European Union Science Olympiad Test 1 Dublin, 8. April Stunden Bearbeitungszeit

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1 European Union Science Olympiad Test 1 Dublin, 8. April Stunden Bearbeitungszeit Bitte unbedingt zuerst lesen! 1. Es ist nicht erlaubt, irgendwelche Hilfsmittel ins Labor mitzubringen. 2. Alle Zahlen sind im Anhang wiedergegeben. 3. Sie erhalten drei Antwortblätter für die Rohfassungen Ihrer Arbeit. 4. Das vierte Antwortblatt muss Ihre endgültigen Antworten enthalten. 5. Nur dieses vierte Antwortblatt wird bewertet. 6. Geben Sie Ihre Diagramme und Tabellen mit diesem Antwortblatt ab. Seite 1 von 15

2 Experiment I: Photosynthese Vergleich einer GRÄTZELzelle mit einer Photodiode Einleitung Obwohl die Sonne einen unerschöpflichen Vorrat an sauberer Energie in Form von Licht zur Verfügung stellt, verlangt die Nutzung dieser Energie die Umwandlung von Licht in elektrische, thermische oder chemische Energie. Die Umwandlung von Licht in Strom erfolgt durch Solarzellen. In diesem Experiment werden Sie Solarzellen herstellen und verwenden sowie die Verwendung natürlicher Farbstoffe zur Erhöhung des Wirkungsgrads solcher Zellen untersuchen. Die Natur nutzt die Sonnenenergie bereits seit Millionen von Jahren. Pflanzen verwandeln Licht direkt in chemische Energie und machen sich so die Sonnenenergie zunutze. Dieser Vorgang wird als Photosynthese bezeichnet. Um das Licht aufnehmen zu können, verwenden Pflanzen Farbstoffkomplexe wie Chlorophyll und synthetisieren so Kohlenhydrate aus CO 2 und H 2 O. Chlorophyll befindet sich in den Chloroplasten von Pflanzenzellen. Die Chloroplasten nutzen die absorbierte Lichtenergie, um NADPH zu NADPH 2 zu reduzieren. Diese praktische Klausur enthält drei Aufgaben, die alle mit der Untersuchung von Photosynthese zusammenhängen. In Aufgabe A werden Sie Chlorophyll aus Spinat extrahieren. In Aufgabe B werden Sie eine mit Chlorophyll eingefärbte Solarzelle bauen und deren Funktion mit einer Silikon-Photodiode vergleichen. In Aufgabe C werden Sie eine Photoreduktion untersuchen. Aufgabe A: Chlorophyllextraktion (5 Punkte) Historisch gesehen ist die Extraktion einer der ältesten chemischen Prozesse, der bis heute alltäglich zum Einsatz kommt. So ist z. B. die Zuberereitung einer Tasse Tee oder Kaffee bereits eine Extraktion. Durch die Zugabe von heißem Wasser zu Teeblättern oder Kaffeebohnen werden verschiedene Bestandteile herausgelöst, die für den Geschmack, den Geruch und die Färbung verantwortlich sind. Extraktion im chemischen Sinne bedeutet, einen Bestandteil aus einer Phase in eine andere "herauszuziehen" oder zu überführen, üblicherweise aus einer Flüssigkeit oder einem festen Stoff in eine andere Flüssigkeit. Seite 2 von 15

3 Grüne Blätter enthalten viele Farbstoffkomplexe, insbesondere das Chlorophyll. Spinat, eine dunkelgrüne Pflanze, enthält hohe Konzentrationen von Chlorophyll in seinen Blättern. Das in Spinatblättern enthaltene Chlorophyll kann mühelos durch nicht-polare Lösungsmittel extrahiert werden. In diesem Versuch wird zunächst Spinat in einem Mörser zerkleinert, um die Chlorophyll- Extraktion aus den Blättern zu unterstützen. Das Lösungsmittel wird dann zu dem zerkleinerten Spinat gegeben, um das Chlorophyll zu extrahieren. Das verbleibende feste Material wird durch Filtrieren entfernt und das flüssige Filtrat zur Weiterverwendung in Aufgabe B bereitgestellt. Arbeitsvorschrift: 1. Geben Sie eine Spatelspitze Sand und eine Spatelspitze Calciumcarbonat zum bereitgestellten Spinat (dies unterstützt die Zerkleinerung des Spinats). 2. Zerkleinern Sie den Spinat 5 Minuten lang. 3. Arbeiten Sie in einem Abzug und messen Sie 50 ml Toluol (Methylbenzol) in den bereitgestellten Messzylinder ab und geben Sie dies zu dem Spinat. Zerkleinern Sie den Spinat weitere 5 Minuten. 4. Lassen Sie die Mischung 2 Minuten lang stehen. 5. Bauen Sie die Filtervorrichtung auf und geben Sie Filterpapier in den Trichter. 6. Filtern Sie die Mischung durch das Filterpapier. 7. Füllen Sie das Filtrat in die braune Flasche. 8. Zeichnen Sie das UV-sichtbare Spektrum der Probe auf und vermerken Sie die Maximalwerte der Wellenlängen der Absorption auf Ihrem Antwortblatt. Bezeichnen Sie Ihre Darstellung als "Diagramm 1" Beantworten Sie nun Frage 1 auf dem Antwortblatt Seite 3 von 15

