OPDRACHT B.2 Een microbiële brandstofcel en de microben daarin

Algemene instructies
In het laboratorium moet je altijd een labojas aan en een veiligheidsbril op.
Eten en/of drinken is ten strengste verboden in het laboratorium.
Vraag de zaalassistent als je wat wilt drinken of als je naar de toilet moet.
Wegwerphandschoenen zijn beschikbaar en geadviseerd wordt deze te dragen als met chemicaliën
gewerkt wordt. De veiligheidsbril moet opgezet worden als met chemicaliën gewerkt wordt.
Defecte en/of stukgegane apparatuur wordt vervangen door de zaalassistent als je daar om vraagt. Je
bent zelf verantwoordelijk voor het opruimen van vloeistofresten e.d.
Werk veilig, voor jezelf, het milieu en je omgeving. Deponeer het geproduceerde afval in de daarvoor
bestemde afvalbakken: papier-, plastic-, metaal-, glas- en vloeibaar-/'nat'-afval!
Alle papieren, inclusief het kladpapier, moeten na afloop van de toets op de labtafel achtergelaten
worden.
Alle resultaten en antwoorden moeten uiteindelijk op de gele antwoordbladen genoteerd worden (of
in de Excel files).
Let op dat je de datafiles opslaat op het bureaublad van de laptop van je team!
Alleen de gele antwoordbladen en de Excel files worden nagekeken.
Deze toets bestaat uit drie opdrachten, die individueel of als team gedaan kunnen worden. De keuze is
aan jullie zelf.
1
Batterijdag
OPDRACHT B.1 Aluminium-luchtbatterij
Let op: begin onmiddellijk met de langste opdracht, B1, en meet later ook de eigenschappen
van de batterijen uit die opdracht met twee teamleden gezamenlijk. Bij het begin van opdracht
B.2 is wellicht hulp nodig van een teamlid met verstand van natuurkunde, daarna is het vooral
microbiologie. Opdracht B.3 is een stuk korter, de 'chemicus' van jullie team kan hieraan
beginnen nadat hij klaar is met assisteren bij het maken van de elektrodes in opdracht B.1.
Omdat de olie- en gasreserves op aarde elke dag verder uitgeput raken moeten we nieuwe en
effectievere manieren bedenken om duurzame energie op te wekken en op te slaan. Elektrische
energie kan worden opgeslagen in batterijen en in brandstofcellen, die allemaal een behoorlijk
complex ontwerp kunnen hebben.
In zowel batterijen als in brandstofcellen wordt de energie van een chemische reactie direct
omgezet in elektrische energie. Dit gebeurt door oxidatie- en reductiehalfreacties gescheiden
van elkaar plaats te laten vinden. Oxidatie treedt op aan de elektrode die we de anode noemen
en reductie aan de andere elektrode (de kathode). Elektrodes kunnen inert zijn of oplosbaar en
worden in het elektrolyt ondergedompeld. Meestal wordt een membraan gebruikt dat de
anode- en kathodecompartimenten van elkaar scheidt, maar waar de ionen wel doorheen
kunnen. Op deze manier wordt zowel kortsluiting als het mengen van de elektrolyt(en)
voorkomen. De elektrische stroom in het buitenste circuit kan gebruikt worden om
bijvoorbeeld elektrische motoren aan te drijven of lampen te laten branden.
In deze opdrachten dagen we jullie uit om een aantal batterijtypes te bouwen met
gebruikmaking van alleen simpele materialen. De natuurkundige opdracht (B.1) bestaat uit de
ontwikkeling van een goedkopere batterij met een hogere energiedichtheid voor een elektrisch
wagentje. De biologische opdracht (B.2) bestaat uit het bestuderen van een batterij die gebruik
maakt van de goedkoopst mogelijke 'brandstof'. De chemische opdracht (B.3) bestaat uit de
ontwikkeling van een nieuwe opbouw van een superbatterij die 1,5 V-batterijen kan
vervangen.
Let op: de pagina's 2 & 3, 12 & 13 en 29 & 30 zijn identiek.
2
Algemene materialen:
● laptop
● 3 pennen, 2 potloden
● 2 watervaste stiften
● meetlat
● schaar
● garen
● kleine pincet
● Post-it papiertjes
● tandenstokers
● klok
● rekenmachine
● periodiek systeem van de elementen
● A3-lijst van blauw papier
● een fles van 500 mL met gedestilleerd water
● veiligheidsbril
● tissues
● afvalbak voor papier (blauw label)
● afvalbak voor plastic (geel label)
● afvalbak voor glas (groen label)
● afvalbak voor metaal (rood label)
● afvalkan voor 'nat' afval (geel)
3
OPDRACHT B.1 Aluminium-luchtbatterij
Je eerste opdracht is het samenstellen van twee aluminium-luchtbatterijen. Je gaat vervolgens
het maximaal geleverde vermogen van de ene batterij bepalen en de andere batterij gebruiken
om een modelwagentje te voorzien van stroom. De racebaan zal open zijn vanaf het derde uur
van de wedstrijd tot aan het einde van de wedstrijd. Kom naar de race zodra je batterij klaar is!
Als je op het einde komt zal je tijd verliezen in de wachtrij.
Chemicaliën:
● 23 g (40 mL) actieve koolstof
● 10% NaOH oplossing (in een 125 mL flesje; zelfde als gootsteenontstopper) WEES
VOORZICHTIG! Hanteer met handschoenen! Laat geen druppels NaOH oplossing op je
huid of kleren vallen! Draag een veiligheidsbril!
● Twee-componenten epoxylijm in twee spuiten (gelabeld als “glue” en “hardener”, in
een plastic zakje)
Materialen
● 2 lege Tic-Tac-doosjes
● een modelwagentje op een houten plankje
● roestvrij stalen pannetje
● mes en lepel
● roestvrij stalen gaas (17 x 8,8 cm)
● schuurpapier
● aluminiumfolie (70 μm dik)
● plastic folie (als onderlegger bij het lijmen)
● 1 injectiespuit (6 mL) met een plastic naald (gelabeld NaOH, in een plastic zakje)
● dikke (3) en dunne (2) metaalplaten
● dikke witte metaalplaten om te koelen
● bouten, moeren en steeksleutel
● 3 multimeters, 10 draden met banaanstekkers en 8 krokodillenbekklemmen (delen met
het team)
● 11 weerstanden (566 kΩ; 10 kΩ; 1 kΩ; 470 Ω; 100 Ω; 47 Ω; 18 Ω; 10 Ω; 4,7 Ω; 2,2 Ω; 1 Ω)
(gedeeld)
● Excelbestand “Battery B.1.5 .xslx” op de computer
● video “Al-air battery – car race challenge” op de computer
Materialen apart geplaatst van je werkplek:
● kookplaat, roestvrijstalen kookpan, ovenhandschoenen
● handpers gemaakt met een 12 ton hydraulische krik (één of twee in het lab)
4
Opdracht B.1.1 Maken van de koolstofkathodes en andere componenten
Aluminium–luchtbatterijen produceren elektriciteit uit de reactie van de zuurstof uit de lucht
met aluminium. Dergelijke batterijen hebben een van de hoogste energieopbrengsten, omdat
de klassieke oxiderende component op de kathode (zoals MnO2 in de meeste batterijen) is
vervangen door lucht. De aluminium–luchtbatterijen die werken in waterige oplossingen zijn
niet herlaadbaar. Als de aluminium anode opgebruikt is door zijn reactie met atmosferische
zuurstof en omgezet is tot aluminiumoxide, dan zal de batterij geen elektriciteit meer
produceren. Je kunt echter wel de batterij mechanisch herladen door nieuwe aluminium
anodes te plaatsen.
Om zuurstof als oxidator te gebruiken in een batterij of brandstofcel heb je een chemisch inerte
stof nodig, een elektrisch geleidende elektrode met een groot oppervlak. Een geschikt
materiaal is poreuze koolstof, zoals actieve kool(stof) uit een waterreinigingsfilter.
Instructies voor het maken van de aluminium-luchtbatterijen worden getoond in de
videodemonstratie (“Al-air battery - car race challenge”) op het bureaublad van je laptop.
Je hebt assistentie nodig van je 'scheikunde collega' om de stappen 1-9 uit te voeren
1. Ga naar je kookplaat! Zet de kookplaat aan door de knop naar de rode lijn te draaien
(verwarmen tot 100 °C). Plaats het lege pannetje op de kookplaat. Bekijk de video.
