Taak 2: antwoordbladen (docx

ANTWOORDBLAD Belgium Team A
OPDRACHT B.1 Aluminium-luchtbatterij (40 p.)
Opdracht B.1.1 Preparatie van koolstofelektrodes
ALS JE VRAAGT OM EXTRA GAAS ZAL DE ZAALASSISTENT HIER TEKENEN.
Aantal vervangen gaas
Handtekening zaalassistent
-0,5 punt voor elk extra stuk 4,4x17 cm gaas.
Opdracht B.1.2 De chemie en natuurkunde van de aluminium-lucht batterij
B.1.2.1 Schrijf een gebalanceerde chemische reactievergelijking op voor het ontladen van de
batterij door twee halfreacties te combineren. Wat is het aantal overgedragen elektronen 𝑧 in
de reactie?
ANTWOORD (een gebalanceerde reactievergelijking en een waarde voor 𝒛) (2
punten):
z=
0
B.1.2.2 Bereken de standaard cel potentiaal 𝐸𝑐𝑒𝑙
voor de reactie van B.1.2.1 door de potentiaal
van de twee halfreacties te combineren.
1
ANTWOORDBLAD Belgium Team A
ANTWOORD (berekeningen en eindresultaat met eenheid) (1 punt):
𝑬𝟎𝒄𝒆𝒍 =
B.1.2.3 Bereken de theoretische energiedichtheid van de aluminium-lucht batterij, wat de Gibbs
energie is per massa aluminium in MJ/kg.
ANTWOORD (berekeningen en eindresultaat met eenheid) (3 punten):
De theoretische energiedichtheid van aluminium-lucht batterij =
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
bronspanningl van de batterij).
2
ANTWOORDBLAD Belgium Team A
ANTWOORD (afleiding) (1,5 punten):
3
ANTWOORDBLAD Belgium Team A
Opdracht B.1.3 Batterijopbouw
B.1.3.1 Laat je luchtkathodes aan een zaalassistent zien, die er foto’s van maakt. Als je er niet
bent geslaagd om de kathodes te maken dan geeft de assistent je vervangende kathodes met
een strafpunt en 1,5 s extra tijd in de autorace voor elke vervangen kathode (als de vervangende
kathodes worden gebruikt bij de autorace).
HANDTEKENING VAN ZAALASSISTENT (1 punt):
Aantal vervangen kathodes
Handtekening van zaalassistent (en neemt foto)
-1,5 punten voor elke vervangen kathode
B.1.3.2 Laat aan een zaalassistent zien dat je geen kortsluiting hebt in beide cellen. De
zaalassistent zal ook foto’s maken van de opgebouwde cellen. Als er kortsluiting is in een cel, of
als er een te los is ingepakt, dan kan de zaalassistent je vragen om de cellen opnieuw te
verpakken. Als er na de tweede poging nog steeds kortsluiting is krijg je (een) vervangende
cel(len) tegen strafpunten (5 strafpunten voor elke vervangen cel) en 5 s straftijd in de autorace
(als de vervangen cel gebruikt wordt bij de autorace).
HANDTEKENING VAN ZAALASSISTENT (1 punt):
Kortsluiting
Aantal
vervangen
cellen
Handtekening van zaalassistent (en neemt foto)
1e poging: yes / no
2e poging: yes / no
4
ANTWOORDBLAD Belgium Team A
Opdracht B.1.4 Modelwagen race
HANDTEKENING VAN ZAALASSISTENT (10 punten):
Bewogen
Strafseconden (als
de wielen? cellen of kathodes
zijn vervangen)
Race resultaat
(sec)
Afstand (als het
wagentje niet is
gefinisht) (m)
Handtekening
racejury
Opdracht B.1.5 Metingen van spanning en vermogen
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). Eén van de aluminium
batterijcontacten sluit je nog niet aan! Zodra je de schakeling klaar hebt vraag je om goedkeuring
van de zaalassistent.
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 geeft de zaalassistent je de juiste
schakeling maar verlies je punten.
HANDTEKENING VAN ZAALASSISTENT (1 punt):
Correcte schakeling
Handtekening van zaalassistent
1e poging: yes / no
2e poging: yes / no
B.1.5.2 Elektrische stroom- en spanningsmetingen met NaOH als het elektrolyt.
