všeobecné pokyny - fo.uniza.skfo.uniza.sk/wp-content/uploads/euso/uloha16_2.pdf · 5 Úloha b.1.1...

1

Všeobecné pokyny

Počas celého pobytu v laboratóriu noste laboratórny plášť.

Jedenie a pitie v laboratóriu je prísne zakázané. Ak sa potrebujete napiť alebo ísť na toaletu, požiadajte

laboratórneho asistenta.

Veľmi sa odporúča používať rukavice a ochranné okuliare (ktoré máte k dispozícii) počas manipulácie

s chemikáliami.

Chybné alebo poškodené zariadenia vám asistent vymení, ak o to požiadate. Očakáva sa však, že vyliate

kvapaliny a pod. si upracete sami.

Počas experimentu sa správajte environmentálne vľúdne! Pre odpady používajte príslušné nádobky

papier, plasty, kovový odpad, sklo a kvapalné odpady.

Všetky papiere, vrátane konceptov a poznámok, musíte nechať ležať na stole po skončení experimentu.

Všetky výsledky musia byť na záver zaznamenané v žltom odpoveďovom hárku (Answer Sheet) alebo

ako súbory v programe EXCEL.

Uložte všetky súbory s experimentálnymi dátami na ploche vášho tímového laptopu.

Hodnotiť sa bude iba žltý odpoveďový hárok a súbory EXCEL

Experiment sa skladá z troch úloh a možno ho vykonať buď individuálne alebo tímovo.

2

Batéria

Je dôležité !!! – okamžite začať s prípravou najdlhšej úlohy B.1 a potom rýchlo merať parametre batérií

v dvojici členov družstva. Úloha B.2 vyžaduje na začiatku pomoc vášho fyzika, potom už je to

mikrobiológia. Úloha B.3 je oveľa kratšia mal by začať riešiť chemik až potom, keď pomôže s prípravou

elektród v úlohe B.1.

Keďže zásoby ropy a zemného plynu sa deň odo dňa stenčujú, treba hľadať iné obnoviteľné zdroje

energie a možností jej ukladania. Elektrickú energiu možno uchovávať v batériách a v palivových

článkoch, pričom oba spôsoby sú pomerne zložité.

V batériách a palivových článkoch sa energia látok priamo chemicky transformuje na elektrickú. Dosahuje

sa to oddelením oxidačnej a redukčnej časti reakcie. Oxidácia sa uskutočňuje na anóde a redukčná na

katóde. Elektródy môžu byť inertné alebo rozpustné. Elektródy sú ponorené do elektrolytu. Katódová

a anódová časť je oddelená membránou, pričom ióny môžu cez membránu prechádzať. Membrána bráni

elektrickému skratu a/alebo miešaniu elektrolytu. Vo vonkajšom obvode môže elektrický prúd napájať

motory alebo svietidlá.

V tejto úlohe máte vytvoriť niekoľko batérií s použitím jednoduchých prostriedkov. Fyzikálna úloha je

vytvoriť lacnú a energeticky výdatnú batériu pre elektromobil (úloha B.1). Úlohou chemika je vytvoriť

novú superbatériu ako náhradu obyčajných 1,5 V elektrických článkov (úloha B.3). Úlohou biológa je

skúmať batériu s čo najlacnejším palivom (úloha B.2).

Všeobecný materiál

laptop

3 prepisovačky a 2 ceruzky

2 nezmazateľné popisovače

pravítko

nožničky

vlákno

krátka pinzeta

lepiace papieriky Post-it

špáradlá

3

hodiny

kalkulačka

periodická tabuľka prvkov

A3 hárok modrého papiera

destilovaná vody (fľaša 500 ml)

ochranné okuliare

papierové obrúsky

nádoba na papierový odpad s modrým označením

nádoba na plastový odpad so žltým označením

nádoba na sklenený odpad so zeleným označením

nádoba na kovový odpad s červeným označením

nádoba na tekutý odpad so žltým označením

4

Úloha B.1 Batéria hliník - vzduch Prvou úlohou je zostaviť článok typu hliník – vzduch. Potom posúdite jeho výstupný výkon

a použijete ostatné články na napájanie modelu závodného auta. Závodná dráha bude otvorená

počas súťaže: os začiatku tretej súťažnej hodiny až do konca súťaže. Príďte na dráhu hneď ako

budete mať vyrobenú batériu. Ak prídete až ku koncu súťaže, stratíte veľa času vo fronte.

Chemikálie:

23 g (40 ml) aktívneho uhlíka

10 % roztok NaOH (v 125 ml nádobe) BUĎTE OPATRNÍ! Používajte rukavice! Nekvapnite

si NaOH na kožu alebo oblečenie. Nasaďte si okuliare.

dvojzložkové epoxy-lepidlo v dvoch fľaštičkách (označenie „glue“- plnidlo a „hardener“

tužidlo)

Pomôcky:

2 škatuľky od TicTac cukríkov

model vozidla na drevenej doske

miska z nerezovej ocele

nôž a lyžica

nerezová sieťka (178,8 cm)

brúsny papier

hliníková fólia (hrúbka 70 m)

platová fólia (podložka na lepenie)

2 fľaštičky (5 ml) s platovými ihlicami (označenie NaCl a NaOH v puzdre)

hrubé a tenké kovové platničky (3 + 2)

hrubá biela kovová podložka (na zohrievanie)

skrutky, matice a kľúč

3 multimetre, 10 vodičov s banánikmi a 8 krokosvoriek (spoločne pre celé družstvo na

rôzne úlohy)

11 rezistorov (566 kΩ, 10 kΩ, 1 kΩ, 470 Ω, 100 Ω, 47 Ω, 18 Ω, 10 Ω, 4.7 Ω, 2.2 Ω, 1 Ω)

(spoločne)

Excel súbor “Battery B.1.4 [Country Team A/B].xslx” vo vašom počítači

video súbor “Al-air battery – car race challenge” vo vašom počítači

Materiál nachádzajúci sa mimo vašu pracovnú plochu

stolný varič, nerezový hrniec, držiaky na hrniec

ručný lis s 12 tonovým hydraulickým zdvihákom (jeden alebo dva na celé laboratórium)

5

Úloha B.1.1 Príprava uhlíkových katód a ďalších súčiastok

Hliníková-vzduchová (AlV) batéria generuje elektrické napätie oxidáciou hliníka. Taká batéria má jednu z najväčších energetických hustôt, lebo klasické oxidačné zlúčeniny na katóde (napr.

MnO2 v bežných batériách) sú nahradený atmosférickým kyslíkom. AlV batérie pracujúce vo vodnom roztoku nie sú opakovane nabíjateľné. Keď sa hliníková anóda spotrebuje reakciou s kyslíkom za súčasného vzniku hydratovaného oxidu hliníka, prestáva fungovať. Je ale možné batériu „znovu nabiť“ novou hliníkovou anódou.

Na využitie kyslíka ako oxidantu v batérii (alebo palivovom článku) potrebujete chemicky inertnú elektricky vodivú elektródu s veľkou plochou povrchu. Vhodným materiálom je pórovitý uhlík, napr. aktívny uhlík z uhlíkového filtra na vodu.