2. Gebruik een schaar om vier stroomcollectoren uit het gaas te knippen. Denk na hoe je
dit doet! De afmetingen en vorm van de stroomcollectoren zijn weergegeven in figuur
1.1. Verkwist geen gaas, je hebt alleen de minimumhoeveelheid die je nodig hebt
gekregen. Let goed op dat je geen verwondingen oploopt bij het snijden.
Figuur 1.1. Een metalen gaas wordt gebruikt als stroomcollector voor een slecht geleidende
poreuze koolstofelektrode.
3. Bereid in totaal 0,6 mL epoxylijm. Neem 5 delen lijm en 1 deel van de verharder en
meng gedurende ca. 1 min met een tandenstoker op de plasticfolie. Zorg ervoor dat je
handschoenen draagt als je met de lijm werkt! Raak niets anders aan met deze
5
handschoenen, behalve de stroomcollectoren; na het lijmen werp je deze
handschoenen weg.
4. Bedek beide zijden van de huidige collector, behalve het uitstekende deel (zie figuur
1.1), met een dun laagje epoxylijm dat je met je handschoenen aanbrengt! Herhaal dat
voor alle 4 collectoren. De gelijmde elektroden moeten op de plasticfolie geplaatst
worden. Gebruik zo weinig mogelijk lijm maar toch voldoende om de gehele
oppervlakte te bedekken. Bekijk de video om de methode te zien. Doe de
handschoenen uit na het lijmen (je kan een ander paar aandoen!) Vermijd om lijm
elders te krijgen!
5. Actieve koolstof (van een waterfilter) is reeds voor je fijngemaakt en gefilterd.
6. Neem de dikke persplaat met de bouten en plaats er een dunnere metaalplaat bovenop.
Bedek de dunne metaalplaat met een ca. 1 mm uniform dun laagje koolstofdeeltjes.
Bedek een iets grotere oppervlakte (aan weerszijden ca. 0,5 cm verder) dan de twee
elektroden zouden innemen. Voeg koolstof toe aan de zijden.
7. Schud de koolstof uniform op beide zijden van een (met lijm bedekte) stroomcollector,
behalve bij het uitstekende gedeelte. De koolstof moet gelijkmatig op het gaas blijven
plakken zoals in de video. Doe hetzelfde met de andere collector.
8. Plaats twee kathodes op de koolstoflaag op de metaalplaat zoals in de video en schud
uniform extra koolstof bovenop de elektrodes zodat de stroomcollectoren compleet zijn
bedekt.
9. Plaats een tweede dunne metaalplaat bovenop de kathodes. Herhaal de procedure
beschreven in stap 7 en 8 voor de twee andere stroomcollectoren.
10. Tot slot, plaats nog een dunne metaalplaat en zet dan de dikke stalen plaat met gaten
erop. Schroef handmatig moeren op de bouten. Zorg ervoor in de volgende stappen dat
je de persplaten altijd horizontaal houdt om te voorkomen dat er koolstof uit lekt.
11. Neem je persplaten mee naar een hydraulische pers (één of twee per lab). Oefen 12 ton
druk uit met de hydraulische krik van 'je opa’s auto'. Je moet met de pers behoorlijk veel
druk uitoefenen. Je mag hier vragen om assistentie.
12. Verminder nu de druk door de knop op de pers een volle draai linksom te geven en
verwijder de platen.
13. Plaats de persplaten op de voorverhitte kookplaat en plaats de roestvrijstalen pan
ondersteboven over de pers. Verhit 35 minuten om de lijm versneld uit te laten harden.
Intussen kun je werken aan theoretische opdrachten (B.1.2 en B.1.6).
14. Knip met een schaar twee stukken aluminiumfolie met dezelfde vorm en afmetingen als
de stroomcollectoren van figuur 1.1 uit. Deze dienen later als de anodes. Maak de folies
schoon met schuurpapier!
15. Gebruik dubbelgevouwen tissuepapier als het membraan. Knip papieren membranen uit
het gevouwen tissuepapier met afmetingen die vergeleken met de aluminium anode
een paar mm groter zijn aan elke zijde.
6
16. Zet 35 min. later de kookplaat uit. Gebruik ovenhandschoenen om de persplaten naar
je werktafel over te brengen en plaats ze op een witte metalen plaat om ten minste 10
min. af te laten koelen.
Opdracht B.1.2 Scheikunde en natuurkunde van de aluminium-luchtbatterij
De aluminium-luchtbatterij heeft een luchtkathode en een aluminiumanode. De volgende
reacties vinden plaats aan de elektroden tijdens de ontlading:
•
•
anode: Al + 3OH− → Al(OH)3 + 3e−
kathode: O2 + 2H2O + 4e− → 4OH−
0
𝐸Al(OH)
= −2,3 V,
3 /Al
0
𝐸O2 /OH− = +0,4 V,
waarbij E0 de standaardelektrodepotentiaal is (dit is de spanning voor de halfreactie wanneer
de concentratie van de reactanten 1 mol/L is en de druk van de gassen 1 bar). De (standaard)
elektrodepotentiaal is een maat voor de tendens van de deeltjes om elektronen te verzamelen
en daarbij te worden gereduceerd.
B.1.2.1 Schrijf een kloppende reactievergelijking op voor het ontladen van de batterij met de
bijbehorende twee halfreacties. Wat is het aantal overgedragen elektronen 𝑧 in de reactie?
0
B.1.2.2 Bereken de standaardbatterijpotentiaal 𝐸𝑏𝑎𝑡𝑡
voor de reactie van B.1.2.1 door de
potentialen van de twee halfreacties te combineren.
B.1.2.3 Bereken de theoretische energiedichtheid van de aluminium-luchtbatterij (dit is de
gibbsenergie per massa-eenheid aluminium uitgedrukt in MJ/kg. De standaard gibbsenergie
ΔG0 (in J/mol) van de batterij kan worden berekend met de formule
0
𝛥𝐺 0 = −𝑧𝐹𝐸𝑏𝑎𝑡𝑡
,
waarbij 𝑧 het aantal elektronen is en 𝐹 de constante van Faraday (96485 C/mol).
B.1.2.4 Leid een formule af voor de schakeling (figuur 2.1) die het verband weergeeft tussen de
spanning 𝑈, de stroom 𝐼, de interne weerstand 𝑟 en de bronspanning 𝐸 (geleverd door de
elektrochemische potentiaal van de batterij).
Opdracht B.1.3 Batterijopbouw
17. Verwijder de kathodes van de drukplaten nadat ze zijn afgekoeld (ongeveer 10 min). Pas
op bij het verwijderen van de moeren – gebruik ovenhandschoenen om je niet te
branden aangezien de platen nog niet volledig zijn afgekoeld. Tik voorzichtig tegen de
elektrodes om overtollig koolstof te verwijderen.
7
B.1.3.1 Laat je luchtkathodes aan een zaalassistent zien, die er foto’s van maakt. Als je er niet
in bent geslaagd om de kathodes te maken dan geeft de zaalassistent je vervangende kathodes
met een strafpunt en 1,5 seconden extra tijd in de autorace voor elke vervangende kathode (als
de vervangende kathodes worden gebruikt bij de autorace).
Een batterij heeft een kathode nodig (waar de reductiehalfreactie plaatsvindt) en een anode
(waar de oxidatiehalfreactie plaatsvindt). Je hebt ze al beide gemaakt voor je batterij. Deze
twee moeten elektrisch worden ontkoppeld. Dit kan worden bereikt met een niet-geleidend
poreus membraan zoals papier. Koolstofelektrodes worden buiten geplaatst om contact te
maken met zuurstof uit de lucht.
Figuur 1.2. De aluminium-luchtbatterij bevat twee koolstofkathodes (“C”), twee membranen
(“membrane”) en een anode van aluminiumfolie (“Al”).
18. Bouw een batterij op { kathode | membraan | anode | membraan | kathode } zoals
getoond in figuur 1.2 en in de video. Wikkel het garen strak rond de opgebouwde
batterij. Controleer of de elektroden strak tegen elkaar zijn gedrukt.
19. Bouw op dezelfde manier de tweede batterij.
20. Plaats beide batterijen in Tic-Tac-doosjes.
21. Controleer of er geen kortsluiting is (er moet een oneindige weerstand zijn tussen de
elektrodes). Bouw indien nodig de elektrodes opnieuw op.