4 Aufgabe B: Nanokristalline Solarzelle (25 Punkte) Solarzellen sind in der Lage, das Licht, das sie absorbieren, in einen elektrischen Strom umzuwandeln. Halbleiter bilden die Grundlage für fast alle kommerziellen Solarzellen. Photonen, die an der Grenzfläche eines Halbleiters aufgenommen werden, regen Valenzelektronen an, die sich in Richtung Leitungsband bewegen, wodurch Löcher im Valenzband entstehen. Die Elektron-/Loch-Paare werden an der Grenzfläche getrennt und bilden eine Photospannung. Damit dies möglich ist, muss die Photonenenergie höher sein als die sogenannte Bandlücke des Halbleiters, d. h. ein Elektron muss genügend Energie erhalten, um vom Valenzband ins Leitungsband zu "springen". Abb. 1 Solarzelle mit p-n-übergang: eine Silikon-Photodiode Seite 4 von 15

5 Ihre Aufgabe soll es sein, eine andere Art von Solarzellen, die unter dem Namen GRÄTZELzellen bekannt sind, herzustellen und deren Leistung zu quantifizieren. In einer GRÄTZELspannung findet die Ladungstrennung an einer TiO 2 -Chlorophyll-Elektrolyt-Grenzfläche anstatt an einem Halbleiterübergang statt. Die Wirkungsweise einer solchen Zelle besteht darin, dass zunächst eine Schicht von Farbstoffmolekülen (in diesem Fall der grüne Farbstoff Chlorophyll) auf ein TiO 2 -Substrat aufgetragen wird. Wenn das Chlorophyll durch sichtbares Licht angeregt wird, wandern die Elektronen zum TiO 2 - Leitungsband. Dabei wird das Chlorophyll oxidiert (es verliert ein Elektron). Das Chlorophyll-Ion ist nun nicht in der Lage, ein weiteres Photon zu absorbieren und ein Elektron an das TiO 2 weiterzugeben, bis es reduziert wird. Die Elektronen, die zur Reduktion des Chlorophyll + dienen, stammen aus dem Elektrolyt (3 I -Ionen des Elektrolyts geben zwei Elektronen ab und werden zu I 3 ). Am anderen Zellenende wird das Elektron von dem I 3 aufgenommen, so dass wieder 3 I entsteht und sich der Stromkreis schließt. Auf diese Art wird eine Photospannung und ein Photostrom erzeugt. Abb. 2 Farbstoffsensibilisierte Solarzelle Seite 5 von 15