Návod na prípravu AlV batérie je ukázaný na demonštračnom videu (“Al-air battery - car race challenge”) vo vašom počítači. V bodoch 1-9 nech vám pomôže chemik družstva

1. Choďte k vášmu variču a zapnite ho otočením gombíka na červenú rysku (100 °C). Na

varič položte prázdny hrniec. Začnite sledovať video.

2. Pomocou nožníc nastrihajte štyri prúdové kolektory z nerezových sieťok. Rozmyslite si

ako! Rozmery a tvar kolektorov sú na obrázku 1.1. Neplytvajte materiálom, dostali ste ho

iba minimálne potrebné množstvo. Pri strihaní si dajte pozor na zranenie ostrými

stranami sieťky.

Obrázok 1.1. Kovová sieťka je potrebná ako prúdový kolektor (zberač) pre zle vodivú elektródu

z pórovitého uhlíka.

3. Pripravte 0,6 ml epoxydového lepidla. Zoberte 5 častí plnidla („glue“) a 1 časť tužidla

(„hardener“) a zmiešajte ich (pribl. 1 min) špáradlom na platovej fólii. Pri manipulácii

s lepidlom použite rukavice. Týmito rukavicami sa nedotýkajte ničoho iného okrem

kolektorov. Po skončení lepení tieto rukavice vyhoďte.

4. Naneste na obidve strany kolektora (okrem výstupného pásika) tenkou vrstvou lepidla

nabratého na prst rukavice. Postup opakujte so všetkými štyrmi kolektormi. Polepené

6

elektródy môžete klásť iba na plastovú fóliu. Použite čo najmenej lepidla, ale dosť na to,

aby bola celá aktívna plocha elektródy dôkladne pokrytá. Spôsob lepenia si pozrite na

videu. Po skončení lepenia rukavice vyhoďte (môžete prípadne použiť nový pár)! Pozor,

aby ste sa lepidlom niečoho nedotkli!

5. Aktívny uhlík (z vodného filtra) už bolo pre vás podrvené a preosiate.

6. Zoberte hrubú dosku lisu so skrutkami ako podložku, na ňu položte tenšiu kovovú

platničku. Platničku pokryte rovnomerne 1 mm hrubou vrstvičkou uhlíka. Pokryte asi

o 0,5 cm väčšiu plochu ako zodpovedá dvom elektródam.

7. Nad nerezovou miskou naneste uhlík na obidve polepené strany elektródy (okrem pásika

prívodu). Uhlík má byť nanesený rovnomerne, ako je vidno na videu. To isté opakujte

s ďalšími kolektormi.

8. Umiestnite dve katódy (teraz už s uhlíkom) na uhlíkovú vrstvu na kovovej doske ako

vidno na videu. Ďalší uhlík naneste na horný povrch elektród tak, aby boli úplne pokryté.

9. Na elektródy položte ďalšiu kovovú platničku. Opakujte postup podľa bodov 7 a 8

s ďalšími elektródami.

10. Nakoniec pridajte ďalšiu kovovú platničku a na ňu hrubú oceľovú dosku s otvormi pre

skrutky. Naskrutkujte matice a dotiahnite prstami. V ďalšom postupe držte elektródy

stále vodorovne, aby sa nestriasol uhlík.

11. Sústavu dosiek vložte do hydraulického lisu (v laboratóriu je jeden ale dva). Použite 12 t

s použitím zdviháka z auta. Zdvihák treba pumpovať dosť silno. Pri stláčaní uťahujte

matice. Môžete požiadať o pomoc asistenta.

12. Uvoľnite tlak otočením kohútika zdviháka o jednu otáčku proti smeru chodu hodinových

ručičiek a dosky lisu vyberte.

13. Zostavu dajte na 35 minút zohriaty varič a zakryte nerezovým hrncom, aby lepidlo

rýchlejšie vytvrdlo. Medzičasom môžete riešiť teoretické úlohy (B.1.2. a B.1.6).

14. Nožnicami vystrihnite z hliníkovej fólie kúsky s rovnakým tvarom ako v prípade

kolektorov na obrázku 1.1. Použijete ich ako anódy. Fólie očistite brúsnym papierom.

15. Ako membránu použite preložený (dve vrstvy) obrúsok (tissue paper) s rozmermi o málo

väčšími ako majú hliníkové elektródy.

16. Po 35 minútach vypnite varič. Použite držiaky na hrniec na vybratie zlisovanej zostavy

a položte ju na bielu kovovú podložku aby vychladla (pribl. 10 minút).

7

Úloha B.1.2 Chémia a fyzika AlV batérie

AlV batéria má vzduchovú katódu a hliníkovú anódu. Na elektródach prebiehajú počas

vybíjania reakcie:

• anóda: Al + 3OH− → Al(OH)3 + 3e− E0(Al(OH)3/Al) = −2.3 V,

• katóda: O2 + 2H2O + 4e− → 4OH− E0(O2/OH−) = +0.4 V,

kde E0 je štandardný redukčný potenciál (napätie pre pol-reakciu, ak je koncentrácie reaktantov

1 mol/L ak tlak plynov 1 bar). Redukčný potenciál je mierou snahy chemických látok získavať

elektróny a tak byť redukované.

B.1.2.1 Napíšte rovnicu rovnovážnej chemickej reakcie pre vybíjanie batérie spojením obidvoch

pol-reakcií. Aký je počet elektrónov z prenesených pri tejto reakcii?

B.1.2.2 Určte štandardné napätie článku 𝐸𝑐𝑒𝑙𝑙0 pre reakciu získanú v B.1.2.1 kombináciou

potenciálov dvoch pol-reakcií.

B.1.2.3 Určte teoretickú hustotu energie AlV batérie, ktorá predstavuje Gibbsovu energiu na

na jednotkovú hmotnosť hliníka v jednotkách MJ/kg. Štandardná Gibbsova energia ΔG0 (v

jednotkách J/mol) je daná rovnicou

𝛥𝐺0 = −𝑧𝐹𝐸𝑐𝑒𝑙𝑙

0 ,

kde 𝑧 je počet elektrónov a F Faradayova konštanta (96485 𝐴⋅𝑠

𝑚𝑜𝑙).

B.1.2.4 Pre obvod podľa obrázka 2.1 odvoďte vzťah pre závislosť napätia U od prúdu I batérie

s vnútorným odporom r a elektromotorickým napätím E (ktoré predstavuje elektrochemický

potenciál batérie).

Úloha B.1.3 Zostavenie batérie

17. Vyberte katódy z lisu po ich ochladení (okolo 10 minút). Dajte pozor pri uvoľňovaní

skrutiek, lebo môžu byť ešte horúce. Poklepte jemne elektródy, aby sa odstránil

prebytočný uhlík.

B.1.3.1 Vaše vzduchové katódy ukážte laboratórnemu asistentovi, ktorý ich vyfotografuje. Ak

sa vám nepodarí vytvoriť vhodné elektródy, laborant vám dá iné a strhne vám body a tiež

1,5 s z času jazdy vodíka za každú vymenenú katódu (ak budú vymenené katódy použité na

jazdu).

8

Batéria potrebuje katódu, na ktorej nastáva redukčná reakcia, a anódu, kde prebieha oxidačná

reakcia. Máte ich už pripravené. Musia byť elektricky odpojené. To sa dosiahne pomocou

nevodivej pórovitej membrány, napr. papiera. Uhlíkové elektródy sa vyberú, aby boli v kontakte

so vzdušným kyslíkom.