B.1.3.2 Laat aan een zaalassistent zien dat je geen kortsluiting hebt in beide batterijen. De
zaalassistent zal ook foto’s maken van de opgebouwde batterijen. Als er kortsluiting is in een
batterij, of als er een te los is ingepakt kan de zaalassistent je vragen om de batterijen opnieuw
te verpakken. Als er na de tweede poging nog steeds kortsluiting is krijg je (een) vervangende
batterij(en) tegen strafpunten (5 strafpunten voor elke vervangen batterij) en 5 seconden
straftijd in de autorace (als de vervangende batterij gebruikt wordt bij de autorace).
8
Opdracht B.1.4 Race met modelwagentje
Je gaat één batterij gebruiken voor de autorace en de andere batterij in de volgende spanningsen stroommetingen.
Een batterij bevat ook een elektrolyt – een geleidende oplossing die ionen bevat en die
daardoor de lading van de ene elektrode naar de andere door kan geven. Het elektrolyt is hier
de 10% NaOH oplossing (gootsteenonstopper, in de video wordt dit 'Pipe Hedgehog'-oplossing
genoemd).
22. Sluit de tweede batterij aan op het modelwagentje op een houten bordje. Gebruik twee
krokodillenbekklemmen om de draden van de motor met de uitstekende elektroden te
verbinden.
23. Zuig 6 mL van de 10% NaOH oplossing op met een injectiespuit. Voeg het elektrolyt niet
aan het tweede Tic-Tac-doosje toe voordat je hiervoor toestemming hebt gekregen. Laat
een zaalassistent weten als je klaar bent voor de race; hij of zij zal je naar de racebaan
brengen.
24. Houd je modelwagen met één hand vast. De zaalassistent zal aangeven wanneer je 5 mL
elektrolyt aan de batterij in het wagentje moet toevoegen.
25. Als de 5 mL elektrolyt is toegevoegd, controleer dan in welke richting het wagentje
beweegt. Laat het slechts een korte afstand bewegen, ca. 10 cm. Vervolgens word je
naar de startlijn gebracht. Houd je wagentje 1-2 cm boven de startlijn met de wielen vrij
bewegend in de lucht. Zodra het startcommando is gegeven (“ready” en startschot)
plaats je de wielen op de grond op de startlijn en laat je het wagentje los.
26. De race-assistent zal de tijd meten die je wagentje nodig heeft om de gegeven afstand
te overbruggen. Als het wagentje er niet in slaagt de finish te passeren zullen punten
worden toegekend gebaseerd op de afgelegde afstand.
27. Je mag de race nog één keer opnieuw proberen. Je kunt ca. 1 mL elektrolyt toevoegen
om de batterij op te peppen voor de tweede start. Het beste resultaat wordt genoteerd
op je antwoordblad.
Opdracht B.1.5 Metingen van spanning en stroom
Verricht de metingen van spanning en stroom met de andere batterij. Plaats het wagentje op
het houten plankje en verwijder voorzichtig het eerste Tic-Tac-doosje. Plaats het tweede TicTac-doosje en gebruik het modelwagentje (geplaatst op het houten plankje) als houder voor
het Tic-Tac-doosje.
B.1.5.1 Bouw een elektrische schakeling zoals figuur 2.1 voor de metingen van stroom en
spanning met verschillende weerstanden (zoals bij opdracht B.2.1). Laat één van de aluminium
batterijcontacten onaangesloten! Zodra je de schakeling klaar hebt vraag je om goedkeuring
van de zaalassistent. Tijdens het ontladen kan het aluminium worden bedekt met een dun
9
laagje van verschillende reactieproducten. Begin daarom met de weerstand met de hoogste
weerstandswaarde en eindig met de laagste waarde.
Als je er niet in slaagt om een goede schakeling te bouwen krijg je een tweede kans om het zelf
nog eens te doen. Als je de tweede keer er nog niet in slaagt dan bouwt de zaalassistent de
juiste schakeling voor je, maar verlies je punten.
B.1.5.2 Elektrische stroom- en spanningsmetingen met NaOH oplossing als elektrolyt.
28. Zuig met de injectiespuit 6 mL op van de 10% NaOH oplossing. Voeg 5 mL van de 10%
NaOH oplossing toe aan de batterij met de injectiespuit, richtend op de bovenzijde van
het membraan om er zeker van te zijn dat het membraan met NaOH oplossing wordt
doordrenkt.
29. Werk snel, aangezien een gedeelte van het aluminium oplost in de NaOH oplossing door
corrosie waardoor het vermogen afneemt met de tijd.
30. Meet de stroom- en spanningswaarden voor alle weerstanden, beginnend met de
weerstand met de hoogste weerstandswaarde. Sla de waarden op in Excelbestand
Battery B.1.5 s.xlsx. Voeg 3 druppels NaOH oplossing toe aan de bovenzijde van het
membraan vóór elke meting om de werkomstandigheden van de batterij constant te
houden. Verander de stand van de ampèremeter naar 10 A voor de vier laagste
weerstandswaarden. Vergeet niet om de aansluitdraad in de multimeter naar de 10 A
ingang om te zetten!
B.1.5.3 Bereken het vermogen voor elke meting van opdracht B1.5.2 in het Excelbestand. De
grafiek verschijnt als je de tabel met experimentele data vult.
B.1.5.4 Lees het maximale vermogen af uit de grafiek in het Excelbestand en schrijf dit op het
antwoordblad.
B.1.5.5 Gebruik de spanning (y) als functie van stroom (x) in het Excelbestand om een lineaire
trendlijn en de vergelijking voor die trendlijn weer te geven. De grafiek verschijnt als je de tabel
vult met de experimentele data. Schat uit de grafiek de waarde van de interne weerstand 𝑟 van
het elektrolyt.
B.1.5.6 Waarom is een basische elektrolyt (NaOH oplossing) beter vergeleken met een neutrale
oplossing (NaCl oplossing) in een aluminium-luchtbatterij?
10
Opdracht B.1.6 Alledaagse toepassingen
B.1.6.1 Wat is het maximale rendement van de gebouwde aluminium-luchtbatterij, gebaseerd
op de hoogste spanning die je hebt behaald?
Rendement =
maximale gemeten spanning
theoretische spanning berekend in opdracht B. 1.2
B.1.6.2 Welke van jullie waarnemingen tonen aan dat het rendement van de batterij lager is
dan 100%?
B.1.6.3 Mijn groene auto haalt 700 km, maar ik heb het gevoel dat het milieutechnisch niet
groen is. Hij heeft een interne verbrandingsmotor met een 20% brandstof-naar-wiel rendement
en hij heeft plaats voor 40 kg brandstof, met een verbrandingswaarde van 44 MJ kg -1. Ik heb het
idee om de motor eruit te halen en te vervangen door een elektrische motor en om de
benzinetank te vervangen door een aluminium-luchtbatterij. Hoe ver zou een dergelijke auto
kunnen rijden als hij 40 kg aluminium in de batterij zou hebben? (de energieopbrengst van de
aluminium-luchtbatterij is berekend in B.1.2.3). Neem aan dat het rendement van de batterij zo
groot is als berekend bij opdracht B.1.6.1 en dat de elektromotor een rendement heeft van
90%.
B.1.6.4 Vul aan: "De aluminium-luchtbatterij heeft een groter vermogen dan de
microbiologische brandstofcel, omdat de aluminium-luchtbatterij …" (keuzemogelijkheden
staan op het antwoordblad).
11
Batterijdag
OPDRACHT B.2 Een microbiële brandstofcel en
de microben daarin
Let op: begin onmiddellijk met de langste opdracht, B1, en meet later ook de eigenschappen
van de batterijen uit die opdracht met twee teamleden gezamenlijk. Bij het begin van opdracht
B.2 is wellicht hulp nodig van een teamlid met verstand van natuurkunde, daarna is het vooral
microbiologie. Opdracht B.3 is een stuk korter, de 'chemicus' van jullie team kan hieraan
beginnen nadat hij klaar is met assisteren bij het maken van de elektrodes in opdracht B.1.
Omdat de olie- en gasreserves op aarde elke dag verder uitgeput raken moeten we nieuwe en
effectievere manieren bedenken om duurzame energie op te wekken en op te slaan. Elektrische
energie kan worden opgeslagen in batterijen en in brandstofcellen, die allemaal een behoorlijk
complex ontwerp kunnen hebben.