ANTWOORD: VUL DE TABEL IN HET EXCELBESTAND IN OP JE LAPTOP (2,5 punten).
SLA HET BESTAND OP!
5
ANTWOORDBLAD Belgium Team A
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.
ANTWOORD: VUL DE TABEL IN HET EXCELBESTAND IN OP JE LAPTOP (0,5 punt).
SLA HET BESTAND OP!
B.1.5.4 Lees het maximum vermogen af uit de grafiek in het Excelbestand. Schrijf het antwoord
op het antwoordblad.
ANTWOORD (waarde+eenheid) (3,5 punten):
Maximum vermogen van de cel gevuld met NaOH:
B.1.5.5 Gebruik de spanning (y) als functie van stroom (x) in het Excelbestand om een lineaire
trendlijn en de vergelijking voor de 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.
ANTWOORD (waarde+eenheid) (2 points):
Interne weerstand van de cel gevuld NaOH :
B.1.5.6 Waarom is een basische elektrolyt (NaOH-oplossing) beter dan een neutrale oplossing
(NaCl-oplossing) in een aluminium-lucht batterij?
ANTWOORD (voor elke regel, + voor waar of 0 voor onwaar) (2 punten):
NaOH is de betere elektrolyt, omdat ...
Vul in + of 0
1 het een grotere ionische geleidbaarheid heeft (en kleinere weerstand)
2 het oxide van het oppervlak van aluminium verwijdert
3 aluminiumchloride is slechter oplosbaar dan aluminiumhydroxide
4 zuurstof reductie verloopt sneller in dit elektrolyt, oftewel de stroom is
groter
6
ANTWOORDBLAD Belgium Team A
Opdracht B.1.6 Alledaagse toepassingen
B.1.6.1 Wat is het maximale rendement van de samengestelde aluminium-lucht batterij,
gebaseerd op de hoogste spanning behaald met de 10% NaOH-oplossing? Rendement =
maximale gemeten spanning / theoretische spanning berekend in opdracht B.1.2
ANTWOORD (berekeningen en eindresultaat) (2 punten):
Maximum behaalde spanning =
Maximale rendement =
B.1.6.2 Welke van jullie waarnemingen tonen aan dat het rendement van de batterij lager is dan
100%?
ANTWOORD (voor elke regel, + voor waar en 0 voor onwaar) (2,5 punten):
Waargenomen bewijzen
1
afgifte van licht
2
temperatuurtoename
3
gasvorming bij anode
4
gasvorming bij kathode
5
spanning is lager dan theoretisch verwacht
Vul in + of 0
7
ANTWOORDBLAD Belgium Team A
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 Al-lucht batterij. Hoe ver zou een dergelijke auto kunnen rijden als hij 40
kg aluminium in de batterij zou hebben? (de energieopbrengst van de aluminium-lucht batterij 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 elektrische motor een rendement heeft van 90%.
ANTWOORD (berekeningen en eindresultaat met eenheid) (3 punten):
Afgelegde weg =
8
ANTWOORDBLAD Belgium Team A
B.1.6.4 De aluminium-lucht batterij heeft een groter vermogen dan de microbiologische
brandstofcel, omdat de aluminium-lucht batterij ….
ANTWOORD (voor elke regel, + voor waar of 0 voor onwaar) (2,5 points):
Vul in + of 0
1
een lagere interne weerstand heeft
2
een hogere anode reagens concentratie heeft
3
een hogere kathode reagens concentratie heeft
4
een hogere concentratie van ionen heeft
5
De concentratie van bacteriën lager is dan de concentratie van NaOH
9
ANTWOORDBLAD Belgium Team A
OPDRACHT B.2 Een microbiële brandstofcel en
de microben daarin
Opdracht B.2.1. De microbiële brandstofcel (13,5 punten)
Maak de schakeling zoals weergegeven in figuur 2.1, maar sluit één van de twee batterijdraden
niet aan. Met één multimeter meet je nu de spanning en met de andere de stroomsterkte. 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.