Obrázok 1.2. Al-V batéria obsahuje dve uhlíkové katódy (“C”), dve membrány (“membrane”)

a jednu hliníkovú fóliu (“Al”).

18. Zostavte batériu {cathode | membrane | anode | membrane | cathode } ako je ukázané

na obrázku 1.2 a na videu. Zostavu omotajte pevne niťou. Overte, či sú elektródy k sebe

tesne pritlačené.

19. Zostavte druhý článok rovnakým spôsobom.

20. Obidve batérie vložte do škatuľky od TicTac cukríkov.

21. Skontrolujte, či nie je v článku skrat (odpor medzi elektródami musí byť nekonečný). Ak

treba, elektródy rozbaľte a zostavte znova.

B.1.3.2 Predveďte asistentovi, že ani u jedného článku nie je skrat. Asistent urobí fotografie

zostavených článkov. Ak zistí skrat alebo zlé zbalenie, môže vás asistent požiadať o opätovné

zabalenie článkov. Ak je skrat aj na druhý pokus bude vám poskytnutý náhradný článok za stratu

5 bodov za každý náhradný článok a 5 sekúnd z času jazdy, ak sa náhradný článok použije pri

jazde.

Úloha B.1.4 Závod modelových vozidiel

Jednu batériu použijete na závod modelového autíčka a jednu batériu na meranie napätia

a výkonu.

Batéria tiež vyžaduje elektrolyt – iónovo vodivý roztok, ktorý prenáša náboj medzi elektródami. V tomto prípade použijete ako elektrolyt 10 % roztok NaOH (na videu kvapalina na čistenie odpadov)

22. Upevnite prvú batériu na modelové vozidlo na kúsku dreva. Použite krokosvorky na

pripojenie vodičov motora k výstupkom elektród.

9

23. Vezmite 6 ml roztoku 10 % NaOH do fľaštičky. Nepridávajte elektrolyt do TicTac

škatuľky, kým vám nepovie asistent. Upozornite asistenta, že ste pripravení na závod.

Asistent vás odprevadí k závodnej dráhe.

24. Jednou rukou držte autíčko vo vzduchu. Asistent vám povie, kedy treba naliať 5 ml

elektrolytu do škatuľky s batériou.

25. Keď pridáte 5 ml elektrolytu, pozrite, ktorým smerom sa vozidlo pohybuje. Nechajte ho

pohybovať iba malý kúsok (10 cm). Teraz pristúpite k štartovacej čiare. Držte vozidlo 1 až

2 cm nad čiarou, kolesá sa voľne otáčajú vo vzduchu. Pri pokyne k štartu („ready“-

pripraviť a výstrel z pištole) položte kolesá na štartovaciu čiaru na zemi a nechajte bežať.

26. Asistent zmeria čas na stanovenej dráhe. Ak nie je vozidlo schopné prejsť cieľovú čiaru,

pridelia sa body na základe prekonanej vzdialenosti.

27. Môžete závod skúsiť ešte raz. Môžete pridať 1 ml elektrolytu na posilnenie batérie pred

druhým štartom. Najlepší čas sa zaznamená do odpoveďového hárku.

Úloha B.1.5 Meranie napätia a výkonu

Zmerajte napätie a výkon s druhou batériou. Vozidlo dajte na drevenú podložku a opatrne

vyberte prvú TicTac škatuľku. Vložte škatuľku s druhou batériou do vozidla. Vozidlo použite ako

držiak batérie.

B.1.5.1 Zostavte elektrický obvod podľa obr. 2.1 pre meranie prúdu a napätia s rôznymi rezistormi (podobne v úlohe B.2.1). Nechajte jeden z prívodov batérie nepripojený. Keď zapojíte obvod požiadajte asistenta o skontrolovanie zapojenia. Počas vybíjania sa hliník pokrýva tenkou vrstvou rôznych reakčných produktov. Preto začnite meranie s rezistorom s najväčším odporom a končite s rezistorom s najmenším odporom. Ak sa nepodarí zostaviť obvod správne, dostanete príležitosť na druhý pokus. Ak aj druhý raz nebude správne, laborant vám ho opraví ale stratíte body. B.1.5.2 Meranie prúdu a napätia s elektrolytom NaOH

28. Zoberte 6 ml 10 % roztoku NaOH do fľaštičky. Pridajte 5 ml roztoku do batérie z fľaštičky

na horný koniec membrány, aby sa membrána naplnila roztokom NaOH.

29. Pracujte rýchlo, lebo hliník sa v NaOH koróziou rozpúšťa a s časom klesá výkon batérie.

30. Zmerajte prúd a napätie pre všetky rezistory. Začnite s najväčším odporom a skončite s najmenším. Hodnoty zapíšte do EXCEL tabuľky súboru “Battery B.1.5 Country Team A B.xsls”. Aby sa zachovali rovnaké podmienky počas celého merania, pridajte pred každým meraním 3 kvapky roztoku NaOH na horný koniec membrány. Pre najmenšie štyri hodnoty odporu rezistorov treba prepnúť meranie prúdu a rozsah 10 A. Nezabudnite, že na zmenu rozsahu treba presunúť vstupný vodič do svorky 10 A.

B.1.5.3 Pre každé meranie v úlohe B.1.5.2 vypočítajte v tabuľke EXCEL výkon. Keď vložíte namerané dáta do tabuľky, objaví sa graf. B.1.5.4 Z grafu určte maximálnu hodnotu výkonu. Výsledok zapíšte do odpoveďového hárku.

10

B.1.5.5 V grafe závislosti napätia od prúdu vložte trendovú priamku a jej rovnicu. Určte z grafu vnútorný odpor r elektrolytu. Odpoveď zapíšte do odpoveďového hárku.

B.1.5.6 Prečo je zásaditý roztok NaOH ako elektrolyt lepší ako neutrálny roztok NaCl v AlV batérii?

Úloha B.1.6 Použitie v reálnom živote

B.1.6.1 Aká je maximálna energetická účinnosť zostavenej ALV batérie, určenej pomocou najväčšieho napätia získaného s 10 % roztokom NaOH? Pre zjednodušenie použite vzťah účinnosť = maximálne namerané napätie / teoretické napätie určené v úlohe B.1.2. B.1.6.2 Ktoré z vašich pozorovaní dokazuje, že účinnosť batérie je menšia ako 100 %? B.1.6.3 Moje úsporné auto prejde až 700 km, ale mám pocit, že nie je environmentálne

priateľské (green car). Má motor s vnútorným spaľovaním, ktorý má účinnosť palivokolesá 20 % a má náplň 40 kg benzínu s objemovou energiou 44 MJ/kg. Chcem vymeniť motor za

elektrický a nádrž na benzín za Al-V batériu. Ako ďaleko by auto došlo, ak by malo AlV batériu s 40 kg hliníka (hustota energie bola stanovená v úlohe B.1.2.3)? Predpokladajte, že účinnosť batérie je tak veľká, ako je stanovené v B.1.6.1.a elektromotor má účinnosť 90 %.

B.1.6.4 AlV batéria má väčší výkon ako mikrobiologický palivový článok, pretože AlV batéria má ....... (možné odpovede sú v odpoveďovom hárku).

