EUSO 2013: Test 2
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LUXEMBURG – Test 2 – Antwortbogen Seite 1/12 11. Europäische Science Olympiade Test 2 Antwortbogen Luxemburg, 21. März 2013 Erneuerbare Energie Land: LUXEMBURG Team: Namen und Unterschriften: __________________________________________ __________________________________________ __________________________________________ LUXEMBURG – Test 2 – Antwortbogen Seite 2/12 ____________________________________________________________ Aufgabe 1: Mikrobiologie und Biogasproduktion 1.1 Gram-Färbung der Proben (2 Punkte) Markiert die richtige Antwort mit einem (X) Probe (A) 1.2 Probe (B) Gram + Gram + Gram + and Gram - Gram + and Gram - Gram - Gram - Qualität der mikroskopischen Durchführung der Probe A (5 Punkte) Ruft einen Laborassistenten, um euer Präparat zu begutachten und die Vorbereitung zu evaluieren. Ausgezeichnet (5 Punkte) 1.3 Moderat (3 P.) Schlecht (1 P.) Kreuzt mit “X” für die folgenden Organismen an, ob diese direkt an der Methanproduktion in der Biogasanlage von Alfred Biomann beteiligt sind (Probe A) (2 Punkte) Beteiligt Nicht beteiligt Archaebacteria Eubacteria Protista Plantae Fungi Animalia 1.4 Gebt mit Hilfe des Bestimmungsschlüssels an (korrespondierende Zahl des Bestimmungsschlüssels angeben), welche Mikroorganismen in Probe (B) vorhanden sind: (1 Punkt) LUXEMBURG – Test 2 – Antwortbogen Seite 3/12 ____________________________________________________________ 1.5 Fertigt eine wissenschaftliche Zeichnung der in Probe (A) enthaltenen Mikroorganismen an (Gesichtsfeld des Mikroskops bei 1.000x Vergrößerung) und beschriftet diese mit Hilfe der bezüglichen Zahlen im Bestimmungsschlüssel (5 Punkte) 1.6 Welches Kriterium trifft auf die Zellwandstruktur der Mikroorganismen in Probe (B) zu? (1 Punkt) Eine dicke Peptidoglykan-Zellwand haben Eine dünne/ keine Peptidoglykan Zellwand haben 1.7 Die Gram-Färbung … (1 Punkt) ist geeignet um Archeen von Bakterien zu unterscheiden ist nicht geeignet um Archeen von Bakterien zu unterscheiden 1.8 Verdoppelungsrate: (3Punkte) Wie lange brauchen die häufigsten Mikroorganismen der genannten Gruppen für die Verdoppelung ihrer Zellzahl? Markiere jeden möglichen Zeitraum mit X in der betreffenden Zelle. Verdoppelungszeit Archaeen Bakterien Hefen (Eukaryoten, Pilze) 0,5-1 Stunde 1-5 Stunde 1-2 Tage 10-15 Tage LUXEMBURG – Test 2 – Antwortbogen Seite 4/12 ____________________________________________________________ Aufgabe 2: Identifizierung zweier Gasen des Biogasgemisches (21 Punkte) Versuchsdurchführung (1 Punkt) 2.1 m1 = 2.2 m2 = 2.3 m3 = 2.4 V = Berechnungen (15 Punkte) 2.5 Berechnung von mA 2.6 Berechnung von mB 2.7.1 Berechnung von mX 2.7.2 Berechnung von Mx 2.7.3 Berechnung von nX/nY LUXEMBURG – Test 2 – Antwortbogen Seite 5/12 ____________________________________________________________ Berechnung von My Schlussfolgerungen Formel von Gas X = Formel von Gas Y = Zusätzliche Fragen (5 Punkte) 2A Gebt an, ob die folgenden Aussagen wahr oder falsch sind Für das ideale Gasgesetz wird vorausgesetzt, dass: Wahr Falsch Wahr Falsch das Volumen der Moleküle vernachlässigbar ist. das Gas selbst keinen Druck ausübt. das der Radius der Atome größer als 10 nm ist. es keine intermolekularen Wechselwirkungen gibt. das Gas nicht löslich in Wasser ist. 2B Gebt an, ob die folgenden Aussagen wahr oder falsch sind Methan… bewirkt einen stärkeren Treibhauseffekt, als Kohlenstoffdioxid. kann mit Wasser am Grund der Ozeane reagieren. ist sehr gut löslich in Wasser. bildet eine würfelförmige Molekülstruktur. hat einen charakteristischen Geruch LUXEMBURG – Test 2 – Antwortbogen Seite 6/12 ____________________________________________________________ Aufgabe 3: Überwachung des Biogasproduktionsprozesses 3.1.1 Welches Gasvolumen entsteht durchschnittlich im Eudiometer nach Säurezugabe? (5 Punkte) Versuch 1 Versuch 2 Versuch 3 Mittelwert mL/100 mL Gärschlamm mL/100 mL Gärschlamm mL/100 mL Gärschlamm mL/100 mL Gärschlamm 3.1.2 Welche Beschreibung trifft am besten auf das im Reaktionsgefäß entstehende