HANDTEKENING VAN ZAALASSISTENT (2 punten):
Microbiële brandstofcel code
Correcte schakeling
Handtekening van de zaalassistent
1e poging: yes / no
2e poging: yes / no
B.2.1.1 Vul de ‘weerstand-spanning-stroom-vermogen’-tabel in in het Excelbestand Battery
B.2.1 Belgium Team A.xlsx door hiervoor de benodigde metingen en berekeningen te doen.
ANTWOORD: VUL DE TABEL IN HET EXCELBESTAND IN OP DE LAPTOP DOOR DE
NODIGE METINGEN EN BEREKENINGEN TE DOEN (3 punten).
B.2.1.2 Wat is de grootste spanning die je verkrijgt? Wat is de grootste stroomsterkte? Wat is het
maximaal geleverde vermogen?
ANTWOORD (3 getallen met eenheid) (1,5 punten):
Maximale spanning
Maximale stroom
Maximale vermogen
10
ANTWOORDBLAD Belgium Team A
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) of − (rico), bereken dan die inwendige weerstand.
ANTWOORD:
MAAK
DE
TRENDLIJN
EN
TRENDLIJN
VERGELIJKING
IN
HET
EXCELBESTAND. SLA HET BESTAND OP!
Antwoord (interne weerstand 𝒓 met eenheid) (1 punt):
r=
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.
ANTWOORD (berekeningen en eindresultaat met eenheden) (1,5 punten):
Totale massa aan microbiële brandstofcellen =
11
ANTWOORDBLAD Belgium Team A
B.2.1.5 Waarvoor kun je in de praktijk een microbiële brandstofcel gebruiken?
ANTWOORD (voor elke regel, + voor waar of 0 voor onwaar) (2 punten):
Mogelijke toepassingen
1
als een batterij voor een elektrische auto
2
als een batterij voor een temperatuursensor in een broeikas
3
om elektrische energie te produceren bij afvalwaterzuiveringen
4
om gevaarlijke kernenergiecentrales te vervangen
Vul in + of 0
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
1. Aerobe
2. Anaerobe
ANTWOORD (een nummer) (0,5 punten):
B.2.1.7 Geef een eenvoudige reactievergelijking voor het ontladen van de brandstofcel. Geef
hiervoor afzonderlijk 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.
ANTWOORD (twee kloppende reactievergelijkingen) (2 punten):
anode reactie:
kathode reactie:
12
ANTWOORDBLAD Belgium Team A
Opdracht B.2.2 Identificatie van een bacteriestam, geïsoleerd uit een
microbiologische brandstofcel (25.5 punten)
B.2.2.1.1 Bepaal de Gram reactiviteit van de onbekende bacteriestam.
1. Gram positief
2. Gram negatief
ANTWOORD: (een nummer) (0.5 punten):
B.2.2.1.2 Bepaal de vorm van de onbekende bacterie-stam (Figuur 2.4)
1. Bacillus
2. Coccus
3. Coccobacillus
ANTWOORD: (een nummer) (1 punt):
B.2.2.1.3 Indien je niet tevreden bent met je microscopische observatie en je een nieuwe kleuring
wil uitvoeren, mag je een nieuw voorwerpglaasje aan de assistent vragen. Wanneer je zowel de
Gramreactiviteit als de vorm hebt bepaald, toon je ter beoordeling het preparaat onder de
microscoop aan de assistent. De lab assistent zal de juiste gramreactiviteit en vorm noteren op
je antwoordblad.
HANDTEKENING ZAAL-ASSISTANT (4 punten):
Handtekening
Kwaliteit
Werkelijke Gram
reactiviteit
Werkelijke vorm
13
ANTWOORDBLAD Belgium Team A
B.2.2.2.1 Bekijk de bacteriën en noteer of de onbekende bacteriestam beweeglijk is of niet.
1. Beweeglijk
2. Niet beweeglijk
ANTWOORD: (een nummer) (0.5 punten):
B.2.2.2.2 Als je de beweeglijkheid hebt beoordeeld, laat je je preparaat onder de microscoop
zien aan de assistent. Deze geeft zijn zijn/haar oordeel.
HANDTEKENING ZAAL-ASSISTANT (2 punten):
Handtekening
Kwaliteit
Werkelijke beweeglijkheid
B.2.2.2.3 Kan je met de gebruikte vergroting bacteriële zwemstaartjes waarnemen?