6 Arbeitsvorschrift: Ihre Aufgabe besteht in der Herstellung einer Solarzelle unter Verwendung von Chlorophyll, das aus Spinat extrahiert wurde. Sie werden die Spannungswerte einer konventionellen Silikon-Photodiode und einer GRÄTZELzelle, die mit einer Lampe belichtet werden, festhalten. Für die GRÄTZELzelle benötigen Sie zwei Glasplatten, die die Vorder- und Rückseite der Solarzelle darstellen werden. Diese beiden Glasplatten sind bereits mit einer leitenden Schicht auf einer Seite für die elektrischen Messungen versehen. Die Platte, die weiß aussieht, hat eine dünne TiO 2 -Schicht auf der leitenden Schicht. Sie müssen noch folgende Dinge vorbereiten: Arbeitsvorschrift zur Herstellung der GRÄTZELzelle: 1. Lassen Sie die Glasplatte mit dem TiO 2 eine Stunde lang in der einer Petrischale mit Chlorophyll-Lösung ziehen (wobei die TiO 2 -beschichtete Seite nach oben zeigt). 2. Säubern Sie die andere Glasplatte (ohne das TiO2) mit Ethanol. 3. Testen Sie, welche Seite dieser Glasplatte leitend ist. 4. Bestreichen Sie diese Platte (die Gegenelektrode) mit dem zur Verfügung gestellten Bleistift "2B mit einer Grafitschicht. Das Grafit fängt den Strom auf, der das Elektrolyt reduziert, wodurch sich der Stromkreis schließt (s. Abb. 2). 5. Die mit Chlorphyll eingefärbte Elektrode muss dann 5 Minuten lang trocknen, mit Ethanol gewaschen und vorsichtig trocken getupft werden. 6. Legen Sie die gefärbte Ti02-Platte mit der beschichteten Seite nach oben flach auf die Experimentierbank. Überprüfen Sie, dass sie vollkommen trocken ist. 7. Nehmen Sie die Gegenelektrode und legen Sie sie so auf die andere Platte, dass das gesamte TiO 2 von der Gegenelektrode bedeckt ist und ein ungefärbter Streifen der Platte (ohne TiO 2 ) an beiden Enden der Zelle freibleibt (s. Abb. 3a). 8. Fügen Sie die Platten an einer der anderen beiden Seiten mit einer der bereitgestellten Verbindungsklemmen zusammen. 9. Geben Sie ein paar Tropfen der bereitgestellten Elektrolyt-Lösung (0,5 M Kaliumiodid mit 0,05 M Jod gemischt) auf das gegenüberliegende Ende der Glasplatte. 10. Warten Sie, bis sich das Elektrolyt entlang der Zelle verteilt hat. 11. Wischen Sie überschüssiges Elektrolyt von den freiliegenden Glasflächen mit in Ethanol getränktem Zellstoff (oder Wattestäbchen) ab. Es ist äußerst wichtig, dass das gesamte Elektrolyt von diesen freiliegenden Flächen entfernt wird, da sonst Ihre Messungen stark beeinträchtigt werden. Seite 6 von 15

7 12. Legen Sie Kupferfolie auf die freiliegenden Flächen. Befestigen Sie Krokodilklemmen an der Kupferfolie zur Kontaktherstellung. Stellen Sie sicher, dass dies keinen Kurzschluss herbeiführt. Abb.3 GRÄTZELzelle Aufgabe: Demonstrieren Sie die Funktionstüchtigkeit der GRÄTZELzelle, indem Sie die optische Reaktionsgeschwindigkeit der Zelle messen. Bringen Sie die Lichtquelle nicht näher als 5 cm an die Zellen. Die Laboraufsicht muss bei der Demonstration zugegen sein und auf dem Antwortblatt unterschreiben. Messen Sie die Leerlaufspannungen der Chlorophyll-Farbstoff-Zelle und der Silikon- Photodiode bei verschiedenen Lichtintensitäten. Hinweis: Sollte die gemessene Leerlaufspannung unter 10 mv liegen, geben Sie noch einen Tropfen Elektrolyt auf die Platte und wiederholen Sie den Versuchsablauf ab Schritt 11. Beantworten Sie nun Fragen 2 bis 8 auf dem Antwortblatt Seite 7 von 15

8 Aufgabe C: Photochemische Reduktion von Indophenol (20 Punkte) In diesem Experiment werden Sie die Photosynthese untersuchen. Ein blauer Farbstoff (2,6-Dichlorophenolindophenol oder DCPIP, s. Abb. 4) wird anstelle von NADPH verwendet. Abb. 4 Photochemisch hervorgerufene Reduktion von DCPIP - Oxidiertes DCPIP ist blau, durch Reduktion wird es jedoch farblos. Die Verwendung von DCPIP in diesem Experiment anstatt NADPH erlaubt Ihnen die Beobachtung des Photosynthese-Prozesses (mit anderen Worten: die Absorption und Umwandlung von Licht in chemische Energie) durch die zu beobachtende Farbveränderung von DCPIP von blau auf farblos. In diesem Experiment werden Sie die Fähigkeit von Chloroplasten testen, Photosynthese unter neuen Bedingungen durchzuführen, und die Bedeutung biologischer Strukturen sowie lichtabsorbierender Eigenschaften für die Nutzung von Lichtenergie untersuchen. Abb. 5 Schematische Darstellung einer Photolyse-Vorrichtung Seite 8 von 15