11

Batéria



















laptop

3 prepisovačky a 2 cezuzky

2 nemazateľné popisovače

pravítko

nožničky

vlákno

krátka pinzeta


špáradlá

hodiny

kalkulačka

12




ochranné okuliare

papierové obrúsky






13

Úloha B.2 Mikrobiologický palivový článok Vašou úlohou je skúmať betériu, ktorá používa najlacnejšie „palivo“ a určenie baktérií

izolovaných z mikrobiologického palivového článku.

Zoznam pomôcok:

● mikrobiologický palivový článok

● 11 rezistorov (566 kΩ, 10 kΩ, 1 kΩ, 470 Ω, 100 Ω, 47 Ω, 18 Ω, 10 Ω, 4.7 Ω, 2.2 Ω, 1 Ω)

(spoločne s ďalšími úlohami)

● 3 multimetre (spoločne s ďalšími úlohami)

● 10 vodičov (spoločne s ďalšími úlohami)

● 8 krokosvoriek (spoločne s ďalšími úlohami)

● Excel súbor “Battery B.2.1 [Country Team A/B].xslx” na vašom počítači

● video “Microbial fuel cell – DIY Elbonian style” na vašom počítači

Úloha B.2.1. Mikrobiologický palivový článok

Komerčné palivové články potrebujú drahú platinu ako katalyzátor, ale možno ako katalyzátor

použiť živé baktérie. Ako palivo slúži niečo, čo baktérie spotrebúvajú (cukor, rastliny, mäso – ale

tiež lacnejšie suroviny ako znečistené potraviny, kal, odpadová vody a pod.) Niektoré baktérie sú

schopné uvoľňovať organické alebo anorganické zlúčeniny, ktoré môžu oxidovať na anóde.

Vytvorenie bakteriálneho palivového článku je jednoduché a možno si ho urobiť doma

s použitím bežných materiálov.

Jeden článok bol vytvorený pre vás pred pár týždňami, lebo bakteriálne spoločenstvá

v palivovom článku potrebujú čas na rast. Teraz však článok dosiahol určitú výkonovú úroveň ale

nie maximálnu. Video (Microbial fuel cell – DIY Elbonian style) o príprave článku máte na

počítači. Článok pozostáva elektród z pórovitého uhlíka v zmesi blata a odpadovej vody. Jedna

elektróda je na dne (anóda), druhá na vrchu (katóda) a má kontakt s kyslíkom.

Vašou úlohou je skúmať tento článok – zmerať jeho napätie, prúd a zistiť prečo a ako funguje.

Vašou úlohou je vyšetrovať elektrický výstupný výkon a vnútorný odpor článku. Na to zostavte

obvod podľa obrázku 2.1 a zmerajte hodnoty napätia a prúdu pri zapojení rôznych rezistorov.

14

Obrázok 2.1. Elektrický obvod zostavený z batérie (s vnútorným odporom r a elektromotorickým

napätím E), rezistora označeného R, ampérmetra (ozn. A) a voltmetra (ozn. V)

Postup merania:

1. Zostavte obvod (obr. 2.1), ale batériu nechajte nepripojenú. Po užite jeden multimeter na meranie napätia a druhý na meranie prúdu. Najprv zapojte rezistor s najväčším odporom.

2. Keď obvod zapojíte, požiadajte asistenta o schválenie. Ak bude zapojený chybne, máte možnosť jednej opravy, po druhej chybe vám asistent zapojenie opraví a strácate body.

3. Neskratujte mikrobiologický článok pred meraním 4. Zmerajte napätie a prúd v obvode pre všetky dodané rezistory. Použite DC rozsah 2 V pri

meraní napätia. Použite DC mikroampérmetr rozsah pre prvé meranie prúdu s njväčším rezistorom a pri znižovaní odporu rozsah podľa potreby upravujte.

B.2.1.1 Hodnoty vložte do tabuľky the resistance-voltage-current-power table v EXCEL súbore

Battery B.2.1 Slovakia Team.xsls vykonaním príslušných meraní a výpočtov.

B.2.1.2 Aké je maximálne dosiahnuté napätie? Aký je maximálny dosiahnutý prúd? Aký je

maximálny dosiahnutý výkon? Výsledky napíšte do odpoveďového hárku.

B.2.1.3 Použite závislosť napätia od prúdu Excel file na znázornenie trendovej priamky a jej

rovnice. Graf sa objaví keď zapíšete namerané dáta do tabuľky. Vnútorný odpor r je opačná

(záporná) hodnota smernice priamky. Určte vnútorný odpor r a hodnotu zapíšte do

odpoveďového hárku.

B.2.1.4 Aká je celková by bola hmotnosť mikrobiologického článku, ak by sa mal použiť ako zdroj

pre 75 kW elektromobil? Jednotlivý mikrobiologický článok má hmotnosť 300 g. Použite výkon

palivového článku z úlohy B.2.1.2.

B.2.1.5 Kde možno v praxi použiť mikrobiologický palivový článok?

15

B.2.1.6 Pozrite, ako sa zostavoval článok a rozhodnite, a napíšte do odpoveďového hárku¸ aká

bakteriálna komunita sa usadzuje na dne opísaného kalového článku.

1. aeróbne

2. anaeróbne

B.2.1.7 Navrhnite jednoduchú chemickú reakciu pre vybíjanie mikrobiologického palivového

článku. Osobitne uveďte anódovú a katódovú reakciu. Predpokladajte, že potrava baktérií je

nejaký hydrokarbonát (CH2O)n. Uvážte rovnováhu protónov a vody v rovnici.

16

ÚLOHA B.2.2 Určenie bakteriálneho kmeňa izolovaného z mikrobiologického

palivového článku (25,5 boda)

Z mikrobiologického palivového článku bol izolovaný neznámy kmeň baktérií a jeho čistá kultúra

(označená X) bola naočkovaná na Petriho misku s agarovým médiom LB obsahujúcim laktózu (LB je

kompletná živná pôda, ktorá sa používa na rast baktérií). Vašou úlohou je na základe výsledkov ôsmych

mikrobiologických testov určiť bakteriálny kmeň. Identifikačná tabuľka (Tab. 2.1) a tabuľka prechodných

oblastí rôznych indikátorov pH (Tab. 2.2) sa nachádzajú nižšie. Aby sa vám lepšie pracovalo, môžete si

výsledky testov zaznačiť do spodného riadka Tab. 2.1, ale iba konečné výsledky v Odpoveďovom hárku sa

budú brať do úvahy a hodnotiť.

Zoznam poskytnutého materiálu:

● mikroskop

● automatická pipeta so špičkami

● 4 podložné sklíčka (v Petriho miske)

● 10 špáradiel (v Petriho miske)

● Bakteriálne kmene na Petriho miskes LB agarom s laktózou

● Destilovaná voda v 2 mL centrifugačnej skúmavke (v stojane)

● Dlhé kliešte (v stojane na centrifugačné skúmavky)

Tabuľka 2.1. Makromorfologické, bunkové, biochemické a fyziologické parametre rôznych rodov baktérií

Rod Gram Tvar Kataláza Oxidáza Sfarbenie Pohyblivosť Ureáza Citrát ONPG Plyn z glukózy

Bacillus + bacil + + žiadne + +/- +/- +/- -

Enterobacter - kokobacil + - žiadne + - + + +

Erwinia - kokobacil + - žiadne + - + + -

Escherichia - kokobacil + - žiadne + - - + +

Klebsiella - kokobacil + - žiadne - + + + +

Micrococcus + kok + + žlté - - - - -

Pseudomonas - bacil + + žiadne + - + - -

Raoultella - kokobacil + - žiadne - + + + +

Salmonella - kokobacil + - žiadne + - +/- - +

Serratia - kokobacil + - červené/žiadne

+ - + + -

Shigella - kokobacil + - žiadne - - - +/- -

Staphylococcus + kok + - žiadne - + - - -

Neznámy kmeň

17

UPOZORNENIE! Všetok materiál, ktorý prišiel do kontaktu s baktériami, musí byť umiestnený

v príslušnej nádobe (plastic bin – nádoba na plastový odpad)!