1. Ja, omdat de zwemstaartjes qua structuur en dimensie gelijk zijn aan de zwemstaartjes
van eucaryotische cellen zoals sperma.
2. Ja, maar de bekeken stam heeft geen zwemstaartjes
3. Nee, omdat bacteriële zwemstaartjes maar 20 nm groot zijn en de gebruikte vorm van
licht microscopie niet sterk genoeg is.
4. Nee, omdat de bacteriële zwemstaartjes te kort zijn vergeleken met de lengte van de cel.
ANTWOORD: (een nummer) (1 punt):
B.2.2.3.1 Bepaal de aanwezigheid van cytochroom c oxidase in de onbekend bacteriestam X.
1. oxidase positief
2. oxidase negatief
ANTWOORD (een nummer) (0.5 punt):
B.2.2.4.1 Bepaal of het enzym Katalase aanwezig is in de onbekende bacteriestam X.
1. Katalase positief
2. Katalase negatief
ANTWOORD (een nummer) (0.5 punten):
14
ANTWOORDBLAD Belgium Team A
B.2.2.4.2 Noteer de reactievergelijking van de afbraak van waterstofperoxide en maak deze
kloppend.
ANTWOORD (een reactievergelijking) (1 punt):
B.2.2.5.1 Bepaal de aanwezigheid van β-galactosidase in de onbekende bacteriestam.
1. ONPG positief
2. ONPG negatief
ANTWOORD (een nummer) (0.5 punten):
B.2.2.5.2 Welke van stoffen die hieronder opgesomd staan zijn producten van de reactie die
gekatalyseerd wordt door β-galactosidase met lactose als substraat?
ANTWOORD (voor iedere cel, schrijf + voor juist of 0 voor onjuist) (1.25 punten):
Product
1. sucrose
2.glucose
3. fructose
4. mannose
5. galactose
Juist of onjuist
B.2.2.6.1 Maak de reactievergelijking voor de hydrolyse van ureum [CO(NH2)2] door urease op
en maak deze kloppend.
ANTWOORD (een reactievergelijking) (1 punt):
15
ANTWOORDBLAD Belgium Team A
B.2.2.6.2 Bestudeer de buisjes en beslis of de stellingen juist (+) of onjuist (0) zijn.
ANTWOORD (voor iedere rij, schrijf + voor juist en 0 voor onjuist) (2 punten):
Stelling
+ or 0
1. Proteus vulgaris is niet in staat om ureum af te breken, waardoor de pH van
het medium afneemt.
2. Phenol Red is de primaire koolstofbron voor bacteriën in Christensen’s agar.
3. Naast de ureum kan Proteus vulgaris ook Phenol Red hydrolyseren.
4. Proteus vulgaris is in staat ureum te hydrolyseren, waardoor de pH van het
medium toeneemt.
B.2.2.6.3 Bepaal of de onbekende bacteriestam ureum kan hydrolyseren (urease positief?).
1. urease positief
2. urease negatief
ANTWOORD (een nummer) (0.5 punten):
B.2.2.6.4 Welke van de volgende stellingen zijn juist (+) en welke zijn onjuist (0)
ANTWOORD: (voor elke rij: + voor ‘waar’ of 0 voor ‘onwaar’) (2 punten):
Statement
+ or 0
1. Urease negatieve bacteriën zijn niet in staat om zich te vermenigvuldigen,
omdat ze de enige stikstofbron in het medium niet kunnen omzetten.
2. Omdat er ook alternatieve stikstofbronnen in het medium aanwezig zijn,
kunnen urease negatieve bacteriën ook groeien In Cristensen’s medium.
3. Urease negatieve bacteriën creëren een sterk zure omgeving en zullen daarom
door hun eigen afvalproducten worden gedood, omdat deze producten niet
geneutraliseerd kunnen worden door gebrek aan urease.
4. Omdat de meeste urease negatieve bacteriën stikstof uit de lucht kunnen
binden, zullen ze, ondanks dat ze geen stikstof uit het medium kunnen halen,
toch in Christensen’s medium kunnen groeien.
16
ANTWOORDBLAD Belgium Team A
B.2.2.7.1 Welke impact heeft natriumcarbonaat (product uit het verbruik van Na-citraat) op de
pH in het groeimedium?
