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LAND: Version 27.04.2015 TEAM:

THE ANSWER IS

BLOWING IN THE WIND

AUFGABENBLATT

Challenge 1

28. April 2015

Land:

Team:

CHALLENGE 1 2 / 29 AUFGABENBLATT


Challenge 1 besteht aus 5 Teilen, welche einzeln oder im Team bearbeitet werden können.

Aufgabe A: 90 Punkte

Aufgabe B: 92 Punkte

Aufgabe C: 92 Punkte

Aufgabe D: 06 Punkte

Aufgabe E: 24 Punkte

Ihr könnt 4 Stunden an den Aufgaben und Antwortbögen der Aufgaben arbeiten.

• Laborkittel und Schutzbrillen müssen im Labor immer getragen werden.

• Essen und Trinken sind im Labor verboten.

• Handschuhe stehen zur Verfügung und sollten immer getragen werden, wenn

mit Chemikalien gearbeitet wird.

Nur die farbigen Antwortbögen mit den Diagrammen werden bewertet.

• Am Ende müssen alle Blätter, inklusive der Notizen abgegeben werden.

NICHTS darf aus dem Labor mitgenommen werden.

• Alle Ergebnisse müssen in die Antwortbögen eingetragen werden

(farbiges Papier).

• Diagramme müssen mit den Antwortbögen abgegeben werden.



Hintergrund

Die Region Klein-‐Virtulien liegt am südlichen Rand der Alpen, 800-‐1300 Meter über dem Meeresspiegel. 60 % der benötigten elektrischen Energie der Region werden durch Wasserkraftanlagen gewonnen und die restlichen 40 % importiert. Um den steigenden Energiebedarf zu decken und die Abhängigkeit von Energieimporten zu reduzieren, soll ein Kraftwerk zur Nutzung erneuerbarer Energien gebaut werden. Das Kraftwerk soll nicht nur Energie produzieren sondern auch die Fähigkeit haben, Energie zu speichern.

Das bergige Gelände der Region ist ideal für den Bau einer Windkraftanlage mit der Möglichkeit zweier verschiedener Energiespeicher:

1. Ein klassisches Pumpspeicherwerk 2. Ein modernes Elektrolyse-‐Kraftwerk (Power-‐to-‐Gas, P2G)

Vor dem Bau des Kraftwerks in Klein-‐Virtulien wurden verschiedene Bedenken geäußert:

• Der Virtu Bach, der das Pumpspeicherwerk versorgen könnte, ist eines der Fließgewässer mit der höchsten Biodiversität in Klein-‐Virtulien. Einer Umweltinitiative folgend ist der Bach die Heimat von Astacus astacus subsp. virtuliensis, einer bedrohten Krebsart. Die Mitglieder der Umweltinitiative sind besorgt, dass das neue Kraftwerk einen signifikanten Eingriff in den Lebensraum des Krebses bedeutet und dieser ausstirbt. Die Inhaber des neuen Kraftwerks bezweifeln das Vorkommen von Astacus astacus subsp. virtuliensis, da diese Art nicht geschützten Arten sehr stark ähnelt.

• Eine andere Umweltinitiative erhebt nachfolgendes Argument gegen den Bau eines Pumpspeicherkraftwerks: Neben dem geplanten Speicherreservoir liegt die Mülldeponie einer verlassenen Lederfabrik. Im Falle einer Überflutung des Geländes könnte es passieren, dass giftiger Abfall, insbesondere hexavalentes Chrom (Cr(VI)), ausgewaschen wird. Zur Untersuchung einer möglichen Cr(VI)-‐Kontamination, sollen Proben der Mülldeponie genommen und analysiert werden.

• Eine weitere Umweltinitiative spricht sich gegen die Nutzung eines Elektrolyse-‐Kraftwerks in Klein-‐Virtulien aus, da ihrer Meinung nach die Kopplung von Windkraft und Power-‐to-‐Gas nicht die nötige Effizienz aufweist.