In zowel batterijen als in brandstofcellen wordt de energie van een chemische reactie direct
omgezet in elektrische energie. Om dit te bewerkstelligen vinden de oxidatie- en
reductiehalfreacties gescheiden van elkaar plaats. Oxidatie vindt plaats aan de elektrode die we
de anode noemen en reductie vindt plaats aan de andere elektrode, genaamd de kathode.
Elektrodes kunnen inert zijn of oplosbaar en worden in de elektrolyt ondergedompeld. Meestal
wordt een membraan gebruikt dat de anode- en kathodecompartimenten van elkaar scheidt,
maar waar de ionen wel doorheen kunnen. Op deze manier wordt zowel kortsluiting als het
mengen van de elektrolyt(en) voorkomen. De elektrische stroom in het buitenste circuit kan
gebruikt worden om bijvoorbeeld elektrische motoren aan te drijven of lampen te laten
branden.
In deze opdrachten dagen we jullie uit om een aantal batterijtypes te bouwen met
gebruikmaking van alleen simpele materialen. De natuurkundige opdracht (B.1) bestaat uit de
ontwikkeling van een goedkopere batterij met een hogere energiedichtheid voor een elektrisch
wagentje. De biologische opdracht (B.2) bestaat uit het bestuderen van een batterij die gebruik
maakt van de goedkoopst mogelijke 'brandstof'. De chemische opdracht (B.3) bestaat uit de
ontwikkeling van een nieuwe opbouw van een superbatterij die 1,5 V batterijen kan vervangen.
Let op: de pagina's 2 & 3, 12 & 13 en 29 & 30 zijn identiek.
12
Algemene materialen:
● laptop
● 3 pennen, 2 potloden
● 2 watervaste stiften
● meetlat
● schaar
● garen
● kleine pincet
● Post-it papiertjes
● tandenstokers
● klok
● rekenmachine
● periodiek systeem van de elementen
● A3-lijst van blauw papier
● een fles van 500 mL met gedestilleerd water
● veiligheidsbril
● tissues
● afvalbak voor papier (blauw label)
● afvalbak voor plastic (geel label)
● afvalbak voor glas (groen label)
● afvalbak voor metaal (rood label)
● afvalkan voor 'nat' afval (geel)
13
OPDRACHT B.2 Een microbiële brandstofcel
en de microben daarin
In deze opdracht ga je een brandstofcel bestuderen die de goedkoopst mogelijke brandstof
gebruikt; vervolgens ga je de bacterie identificeren die uit de microbiële brandstofcel geïsoleerd
is.
Lijst van benodigdheden
● microbiële brandstofcel
● 11 weerstanden (566 kΩ; 10 kΩ; 1 kΩ; 470 Ω; 100 Ω; 47 Ω; 18 Ω; 10 Ω; 4,7 Ω; 2,2 Ω; 1 Ω)
(deze worden ook gebruikt bij andere opdrachten)
● 3 multimeters (ook gebruikt bij andere opdrachten)
● 10 aansluitdraden (ook gebruikt bij andere opdrachten)
● 8 krokodillenbekklemmen (ook gebruikt bij andere opdrachten)
● Excelbestand “Battery B.2.1 s.xslx” op het bureaublad (desktop) van de computer
● video “Microbial fuel cell – DIY Elbonian style” op het bureaublad van de computer
Opdracht B.2.1. De microbiële brandstofcel
Commerciële brandstofcellen gebruiken duur platina als katalysator, maar het is ook mogelijk
om bacteriën als levende katalysatoren te gebruiken. De brandstof kan alles zijn dat bacteriën
eten – suiker, groente, vlees; maar ook goedkopere substanties zoals bedorven voedsel,
modder, rioolwater, etc. Sommige bacteriën zijn in staat om organische of anorganische stoffen
uit te scheiden die kunnen oxideren aan de anode. Het bouwen van een bacteriële brandstofcel
is eenvoudig; je kunt het thuis doen met alleen huishoudspullen.
Voor jullie is een paar weken geleden al een dergelijke cel in elkaar gezet, omdat de
bacteriekolonie in de brandstofcel tijd nodig heeft om te groeien. Intussen kan de cel een
redelijk vermogen leveren, maar het is nog niet maximaal. Op het bureaublad van de computer
staat een video van het opbouwen van de brandstofcel ('Microbial fuel cell – DIY Elbonian
style'). De cel bestaat uit twee poreuze actieve-koolstofelektrodes in een modderafvalwatermengsel. Eén van de elektrodes (de anode) zit in de bodem van de cel, de andere (de
kathode) zit in de bovenzijde en maakt contact met zuurstof uit de lucht.
Je gaat deze brandstofcel onderzoeken – je gaat de geleverde spanning en stroom meten en
analyseren waarom en hoe de brandstofcel werkt.
Je begint met het onderzoeken van het geleverde elektrisch vermogen en de interne weerstand
van de brandstofcel. Daarvoor moet je een elektrische schakeling bouwen, zoals schematisch
weergegeven in figuur 2.1, en hierin de spanning óver en de stroom dóór een aantal
verschillende weerstanden meten.
14
Figuur 2.1. Een elektrische schakeling bestaande uit een batterij (met inwendige weerstand r en
bronspanning E), een uitwendige weerstand R, een ampèremeter A en een voltmeter V.
Werkwijze:
1. Maak de schakeling zoals weergegeven in figuur 2.1, maar sluit één van de twee polen
van de batterij nog niet aan. Met één multimeter meet je nu de spanning en met de
andere de stroomsterkte. Start je metingen met de grootste weerstand.
2. Als je de opstelling hebt gemaakt vraag je een zaalassistent om hem goed te keuren.
Indien je ergens een fout hebt gemaakt krijg je nog één kans om deze te verbeteren;
lukt het je dan nog niet, dan zal de assistent de correcte opstelling maken, wat je wel
punten zal kosten.
3. Zorg ervoor dat je de microbiologische brandstofcel niet kortsluit voorafgaand aan de
metingen.
4. Meet de spanning en de stroomsterkte in de schakeling voor elk van de gegeven
uitwendige weerstanden. Voor het meten van de spanning gebruik je het 2V DC
meetbereik. Voor het meten van de stroomsterkte (bij de grootste weerstanden)
gebruik je het DC micro-ampère meetbereik, waarna je het meetbereik kunt wijzigen
voor de metingen bij de kleinere weerstanden.
B.2.1.1 Vul de ‘weerstand-spanning-stroom-vermogen’-tabel in het Excelbestand Battery B.2.1
s.xlsx door hiervoor de benodigde metingen en berekeningen te doen.
B.2.1.2 Wat is de grootste spanning die je verkrijgt? Wat is de grootste stroomsterkte? Wat is
het maximaal geleverde vermogen? Noteer de antwoorden op je antwoordblad.
B.2.1.3 Gebruik een spanning (y) tegen stroomsterkte (x) -grafiek in het Excelbestand om een
lineaire trendlijn te tekenen en de vergelijking hiervan op te stellen. De grafiek verschijnt
vanzelf als je de meetresultaten in de tabel invoert. Als je weet dat de inwendige weerstand van
de cel 𝑟 = – (helling van de lijn), bereken dan die inwendige weerstand en noteer zijn waarde
op het antwoordblad.
15
B.2.1.4 Bereken de totale massa aan microbiële brandstofcellen die nodig is voor het aandrijven
van een 75 kW elektrische wagen. De massa van één brandstofcel bedraagt ongeveer 300 g.
Neem het brandstofcelvermogen van opdracht B.2.1.2.
B.2.1.5 Waarvoor kun je in de praktijk een microbiële brandstofcel gebruiken?
(Keuzemogelijkheden op het antwoordblad)
B.2.1.6 Bekijk de opbouw van een microbiële brandstofcel en beslis dan welke soort
bacteriekolonies (aerobe of anaerobe) je op de bodem van de cel mag verwachten.
B.2.1.7 Geef een eenvoudige reactievergelijking voor het ontladen van de brandstofcel. Geef de
halfreacties weer die plaatsvinden aan de anode en aan de kathode. Veronderstel hierbij dat
het verbruikte voedsel een eenvoudig organische verbinding is met formule (CH2O)n. Gebruik
protonen (waterstofionen) en water om de vergelijking kloppend te maken.
