differenzierung von verschiedenen Bakterienarten und erlaubt eine Einteilung von Bakterien in zwei große Gruppen: Gram-Positive und Gram- Negative. Diese Methode wurde erstmals vom dänischen Bakteriologen Hans Christian Gram entwickelt. Diese Färbung basiert auf der Differenzierung von Bakterien aufgrund der chemischen und physikalischen Eigenschaften ihrer Zellwand: bei Gram-Positiven Bakterien besteht die Zellwand aus einer dicken Schicht Peptidoglykan, bei Gram-Negativen Bakterien ist diese sehr dünn. Bei der Gram-Färbung werden Gram-Positive Bakterien violett gefärbt, die Gram-Negativen binden den pinken Gegenfarbstoff Safranin und erscheinen rosa bis pink. Liste der benötigten Materialien: Kristallviolett Farbstoff (in Tropfflasche) Lugol s Lösung (in Tropfflasche) Safranin Lösung (in Tropfflasche) Ethanol (in Tropfflasche) Immersionsöl (in Glas-Tropfflasche) Unbekannte Bakterienkultur auf LB+Laktose Agar (markiert mit X) Gram-Positive und Gram-Negative Bakterienstämme auf LB+Laktose Agar (jeweils mit G+ und G- markiert) Spiritusbrenner (beim Laborpersonal nachfragen, wenn nötig!) 16 / 30

17 Experimentelle Durchführung FIXIERUNG der Bakterien 1. Pipettiert, wie in Abbildung 2.2 gezeigt, aus den 2 ml Eppis zwei Tropfen Wasser nebeneinander auf einen Objektträger (je ca. 100 µl). Entnehmt jeweils mit einem Zahnstocher ein wenig Bakterienkultur aus der Petrischale mit Gram-positiven (G+) und Gram-negativen (G-) Bakterienstämmen und vermischt sie jeweils gut in einem der beiden Wassertropfen (mit dem Zahnstocher die Suspension ausbreiten, damit diese schneller trocknet). Achtet darauf, nur Bakterien und keinen Agarnährboden zu entnehmen. Die Bakteriensuspension sollte nur leicht trüb sein. Achtet darauf, dass die beiden Tropfen nicht ineinanderlaufen. Alle Markierungen sollten mit einem Bleistift auf den matten Rand der Objektträger geschrieben werden. Abbildung 2.2. Schema eines Objektträgers mit den beiden Wassertropfen. 2. Entnehmt mit einem Zahnstocher ein wenig Bakterienkultur aus der Petrischale mit der unbekannten Bakterienkultur X und vermischt sie gut in einem einzelnen Wassertropfen auf einem neuen Objektträger. 3. Lasst die Proben auf den Objektträgern eintrocknen (bis zu 20 Minuten). Ihr könnt die letzten Tröpfchen vorsichtig mit einem Papiertuch entfernen. 4. Bittet das Laborpersonal, eure Bakterien auf den Objektträgern zu fixieren! 5. Legt die Objektträger auf ein saugfähiges Papier und bedeckt alle eingetrockneten Bakteriensuspensionen mit dem Kristallviolett-Farbstoff (Abbildung 2.3 zeigt die Prozedur für die Kontrollen. Die unbekannte Probe ist analog zu behandeln). Nach einer Minute wird der Kristallviolett-Farbstoff über dem Flüssigabfall kurz mit destilliertem Wasser von den Objektträgern abgewaschen. Überschüssiges Wasser leicht abschütteln. Abbildung 2.3. Hitzefixierte Bakteriensuspensionen müssen vollständig mit der Färbelösung bedeckt werden (1 Hitzefixierte Bakteriensuspension, 2 Farbstofflösung). 6. Bedeckt nun die beiden Objektträger mit Lugol scher Lösung. Wascht nach 1 Minute die Objektträger wie oben mit destilliertem Wasser ab. 17 / 30