Um die Bedenken gegen den Bau eines Kraftwerks besonders bei der jungen Bevölkerung zu zerstreuen, findet ein internationaler Wettbewerb in Klein-‐Virtulien statt.

Ihr, als Teilnehmer des Wettbewerbs sollt eine gemeinsame Empfehlung für die spätere Konstruktion des Kraftwerks abgeben. Für diese Empfehlung müsst ihre verschiedene Untersuchungen und Experimente durchführen.



Aufgabe A Achtet auf die Reihenfolge, in der ihr die Aufgaben bearbeitet.

Bevor ihr mit Teil 3.2 und 4 beginnt, müsst ihr Aufgabe 3.1 lösen und das Flusskrebs-‐Handout dem Labor-‐Assistenten abgeben. è Erst dann bekommt ihr das Material, um weiterzumachen: eine Tabelle „Funktion“, eine Abbildung, die die Morphologie eines Flusskrebses zeigt sowie einen Flusskrebs zur Bestimmung.

Material:

• Flusskrebs-‐Extremitäten (linke oder rechte Hälfte eines Flusskrebses) • Flusskrebs-‐Handout mit dem Umriss eines Flusskrebses • Kleber • Pinzette • Polystyren-‐Box • Lupe • Millimeter-‐Papier • Lineal -‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐

• 1 Flusskrebs • Abbildung mit der Morphologie eines Flusskrebses • Tabelle “Funktion”

1. Die Ökologie von Astacus astacus subsp. virtuliensis

Ökologische Konzepte: Biotop, Habitat, Ökologische Nische

Organismen sind in der Natur nicht zufällig verteilt, sondern sie bevorzugen artspezifische unterschiedliche Räume. Um ihre nicht zufällige räumliche Verteilung zu beschreiben, verwendet man Begriffe wie Biotop, Habitat und Ökologische Nische.

Biotop: Ist ein topographisches Gebiet mit mehr oder weniger einheitlichen Umweltbedingungen und wird durch eine Biozönose charakterisiert.

Habitat: Der Bereich eines Biotops, der von einer bestimmten Art bewohnt wird.

Ökologische Nische: Beschreibt die Interaktion zwischen

• den räumlichen Charakteristika des Habitats • den genutzten Ressourcen (Nahrung, Licht, Wasser, Salzgehalt usw.) und • der artspezifischen Reaktion auf Umwelt-‐Faktoren.

(Nach: Sinsch, U. ( 2004). Studienbrief 1: Konzepte der Autökologie.) Universität Koblenz-‐Landau.



Hintergrundinformationen:

Die ökologischen Ansprüche von Astacus astacus subsp. virtuliensis ähneln denen von Astacus astacus. Beide leben ausschließlich in Süßwasser und bevölkern im Sommer Flüsse, Bäche und warme Seen sowie Tümpel mit steilen Ufern. Astacus astacus subsp. virtuliensis bevorzugt jedoch eine Wassertiefe von mindestens 40 cm. Die Wassertemperatur im Sommer muss mindestens 11 °C betragen, der optimale Temperaturbereich ist 19 °C bis 21 °C. Das obere Pessimum (=Gegenteil von Optimum) beginnt bei 24 °C, bei 25 °C sterben die Flusskrebse. Der Temperaturabfall im Herbst markiert den Beginn der Paarungszeit.

Der optimale Sauerstoffgehalt des Wassers ist 6 bis 12 mg/L. 3,5 mg/L ist das absolute Minimum.

Eine Voraussetzung für die Bevölkerung durch diesen Flusskrebs ist eine ausgeprägte Struktu-‐rierung der benthischen Zone. Geeignete Verstecke und Ruheplätze müssen vorhanden sein (große Steine, Ufer mit Baumwurzeln, Höhlen im Ufer). Wie viele Flusskrebsarten ist Astacus astacus subsp. virtuliensis dämmerungs-‐ und nachtaktiv.