9 Arbeitsvorschrift a) Chemische Reduktion von DCPIP 1. Geben Sie 2,5 ml der bereitgestellten DCPIP-Lösung mit ph 6,5 in eine saubere Plastikküvette. Geben Sie vorsichtig 0,5 ml der Ascorbinsäurelösung dazu. Notieren Sie die beobachteten Veränderungen. 2. Geben Sie 2,5 ml der DCPIP-Lösung mit ph 6,5 (bereitgestellt) in eine weitere saubere Plastikküvette. Geben Sie vorsichtig 1,0 ml der Phosphorsäurelösung dazu, um den ph- Wert auf 1,5 abzusenken. 3. Beobachten Sie die Veränderungen. Beantworten Sie nun Frage 9 auf dem Antwortblatt b) Qualitative Bestimmung der photochemischen Reaktivität Bereiten Sie jeweils Dubletten der folgenden Proben vor. Eine Probenreihe (A) ist die gesamte Zeit im Dunkeln aufzubewahren. Probenreihe B soll belichtet werden. Anfänglich müssen jedoch auch diese Proben dunkel verwahrt werden, indem sie in die bereitgestellte Aluminiumfolie gewickelt werden. Lösung 1: 2 ml.einer.dcpip/phosphatpuffer-lösung mit ph 6,5 und 1 ml ungekochte Chloroplastenlösung. Lösung 2: 2 ml Phosphatpuffer-Lösung mit ph 6,5 und 1 ml bereitgestellte gekochte Chloroplastenlösung. Lösung 3: 2 ml DCPIP/Phosphatpuffer-Lösung mit ph 6,5 und 1 ml Chlorophyllinlösung. 4. Geben Sie jede Lösung unter die zur Verfügung stehende Tischlampe und belichten Sie. Überprüfen Sie auf etwaige Veränderungen nach Ablauf von 15 Minuten. Beantworten Sie nun Frage 10 auf dem Antwortblatt c) Quantitative Bestimmung der photochemischen Reaktivität 5. Verwenden Sie eine Lösung, bei der Sie eine photochemische Reaktion im Teil b beobachtet haben. Bereiten Sie drei Proben dieser Lösung auf dieselbe Art vor. Bezeichnen Sie diese drei Proben mit D, E und F. Bewahren Sie alle Proben im Dunkeln auf, wenn sie nicht gerade verwendet werden. Seite 9 von 15

10 6. Zeichnen Sie sofort das UV/Vis-Spektrum der Probe D auf. Photolysieren Sie dazu die Lösung D in der bereitgestellten Photolysevorrichtung (s. Abb. 5, und fragen Sie die Laboraufsicht, falls nötig) für 15 Minuten und messen Sie die UV/Vis-Spektren alle 5 Minuten. Drucken Sie die Spektren und geben Sie sie mit dem Antwortblatt ab. Bezeichnen Sie dieses Spektrum mit "Diagramm B". 7. Um gute kinetische Daten für die Bestimmung der Reaktionsgeschwindigkeit zu erhalten, müssen Sie die Photolyse bei einer optimalen Wellenlänge beobachten. Wählen Sie diese Wellenlänge und geben Sie sie unter Frage 11 auf dem Antwortblatt an. Beantworten Sie nun Frage 11 auf dem Antwortblatt 8. Photolysieren Sie nun Lösung E in der Photolysevorrichtung (s. Abb. 5) und messen Sie die Absorption bei der optimal gewählten Wellenlänge in regelmäßigen Abständen über einen Zeitraum von insgesamt 10 Minuten unter Frage 12 auf dem Antwortblatt. Wiederholen Sie alles für Lösung F (um die Reproduzierbarkeit zu prüfen). 9. Verwenden Sie das bereitgestellte Millimeterpapier, um die Geschwindigkeit der photochemischen Reduktion von DCPIP für jede untersuchte Lösung zu bestimmen. Seite 10 von 15

11 European Union Science Olympiad ANTWORTBLATT Test 1 Dublin 2003 Land: Team-Nr. Unterschrift der Laboraufsicht für die Funktionstüchtigkeit der GRÄTZELzelle Versuchsleiter, Name: Unterschrift: Aufgabe: Chlorophyll-Extraktion 1. Schreiben Sie die Wellenlängen aller maximalen Absorptionswerte in Ihrem Spektrum auf: Seite 11 von 15