18 7. Deckt die Proben auf einem Objektträger etwa 30 Sekunden lang mit Ethanol ab. Anschließend sofort mit destilliertem Wasser nachwaschen. Wiederholt die Prozedur mit dem anderen Objektträger. 8. Bedeckt nun die beiden Objektträger mit Safranin. Wascht nach 30 Sekunden den nicht gebundenen Farbstoff wie oben mit destilliertem Wasser ab. Überschüssiges Wasser leicht abschütteln. 9. Lasst die Objektträger vor dem Mikroskopieren auf einem saugfähigen Papier bei Raumtemperatur vollständig trocknen (etwa 10 Minuten). 10. Mikroskopiert die Bakterienpräparate mit dem 100X Öl-Immersions-Objektiv. B Bestimmt den Gram-Typ der unbekannten Bakterienkultur und gebt diesen im Antwortbogen an. Benutzt die Färbung von G+ und G- als Referenz. B Bestimmt die Form (Abbildung 2.4) des unbekannten Bakterienstammes mit Hilfe des Mikroskops und tragt das Resultat im Antwortbogen ein. Abbildung 2.4. Unterschiedliche Bakterienformen. Coccobacillus ist eine Zwischenform zwischen Coccus und Bacillus. B Wenn ihr die Färbung wiederholen wollt, fragt nach einem neuen Objektträger. Sobald ihr die Auswertung der unbekannten Bakterienprobe abgeschlossen habt, und die Einstellung unter dem Mikroskop optimal ist (fokussiert), bittet das Laborpersonal dies zu bewerten und den richtigen Gramtypen sowie die Form im Antwortbogen einzutragen. B Hanging drop -Methode zur Bestimmung der Beweglichkeit von Bakterien Materialliste: Spezieller, dickerer Objektträger mit Vertiefung Objektträger ohne Vertiefung Deckglas Vaseline (in 2 ml Zentrifugenröhrchen) Unbekannte Bakterienkultur auf LB+Laktose Agar (markiert mit X) Experimentelle Durchführung: 1. Pipettiert 30 μl destilliertes Wasser auf die unbekannte Bakterienmasse X in der Petrischale und wartet 3 Minuten. Tragt in der Zwischenzeit etwas Vaseline mit einem 18 / 30

19 Zahnstocher um die Vertiefung am dicken Objektträger auf (Achtung: nicht in die Vertiefung auftragen, siehe Abbildung 2.5). Die Vaseline fungiert als Kleber, um das Deckgläschen mit dem Objektträger zu verbinden. Benutzt dazu eine geringe Menge Vaseline, um einen dünnen, nicht notwendigerweise durchgängigen Ring zu erzeugen. Alternativ könnt ihr auch vier Vaselinepunkte um die Vertiefung herum aufbringen. Abbildung Vaseline-Ring. 2. Pipettiert 10 µl der Bakteriensuspension aus der Petrischale mit LB+Lactose Agar auf einen sauberen Objektträger. Achtet darauf, dass nur Bakteriensuspension und keine verklumpte Bakterienmasse abgenommen wird. Wenn die Bakteriensuspension zu dicht erscheint, könnt ihr sie mit 10 µl destilliertem Wasser nochmals verdünnen. Pipettiert einen kleinen Tropfen (nicht größer als 2 mm x 2 mm, 10 µl mit der Mikropipette aufnehmen und ca. die Hälfte entlassen) der Bakteriensuspension in die Mitte des Deckglases (siehe Abbildung 2.6). Abbildung Deckglas, 2 Tropfen der Bakteriensuspension. 3. Legt den Objektträger mit der Vertiefung kopfüber auf das Deckglas und drückt vorsichtig und leicht an, um eine abgeschlossene Kammer zu erzeugen (Abbildung 2.7). Abbildung Deckglas, 2 Vaseline-Ring, 3 Bakterientropfen auf Deckglas. 4. Dreht den Objektträger um. Der Bakterientropfen sollte dann vom Deckglas frei in die Vertiefung hängen. (Abbildung 2.8). 19 / 30