Tagsüber zieht er sich in Ruhe-‐Gebiete zurück. Die Jungen kann man in flachem Wasser sehen, wo sie sich zwischen Pflanzen verstecken können. Astacus astacus subsp. virtuliensis ist ein Omnivor. Seine Nahrung besteht aus Algen, Wasserpflanzen, Insektenlarven, Muscheln, Nacktschnecken und Aas. Er “sammelt” seine Nahrung aktiv.

1.1. Ordnet die Begriffe (linke Spalte) den korrespondierenden ökologischen Konzepten (Biotop, Habitat, Ökologische Nische) zu, indem ihr das richtige Kästchen ankreuzt. ð Antwortbogen

1.2. „Leistungsfähigkeit“ (species performance) von Astacus in Abhängigkeit von der Wassertemperatur im Sommer

Im Sommer (Anfang Juni bis Mitte September) ist die Wassertemperatur ein essentieller Faktor für die Leistungsfähigkeit der Art und somit für das Vorkommen von Astacus astacus subsp. virtuliensis.

1.2.1 Zeichnet einen Graphen (Glockenkurve), der die Abhängigkeit zwischen den angegebenen Wassertemperaturen (Minimum, Optimum, Maximum) und der „Leistungsfähigkeit“ der Art zeigt. ð Millimeterpapier Anmerkung: Die „Leistungsfähigkeit“ einer Art ist die Anzahl an Tieren, die ein Biotop ohne eine Zu-‐ oder Abnahme der Population nutzen. Sie wird in Werten von 0 (kein Individuum überlebt) bis 100 (optimale Nutzung des Habitats) angegeben.

1.2.2 Beschriftet den Graphen aus 1.2.1 mit den charakteristischen Temperaturbereichen und Temperaturpunkten (Minimum, Maximum, Optimum, Pessimum). Beschriftet den Graphen und fügt eine Legende hinzu. ð Graph



2. Mögliche Auswirkungen eines Pumpspeicherkraftwerkes auf Astacus astacus subsp. virtuliensis

Wissenschaftler fanden heraus, dass das Errichten eines Pumpspeicherkraftwerkes möglicherweise zu Veränderungen in den ökologischen Faktoren von Astacus astacus subsp. virtuliensis führen könnte. Untersucht, ob die Errichtung eines Pumpspeicherkraftwerkes die Population von Astacus astacus subsp. virtuliensis beeinflussen wird, indem ihr die beiden Graphen auf dem Antwortbogen “Durchschnittlicher Sauerstoffgehalt des Flusses je Monat” und “Durchschnittliche Temperatur des Flusses je Monat” verwendet.

2.1. Identifiziert jene Bereiche in den Graphen, die die ökologischen Faktoren darstellen, die unter den gegebenen Bedingungen im Sommer zum Aussterben der Flusskrebs-‐Population führen könnten. Schraffiert den Bereich, den ihr identifiziert habt.

2.2. Schraffiert in den Graphen die optimalen Bereiche für die Temperatur und den Sauerstoffgehalt im Sommer.

3. Funktionelle Morphologie von Flusskrebsen

Erinnerung: Beachtet die Reihenfolge, in der die Aufgaben bearbeitet werden.

Bevor ihr mit Aufgaben 3.2 und 4 beginnt, müsst ihr Aufgabe 3.1 lösen und das Flusskrebs-‐Handout 3.1 an den Labor-‐Assistenten abgeben.

3.1 Ordnet die Flusskrebs-‐Extremitäten aus dem Glas-‐Behälter auf dem bereitgestellten Handout in der richtigen Reihenfolge an. Wählt das passende Handout, rechts oder links, aus. ð Flusskrebs-‐Handout Alle Extremitäten müssen auf das Flusskrebs-‐Handout geklebt werden!!