Počas manipulácie s baktériami a farebnými roztokmi , prosím, používajte gumenné rukavice.

Dajte pozor, aby ste sa počas trvania celého experimentu nedotkli úst, tváre alebo očí! Po

dokončení úlohy si poriadne umyte ruky teplou vodou a mydlom.

B.2.2.1 Gramovo farbenie

Gramovo farbenie je metóda na rozlíšenie bakteriálnych druhov na dve veľké skupiny(Gram-

pozitívne a Gram-negatívne). Má názov podľa dánskeho bakteriológa Hansa Christiana Grama,

ktorý túto metódu zaviedol.

Gramovo farbenie rozlišuje baktérie na základe chemických a fyzikálnych vlastností ich

bunkových stien – pri Gram-pozitívnych baktériach sa ich bunkové steny skladajú z hrubej vrstvy

peptidoglykánov, zatiaľ čo u Gram-negatívnych baktérií je táto vrstva tenká. V Gramovom

farbení Gram-pozitívne baktérie v sebe udržia farbičku kryštáľovú violeť a zostávajú po farbení

fialové, Gram-negatívne baktérie akumulujú kontrastné farbivo (väčšinou safranín) a po farbení

vyzerajú červené alebo ružové.


● Roztok kryštálovej violete (v kvapacej fľaške)

● Lugolov roztok (v kvapacej fľaške)

● Roztok safranínu (v kvapacej fľaške)

● etanol (v kvapacej fľaške)

● imerzný olej (v sklenenej kvapacej fľaške)

● neznáma bakteriálna kultúra na LB agare s laktózou (označená ako X)

● Gram-pozitívne a Gram-negatívne baktriálne kmene na LB agare s laktózou (označené

ako G+ a G-)

● Liehový kahan (keď ho budete potrebovať, pýtajte si ho od asistenta v laboratóriu)

Postup:

1. Zoberte podložné sklíčko a z 2 mL centrifugačnej skúmavky naň napipetujte dve

samostatné kvapky vody, jednu vedľa druhej, každá max 100 μL, tak, ako je to

naznačené na Obrázku 2.2. Z misky s LB agarom pomocou špáradla preneste veľmi malé

množstvo baktérií z Gram-pozitívneho a Gram-negatívneho bakteriálneho kmeňa

(označené ako G+ a G-) a rozotrite každý v jednej kvapke na podložnom sklíčku (na

prenos každého kmeňa použite špáradlo, ktorým kmeň rozotriete v kvapke, dajte

pozor, aby ste neodobrali aj agar!). Kvapky rozotrite, aby rýchlejšie vyschli. Suspenzie

baktérií by mali byť len jemne zakalené. Nedovoľte, aby kvapky prišli do vzájomného

18

kontaktu! Kvôli ďalšiemu premývaniu musia byť všetky značky zapísané ceruzkou na

matnom okraji podložného sklíčka, inak by sa zmyli.

Obrázok 2.2. Nákres podložného sklíčka so suspenziami dvoch bakteriálnych kmeňov.

2. Do kvapky destilovanej vody na druhom podložnom sklíčku rozsuspendujte malé

množstvo neznámeho bakteriálneho kmeňa z misky s LB agarom (označenej ako X).

3. Sklíčka nechajte vysušiť (sušenie môže trvať až 20 minút). Posledné kvapky môžete

jemne odstrániť s papierovým obrúskom.

4. Požiadajte asistenta v laboratóriu, aby vám zafixoval baktérie na podložnom sklíčku.

5. Podložné sklíčko položte na papierový obrúsok a všetky vysušené suspenzie prekryte

kryštálovou violeťou (Obrázok 2.3 ukazuje postup pre kontroly, to isté urobte aj so

sklíčkom, na ktorom je neznámy kmeň). Po 1 minúte opláchnite sklíčka nad nádobou na

tekutý odpad s destilovanou vodou. Z povrchu sklíčka straste prebytočnú vodu.

Obrázok 2.3. Teplom fixované suspenzie musia byť úplne prekryté farbičkou (1 – teplom

fixovaná suspenzia, 2 – farbiaci roztok).

6. Všetky vzorky prekryte Lugolovým roztokom. Po 1 minúte opláchnite sklíčka

destilovanou vodou.

7. Na 30 sekúnd všetky vzorky prekryte etanolom a hneď potom opláchnite destilovanou

vodou. Urobte tak s oboma podložnými sklíčkami.

8. Všetky vzorky prekryte safranínom. Po 30 sekundách premyte destilovanou vodou.

Z povrchu sklíčka straste prebytočnú vodu.

9. Sklíčka nechajte vysušiť (asi 10 minút). Pred mikroskopovaním sa uistite, že sklíčka sú

úplne suché!

10. Zafarbené vzorky pozorujte v mikroskope použitím objektívu (100x) s imerzným

olejom.

B.2.2.1.1 V Odpoveďovom hárku určite, do ktorej skupiny patrí neznámy bakteriálny kmeň na

základe farbenia podľa Grama. Vzorky G+ a G- použite ako kontroly na porovnanie s neznámou

vzorkou.

19

B.2.2.1.2 V Odpoveďovom hárku určite tvar (Obrázok 2.4) neznámeho bakteriálneho kmeňa na

základe toho, čo vidíte v mikroskope.

Obrázok 2.4. Rôzne tvary baktérií (Tvar kokobacila je medzi tvarom okrúhleho koku

a pozdĺžného bacila).

B.2.2.1.3 Ak chcete zopakovať farbenie, požiadajte asistenta v laboratóriu o nové sklíčko. Ak ste

už určili tvar a na základe Gramovho farbenia zaradili neznámy kmeň baktérií a ste si istí, že to

bude váš konečný výsledok, ukážte pripravený a zaostrený preparát asistentovi v laboratóriu

a požiadajte ho o potvrdenie. Asistent v laboratóriu Vám potvrdí zaradenie a určenie tvaru

v Odpoveďovom hárku.

B.2.2.2 Uskutočnenie kvapkového testu na určenie motility-pohyblivosti


● Špeciálne, hrubé podložné sklíčko s priehlbeninou

● Podložné sklíčko

● Krycie sklíčko

● vazelína (v 2 mL centrifugačnej skúmavke)

● neznáma bakteriálna kultúra na LB agare s laktózou (označená ako X)

Postup:

1. Napipetujte 30 μL destilovanej vody na neznámu bakteriálnu kultúru X na Petriho miske

s LB agarom a počkajte 3 minúty. Medzitým pomocou špáradla rozotrite trochu vazelíny

okolo priehlbeniny na špeciálnom podložnom sklíčku (Pozor! Zabezpečte, aby sa

vazelina nedostala do priestoru priehlbeniny) (Obrázok 2.5). Vazelína sa použije na

„prilepenie“ krycieho sklíčka k podložnému. Na vytvorenie jemného krúžku použite

malé množstvo vazeliny, nie je nutné urobiť krúžok spojitý. Ako alternatívu môžete

okolo priehlbeniny naniesť len 4 bodky vazelíny.