20 Abbildung 2.8. Schema der fertigen hanging-drop -Anordnung (1 Deckglas, 2 Vaseline- Ring, 3 Bakterientropfen). 5. Mikroskopiere und betrachte den Rand des Bakterientropfens (40X Objektiv). B Betrachtet die Bakterien und beurteilt, ob sie sich frei bewegen oder nicht. Tragt eure Antwort in den Antwortbogen ein. 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 die tatsächliche Beweglichkeit eintragen. B Ist es möglich, mit diesem Mikroskop Bakteriengeißeln zu beobachten? Vermerkt eure Antwort im Antwortbogen. B Oxidase-Test Dieser Test dient dazu zu überprüfen, ob der untersuchte Stamm das Enzym Cytochrom C Oxidase besitzt. Das farblose Testreagenz dient als Substrat für das Enzym. Die oxidierte Testreagenz bildet den farbigen Wurster-Blau-Komplex. Das Cytochrom-System ist normalerweise nur in aerobischen Organismen, die Sauerstoff als letzten Elektronen-Akkzeptor verwenden, vorhanden. Das Endprodukt dieser Reaktion ist entweder Wasser oder Wasserstoffperoxid. Liste der notwendigen Materialien: Unbekannter Bakterien-Stamm, angezogen auf LB+Lactose-Agar (markiert mit X) Bakterien-Stämme, die Cytochrom C Oxidase besitzen bzw. nicht besitzen (markiert mit OX+ bzw. OX-), angezogen auf LB+Lactose-Agar 3 Oxidase-Teststreifen (auf einer Petrischale) Experimentelle Durchführung: 1. Berührt die bakterielle Biomasse mit dem Oxidase-Teststreifen. Wiederholt den Vorgang mit verschiedenen Teststreifen für die drei bakteriellen Stämme. 20 / 30

21 2. Beobachtet die Testfläche für 3 Minuten. Tritt eine dunkelblaue Verfärbung der Testfläche auf, dann ist das Ergebnis positiv. Tritt keine Verfärbung innerhalb von 3 Minuten auf ist das Ergebnis negativ (Abbildung 2.9). Abbildung 2.9. Beispiel eines negativen (oben) und positiven (unten) Oxidase-Tests. B Gebt im Antwortbogen an, ob Cytochrom C Oxidase im unbekannten Bakterienstamm vorhanden ist. B Katalase-Test Dieser Test wird bestimmen, ob der untersuchte Stamm Katalase besitzt. Katalase katalysiert die Zersetzung von Wasserstoffperoxid. Katalase ist ein wichtiges Enzym, das die Zellen vor oxidativen Beschädigungen durch reaktive Sauerstoffspezies schützt. Liste der notwendigen Materialien: Unbekannter Bakterien-Stamm angezogen auf LB+Lactose-Agar (markiert mit X) Wasserstoffperoxid-Lösung (in 2 ml Zentrifugenröhrchen, 3 % ) Objektträger (auf Petrischale) Experimentelle Durchführung: 1. Pipettiert 20 μl einer 3 %-igen Wasserstoffperoxid-Lösung auf einen Objektträger. 2. Benutzt einen Zahnstocher, um Bakterienmaterial des unbekannten Bakterienstamms in den Wasserstoffperoxid-Tropfen zu überführen. Beobachtet, ob sich Gasbläschen bilden. B Gebt im Antwortbogen an, ob Katalase im unbekannten Bakterienstamm vorhanden ist. B Schreibt eine ausgeglichene Reaktionsgleichung für die Zersetzung von Wasserstoffperoxid in das entsprechende Feld im Antwortbogen. 21 / 30