Tipp/Anmerkung: Das Bild im Handout entspricht der Bauchansicht. Manche Extremitäten sind schwer unterscheidbar. Solltet ihr die genaue Reihenfolge nicht bestimmen können, ordnet sie gruppenweise an. Die genaue Positionierung der Extremitäten ist insgesamt lediglich 2 Punkte wert. Wenn ihr zufrieden mit eurer Anordnung seid, gebt das Krebs-‐Handout an den Laborassistenten, dieser wird nun ein Foto davon machen.



3.2 Ordne jeder Extremität ihre Hauptfunktion zu (Mehrfachnennungen sind möglich, aber nur 3 Nennungen pro Extremität sind erlaubt. ).àTabelle “Funktion” ð Antwortbogen Jede Box muss entweder ”X“ für richtig, ”0“ für falsch enthalten!!

Funktion:

• A= Fassen/greifen von Objekten/Nahrung und zur Verteidigung/Angriff • B= Verarbeiten/manipulieren (brechen, kauen, behandeln) von Nahrung • C= Fortpflanzung/Brutpflege • D= Sinneswahrnehmung

o D1 = chemischer Sinn o D2 = Tastsinn o D3 = Gleichgewichtssinn (Equilibrium)

• E= Bewegung o E1 = schreiten o E2 = schwimmen

4. Flusskrebs Bestimmung

• Diese Aufgabe kann nur gelöst werden, wenn Ihr die Aufgabe 3.1. erfüllt habt und ihr das Flusskrebs-‐Handout mit den Flusskrebsextremitäten den Labor-‐Assistenten gezeigt habt. Erst anschließend bekommt ihr eine unbekannte Flusskrebsart zum Bestimmen und ebenso die Abbildung, die die Morphologie von Flusskrebsen zeigt, von den Labor-‐Assistenten!

Bestimmt anhand des Bestimmungsschlüssels im Antwortbogen, ob es sich bei diesem Flusskrebs um Astacus astacus subsp. virtuliensis handelt.

A Kopfbruststück (Cephalothorax) 7 Gelenk der Chelipedien (Joint of the cheliped)

B Schwanz (Tail) 8 Vorderer Teil Kopfpanzer/”Krebsnase” ( Rostrum)

1 Antenne (Antenna) 9 Hinteraugenfurche/Augenleiste (Postorbital ridge)

2 Vorderer Schutzpanzer (Anterior carapacae) 10 Dornen (Spines)

3 Hinterer Schutzpanzer (Posterior carapacae) 11 Nackenfurche (Cervical groove)

4 Hinterleib (Abdomen) 12 Rückenpanzerbereich zwischen beiden Rückenfurchen (Areola)

5 Letztes, aftertragendes Segment (Telson) 13

Querbanden auf den Segmenten des Hinterleibes (Transverse bands across abdominal segments) 6 Schere tragende Gliedmasse (Cheliped)



4.1 Kreuzt die richtigen Bestimmungsschritte im Bestimmungsschlüssel (= graue Spalte) an, welche zur Bestimmung des vorliegenden Flusskrebses führen, an. ð Antwortbogen

5. Theoretische Fragen 5.1. Welche Aussagen sind richtig, welche falsch? Kreuzt die richtigen Antworten an ! ð Antwortbogen

Bewertet die Situation zum Bau eines Pumpspeicherkraftwerkes in Klein-‐Virtulien

Bewertet unter Berücksichtigung des vermuteten Vorkommens der Astacus astacus subsp. virtuliensis Population, ob die Einwände der Bürgerinitiativen begründet sind.

Nutzt hierzu die Information zu “Die Ökologie von Astacus astacus subsp. virtuliensis“ (1); eure Erkenntnisse von „Die möglichen Auswirkungen eines Pumpspeicherkraftwerkes auf Astacus astacus subsp. virtuliensis” (2); sowie euren Resultaten der “Flusskrebs Bestimmung” (4).

Beurteilt die Auswirkungen des alternativen Kraftwerks auf die Flusskrebs-‐Population.

Fasst eure Beurteilungen zusammen, indem ihr ja oder nein in der Tabelle ankreuzt.