Obrázok 2.5. 1 – krúžok vazeliny na špeciálnom podložnom sklíčku.

20

2. Napipetujte 10 μL neznámej suspenzie z LB agaru na čisté podložné sklíčko. Dajte

pozor, aby ste zobrali iba tekutú, nie agregovanú/nakopenú bakteriálnu biomasu! Ak je

suspenzia príliš kalná, na jej zriedenie pridajte 10 μL vody . Napipetujte malú kvapku (jej

veľkosť nemá byť väčšia ako 2 mm x 2 mm – dosiahnete to tak, že naberiete 10 μL

a vypustíte asi len polovicu tohto objemu) suspenzie do stredu krycieho sklíčka

(Obrázok 2.6).

Obrázok 2.6. 1 – podložné sklíčko, 2 – kvapka bakteriálnej suspenzie

3. Položte špeciálne podložné sklíčko so štrbinou smerom dole na vrch krycieho sklíčka

a jemne zatlačte, aby ste vytvorili vzduchotesný priestor (Obrázok 2.7).

Obrázok 2.7. 1 – krycie sklíčko, 2 – krúžok vazelína, 3 – kvapka bakteriálnej suspenzie.

4. Otočke preparát. Kvapka bakteriálnej suspenzie by mala visieť z krycieho sklíčka

(Obrázok 2.8).

Obrázok 2.8. Prierez výsledného preparátu s vysiacou kvapkou (1 – krycie sklíčko, 2 – vazelína, 3

– kvapka bakteriálnej suspenzie).

5. Pozorujte okraje kvapky bakteriálnej suspenzie pomocou mikroskopu (objektív 40x).

B.2.2.2.1 Pozorujte baktérie a určite v Odpoveďovom hárku, či sa neznámy bakteriálny kmeň

pohybuje alebo nie.

21

B.2.2.2.2 Ak ste určili pohyblivosť neznámeho kmeňa, ukážte pripravený a zaostrený preparát

asistentovi v laboratóriu a požiadajte ho o potvrdenie. Asistent v laboratóriu Vám potvrdí

pohyblivosť.

B.2.2.2.3 Je možné pomocou vami použitého mikroskopu vidieť bakteriálne bičíky? Odpoveď

zaznačte v Odpoveďovom hárku.

B.2.2.3 Oxidázový test

Tento test určí, či má študovaný kmeň enzým nazývaný cytochróm c oxidáza. Bezfarebná

testovacia látka slúži ako substrát pre tento enzým. Oxidovaná forma testovacej látky vytvára

sfarbenú zlúčeninu tzv. Wursterovu modrú. Tento cytochrómový systém sa zvyčajne nachádza

v aeróbnych organizmoch, ktoré sú schopné využívať kyslík ako terminálny akceptor elektrónov.

Konečným produktom týchto reakcií je buď voda alebo peroxid vodíka.


● Neznáma kultúra baktérií na LB agare s laktózou (označená X)

● Bakteriálne kmene bez alebo s cytochróm c oxidázou (označené OX+ a OX-) naočkované

na LB agare s laktózou

● 3 oxidázové testovacie prúžky (na Petriho miske)

Postup

1. Dotknite sa bakteriálnej biomasy s prúžkom na testovanie oxidázovej aktivity. Urobte

tak vždy s novým prúžkom pre všetky tri bakteriálne kmene.

2. Inokulovanú oblasť na prúžku pozorujte v priebehu 3 minút. Ak sa pozorovaná oblasť

sfarbí na tmavomodro, potom je výsledok pozitívny. Ak sa v priebehu 3 minút neudeje

farebná zmena, výsledok je negatívny (Obrázok 2.9).

Obrázok 2.9. Príklad negatívneho (hore) a pozitívneho (dole) oxidázového testu.

B.2.2.3.1 Určite prítomnosť cytochróm c oxidázy v neznámom bakteriálnom kmeni

v Odpoveďovom hárku.

22

B.2.2.4 Test katalázy

Test určí, či má sledovaný kmeň katalázu – enzým, ktorý katalyzuje rozklad peroxidu vodíka.

Kataláza je dôležitý enzým, ktorý chráni bunky pred oxidačným poškodením reaktívnymi

formami kyslíka.


● Neznáma kultúra baktérií na LB agare s laktózou (označená X)

● Roztok peroxidu vodíka (2 mL centrifugačnej skúmavke, 3% )

● Podložné sklíčka (na Petriho miske)

Postup:

1. Napipetujte 20 μL 3% roztoku peroxidu vodíka na podložné sklíčka.

2. Pomocou špáradla preneste časť kultúry sledovaného bakteriálneho kmeňa do kvapky

peroxidu vodíka. Pozorujte, či vznikajú bublinky plynu.

B.2.2.4.1 V Odpoveďovom hárku určite prítomnosť katalázy v neznámom bakteriálnom kmeni.

B.2.2.4.2 Napíšte a doplňte správne stechiometrické koeficienty do rovnice rozkladu peroxidu

vodíka v Odpoveďovom hárku.

B.2.2.5 Test β-galaktozidázy (ONPG)

Test β-galaktozidázy sa používa na určenie rodu baktérií. β-galaktozidáza je enzým, ktorý

katalyzuje rozpad disacharidov (napríklad laktózy) na monosacharidy. Test je založený na použití

chemikálie nazývanej ONPG. Je to umelý substrát štruktúrne podobný laktóze s tým rozdielom,

že glukóza je nahradená o-nitrofenylovou skupinou. Ak má organizmus β-galaktozidázu, enzým

rozštiepi ONPG, čím sa uvoľní o-nitrofenol, ktorý má žlté sfarbenie.


● Neznámy bakteriálny kmeň na LB agare s laktózou (označený X)

● β-galaktozidáza-pozitívny a β-galaktozidáza-negatívny bakteriálny kmeň na LB agare s

laktózou (označené ako ONPG+ a ONPG-)

● ONPG (v 2 mL centrifugačnej skúmavke, 4 mg/mL)

Postup:

1. Pomocou pipety preneste 10 μL roztoku ONPG priamo na tri bakteriálne kmene rastúce

na médiu (LB+laktóza) a po 10 minútach ich pozorujte (pre lepšie rozlíšenie položte

misky na biely papier).

23

B.2.2.5.1 V Odpoveďovom hárku určite prítomnosť β-galaktozidázy v neznámom bakteriálnom

kmeni.

B.2.2.5.2 Ktoré z chemických látok napísaných v tabuľke V Odpoveďovom hárku sú produktami

reakcie katalyzovanej β-galaktozidázou ak je substrátom laktóza?

B.2.2.6 Test ureázy

Močovina (urea) [CO(NH2)2] má u živočíchov dôležitú úlohu v metabolizme dusík-obsahujúcich

zlúčenín. Niektoré baktérie dokážu produkovať enzým ureáza, aby vytvorili priaznivejšie

prostredie pre svoj rast. Baktérie, ktoré majú ureázu, hydrolyzujú močovinu a využívajú

produkty jej rozkladu ako hlavný zdroj dusíka. Test ureázy identifikuje organizmy, ktoré sú

schopné hydrolyzovať močovinu.