16
OPDRACHT B.2.2 Identificatie van een bacteriestam, geïsoleerd uit een
microbiologische brandstofcel
Men heeft een onbekende bacteriestam (aangeduid met X) geïsoleerd en gezuiverd uit een
microbiologische brandstofcel en deze stam aangebracht op een petrischaal met als
voedingsbodem LB+lactose agar (LB is een medium dat is verrijkt met verschillende nutriënten).
Na 8 microbiologische tests zul je in staat zijn de bacteriestam te kunnen determineren. Een
determinatietabel (tabel 2.1) en een tabel met omslagpunten van pH-indicatoren (tabel 2.2 –
een paar bladzijden verder) kunnen je hierbij helpen. Voor het gemak mag je de resultaten van
je testen invullen in de onderste rij van tabel 2.1, maar alleen de eindresultaten op je
antwoordblad zullen beoordeeld worden.
Benodigdheden
● microscoop
● automatische pipet + puntjes
● 4 voorwerpglaasjes voor microscopie (op petrischaal)
● 10 tandenstokers (op petrischaal)
● bacteriestam op petrischaal met LB+lactose agar
● gedestilleerd water in een 2 mL epje (eppendorf buisjes, op rek)
● lange tang (op rek)
17
Tabel 2.1. Macro-morfologische, cellulaire, biochemische en fysiologische parameters van
verschillende bacteriegeslachten
Genus
Gram
Vorm
Katalase
Oxidase
Pigmentatie
Beweeglijk
Urease
Citraat
ONPG
gas
van
glucose
Bacillus
+
Bacillus
+
+
geen
+
+/-
+/-
+/-
-
Enterobacter
-
Coccobacillus
+
-
geen
+
-
+
+
+
Erwinia
-
Coccobacillus
+
-
geen
+
-
+
+
-
Escherichia
-
Coccobacillus
+
-
geen
+
-
-
+
+
Klebsiella
-
Coccobacillus
+
-
geen
-
+
+
+
+
Micrococcus
+
Coccus
+
+
geel
-
-
-
-
-
Pseudomonas
-
Bacillus
+
+
geen
+
-
+
-
-
Raoultella
-
Coccobacillus
+
-
geen
-
+
+
+
+
Salmonella
-
Coccobacillus
+
-
geen
+
-
+/-
-
+
Serratia
-
Coccobacillus
+
-
Rood/geen
+
-
+
+
-
Shigella
-
Coccobacillus
+
-
none
-
-
-
+/-
-
Staphylococcus
+
Coccus
+
-
none
-
+
-
-
-
Onbekende stam
OPGELET! Alles wat met de bacteriën in contact is geweest mag in de plastic afvalbak!
Gebruik plastic handschoenen om te werken met bacteriën of gekleurde vloeistoffen. Vermijd
gedurende het experiment elk contact met je gezicht, ogen of mond. Na de opdracht dien je je
handen grondig te wassen met zeep en warm water.
B.2.2.1 Gramkleuring
Gramkleuring is een methode om bacteriën in twee grote groepen op te splitsen (Grampositieve en Gram-negatieve). De test dankt zijn naam aan de Deense bacterioloog Gram die de
techniek ontwikkelde.
De Gramkleuring is gebaseerd op verschillen in de chemische en fysische eigenschappen van de
celwanden. Bij Gram-positieve bacteriën bestaat de celwand uit een dikke laag van
peptidoglycaan, terwijl bij Gram-negatieve bacteriën deze laag dun is. Gram-positieve bacteriën
houden na de kleuring de kleurstof kristalviolet vast, waardoor ze violet kleuren. Gramnegatieve bacteriën houden een andere kleurstof vast (gewoonlijk safranine), waardoor ze rood
of roze kleuren.
18
Benodigdheden:
● oplossing van kristalviolet (in druppelfles)
● lugoloplossing (in druppelfles)
● safranineoplossing (in druppelfles)
● ethanol (in druppelfles)
● immersie-olie (in glazen druppelfles)
● cultuur van onbekende bacteriestam, gekweekt op LB+lactose agar (gelabeld met X)
● Gram-positieve and Gram-negatieve bacteriestammen gekweekt op LB+lactose agar
(respectievelijk gelabeld met G+ en G-)
● alcoholbrander (indien nodig vraag je voor het gebruik hiervan hulp aan de
zaalassistent)
Werkwijze:
1. Doe – zoals weergegeven op figuur 2.2 – vanuit de 2 mL centrifugeerbuis op een
voorwerpglaasje 2 afzonderlijke waterdruppels, elk van 80-100 μL. Breng met behulp
van een tandenstoker een kleine hoeveelheid van de Gram-positieve stam (geen agar!)
in de ene druppel en roer de suspensie voorzichtig met de tandenstoker. Spreid de
druppel wat uit (vergemakkelijkt het drogen). Doe hetzelfde met een monster van de
Gram-negatieve stam in de tweede waterdruppel. Zorg dat de waterdruppels niet met
elkaar in contact komen. Tip: Je kunt de plaatjes labelen met een stift doe dat op de
matte kant!
Figuur 2.2. De plaats van de twee bacteriesuspensies op het voorwerpglaasje.
2. Herhaal nu de bovenstaande werkwijze voor het maken van een suspensie van de
onbekende bacteriestam vanaf de LB+lactose agar plaat (gelabeld X) op een tweede
voorwerpglaasje.
3. Laat de preparaten drogen (dit kan 20 minuten duren; ondertussen kun je iets anders
doen). Eventueel mag je de laatste waterdruppels voorzichtig verwijderen met wat
filtreerpapier.
4. Vraag nu een zaalassistent de bacteriën (met hitte) te fixeren op het voorwerpglaasje
5. Leg de voorwerpglaasjes op keukenpapier en bedek alle suspensies met kristalviolet.
(Fig.2.3 toont de procedure voor de controle-bacteriën; hetzelfde geldt voor het
onbekende monster). Spoel na 1 minuut de voorwerpglaasjes met gedestilleerd water.
Doe dit boven een beker, verwijder overtollig water door het voorwerpglaasje af te
schudden.
19
Figuur 2.3. De gefixeerde suspensies (1) moeten volledig met kleurstof (2) bedekt zijn
6. Bedek alle monsters met lugoloplossing. Na 1 minuut de glaasjes spoelen met
gedestilleerd water.
7. Direct hierna alle monsters gedurende 30 seconden bedekken met ethanol en meteen
daarna spoelen met gedestilleerd water.
8. Bedek nu alle monsters met safranine. Na 30 seconden spoelen met gedestilleerd
water. Schud vervolgens het overtollig water af.
9. Laat de glaasjes drogen (ca. 10 minuten). Zorg ervoor dat de preparaten volledig droog
zijn alvorens de plaatjes onder de microscoop te bekijken.
10.Bekijk de gekleurde monsters onder de microscoop m.b.v. het 100x olieimmersieobjectief.
B.2.2.1.1 Bepaal de Gram-reactiviteit van de onbekende bacteriestam en noteer je bevinding
op het antwoordblad. Gebruik G+ en G- als referenties.
B.2.2.1.2 Bepaal de vorm van de onbekende bacteriestam (figuur 2.4) en noteer het resultaat
op je antwoordblad (baseer je op je waarnemingen met de microscoop)
Figuur 2.4. Mogelijke bacterievormen
B.2.2.1.3 Indien je niet tevreden bent met je resultaten en waarnemingen onder de microscoop
en je een nieuwe kleuring wilt uitvoeren, mag je een nieuw voorwerpglaasje aan de
zaalassistent vragen. Wanneer je zowel de Gramreactiviteit als de vorm hebt bepaald, toon je
ter beoordeling het preparaat onder de microscoop aan de zaalassistent. De zaalassistent zal
de juiste gramreactiviteit en vorm noteren op je antwoordblad.
20
B.2.2.2 ‘Hangende druppel’-methode om de beweeglijkheid te bepalen
Benodigd:
● speciaal dik voorwerpglas met een ondiepe uitholling
● dekglaasje
● vaseline (in 2 mL centrifugebuis)
● onbekende bacteriestam gekweekt op LB+lactose agar (gelabeld met X)
Werkwijze:
1. Pipetteer 30 μL gedestilleerd water op de onbekende bacterie X-biomassa op de
petrischaal met LB+lactose agar, en wacht 3 minuten. Ondertussen wrijf je met een
tandenstoker wat vaseline rond de uitholling op het microscoopglas (figuur 2.5). De
vaseline dient als ‘lijm’ tussen voorwerpglas en dekglaasje. Gebruik slechts een klein
beetje vaseline en let op dat je deze niet in de holte smeert.
