Algemene instructiesIn 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

BatterijdagOPDRACHT B.1 Aluminium-luchtbatterijLet 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-luchtbatterijJe 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− EAl (OH )3 /Al0 = −2,3 V,

• kathode: O2 + 2H2O + 4e− → 4OH− EO2 /O H¿¿= +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?

B.1.2.2 Bereken de standaardbatterijpotentiaal Ebatt0 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

ΔG0=−zF Ebatt0 ,

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 spannings- en 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 Tic-Tac-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 laagje van

9

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 spanningtheoretische spanning berekend∈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

BatterijdagOPDRACHT 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 daarinIn 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 modder-afvalwatermengsel. 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 Pigmen- tatie

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 (Gram-positieve 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. Gram-negatieve 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 olie-immersieobjectief.

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-c-

oxidase 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 cytochroom-systeem 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-c-oxidase

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.

24

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?

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 basisch milieu

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 25

vindt op het antwoordblad juist (+) of onjuist (0) zijn. Noteer dit in de tabel op het

antwoordblad.

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 oxidatie-reactie (O), door

26

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.

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!

27

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.

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 metabolisme-types (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

BatterijdagOpdracht B.3 Het bouwen van een natte batterij met een zo hoog mogelijke spanningLet 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 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.

31

Tabel 3.1. Standaardelektrodepotentialen in water[Al(OH)4]− + 3 e− Al + 4OH⇄ − E0 = −2.33 VAl3+ + 3 e− Al⇄ E0 = −1.66 VLi+ +  e− Li⇄ E0 = −3.04 VZn2+ + 2 e− Zn⇄ E0 = −0.76 VZn(OH)4

2− + 2 e− Zn + 4 OH⇄ − E0 = −1.20 VFe(OH)2 + 2 e− Fe + 2 OH⇄ − E0 = −0.89 VFe2+ + 2 e− Fe⇄ E0 = −0.44 VPbO +  H2O + 2 e− Pb + 2 OH⇄ − E0 = −0.58 VPbSO4 + 2 e− Pb + SO⇄ 4

2− E0 = −0.36 VPb2+ + 2 e− Pb⇄ E0 = −0.13 VCu2+ + 2 e− Cu⇄ E0 = +0.34 VO2 + 2 H2O + 4 e− 4 OH⇄ − E0 = +0.40 VMnO4

− + 2 H2O + 3 e− MnO⇄ 2 + 4 OH− E0 = +0.59 VMnO4

− + 8 H+ + 5 e− Mn⇄ 2+ + 4 H2O E0 = +1.51 VNiO2 + 4H+ +  2e− Ni⇄ 2+ + 2 OH− E0 = +1.59 VCr2O7

2− + 14 H+ + 6 e− 2 Cr⇄ 3+ + 7 H2O E0 = +1.33 VPbO2 + 4 H+ + 2 e− Pb⇄ 2+ + 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 U-vormige 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