Na tento test rástli baktérie na Christensenovom agare (peptón – 1.0 g; glukóza – 1.0 g; NaCl –

5.0 g; Na2HPO4 – 1,2 g; KH2PO4 – 0.8 g; kvasničný extrakt – 0.1 g; fenolová červená – 0.012 g;

agar – 15 g sa rozpustí v 1 L destilovanej vody, vysterilizované a potom sa pridá močovina (5 mL

40%)). pH média je 6.8–6.9 a sfarbenie je lososovo ružové.

Tabuľka 2.2. Prechodné oblasti indikátorov pH (Tabuľka sa použije aj pre Úlohy B.2.2.7 a B.2.2.8)

Indikátor pH Prechodná oblasť

Sfarbenie v kyslom prostredí

Sfarbenie v zásaditom prostredí

Brómkrezolová zeleň

3.8–5.4 žltá modrozelená

Brómkrezolová modrá

3.0–4.6 žltá modrá

Brómtymolová modrá

6.0–7.6 žltá modrá

Metylová červená 4.4–6.4 červená žltá

Fenolová červená 6.8–8.4 žltá červená


● Stojan so skúmavkami obsahujúcimi Christensenov agar označené U1 (nenaočkovaný),

U2 (naočkovaný s Proteus vulgaris) a U3 (naočkovaný s neznámym bakteriálnym

kmeňom)

24

B.2.2.6.1 Do príslušného rámčeka v Odpoveďovom hárku napíšte a doplňte správne

stechiometrické koeficienty do rovnice hydrolýzy močoviny pomocou ureázy.

B.2.2.6.2. Do stojana umiestnite skúmavky označené U1, U2 a U3. U1 je kontrolná vzorka,

v ktorej nie sú naočkované baktérie. Skúmavka U2 bola naočkovaná baktériami Proteus vulgaris

a v skúmavke U3 je váš neidentifikovaný kmeň. Prechodné oblasti rôznych indikátorov pH sú

dané v Tabuľke 2.2. Pozorujte skúmavky a do Odpoveďového hárku zapíšte, či sú nasledujúce

tvrdenia pravdivé (+) alebo nepravdivé (0).

B.2.2.6.3 V Odpoveďovom hárku určite schopnosť neznámeho bakteriálneho kmeňa

hydrolyzovať močovinu.

B.2.2.6.4 Ktoré z tvrdení v Odpoveďovom hárku týkajúce sa rastu baktérií na Christensenovom

agare sú pravdivé (+) a ktoré nie (0) ?

B.2.2.7 Citrónanový test

Pomocou citrónanového testu sa identifikuje schopnosť bakteriálnych kmeňov využívať citrónan

ako zdroj uhlíka a energie. Kmene rastú na Simmonsovom citrónanovom agare (obsahujúcom

citrónan sodný ako jediný zdroj uhlíka a Bromotymolovú modrú ako indikátor pH). pH takéhoto

média je 6.9 a jeho sfarbenie je zelené. Kďže iba veľmi málo baktérií dokáže využívať agar ako

zdroj uhlíka, môžeme povedať, že toto médium selektuje baktérie, ktoré sú schopné využívať

ako jediný zdroj uhlíka citrónan sodný. Keď sa citrónan sodný použije ako zdroj uhlíka a energie

v tomto prostredí, ako vedľajší produkt sa uvoľní uhličitan sodný.


● Stojan so skúmavkami obsahujúcimi Simmonsov agar označené C1 prázdny, bez

naočkovaných baktérií), C2 (inokulovaný baktériami Proteus vulgaris) a C3 (inokulovaný

neznámym bakteriálnym kmeňom)

B.2.2.7.1 Do Odpoveďového hárku napíšte, aký dopad na pH rastového média bude mať

uhličitan sodný, vytvorený počas premeny citrónanu sodného? Prechodné oblasti rôznych

indikátorov pH sú v Tabuľke 2.2.

B.2.2.7.2 Do stojana umiestnite skúmavky C1, C2 a C3. C1 je kontrolná vzorka s médiom bez

baktérií. Skúmavka C2 bola naočkovaná baktériou Proteus vulgaris a skúmavka C3 s vašim

neidentifikovaným kmeňom. Pozorujte ich a v Odpoveďovom hárku určite schopnosť

neznámeho bakteriálneho kmeňa využívať citrónan sodný ako zdroj uhlíka a energie.

25

B.2.2.8 Oxidačno-fermentačný (OF) test

The oxidačno-fermentačný test sa používa na určenie, či baktérie metabolizujú sacharidy

oxidačne (O), kvasením - fermentačne (F), alebo sú nesacharolytické, a preto nemajú schopnosť

využívať sacharidy v médiu. Počas fermentácie (kvasenia) sa cukry menia na kyseliny, plyny

a alkohol. Podľa typu kvasenia vznikajú nasledovné kyseliny: kyselina mravčia, kyselina mliečna,

kyselina maslová a pod.

OF médium, vyvinuté Hughom a Leifsonom, sa používa na rozlíšenie medzi takýmito typmi

baktérií. Médium sa skladá z nasledovných zložiek: peptón – 2.0 g; NaCl – 5.0 g; K2HPO4 – 0.3 g;

glukóza – 10.0 g; Bromotymolová modrá – 0.03 g; agar – 3.0 g rozpustené v 1 L destilovanej

vody. pH média je 7.1 a jeho sfarbenie je zelené.

Test sa robí paralelne v dvoch skúmavkách obsahujúcich Hugh-Leifsonov agar. Po naočkovaní

baktérií na obe skúmavky sa jedna z nich prekryje agarom, aby sa zabránilo difúzii kyslíka do

média a vytvorilo anaeróbne prostredie. Agar pokrývajúci médium sa tiež môže použiť na

detekciu tvorby plynných medziproduktov, ktoré budú počas inkubácie agar posúvať hore.

Na základe výsledkov OF testu môžeme baktérie zatriediť do jednej z nasledujúcich troch skupín:

1. Baktérie, ktoré skvasujú glukózu. Počas anaeróbneho procesu kvasenia sa pyruvát mení

na rôzne kyseliny v závisloti od typu kvasenia.

2. Baktérie, ktoré oxidujú glukózu. Nofermentujúce baktérie metabolizujú glukózu

pomocou aeróbneho dýchania a preto tvoria len malé množstvo slabých kyselín počas

Krebsovho cyklu a Entner-Doudoroffovej (glykolytickej) dráhy.

3. Baktérie, ktoré ani neskvasujú, ani neoxidujú glukózu. Tieto baktérie oxidujú peptón ako

zdroj uhlíka a energie a uvoľňujú tak do média amoniak.


● Stojan so skúmavkami obsahujúcimi OF rastové médium označené ako OF1 (bez

prekrytia agarom) a OF2 (prekryté agarom) naočkované s neznámym bakteriálnym

kmeňom.

B.2.2.8.1 Do Odpoveďového hárku napíšte, ktoré plyny sa tvoria počas skvasovania glukózy.

Nezabudnite na kyseliny vytvorené počas kvasenia a ich koncové produkty!

26

B.2.2.8.2 Ako by ste očakávali, že budú vyzerať skúmavky so 4 rozličnými kmeňmi baktérií?