22 B β-galactosidase (ONPG)-Test Der β-galactosidase-test wird genutzt, um unterschiedliche Bakteriengattungen zu differenzieren. β-galactosidase ist ein Enzym, das den Abbau von Disacchariden (bspw. Lactose) unter Bildung von Monosacchariden katalysiert. Der Test basiert auf der Verwendung einer Verbindung namens ONPG. Es handelt sich dabei um ein künstliches Substrat, das ähnlich wie Lactose aufgebaut ist. Der Unterschied besteht darin, dass Glucose hierbei durch eine o- Nitrophenyl-Gruppe ersetzt wurde. Wenn der untersuchte Organismus β-galactosidase besitzt, spaltet das Enzym die ONPG und der gelb gefärbte Farbstoff o-nitrophenol wird frei. Liste der notwendigen Materialien: unbekannter Bakterien-Stamm angezogen auf LB+Lactose-Agar (markiert mit X) β-galactosidase-positiver und β-galactosidase-negativer Bakterienstamm aufgezogen auf LB+Lactose-Agar (markiert mit ONPG+ bzw. ONPG-) ONPG (in 2 ml Zentrifugenröhrchen, 4 mg/ml) Experimentelle Durchführung: 1. Benutzt eine Pipette um 10 μl der ONPG-Lösung direkt auf die 3 unterschiedlichen Bakterienstämme zu geben, die auf dem Nährmedium (LB+Lactose) gewachsen sind. Beobachtet die Stämme nach 10 Minuten (platziert für die Beobachtung die Petrischale auf weißem Papier). B Gebt im Antwortbogen an, ob das Enzym β-galactosidase im unbekannten Bakterienstamm vorhanden ist. B Gebt im Antwortbogen an welche chemische Substanz aus der gezeigten Tabelle ein Produkt der durch β-galactosidase katalysierten Reaktion mit dem Substrat Lactose ist. B Urease-Test Harnstoff [CO(NH 2 ) 2 ] hat eine wichtige Rolle im Stoffwechsel von Stickstoffverbindungen bei Tieren. Einige Bakterien können ein Enzym namens Urease herstellen, um günstige Wachstumsbedingungen zu schaffen. Bakterien, die Urease besitzen, hydrolysieren Harnstoff und nutzen die entstehenden Produkte als primäre Stickstoffquelle. Der Urease-Test wird verwendet, um Organismen zu identifizieren, die fähig sind Harnstoff zu hydrolysieren. Für den Test werden Bakterien über Nacht auf Christensens Agar kultiviert. (Pepton 1,0 g; Glucose 1,0 g; NaCl 5,0 g; Na 2 HPO 4 1,2 g; KH 2 PO 4 0,8 g; Hefe-Extrakt 0,1 g; Phenolrot 0,012 g; Agar 15 g werden in 1 L destillierten Wasser gelöst, autoklaviert und sterilfiltriert; 22 / 30

23 Harnstoff (5 ml 40 %) wird diesem Nähr-Agar zugefügt). Der Nähr-Agar hat einen ph-wert zwischen 6,8 6,9 und eine lachspinke Farbe. Tabelle 2.2. Umschlagsbereiche von ph-indikatoren (die Tabelle wird auch für Aufgabe B und B benutzt) ph-indikator Umschlagsbereich Farbe in saurer Umgebung Farbe in basischer Umgebung Bromkresolgrün 3,8 5,4 gelb blaugrün Bromphenolblau 3,0 4,6 gelb blau Bromthymolblau 6,0 7,6 gelb blau Methylrot 4,4 6,4 rot gelb Phenolrot 6,8 8,4 gelb rot Liste der notwendigen Materialien: Ständer mit Probenröhrchen, die Christensens Agar enthalten und mit U1 (nicht angeimpft), U2 (angeimpft mit Proteus vulgaris), und U3 (angeimpft mit unbekannten Bakterienstamm) beschriftet sind. B Schreibt eine ausgeglichene Reaktionsgleichung für die Hydrolyse von Harnstoff durch Urease in das entsprechende Feld im Antwortbogen. B Findet im Ständer die Probengefäße, die mit U1, U2 und U3 beschriftet sind. U1 ist eine Kontrollprobe, die nicht mit Bakterien angeimpft wurde. U2 wurde mit dem Bakterium Proteus vulgaris angeimpft, U3 beinhaltet euren unbekannten Bakterienstamm. Die Umschlagsbereiche von verschiedenen ph-indikatoren sind in Tabelle 2.2 gegeben. Schaut euch die Probenröhrchen an und entscheidet ob die Aussagen im Antwortbogen wahr (+) oder falsch (0) sind. B Gebt im Antwortbogen an, ob der unbekannte Bakterienstamm fähig ist Harnstoff zu hydrolysieren. B Welche der aufgezeigten Antworten im Antwortbogen sind wahr (+) oder falsch (0) bezogen auf Urease negative Bakterien, die auf Christensen Agar wachsen. 23 / 30