ð Antwortbogen!



Aufgabe B Einführung In unmittelbarer Nähe des geplanten Stausees liegt eine Deponie einer verlassenen Lederfabrik. Die Gegner haben einige Bedenken wegen der möglichen Auswaschung von sechswertigem Chrom, Cr(VI) bei Überflutung des Gebietes geäußert. Mit Blick auf diese Vorwürfe wollen die Projektmanager eine Untersuchung der Mülldeponie veranlassen, um eine Untersuchung von Proben der Deponie auf Verunreinigung mit Cr(VI) durchzuführen.

Als Chemieexperten werdet ihr gebeten, Cr(VI) aus diesen Proben nach der Norm DIN S4 zu extrahieren und die Cr(VI) Konzentration spektrophotometrisch zu bestimmen. Berechnet die zu erwartende Verschmutzung durch Chrom und bewertet mögliche Folgen für die Umwelt.

Cr(III) ist ein essentielles Spurenelement, während Cr(VI) krebserregend ist. In Verbindungen tritt Chrom hauptsächlich in den Oxidationsstufen +3 und +6 auf. Cr(VI) ist, aufgrund seiner Fähigkeit Zellmembranen zu durchdringen, weitaus toxischer als Cr(III). Einmal in der Zelle wirkt es als starkes Oxidationsmittel, wodurch eine oxidative Schädigung im Körper hervorgerufen wird.

Eine Methode, um Cr(VI) spektrophotometrisch zu bestimmen, basiert auf seiner Reaktion mit 1,5-‐Diphenylcarbazid (DPC) in saurer Lösung.

Abb.1: Reaktion von Dichromat mit DPC in saurer Lösung

Diese Reaktion ist sehr empfindlich, wodurch damit auch geringe Spuren von Cr(VI) nachgewiesen werden können. Die Reaktion resultiert in der Bildung eines violetten Komplexes (siehe Abb. 1),



dessen Farbintensität direkt proportional zur Konzentration von Cr(VI) ist. Mit dieser Färbung kann die Cr(VI)-‐Konzentration bei 550 nm gemessen werden. Die Absorption ist eine Funktion der Wellenlänge des Lichts und der Konzentration der Probe.

Innerhalb eines bestimmten Konzentrationsbereichs, ist die Beziehung zwischen der Konzentration und der Absorption linear. Diese Beziehung wird mit dem Lambert-‐Beer`schen-‐Gesetz beschrieben:

A = a*c*d

A = die Extinktion, mit dem Spektrophotometer gemessen

a = der molare Extinktionskoeffizient der Substanz (auch bekannt als ɛ)

c = die molare Konzentration (mol/L)

d = die Entfernung, die das Licht durch die Probe zurücklegt (Schichtdicke, vereinfacht: die Dicke der Küvette)

In dieser Aufgabe wird A gemessen, d findet man in der Liste der Materialien, a wird über die Kalibrationsgerade bestimmt und mit dieser Information c berechnet.

Schema und Funktion eines Spektrophotometers, welches für diese Aufgabe verwendet wird, ist in Abb. 2 und Abb. 3 abgebildet

Abb. 2: Spektrophotometer UV-‐1600 PC



Im zu verwendenden Spektrophotometer durchdringt Licht mit einer Wellenlänge von 550 nm die Küvette mit einer Schichtdicke von 1 cm. Die Wellenlänge entspricht dem Absorptionsmaximum der Cr(VI)-‐Lösung, das auf Basis eines Absorptionsspektrum bestimmt wurde (siehe Abb. 4).

Abb. 4: Absorptionsspektrum des Komplexes von Cr(VI) and DPC

Die Küvette beinhaltet die zu untersuchende Lösung. Das Licht, das die Küvette passiert, wird teilweise absorbiert und ein Detektor registriert die Intensität des Lichts, das die gegenüberliegende Seite erreicht.