Použite Obrázok 2.10 na vyplnenie tabuľky v Odpoveďovom hárku. Prechodné oblasti rôznych

indikátorov pH sú v Tabuľke 2.2.

Obrázok 2.10. Dvojice skúmaviek s Hugh-Leifsonovým agarom (v každej dvojici je skúmavka

vpravo prekrytá agarom) naočkované baktériami s rozličným typom metabolizmu (B, C, D, E)

a prvá dvojica skúmaviek (A) nie je naočkovaná baktériami (A).

B.2.2.8.3 Do stojana umiestnite skúmavky označené OF1 a OF2. Pozorujte ich a v Odpoveďovom

hárku určite, ako neznámy bakteriálny kmeň využíva glukózu ako zdroj uhlíka a energie – t.j.

ktorý typ metabolizmu má a či produkuje plyn alebo nie.

B.2.2.9 Identifikácia

Dokončením ôsmych testov neznámeho baktriálneho kmeňa, použite Tabuľku 2.1 a určite, ku

ktorému rodu baktérií tento kmeň patrí. Správnu odpoveď zapíšte do Odpoveďového hárku.

27

Batéria



















laptop

3 prepisovačky a 2 ceruzky

2 nezmazateľné popisovače

pravítko

nožničky

vlákno

krátka pinzeta


špáradlá

28

hodiny

kalkulačka




ochranné okuliare

papierové obrúsky






29

Upozornenie! Začnite túto prácu len vtedy, keď vaše družstvo už dospelo v práci

k bodu 11 v úlohe B.1.1 (t. j. potom, ako sú elektródy už pripravené na

spracovanie na hydraulickom lise).

V tejto úlohe musíte zostaviť galvanický článok s maximálne možným napätím.

Budete mať k dispozícii sklenenú nádobku, ktorá má dve časti, ktoré sú oddelené pórovitou

membránou. Vašou úlohou bude rozsvietiť pomocou vami zostrojeného článku (batérie) dve

svetlo vysielajúce diódy LED (light-emitting diode). Dokážete to?

Chemikálie:

4 chemikálie, ktoré možno použiť pri zostavení batérie:

tuhý K2Cr2O7 (v 5 ml skúmavke) (Upozornenie. Použite rukavice a nevdychujte

prach.)

tuhý CuSO4 . 5 H2O (v 5 ml skúmavke)

tuhý KMnO4 (v sklenenej fľaške)

10%-ný roztok NaCl (v 50 ml plastovej nádobe)

10 % roztok H2SO4 (v 125 ml sklenenej fľaške). Upozornenie: Pracujte v rukaviciach

a dbajte na to, aby ste si nepokvapkali kožu a odev.)

10 % roztok NaOH (v 100 ml plastovej fľaške). Upozornenie: Pracujte v rukaviciach

a dbajte na to, aby ste si nepokvapkali kožu a odev.)

Päť 10 cm dlhých drôtov (v osobitnom vrecku označenom B.3) Drôty sú z rôznych kovov

a ich označenie je nasledovné:

XA = železo, Fe XB = olovo, Pb XC = hliník, Al XD = zinok, Zn XE = meď , Cu

Jedna 10 cm dlhá uhlíková tyčinka so zväčšujúcim sa povrchom na jednom konci

(nachádza sa vo vrecúšku B.3)

Pomôcky:

U-rúrka s pórovitou sklenenou membránou oddeľujúcou pravú a ľavú časť U-rúrky. U-

rúrka je upevnená na stojane.

2 plastové skúmavky so zelenou zátkou (10 ml)

mikro špachtľa

biela a červená LED

4.5 V batéria

elektronické váhy

multimeter s káblami a krokodílkami (využíva sa aj pri iných úlohách)

30

B.3.1 Konštrukcia vodnej batérie (obsahujúcej vodné roztoky)

Preštudujte si starostlivo rovnice a hodnoty štandardných redoxných potenciálov v Tab. 3.1

a rozhodnite, ktoré zo zložiek , ktoré máte k dispozícii (materiál elektródy, roztoky a tuhé látky)

možno použiť pri zostavení vodnej batérie s najväčším možným napätím. Zoberte pritom do

úvahy, že ak nie je samotná elektróda spomenutá v reakčnej schéme, potom je rozumné použiť

nejakú inertnú elektródu, ako je napríklad uhlíková elektróda.

Table 3.1. Štandardné redukčné potenciály vo vodných roztokoch:

[Al(OH)4]− + 3 e− Al + 4 OH− 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 + 4 H+ + 2 e− 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

Postup pri experimente:

1. Vyberte najlepšiu možnú oxidačnú sústavu – vyberte elektródu, chemikáliu a roztok kyseliny

alebo zásady. V plastovej skúmavke (10 ml) rozpustite asi 0,5 g vybranej chemikálie v 5 ml

roztoku kyseliny alebo zásady. Pri práci s kyselinami a zásadami buďte opatrní!

2. Vyberte najlepšiu možnú redoxnú sústavu – vyberte elektródu a roztok kyseliny alebo

zásady. Odmerajte 5 ml roztoku kyseliny alebo zásady do druhej 10 ml plastovej skúmavky.

3. Odmerajte 5 ml redukujúceho roztoku do ľavej časti U-rúrky a rovnaký objem oxidujúceho

roztoku do pravej časti U-rúrky. Pritom je dôležité, aby hladiny roztokov v obidvoch častiach

U-rúrky boli v rovnakej výške. Ak je to potrebné, pootočte vhodne držiak U-rúrky, aby sa

hladiny vyrovnali. .

4. Predtým, ako ponoríte elektródy do U-rúrky, musíte ich starostlivo obrúsiť brúsnym

papierom (šmirgľom).

31

B.3.1 Odmerajte napätie batérie a pretekajúci prúd pri spojení elektród nakrátko.

B.3.2 Pokúste sa rozsvietiť červenú LED (minimálne napätie 1.6 V) a bielu LED (minimálne

napätie 2,3 V). Pamätajte, že LED pracuje len vtedy, ak je správne zapojená. Zavolajte

laboratórny dozor, aby vám skontroloval, že sa vám rozsvietila červená LED a biela LED. Ak je

napätie batérie väčšie ako je minimálne napätie potrebné na rozsvietenie bielej LED, ale LED sa

napriek tomu nerozsvietila, zavolajte aj v tomto prípade asistenta. Ak sa vám nepodarí

dosiahnuť na batérii dostatočne vysoké napätie, musíte sa o to pokúsiť voľbou iných roztokov

prípadne elektród. Aj v tomto prípade zavolajte laboratórneho asistenta. Za tieto vaše činnosti

nebudete penalizovaní.

B.3.3 Napíšte rovnicu anódovej reakcie, rovnicu katódovej reakcie, ako aj úplnú reakciu (správne

látky a koeficienty), ktorá prebieha v batérii pri jej vybíjaní.

B.3.4 Uveďte, či budú kovy, ktoré máte dispozícii, vykazovať silnejšie redukčné vlastnosti

v kyslom alebo v zásaditom prostredí?

B.3.5 Uveďte, či oxidovadlá v tab. 3.1, budú mať silnejšie oxidačné vlastnosti v kyslom alebo

v zásaditom prostredí.

všeobecné pokyny - fo.uniza.skfo.uniza.sk/wp-content/uploads/euso/uloha16_2.pdf · 5 Úloha b.1.1...

Documents