Figuur 2.5. vaseline-ring rond holte in voorwerpglaasje
2. Pipetteer 10 μL van de bacteriesuspensie van de LB+lactose agar van de cultuur op een
schoon voorwerpglas. Let er wel op alleen vloeistof te pipetteren en geen
samengeklonterde bacteriemassa. Als de suspensie te troebel is mag je verdunnen met
10 μL water. Pipetteer een kleine druppel suspensie (niet groter dan 2 mm x 2 mm) in
het midden van het dekglaasje (Figuur 2.6). Tip: je kunt door 10 μL te pipetteren en
ongeveer de helft ervan op het dekglaasje aan te brengen.
Figuur 2.6. (1 – dekglaasje, 2 – druppel bacteriesuspensie).
3. Plaats nu het voorwerpglaasje met de holte naar beneden boven de druppel
bacteriesuspensie (Figuur 2.7) en druk zachtjes om beide glaasjes met behulp van de
vaseline te ’lijmen’ en een luchtdichte holte te verkrijgen.
21
Figuur 2.7. 1 = dekglaasje, 2 = ring vaseline, 3 = druppel bacteriesuspensie).
4. Draai het geheel ondersteboven. De druppel bacteriesuspensie zou nu aan het
dekglaasje moeten hangen (figuur 2.8).
Figuur 2.8. 1= dekglaasje, 2 = ring vaseline, 3 = druppels suspensie
5. Bekijk de rand van de suspensiedruppel onder de microscoop (objectief 40x)
B.2.2.2.1 Bekijk de bacteriën en noteer op je antwoordblad of de onbekende bacteriestam
beweeglijk is of niet.
B.2.2.2.2 Als je de beweeglijkheid hebt beoordeeld, laat je je preparaat onder de microscoop
zien aan de zaalassistent. Deze geeft zijn zijn/haar oordeel.
B.2.2.2.3 Kun je met de gebruikte vergroting bacteriële zwemstaartjes waarnemen? Noteer het
antwoord op de meerkeuzevraag op het antwoordblad. De keuzemogelijkheden vind je daar.
B.2.2.3 Oxidasetest
Met deze test kun je bepalen of de soort die je bestudeert een enzym genaamd cytochroom-coxidase bevat. Het kleurloze reagens uit deze test fungeert als een substraat voor het enzym.
Het verbruikte reagens vormt de gekleurde stof Wursters blauw reagens. Het cytochroomsysteem dat je onderzoekt is gewoonlijk alleen aanwezig in aerobe organismen die zuurstof als
elektronenacceptor kunnen gebruiken. Het eindproduct van deze reacties is ofwel water ofwel
waterstofperoxide.
22
Benodigdheden
● Onbekende bacteriestam die groeit op LB+lactose agar (gelabeld met X).
● Bacteriestam (groeiend op LB+lactose) waarvan al bekend is of deze cytochroom-coxidase bevat (gelabeld met OX+ en OX-).
● 3 oxidase-teststrips (op een petrischaaltje).
Werkwijze
1. Raak met een oxidase-teststrip de bacteriekolonie aan. Herhaal dit voor alle drie de
bacteriestammen.
2. Bekijk het aangestipte gebied op je strip drie minuten lang. Als dit aangestipte gebied
niet van kleur verandert binnen drie minuten is er een negatieve testuitslag (zie ook
figuur 2.9)
Figure 2.9. Voorbeeld van een negatieve (boven) en een positieve (beneden) oxidasetest.
B.2.2.3.1 Bepaal de aanwezigheid van cytochroom-c-oxidase in de onbekende bacteriestam X
op het antwoordblad.
B.2.2.4 Katalasetest
Deze test bepaalt of de bacteriestam het enzym katalase bevat – een enzym dat de afbraak van
waterstofperoxide katalyseert. Katalase is een belangrijk enzym dat de cellen beschermt tegen
oxidatieve schade.
Benodigdheden:
● Onbekende bacteriestam die groeit op LB+lactose agar (gelabeld met X).
● Oplossing van waterstofperoxide (in epje, 3%)
● Objectglas (op petrischaal)
23
Werkwijze:
1. Pipetteer 20 μL van de 3% waterstofperoxideoplossing op het objectglas.
2. Gebruik een tandenstoker om de bacteriekolonie over te brengen naar de druppel van
waterstofperoxide. Bekijk of er gasbelletjes ontstaan.
B.2.2.4.1 Bepaal of het enzym katalase aanwezig is in de onbekende bacteriestam X. Noteer dit
op het antwoordblad.
B.2.2.4.2 Noteer de kloppende reactievergelijking van de ontleding van waterstofperoxide.
Noteer dit op het antwoordblad.
B.2.2.5 β-galactosidase (ONPG) -test
De β-galactosidasetest wordt gebruikt om te kunnen differentiëren tussen verschillende klassen
bacteriën. β-galactosidase is een enzym dat afbraak van disaccharides katalyseert (bijvoorbeeld
lactose) waardoor er monosaccharides ontstaan. De test is gebaseerd op het gebruik van een
stof genaamd o-nitrofenyl-beta-D-galactopyranoside (ONPG). Dit is een kunstmatig substraat
dat qua structuur vergelijkbaar is met lactose, behalve dat er een o-nitrofenyl groep aan de
glucose wordt toegevoegd. Op het moment dat het organisme β-galactosidase bevat zal deze
de ONPG splitsen, waardoor o-nitrofenol vrijkomt. Dit is een gele kleurstof.
Benodigdheden:
● Onbekende bacteriestam die groeit op LB+lactose agar (gelabeld met X)
● β-galactosidase-positieve en β-galactosidase-negatieve bacteriestammen die groeien op
LB+lactose agar (gelabeld als respectievelijk ONPG+ en ONPG-)
● ONPG (in 2 mL epje, 4 mg/mL)
Werkwijze:
1. Breng met een pipet 10 μL van de ONPG-oplossing direct aan op drie bacteriekoloniën
die op het medium (LB+lactose) groeien en kijk wat er gebeurt na ongeveer 10 minuten
(voor een goede waarneming plaats je de petrischaal op een stuk wit papier).
B.2.2.5.1 Bepaal de aanwezigheid van β-galactosidase in de onbekende bacteriestam. Noteer
dit op het antwoordblad.
B.2.2.5.2 Welke van stoffen die op het antwoordblad opgesomd staan zijn producten van de reactie
die gekatalyseerd wordt door β-galactosidase met lactose als substraat?
24
B.2.2.6 Ureasetest
Ureum [CO(NH2)2] speelt een belangrijke rol bij de afbraak van stikstof-bevattende stoffen door
zoogdieren. Sommige bacteriën kunnen een enzym genaamd urease produceren. Bacteriën die
dit enzym bezitten kunnen ureum hydrolyseren en een van de afbraakproducten als een bron
voor stikstof gebruiken. De ureasetest identificeert organismen die ureum kunnen
hydrolyseren. Voor de test zijn de bacteriën overnacht gegroeid op Christensens agar (een
peptidemengsel – 1,0 g; glucose – 1,0 g; NaCl – 5,0 g; Na2HPO4 – 1,2 g; KH2PO4 – 0,8 g;
gistextract – 0,1 g; fenolrood – 0,012 g; agar – 15 g opgelost in 1 L demiwater, waarna ureum
(5 mL 40%) toegevoegd is. De pH van het medium is 6,8–6,9 en het is zalmroze van kleur.
Tabel 2.2. Omslagpunten van de pH-indicatoren gebruikt in de media van B.2.2.6, B.2.2.7 en
B.2.2.8.)
pH-indicator
omslagpunt
kleur in zuur milieu
kleur in
milieu
basisch
broomkresolgroen
3,8–5,4
geel
blauwgroen
broomfenolblauw
3,0–4,6
geel
blauw
broomthymolblauw
6,0–7,6
geel
blauw
methylrood
4,4–6,4
rood
geel
fenolrood
6,8–8,4
geel
rood
Benodigdheden:
● Rekje met reageerbuizen die Christensens agar bevatten gemarkeerd met U1 (geen
inoculatie), U2 (geïnoculeerd met Proteus vulgaris en U3 (geïnoculeerd met de
onbekende bacteriestam).