Abb. 3: schematische Zeichnung eines Spektrophotometers (mit freundlicher Genehmigung von Michaela De Rouw)

[1] Lichtquelle

[2] Eingangsspalt

[3] Prisma

[4] Ausgangsspalt

[5] Küvette mit Probenlösung

[6] Eingangsspalt

[7] Detektor mit Anzeige



Liste der Materialien Liste der Chemikalien

• Papier, Millimeterpapier, Lineal, Radiergummi

• Taschenrechner • Periodensystem • Wasserfester Stift, Bleistift, Anspitzer • Mikropipette 100 μL (verstellbar) • Mikropipette 1000 μL (verstellbar) • Pipettenspitzen (blau und gelb) • Abfallbehälter für Spitzen • Reaktionsgefäße 15 mL (Falcon) • Reaktionsgefäßständer • 1 cm Küvetten für das

Spektralphotometer • Papiertücher • 1 Spektrophotometer (für 3

Gruppen)

• Entionisiertes Wasser • Cr(VI)-‐Stammlösung zur Kalibration

(28,29 mg/L Di-‐Kalium-‐Dichromat K2Cr2O7), beschriftet mit “Cr(VI)“

• Schwefelsäure 0,5 M, beschriftet “0.5 M H2SO4“

• Reagenz (120 mg 1,5-‐Diphenylcarbazid in 50 mL Aceton), beschriftet “DPC“

• 5 Lösungen (Extrakte von Bodenproben) mit unbekannten Cr(VI) Konzentrationen, beschriftet mit “E1“, “E2“, “E3“, “E4“ und “E5“

• Referenz-‐Lösung, genutzt als Qualitätskontrolle mit bekannter Cr(VI)-‐Konzentration (4,00 mg/L), beschriftet “Ref“

Anweisungen: Bodenproben der früheren Deponie wurden an fünf unterschiedlichen Stellen entnommen. Auf Grund der zur Verfügung stehenden Zeit wurde die Extraktion bereits für euch durchgeführt: 100 g der jeweiligen Bodenprobe wurden in 1 Liter entionisiertem Wasser gelöst und für 24 Stunden über Kopf geschüttelt. An eurem Arbeitsplatz sind die Bodenproben als Extrakte vorhanden und mit (E1-‐E5) bezeichnet. Von diesen soll die Cr(VI) Konzentration bestimmt werden.

Um die unbekannten Konzentrationen zu bestimmen, ist es notwendig, zuerst eine Kalibrations-‐kurve aufzuzeichnen. Hierfür braucht ihr die Absorptionswerte der Lösungen mit bekannter Konzentration. Diese Lösungen müssen aus der Stammlösung (bezeichnet mit “Cr(VI)”) hergestellt werden in dem diese entsprechend verdünnt wird.



1. Berechnet die Cr(VI)-‐Konzentration in der Stammlösung in mg/L. ð Antwortbogen Lasst euch die Genauigkeit eurer Ergebnisse vom Labor-‐Assistenten im Antwortbogen abzeichnen, bevor ihr weitermacht!

2. Bestimmung der Kalibrationskurve und photometrische Messung Ihr müsst ausgehend von der Stammlösung fünf verdünnte Lösungen in einem Konzentrationsbereich von 25 bis 250 µg/L herstellen, um eine Kalibrierkurve zu bestimmen. Ihr findet die genauen Konzentrationen der fünf Lösungen in Tabelle 1 im Antwortbogen.

2.1. Berechnet das Volumen an Stammlösung, das benötigt ist, um 10 mL der jeweiligen Kalibrierlösung herzustellen. Tragt eure Werte in Tabelle 1 ein! ð Antwortbogen

2.2. Vorbereitung der Kalibrierlösungen

a. Beschriftet sechs 15 mL Reaktionsgefäße mit 1-‐6. b. Gebt 2 mL Schwefelsäure (beschriftet mit “0.5M H2SO4”) mit einer Mikropipette in

jedes Reaktionsgefäß. c. Gebt zusätzlich 0,2 mL der Reaktionslösung (beschriftet mit “DPC”) mit einer Mikro-‐

pipette in jedes Reaktionsgefäß. d. Benutzt eure Berechnung aus Tabelle 1 im Antwortbogen und gebt die

entsprechenden Volumina der Stammlösung in die Reaktionsgefäße 2-‐6. e. Füllt jedes Reaktionsgefäß mit entionisiertem Wasser auf 10 mL auf. f. Verschließt die Reaktionsgefäße und schüttelt sie kräftig.