24 B Citrat-Test Mit dem Citrat-Test kann man die Fähigkeit von Bakterienstämmen identifizieren, Citrat als Kohlenstoff- und Energiequelle zu nutzen. Dazu werden die Stämme auf Simmons Citrat Agar (enthält Na-Citrat als auschließliche Kohlenstoffquelle und Bromthymolblau) kultiviert. Der ph- Wert des vorbereiteten Mediums ist 6,9 und seine Farbe ist grün. Da nur sehr wenige Bakterien in der Lage sind, Agar als Kohlenstoffquelle zu nutzen, kann man davon ausgehen, dass dieses Medium für Bakterien selektiv ist, die Citrat als einzige Kohlenstoffquelle nutzen können. Wenn Na-Citrat als Kohlenstoff- und Energiequelle genutzt wird, wird Natriumcarbonat als Nebenprodukt freigesetzt. Benötigte Materialien: Ständer mit Teströhrchen mit Simmons Agar beschriftet mit C1 (nicht angeimpft), C2 (angeimpft mit Proteus vulgaris), und C3 (angeimpft mit einem unbekannten Bakterienstamm) B Tragt in den Antwortbogen ein, welche Auswirkung das Natriumcarbonat, das bei der Nutzung des Na-Citrats entsteht, auf den ph-wert des Kulturmediums haben wird. Die Umschlagsbereiche verschiedener ph-indikatoren sind in Tabelle 2.2 angegeben. B Im Ständer befinden sich die Test-Röhrchen, die mit C1, C2 und C3 beschriftet sind. C1 ist die Kontrollprobe, die nicht mit Bakterien angeimpft ist. Röhrchen C2 wurde mit dem Bakterium Proteus vulgaris und Röhrchen C3 mit dem unbekannten Bakterienstamm angeimpft. Untersucht die Proben und bestimmt die Fähigkeit des unbekannten Bakterienstamms, Na- Citrat als Kohlenstoff- und Energiequelle zu nutzen. Gebt euer Ergebnis im Antwortbogen an. B Oxidativer Gärungstest (Oxidative-fermentative (OF) Test) Der oxidative Gärungstest wird dazu benutzt um festzustellen, ob Bakterien Kohlenhydrate oxidativ (O) oder durch Gärung (F) metabolisieren können oder nicht saccharolytisch sind und daher keine Möglichkeit haben, die Kohlenhydrate im Kulturmedium zu verwerten. Während der Gärung werden Zucker in Säure, Gase oder Alkohol umgesetzt. Je nach Gärungstyp entstehen verschiedene Säuren: Ameisensäure, Milchsäure, Buttersäure etc. Das OF-Medium, entwickelt von Hugh und Leifson, wird benutzt, um die verschiedenen Bakterientypen zu unterscheiden. Das Medium besteht aus folgenden Bestandteilen: Pepton 2,0 g; NaCl 5,0 g; K 2 HPO 4 0,3 g; Glucose 10,0 g; Bromthymol Blau 0,03 g; Agar 3,0 g 24 / 30

25 gelöst in 1 L destilliertem Wasser. Der ph-wert des vorbereiteten Mediums 7,1 und seine Farbe ist grün. Der Test wird gleichzeitig in zwei Teströhrchen mit Hugh-Leifson s Agar durchgeführt. Nachdem beide Röhrchen angeimpft worden sind, wird eines von beiden mit einem Agar-Pfropfen versehen, um die Diffusion von Sauerstoff in das Medium zu verhindern und so anaerobe Bedingungen zu schaffen. Der Agar-Pfropfen zeigt gleichzeitig an, ob sich gasförmige Nebenprodukte während der Inkubation bilden, die dabei den Pfropfen nach oben drücken. Entsprechend der Ergebnisse der OF-Tests, können Bakterien in drei große Gruppen eingeteilt werden: 1. Bakterien, die Glucose vergären. Während des anaeroben Prozesses wird Pyruvat je nach Gärungstyp in verschiedene Säuren umgewandelt. 2. Bakterien, die Glucose oxidieren. Nichtvergärende Bakterien metabolisieren Glucose durch aerobe Respiration und produzieren daher nur einen kleinen Anteil schwacher Säuren beim Krebszyklus und Entner-Doudoroff (glykolytischen) Stoffwechselweg. 3. Bakterien, die Glucose weder vergären noch oxidativ abbauen. Stattdessen oxidieren diese Bakterien Pepton als Kohlenstoff- und Energiequelle und geben Ammoniak ins Kulturmedium ab. Benötigte Materialien: Ständer mit Teströhrchen mit OF-Medium beschriftet mit OF1 (ohne Agarpfropfen) und OF2 (mit Agarpfropfen), geimpft mit einem unbekannten Bakterienstamm. B Tragt im Antwortbogen ein, welche Gase bei der Gärung von Glucose entstehen. Erinnert Euch dabei an die Säuren und die Endprodukte, die bei der Gärung entstehen! B Wie müssten die Teströhrchen, die mit den vier verschiedenen Bakterienstämmen angeimpft wurden, aussehen? Bezieht Abbildung 2.10 (unten) zu Rate, um den Antwortbogen auszufüllen. Die Umschlagsbereiche der verschiedenen ph-indikatoren sind in Tabelle 2.2 angegeben. 25 / 30