12 Aufgabe B: Nanokristalline Solarzelle 2. Illustrieren Sie mit einem kleinen Diagramm, wie Sie die leitende Seite der durchsichtigen Glasplatte ermittelt haben. Schreiben Sie die Werte aus Ihren Messungen auf. 3. Wie hoch ist die Leerlaufspannung, wenn die Farbstoffzelle von der ungefähr 9 cm entfernten Lichtquelle beleuchtet wird bzw. wenn die Zelle mit einem Tuch abgedeckt ist? Beleuchtet: Abgedeckt: 4. Geben Sie in Tab. I die Leerlaufspannungsveränderungen V oc als Funktion verschiedener Beleuchtungsgrade für die Silikon-Photodiode und die GRÄTZELzelle an. Stellen Sie mit Hilfe eines kleines Diagrammes dar, wie Sie die auf den Zellen auftreffende Lichtintensität variiert haben. GRÄTZELzelle Silikon-Photodiode Seite 12 von 15

13 5. Eine übliche Methode zur Feststellung, ob zwei verschiedene Vorrichtungen auf dieselbe Weise auf einen äußeren Parameter reagieren, ist die Ermittlung des Korrelationskoeffizienten zwischen den Messwerten aus beiden Versuchen. Bitte bestimmen Sie den Korrelationskoeffizienten zwischen den V oc -Werten der Silikon-Photodiode und der GRÄTZELzelle. Um einen ersten Hinweis auf die Korrelation zwischen den zwei Reihen von Leerlaufspannungen zu erhalten, tragen Sie in ein Diagramm mit der Bezeichnung "Diagramm 2" für jeden Beleuchtungsgrad den V oc -Wert für die Silikon-Photodiode auf der horizontalen Achse mit dem V oc -Wert für die GRÄTZELzelle auf der vertikalen Achse ein. 6. Bestimmen Sie mit Hilfe der Ausgleichsgeraden die Steigung des Graphen V oc für die GRÄTZELzelle sowie die des Graphen V oc für die Silikon-Photodiode. 7. Die GRÄTZELzelle reagiert viel langsamer auf Veränderungen der Lichtintensität, was Sie leicht experimentell nachprüfen können. Markieren Sie in der untenstehenden Liste die möglichen Gründe für diesen großen Unterschied in der Reaktionszeit, die Ihnen plausibel erscheinen (es können mehrere Gründe zutreffen). a. Der Spannungswert der GRÄTZELzelle ist niedriger als der der Silikon-Photodiode. b. Die elektrische Kapazität der GRÄTZELzelle speichert mehr als die der Silikon- Phododiode. c. Der Ladungstransport zwischen den Medien ist in der GRÄTZELzelle langsamer als in der Silikon-Photodiode. d. Die GRÄTZELzelle reagiert empfindlicher auf den Heizeffekt der Lampe als die Silikon- Photodiode. e. Licht ruft eine unumkehrbare chemische Reaktion in der GRÄTZELzelle, jedoch nicht in der Silikon-Photodiode hervor. 8. Schätzen Sie die Reaktionszeit für die GRÄTZELzelle. Seite 13 von 15

14 Aufgabe C: Photochemische Reduktion von Indophenol 9. Geben Sie an, welche Farbveränderungen bei den Lösungen 1 und 2 auftreten. Wählen Sie zwischen: (a) keine Veränderung/(b) Lösung wird rot/(c) Lösung wird farblos/(d) Lösung wird zuerst rot, dann farblos. Lösung 1: Lösung 2: Würden Sie ausgehend von Ihrem Versuch folgenden Aussagen zustimmen oder sie ablehnen: Ascorbinsäure hat keine Auswirkungen auf DCPIP. Ascorbinsäure kann DCPIP reduzieren. Ascorbinsäure kann DfPIP oxidieren. Ascorbinsäure ist eine starke Säure, die den ph-wert der Lösung verändert, was zu den beobachteten Farbveränderungen führt. Es kommt auf den ph-wert der DfPIP-Lösung an. Ja/Nein Ja/Nein Ja/Nein Ja/Nein Ja/Nein 10. Geben Sie die Farbe der Lösung (a) blau, (b) hellblau,.(c) farblos oder (d) hellgrün - an. Probe Nr. Reihe A Reihe B Optimale Wellenlänge:. Seite 14 von 15

15 12. Absorption gegen Zeit Probe E Probe F Zeit Absorption Zeit Absorption 13. Verwenden Sie das bereitgestellte Millimeterpapier, um die Geschwindigkeit der photochemischen Reduktion von DCPIP für jede untersuchte Lösung zu bestimmen (in Extinktion/min). Nutzen Sie den Platz unter dieser Aufgabe für Ihre Berechnungen. Seite 15 von 15