2.3. Vorbereitung der Proben-‐ und Referenzlösungen a. Beschriftet die nächsten sechs Reaktionsgefäße mit 7-‐12. b. Gebt 2 mL Schwefelsäure (beschriftet mit “0.5M H2SO4”) mit einer Mikropipette in

jedes Reaktionsgefäß. c. Gebt zusätzlich 0,2 mL der Reaktionslösung (beschriftet mit “DPC”) mit einer Mikro-‐

pipette in jedes Reaktionsgefäß. d. Pipettiert 250 µL des Extraktes E1 in das Reaktionsgefäß 7, 250 µL des Extrakts E2 in

das Reaktionsgefäß 8 und so weiter bis zum Reaktionsgefäß 11. Pipettiert außerdem 250 µL der Referenzlösung in das Reaktionsgefäß 12. Beachtet auch Tabelle 2 im Antwortbogen.

e. Füllt jedes Reaktionsgefäß mit entionisiertem Wasser auf 10 mL auf. f. Verschließt die Reaktionsgefäße und schüttelt sie kräftig.

2.3.1. Berechnet den Verdünnungsfaktor für die Extrakte. Lasst euch das Ergebnis dieser Berechnung vom Labor-‐Assistenten bestätigen, bevor ihr mit den Messungen am Photometer fortfahrt (Unterschrift des Labor-‐Assistenten auf dem Antwortbogen).

ð Antwortbogen



2.4. Messungen mit dem Photometer a. Überführt die vorbereiteten Lösungen (Reaktionsgefäße 1-‐12) in Küvetten (nutzt

mindestens ¾ des Gesamtvolumens der Küvette). Vergesst nicht die Küvetten ordentlich zu beschriften.

b. Informiert den Labor-‐Assistenten, dass ihr bereit seid, das Photometer zu nutzen. Da drei Teams sich ein Photometer teilen, müsst ihr möglicherweise einige Minuten warten, bevor ihr es benutzen könnt. In der Zwischenzeit könnt ihr euch über die Bedienung des Photometers informieren oder ihr beantwortet die “7. Zusammenfassenden Fragen“!

c. Führt die Messungen am Photometer innerhalb von 10 Minuten durch.

Bedienung des Photometers: Stellt Küvette 1 (Nullprobe) in das Photometer. Die glatte Seite muss in Richtung der Lichtquelle zeigen. Schließt den Deckel und drückt auf „Zero“. Platziert anschließend Küvette 2 im Photometer, schließt den Deckel und notiert die Extinktion (in Tabelle 2). Wiederholt diese Prozedur mit den Küvetten 3-‐12.

2.4.1. Notiert die gemessenen Extinktionen in Tabelle 2. ð Antwortbogen

3. Zeichnen eines Graphen

3.1. Stellt die notierten Extinktionswerte in einem Koordinatensystem dar. ðMillimeterpapier

• Die Abzisse sollte die Konzentration in µg/L enthalten und die Ordinate die dazugehörige Extinktion.

• Zeichnet die Ausgleichsgerade. • Berechnet die Steigung und bestimmt den Achsenabschnitt ausgehend von eurem

Diagramm. Kennzeichnet außerdem grafisch, wie ihr eure Werte erhalten habt. • Tragt die Extinktionswerte der Extrakte in das Koordinatensystem ein und markiert

die dazugehörigen Konzentrationen auf der Abzisse. • Notiert all eure Rechnungen auf dem Millimeterpapier

Gebt euer Millimeterpapier beim Labor-‐Assistenten ab.