26 Abbildung Gezeigt sind jeweils zwei Teströhrchen mit Hugh-Leifson s Agar (in jedem Paar ist jeweils das rechte Röhrchen mit einem Agarpfropfen versehen) angeimpft mit Bakterien mit verschiedenen Stoffwechseltypen (B, C, D, E) und Teströhrchen, die nicht mit Bakterien angeimpft wurden (A). B Im Ständer befinden sich die Test-Röhrchen, die mit OF1 und OF2 beschriftet sind. Untersucht sie und gebt im Antwortbogen an, auf welche Weise der unbekannte Bakterienstamm Glucose als Kohlenstoff- und Energiequelle nutzt, das heißt, welchen Stoffwechseltyp er hat und ob Gas freigesetzt wird oder nicht. B Identifizierung Nachdem ihr nun die acht Tests an dem unbekannten Bakterienstamm durchgeführt habt, benutzt Tabelle 2.1 und gebt an, zu welcher Bakteriengattung dieser Stamm gehört. Tragt die richtige Antwort in den Antwortbogen ein. 26 / 30

27 Batterietag Aufgabe B.3 Bau einer wässrigen Batterie mit der höchstmöglichen Spannung Es ist wichtig, dass ihr mit der Vorbereitung der längsten Aufgabe B.1 sofort beginnt; auch die Messungen der Parameter der Batterie sollten später zügig zu zweit erledigt werden. Aufgabe B.2 erfordert anfangs eventuell die Teamhilfe der Physik, der Rest ist Mikrobiologie. Aufgabe B.3 ist sehr kurz und sollte von dem Chemiker begonnen werden, sobald beim Vorbereiten der Elektroden aus Aufgabe B.1 geholfen wurde. Mit jedem Tag werden die Erdöl- und Erdgasreserven knapper; deswegen werden neue, effektivere Methoden benötigt, um Energie aus regenerativen Quellen zu erschließen und zu speichern. Elektrische Energie kann in Batterien und Brennstoffzellen gespeichert werden, die beide oft komplex aufgebaut sind. In Batterien und Brennstoffzellen wird Energie über chemische Reaktionen direkt in elektrische Energie umgewandelt. Um dies zu erreichen werden die Halbzellenreaktionen Oxidation und Reduktion räumlich getrennt. Oxidation findet an der Anode und die Reduktion an der Kathode statt. Die Elektroden können inert oder auflösbar sein und werden in Elektrolyte getaucht. Üblicherweise wird eine Membran verwendet, um den Anoden- und Kathodenbereich zu trennen, wobei diese Membran für Ionen durchlässig ist. Die Membran verhindert einen Kurzschluss und/oder das Vermischen der Elektrolyten (des Elektrolyten). Der elektrische Strom im äußeren Stromkreis kann für den Antrieb von elektrischen Motoren oder für Lichtquellen genutzt werden. Hier seid ihr gefordert, einige Batterietypen mit einfachen Materialien zu bauen. Eure Aufgabe in der Physik ist es, eine billigere Batterie mit höherer Energiedichte für ein Elektroauto zu entwickeln (Aufgabe B.1). Im chemischen Teil sollt ihr eine Superbatterieformel entwickeln, um die gewöhnliche 1,5 V Batterie zu ersetzen (Aufgabe B.3). Schließlich ist es auch eure Aufgabe, biologische Untersuchungen zu einer Batterie mit dem billigst möglichen Treibstoff anzustellen (Aufgabe B.2). Beachtet, dass diese Seite vor jeder der drei Aufgaben eingebaut ist. Allgemeine Materialien Laptop 3 Kugelschreiber, 2 Bleistifte 2 wasserfeste Stifte Lineal Schere Faden Kleine Pinzette Post-its Zahnstocher Uhr Taschenrechner Periodensystem der Elemente A3 Liste (blaues Papier) Destilliertes Wasser (500 ml Flasche) Laborbrillen Papiertücher Papierbehälter (blaues Etikett) Plastikbehälter (gelbes Etikett) Glasbehälter (grünes Etikett) Metallbehälter (rotes Etikett) Gelber Abfallkrug 27 / 30