B.2.2.6.1 Geef de kloppende reactievergelijking voor de hydrolyse van ureum [CO(NH2)2] door
urease. Noteer dit op het antwoordblad.
B.2.2.6.2. In het rekje staan de buisjes U1, U2 en U3. U1 is de controle. Buisje U2 is
geïnoculeerd met de bacterie Proteus vulgaris en buis U3 met de onbekende bacteriestam. De
omslagpunten van de pH-indicator zijn gegeven in tabel 2.2. Bestudeer de buisjes en beslis of
de stellingen die je vindt op het antwoordblad juist (+) of onjuist (0) zijn. Noteer dit in de tabel
op het antwoordblad.
25
B.2.2.6.3 Bepaal of de onbekende bacteriestam ureum kan hydrolyseren. Noteer dit op het
antwoordblad.
B.2.2.6.4 Welke van de stellingen in het antwoordblad betreffende urease-negatieve bacteriën
(groeiend op Christensens agar) zijn juist (+) en onjuist (0)? Noteer dit op het antwoordblad.
B.2.2.7 Citraattest
De citraattest identificeert of de bacteriestam citraat als koolstof- en energiebron kan
gebruiken. De te onderzoeken stammen groeien om Simmons’ agar (dat natriumcitraat als
enige koolstofbron bevat en broomthymolblauw als een pH-indicator). De pH van het gebruikte
medium is 6,9 en de kleur van dit medium is groen. Omdat er maar heel weinig bacteriën zijn
die agar als een koolstofbron kunnen gebruiken, kunnen we zeggen dat dit medium specifiek
selecteert op de bacteriën die citraat als koolstofbron kunnen gebruiken. Als alleen
natriumcitraat wordt gebruikt als koolstof- en energiebron ontstaat er natriumcarbonaat als
bijproduct.
Benodigdheden:
● Rekje buizen met Simmons’ agar gelabeld met C1 (niet geïnoculeerd), C2 (geïnoculeerd
met Proteus vulgaris), en C3 (geïnoculeerd met de onbekende bacteriestam).
B.2.2.7.1 Noteer op het antwoordblad welke invloed natriumcarbonaat (product uit het
verbruik van natriumcitraat) heeft op de pH in het groeimedium? De omslagpunten van de
verschillende gebruikte pH-indicatoren zijn te vinden in tabel 2.2.
B.2.2.7.2 In het rekje buizen vind je C1, C2 en C3. C1 is een controlemonster zonder bacteriën.
Buis C2 is geïnoculeerd met Proteus vulgaris en C3 met de onbekende stam. Bestudeer de
buisjes en bepaal of de onbekend stam natriumcitraat kan gebruiken als koolstof- en
energiebron. Noteer dit op het antwoordblad.
B.2.2.8 Oxidatieve-fermentatie (OF) test
De oxidatieve-fermentatie test wordt gebruikt om het metabolisme van bacteriën te
bestuderen. De test laat zien of een bacterie koolhydraten metaboliseert door een oxidatiereactie (O), door fermentatie (F) of dat ze niet-sacharolytisch zijn. Dit laatste betekent dat ze
niet in staat zijn om koolhydraten (suikers) uit het medium te gebruiken.
26
Gedurende fermentatie worden suikers omgezet in zuren, gassen of alcohol. Afhankelijk van het
type fermentatie worden de volgende zuren geproduceerd: mierenzuur, melkzuur en
boterzuur, etc. Het OF-medium wordt gebruikt om onderscheid te kunnen maken tussen
verschillende type bacteriën. Het medium bestaat uit het volgende: een peptidemengsel –
2,0 g; NaCl – 5,0 g; K2HPO4 – 0,3 g; glucose – 10,0 g; broomthymolblauw – 0,03 g; agar – 3,0 g
opgelost in 1 L demiwater. De pH van het gemaakte medium is 7,1 en de kleur is groen.
De test wordt tegelijkertijd in twee testbuizen met OF-medium uitgevoerd. Meteen na de
inoculatie van beide buizen wordt een van de twee bedekt met een laagje agar zodat diffusie
van zuurstof naar het medium wordt voorkomen en anaerobe groei-omstandigheden ontstaan.
Het laagje agar op het medium kan ook gebruikt worden om de vorming van gassen als product
te kunnen meten, doordat dit omhoog gedrukt wordt gedurende incubatie.
Op basis van de resultaten van de OF-test kun je bacteriën in drie groepen verdelen:
1. Bacteriën die glucose fermenteren. Gedurende het anaerobe proces van fermentatie
wordt pyruvaat omgezet in een variëteit aan zuren afhankelijk van het type fermentatie.
2. Bacteriën die glucose oxideren. Bacteriën die niet fermenteren kunnen glucose alleen
omzetten door aerobe respiratie (ook wel: ademhaling). Gedurende dit proces wordt
maar een hele kleine hoeveelheid aan zuren gevormd als bijproduct.
3. Bacteriën die glucose niet kunnen fermenteren, noch kunnen oxideren. Deze bacteriën
worden hierdoor gedwongen om het peptidemengsel als koolstof- en energiebron te
gebruiken. Bij deze reactie ontstaat ammoniak als bijproduct.
Benodigdheden:
● Rekje buizen met het OF-medium, gelabeld met OF1 (zonder agarlaagje) en OF2 (met
agarlaagje); alle twee geïnoculeerd met de onbekende bacteriestam.
B.2.2.8.1 Noteer op het antwoordblad welke gassen worden geproduceerd gedurende de
fermentatie van glucose? Houd rekening met de zuren die geproduceerd worden tijdens de
fermentatie en hun eindproducten!
B.2.2.8.2 Gebruik bij deze vraag het figuur 2.10 hieronder. Hoe verwacht je dat de buisjes die
geïnoculeerd zijn met de hierboven genoemde vier verschillende type bacteriën er uit zullen
zien? Het omslagpunt van de pH-indicator is te vinden in tabel 2.2.
Noteer dit op het antwoordblad.
27
Figuur 2.10. Paren van reageerbuizen met Hugh-Leifsons agar (in elk paar is de rechter buis
bedekt met een laagje agar) geïnoculeerd met bacteriën van de verschillende metabolismetypes (buisjes B,C,D,E) en twee buizen die niet geïnoculeerd zijn met bacteriën (A).
B.2.2.8.3 In het rekje buizen zijn de buizen gelabeld met OF1 en OF2. Bestudeer deze en bepaal
hoe de onbekende bacteriestam glucose verbruikt (met andere woorden welk type
metabolisme heeft de bacterie en wordt er wel of geen gas geproduceerd?). Noteer dit op het
antwoordblad.
B.2.2.9 Identificatie
Doordat je nu acht tests met de onbekende bacteriestam hebt gedaan kun je bepalen tot welk
geslacht de bacterie behoort. Je hebt hierbij tabel 2.1 nodig. Noteer het juiste geslacht op het
antwoordblad.
28
Batterijdag
Opdracht B.3 Het bouwen van een natte
batterij met een zo hoog mogelijke spanning
Let op: begin onmiddellijk met de langste opdracht, B1, en meet later ook de eigenschappen
van de batterijen uit die opdracht met twee teamleden gezamenlijk. Bij het begin van opdracht
B.2 is wellicht hulp nodig van een teamlid met verstand van natuurkunde, daarna is het vooral
microbiologie. Opdracht B.3 is een stuk korter, de 'chemicus' van jullie team kan hieraan
beginnen nadat hij klaar is met assisteren bij het maken van de elektrodes in opdracht B.1.
Omdat de olie- en gasreserves op aarde elke dag verder uitgeput raken moeten we nieuwe en
effectievere manieren bedenken om duurzame energie op te wekken en op te slaan. Elektrische
energie kan worden opgeslagen in batterijen en in brandstofcellen, die allemaal een behoorlijk
complex ontwerp kunnen hebben.
In zowel batterijen als in brandstofcellen wordt de energie van een chemische reactie direct
omgezet in elektrische energie. Om dit te bewerkstelligen vinden de oxidatie- en
reductiehalfreacties gescheiden van elkaar plaats. Oxidatie vindt plaats aan de elektrode die we
de anode noemen en reductie vindt plaats aan de andere elektrode, genaamd de kathode.