Gas(gemisch) zu? (1 Punkt) Methan (CH4) und Kohlenstoffdioxid (CO2) Eine Mischung von 50% CO2 und 50% CH4 sowie Spuren von H2S Pures Kohlenstoffdioxid (CO2) Eine Mischung von hauptsächlich CO2 sowie Spuren von H2S Purer Schwefelwasserstoff (H2S) Eine Mischung von hauptsächlich CH4 sowie Spuren von Wasserstoff (H2) 3.1.3 Was passiert mit der Pufferkapazität des Gärschlammes nach der Reaktion im Eudiometer? (1 Punkt) Die Pufferkapazität wird durch den Zusatz der verdünnten starken Säure (HCl) gesteigert. Die Pufferkapazität der Probe wird durch die starke Säure vollkommen erschöpft. Die Pufferkapazität bleibt unverändert gegenüber dem ursprünglichen Gärschlamm. Die Pufferkapazität sinkt leicht durch den Zusatz der verdünnten starken Säure (HCl). Die Pufferkapazität ist unter allen Bedingungen stabil. 3.1.4 Welche schwachen Säuren befinden sich und/oder entstehen im Wasser, wenn sich CO2 und H2S in Abwesenheit von Luftsauerstoff in der Probe lösen? Eine Antwort auswählen! (1 Punkt) Schwefelsäure (H2SO4) und Salzsäure (HCl): Schwefelwasserstoffsäure (H2S) und Salzsäure (HCl): Kohlensäure (H2CO3) und Schwefelsäure (H2SO4): Schwefelwasserstoffsäure (H2S) und Kohlensäure (H2CO3): Kohlensäure (H2CO3) und Schwefelsäure (H2SO4): Kohlensäure (H2CO3) und Salzsäure (HCl): 3.1.5 Berechnet die Gesamtkapazität des Puffers (Gesamtbasizität) der Probe in CaCO3– Äquivalenten, basierend auf den Messungen mit dem Eudiometer. (2 Punkte) CaCO3 eq……………….mg/100 mL Probe LUXEMBURG – Test 2 – Antwortbogen Seite 7/12 ____________________________________________________________ 3.1.6 In welchem ungefähren Verhältnis entstehen CH4 und CO2 bei der Zersetzung von Zuckern und Lipiden während der Biomethanisierung (Volumenprozente)? (2 Punkte) Zucker Biogas mit: CH4 (%) =……….. und CO2 (%) =……...... Lipide Biogas mit: CH4 (%) =……….. und CO2 (%) =……...... 3.1.7 Angenommen der Gärtank würde mit (A) reiner Glukose (C6H12O6) beziehungsweise (B) reinen Lipiden befüllt werden, wieviele Methanäquivalente würde man entsprechend dem mit dem Eudiometer gemessenen Volumen erhalten: (1 Punkt) A) Reines Substrat = Glukose:…………………………………..........mL Methanäquivalente B) Reines Substrat = Lipid:…………………………………..............mL Methanäquivalente 3.1.8 Welches Reagenz müsste Herr Alfred Bioman in einem baugleichen Eudiometer einsetzen, um die Menge an Ammoniak (NH3) in der Gärschlammlösung bestimmen zu können? („unlöslich“ bezieht sich auf Wasser) (1 Punkt) NaOH gemischt mit Ammoniumnitrat (NH4NO3), zur Herstellung eines unlöslichen Gases H2SO4 gemischt mit einem starken Reduktionsmittel, um NH3 in ein unlösliches Gas zu überführen NaOH gemischt mit einem starken Oxidationsmittel, um NH3 in ein unlösliches Gas zu überführen H2SO4 gemischt mit einem starken Oxidationsmittel, um NH3 in ein unlösliches Gas zu überführen NaOH gemischt mit einem starken Reduktionsmittel, um NH3 in ein unlösliches Gas zu überführen Wasser gemischt mit einem starken Oxidationsmittel, um NH3 in ein unlösliches Gas zu überführen 3.2.1 Was sind die gemessenen pH-Werte für die beiden Gärschlämme? (2 Punkte) pH-Wert des Originalgärschlammes:……………….. pH-Wert des Gärschlammes nach der Reaktion im Eudiometer:……………… 3.2.2 Jetzt, da Ihr durch die Aufgaben 3.1 und 3.2 zu Experten geworden seid, welche Diagnose erstellt Ihr für den Gärtank von Herrn Alfred Biomann? (1 Punkt) Der pH-Wert des Gärtanks ist quasi neutral und die Pufferkapazität ist nahezu null der Zustand des Gärtanks ist stabil Der pH-Wert des Gärtanks ist quasi neutral und die Pufferkapazität ist adäquat der Zustand des Gärtanks ist stabil Der pH-Wert des Gärtanks ist sauer und die Pufferkapazität ist adäquat der Zustand des Gärtanks ist stabil Der pH-Wert des Gärtanks ist sauer und die Pufferkapazität ist nahezu null der Zustand des Gärtanks ist gefährdet Der pH-Wert des Gärtanks ist stark alkalisch und die Pufferkapazität ist nahezu null der Zustand des Gärtanks ist stabil Der pH-Wert des Gärtanks ist stark alkalisch und die Pufferkapazität ist hoch der Zustand des Gärtanks ist gefährdet LUXEMBURG – Test 2 – Antwortbogen Seite 8/12 ____________________________________________________________ Aufgabe 4: Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität der in einem Solarkollektor als Wärmeträgermedium verwendeten Flüssigkeit Aufgabe 4.1: Masse des Kalorimeters (0,5 Punkte) Nummer des Kalorimeters Masse des leeren Kalorimeters mit Deckel und Rührstab Aufgabe 4.2: Tabelle (4 Punkte) t (min) water (°C) Wasser Tyfo (°C) Frostschutzflüsssigkeit t (min) water (°C) Wasser Tyfo (°C) Frostschutzflüsssigkeit LUXEMBURG – Test 2 – Antwortbogen Seite 9/12 Aufgabe 4.3: Abkühlungskurven (11 Punkte) Aufgabe 4.4: Steigungen der Abkühlungskurven (4 Punkte) Steigung der Abkühlungskurve von Wasser bei 70 °C Steigung der Abkühlungskurve von Tyfo bei 70 °C Aufgabe 4.5: Spezifische Wärmekapazität von Tyfo (6 Punkte) Verwendet Gleichung (4), um eine Formel für die spezifische Wärmekapazität von Tyfo aufzustellen. Spezifische Wärmekapazität von Tyfo (bei 70 °C) Spezifische Wärmekapazität von Tyfo (bei +30 °C) Spezifische Wärmekapazität von Tyfo (bei -20 °C) Aufgabe 4.6: Konzentration des Wärmeträgermediums (1 Punkt) Tyfo-Konzentration des Wärmeträgermediums in einem Solarkollektor, der bis zu einer Temperatur von -20 °C arbeitet Frage 4A: Spezifische Wärmekapazität einer Mischung (2 Punkte) Spezifische Wärmekapazität eines Wärmeträgermediums mit 40% Tyfocor®L bei einer Temperatur von 30 °C LUXEMBURG – Test 2 – Antwortbogen Seite 10/12 ____________________________________________________________ Frage 4B: Thermisches Gleichgewicht für das Kalorimeter (2,5 Punkte) Einflussfaktor Wahl eines Kalorimeters desselben Materials aber unterschiedlicher Masse Änderung der Kontaktfläche zwischen dem Kalorimeter und der Flüssigkeit Platzierung des Kalorimeters in einer Plastikbox Kein Umrühren der Flüssigkeit Erhöhung der Umgebungstemperatur und der Temperatur der erhitzten Flüssigkeit um 5°C (spezifische Wärmekapazitäten und die Wärmeleitungen von Kalorimeter und der Flüssigkeit sind als konstant anzunehmen) Ja Nein LUXEMBURG – Test 2 – Antwortbogen Seite 11/12 ____________________________________________________________ Aufgabe 5: Allgemeine Fragen zur Biomethanogenese (6 Punkte) 5A Methanssynthese Schreibt die Gleichung für die Bildung von Methan unter Nutzung von Essigsäure (CH 3COOH) durch acetotrophe Methanbilder auf. _____________________________________________________________________________________ Schreibt die Gleichung für die Bildung von Methan unter Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid durch hydrogenotrophe Methanbilder auf. _____________________________________________________________________________________ 5B Berechnet die Gesamtmenge an Kraftstoff (L), der in Luxemburg jährlich durch die Verwendung der Biomethanogenese zur Energieproduktion ersetzt werden könnte. Durch Biogas ersetzbarer Kraftstoff: _______________________L 5C Die Regierung Luxemburgs könnte im Rahmen ihrer Bemühung zur Reduktion der Emission von Treibhausgasen und zum Erreichen der Emissionsreduktionsziele des Kyoto Protokolls eine Abgabe von Viehzüchtern für Wiederkäuer erheben, eine sogenannte Flatulenz-Steuer von jährlich 0,01 €/L für CH4 und 0,005 €/L für CO2, da ihr Viehbestand (insgesamt 196470 Kühe insgesamt) den größten Ausstoß an Methan liefert. Welche Summe könnte die Luxemburger Regierung pro Jahr (365 Tage) durch eine solche Steuer einnehmen? Jährliche Einnahmen: ___________________€ LUXEMBURG – Test 2 – Antwortbogen Seite 12/12 ____________________________________________________________ 5D Seitdem Herr Alfred Biomann seine Farm in eine Biogasproduktionsanlage umgewandelt hat, nutzt er den Gärschlamm gewinnbringend als organischen Dünger. Er besitzt eine Anbaufläche von 100 ha und er verwendet jährlich ein Äquivalent von 170 kg Stickstoff/ha – der Gärschlamm seiner Farm enthält im Mittel 4 kg Stickstoff/m³. Berechne die Menge an natürlichem Gas (in m³), die durch Herrn Biomans Tätigkeit jährlich gespart wird. Jährlich eingesparte Menge an natürlichem Gas: __________________ m3