1. Het natriumcarbonaat dat is geproduceerd zorgt voor een basische omgeving, waardoor
het medium blauw wordt.
2. Omdat natrium carbonaat geen invloed heeft op de pH van het medium, is visuele
observatie de enige manier om bacteriële groei te bestuderen.
3. Natriumcarbonaat lost op en splitst in ionen, waardoor een zure omgeving ontstaat die
ervoor zorgt dat het medium geel kleurt.
ANTWOORD (één nummer) (1 punt):
B.2.2.7.2 Bestudeer de buisjes en bepaal of de onbekend stam Na-citrate kan gebruiken als
koolstof- en energiebron.
1. citraat positief
2. citraat negatief
ANTWOORD (een nummer) (0.5 punten):
B.2.2.8.1 Welke gassen worden geproduceerd gedurende de fermentatie van glucose? Houd
rekening met de zuren die geproduceerd worden tijdens de fermentatie en hun eindproducten!
ANTWOORD (voor elke cel, schrijf + voor waar of 0 voor onwaar) (1.25 punten):
Gas
O2
H2
CO2
N2
CH4
Waar of onwaar?
17
ANTWOORDBLAD Belgium Team A
B.2.2.8.2 Hoe verwacht je dat de buisjes die geïnoculeerd zijn met de hierboven genoemde vier
verschillende type bacteriën er uit zullen zien?
ANTWOORD (een letter in iedere rij) (2 punten):
Type metabolisme
Paar reageerbuizen uit figuur 2.10
1. oxidatief
2. niet-sacharolytisch
3. fermentatief zonder gasproductie
4. fermentatief met gasproductie
B.2.2.8.3 Bepaal hoe de onbekende bacteriestam glucose verbruikt. Met andere woorden welk
type metabolisme (een nummer) heeft de bacterie en produceert de onbekende bacterie wel of
geen gas?
1. De bacterie heeft een oxidatief type metabolisme.
2. De bacterie heeft een fermentatief type metabolisme.
3. De bacterie heeft een niet-sacharolytisch type metabolisme.
ANTWOORD (een nummer) (1 punt):
1. De bacterie produceert gas.
2. De bacterie produceert geen gas. .
ANTWOORD (een nummer) (0.5 punten):
18
ANTWOORDBLAD Belgium Team A
B.2.2.9 Doordat je nu acht testen met de onbekende bacteriestam hebt gedaan kun je bepalen
tot welk geslacht de bacterie behoort.
1. Bacillus
2. Enterobacter
3. Erwinia
4. Escherichia
5. Klebsiella
6. Micrococcus
7. Pseudomonas
8. Raoultella
9. Salmonella
10. Serratia
11. Shigella
12. Staphylococcus
ANTWOORD: (een nummer) (1 punt):
19
ANTWOORDBLAD Belgium Team A
Opdracht B.3 Het bouwen van een natte batterij
met een zo hoog mogelijke spanning (11 p.)
B.3.1 Meet de spanning en de kortsluitstroom van je batterij.
ANTWOORD (Twee getallen met eenheden) (3 punten):
spanning:
kortsluitstroom:
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). Laat beiden zien aan een
zaalassistent.
HANDTEKENING VAN DE ZAALASSISTENT (5 punten):
Handtekening
Rode LED
1e poging: ja / nee
2e poging: ja / nee
Witte LED
1e poging: ja / nee
2e poging: ja / nee
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.
ANTWOORD (Drie reactievergelijkingen) (2 punten):
halfreactie aan de anode:
halfreactie aan de kathode:
totale, kloppend gemaakte, vergelijking van de redoxreactie:
20
ANTWOORDBLAD Belgium Team A
B.3.4 Zijn de metalen die je hebt gekregen sterkere reductoren in zuur of in basisch milieu?
1. In zuur milieu
2. In basisch milieu
ANTWOORD (een nummer) (0,5 punten):
B.3.5 Zijn de oxidatoren uit tabel 3.1 sterkere oxidatoren in zuur of in basisch milieu?
1. In zuur milieu
2. In basisch milieu
ANTWOORD (een nummer) (0,5 punten):
21