Elektrodes kunnen inert zijn of oplosbaar en worden in het elektrolyt ondergedompeld. Meestal
wordt een membraan gebruikt dat de anode- en kathodecompartimenten van elkaar scheidt,
maar waar de ionen wel doorheen kunnen. Op deze manier wordt zowel kortsluiting als het
mengen van de elektrolyt(en) voorkomen. De elektrische stroom in het buitenste circuit kan
gebruikt worden om bijvoorbeeld elektrische motoren aan te drijven of lampen te laten
branden.
In deze opdrachten dagen we jullie uit om een aantal batterijtypes te bouwen met
gebruikmaking van alleen simpele materialen. De natuurkundige opdracht (B.1) bestaat uit de
ontwikkeling van een goedkopere batterij met een hogere energiedichtheid voor een elektrisch
wagentje. De biologische opdracht (B.2) bestaat uit het bestuderen van een batterij die gebruik
maakt van de goedkoopst mogelijke 'brandstof'. De chemische opdracht (B.3) bestaat uit de
ontwikkeling van een nieuwe opbouw van een superbatterij die 1,5 V batterijen kan vervangen.
Let op: de pagina's 2 & 3, 12 & 13 en 29 & 30 zijn identiek.
29
Algemene materialen:
● laptop
● 3 pennen, 2 potloden
● 2 watervaste stiften
● meetlat
● schaar
● garen
● kleine pincet
● Post-it papiertjes
● tandenstokers
● klok
● rekenmachine
● periodiek systeem van de elementen
● A3-lijst van blauw papier
● een fles van 500 mL met gedestilleerd water
● veiligheidsbril
● tissues
● afvalbak voor papier (blauw label)
● afvalbak voor plastic (geel label)
● afvalbak voor glas (groen label)
● afvalbak voor metaal (rood label)
● afvalkan voor 'nat' afval (geel)
30
N.B.! Ga pas verder met deze opdracht als je team minimaal punt 11 in de
werkwijze van opdracht B.1.1. heeft bereikt (dus wanneer de elektrodes klaar
zijn om naar de hydraulische pers te gaan).
In deze opdracht ga je een natte batterij ontwikkelen die een zo hoog mogelijke spanning
levert.
Je krijgt een glazen cel met twee compartimenten die van elkaar gescheiden zijn door een
poreuze glazen membraan. Het doel is om twee LEDs ('Light Emitting Diodes') te laten branden
met behulp van je batterij.
Chemicaliën:
●
●
●
●
●
4 chemicaliën die in de batterij gebruikt kunnen worden:
○ vast K2Cr2O7 (in een buisje van 5 mL, gebruik handschoenen en adem de stof
niet in!)
○ vast CuSO4·5H2O (in een buisje van 5 mL)
○ vast KMnO4 (in een buisje van 5 mL)
○ een 10% oplossing van NaCl in water (in een plastic potje van 50 mL)
10% H2SO4 oplossing (in een glazen fles van 100 mL, gebruik handschoenen en knoei
niet op je huid of kleding!)
10% NaOH oplossing (in een plastic potje van 125 mL, gebruik handschoenen en knoei
niet op je huid of kleding!) (deze oplossing wordt ook gebruikt in de andere
opdrachten)
Vijf draden van 10 cm lang (in het plastic zakje gelabeld B.3, de draden zijn gelabeld als
XA (Fe), XB (Pb), XC (Al), XD (Zn), XE (Cu))
10 cm lange koolstofstaaf met een aan een zijde vergroot oppervlak. (een stuk
carbonfiber van de staart van een speelgoedhelikopter, in het plastic zakje gelabeld B.3,)
Materialen:
● U-vormige glazen buis met een poreuze glazen membraan tussen de compartimenten,
in een statiefklem
● microspatel
● een witte LED en een rode LED
● een weegschaal
● multimeters met draden en krokodillenbekklemmen (gedeeld met de andere
opdrachten)
Bekijk de standaardelektrodepotentialen in tabel 3.1 en beslis welke van de beschikbare
materialen (elektrodematerialen, oplossingen en vaste stoffen) je wilt gebruiken om een natte
31
batterij te maken die een zo groot mogelijke spanning levert. Merk op dat wanneer de
elektrode zelf niet wordt genoemd in een halfreactie, je waarschijnlijk een inerte elektrode,
bijvoorbeeld een koolstofelektrode, moet gebruiken.
Tabel 3.1. Standaardelektrodepotentialen in water
[Al(OH)4]− + 3 e− ⇄ Al + 4OH−
E0 = −2.33 V
Al3+ + 3 e− ⇄ Al
E0 = −1.66 V
Li+ + e− ⇄ Li
E0 = −3.04 V
Zn2+ + 2 e− ⇄ Zn
E0 = −0.76 V
Zn(OH)42− + 2 e− ⇄ Zn + 4 OH−
E0 = −1.20 V
Fe(OH)2 + 2 e− ⇄ Fe + 2 OH−
E0 = −0.89 V
Fe2+ + 2 e− ⇄ Fe
E0 = −0.44 V
PbO + H2O + 2 e− ⇄ Pb + 2 OH−
E0 = −0.58 V
PbSO4 + 2 e− ⇄ Pb + SO42−
E0 = −0.36 V
Pb2+ + 2 e− ⇄ Pb
E0 = −0.13 V
Cu2+ + 2 e− ⇄ Cu
E0 = +0.34 V
O2 + 2 H2O + 4 e− ⇄ 4 OH−
E0 = +0.40 V
MnO4− + 2 H2O + 3 e− ⇄ MnO2 + 4 OH−
E0 = +0.59 V
MnO4− + 8 H+ + 5 e− ⇄ Mn2+ + 4 H2O
E0 = +1.51 V
NiO2 + 4H+ + 2e−⇄ Ni2+ + 2 OH−
E0 = +1.59 V
Cr2O72− + 14 H+ + 6 e− ⇄ 2 Cr3+ + 7 H2O
E0 = +1.33 V
PbO2 + 4 H+ + 2 e− ⇄ Pb2+ + 2 H2O
E0 = +1.47 V
Werkwijze:
1. Kies het best mogelijke oxiderende systeem: kies een elektrode, een stof en een
oplossing van een zuur of een base. Los, in een plastic buis van 10 mL, ongeveer 0,5 g
van de door jou gekozen stof op in 5 mL van de zure of basische oplossing die je
gekozen hebt. Wees voorzichtig bij het werken met zuren of basen!
2. Kies het best mogelijke reducerende systeem: kies een elektrode en een oplossing van
een zuur of een base. Giet 5 mL van de zure of basische oplossing in de tweede plastic
buis van 10 mL. Wees voorzichtig bij het werken met zuren of basen!
3. Giet de 5 mL van de reducerende oplossing in het linker compartiment van de Uvormige buis en, tegelijkertijd, de 5 mL van de oxiderende oplossing in het rechter
compartiment. Het is belangrijk dat de vloeistofniveaus aan beide zijden even hoog
zijn; draai de houder van de U-vormige buis om de vloeistofniveaus gelijk te stellen
indien nodig.
4. Schuur de elektrodes met schuurpapier en steek ze dan in de U-vormige buis.
32
B.3.1 Meet de spanning en de kortsluitstroom van je batterij.
B.3.2 Probeer een rode LED te laten branden (deze heeft een minimale spanning van 1,6 V
nodig) en vervolgens een witte LED (benodigde minimumspanning 2,3 V). Een LED werkt alleen
als je hem goed aansluit. Roep een zaalassistent om te laten bevestigen dat je een rode en een
witte LED kunt laten branden. Als de spanning van de batterij hoger is dan wat de witte LED
minimaal nodig heeft, maar de LED toch niet brandt, roep dan toch een zaalassistent. Als je
batterij niet in staat is een spanning te leveren die hoog genoeg is om de LED te laten branden,
mag je andere combinaties van oplossingen en elektrodes proberen en nog éénmaal een
zaalassistent roepen voor een bevestiging (hiervoor worden geen punten afgetrokken).
B.3.3 Schrijf de vergelijking op van de halfreactie die plaatsvindt aan de anode, de vergelijking
van de halfreactie aan de kathode en de totale, kloppend gemaakte, vergelijking van de
redoxreactie die plaatsvindt tijdens het ontladen van je batterij.
B.3.4 Zijn de metalen die je hebt gekregen sterkere reductoren in zuur of in basisch milieu?
B.3.5 Zijn de oxidatoren uit tabel 3.1 sterkere oxidatoren in zuur of in basisch milieu?
33