Ihr erhaltet nun für alle weiteren Berechnungen Werte für die Steigung und den Achsenabschnitt.

4. Berechnet die Konzentration (µg/L) der Extrakte 1-‐5 und der Referenzlösung. Notiert die Werte in Tabelle 3. ð Antwortbogen



5. Berechnung des Cr(VI)-‐Gehalts in den Bodenproben.

5.1 Berechnet die Menge (in mg Cr(VI)/kg) an Cr(VI), die in den Bodenproben ist. Benutzt die Konzentrationswerte aus 4. Berücksichtigt auch die Verdünnung (beachtet die bestätigten Ergebnisse aus Abschnitt 2.3.)

ð Antwortbogen

6. Cr(VI)-‐Belastung im Boden und im Reservoir

Wenn die Fläche der ehemaligen Deponie geflutet wird, wird alles Cr(VI) aus dem Boden gelöst und in das Wasser des Reservoirs gespült.

Beantwortet 6.1. bis 6.4. ð Antwortbogen

6.1 Berechnet den Durchschnittsgehalt an Cr(VI) im Boden (mg Cr(VI)/kg).

6.2 Berechnet mit Hilfe des Durchschnittsgehalts welche Menge an Cr(VI) (in kg) insgesamt vorhanden ist, wenn die Deponie 2000 t Abraum enthält.

6.3 Welche Konzentration an Cr(VI) (in µg/L) kann im Reservoir erwartet werden, wenn die Deponie mit 80 Millionen m3 Wasser geflutet und alles Cr(VI) ausgewaschen wird?

6.4 Sollte das Reservoir, von einem ökologischen Standpunkt aus betrachtet, gebaut werden? (Grenzwert an Cr(VI) im Trinkwasser: 50 µg/L)

7. Schlussfolgerungen

Kreuzt im Antwortbogen ja oder nein in den entsprechenden Spalten an. ð Antwortbogen



AUFGABE C 1. Untersuchungen mit einer Windmaschine

In dieser Aufgabe führt ihr physikalische Untersuchungen mit einer Windmaschine durch.

1.1. Messung der Windgeschwindigkeit

Bestimmt die Windgeschwindigkeit, die durch die Windmaschine erzeugt wird.

Geräte und Materialien: • Windmaschine, an einem Stativ befestigt (vgl. Abb. 1.1) • Windgeschwindigkeitsmesser (Anemometer), an einem Stativ befestigt • Lineal, Maßband

Abb. 1.1 Windmaschine

Vorgehen

Baut die Windmaschine und das Anemometer in einem Abstand von 0,4 m voneinander auf. Der Abstand wird vom vorderen Rand des Lufteinlasses bis zur Rotationsachse des Anemometers gemessen. Die Mitte des Luftauslasses sollte sich auf der gleichen Höhe wie die rotierenden Schalen des Anemometers befinden, und die Windmaschine sollte genau auf den Windmesser ausgerichtet sein (vgl. Abb. 1.2).

1 – Luftführung 2 – Luftauslass 3 – Lufteinlass 4 – Halter 5 – Feststellschraube 6 – Geschwindigkeitsregelung 7 – Drehregler (auch zum Ein-‐ und Ausschalten) 8 – Sicherung (5 A) 9 – Poweranzeige 10 – Wechselspannungsquelle



Abb. 1.2: Experimenteller Aufbau

Abb. 1.3: Drehregler zum Einstellen der Windgeschwindigkeit Die Windgeschwindigkeit kann mit dem Drehregler eingestellt werden (vgl. Abb 1.3). Hinweis: Die unterschiedlichen Einstellungen sind auf dem Gerät selbst nicht mit Ziffern gekennzeichnet!

Schaltet die Windmaschine auf der niedrigsten Einstellung, Stufe 1, ein. Lasst sie für 15 Sekunden laufen. Schaltet das Anemometer ein und lasst es für etwa eine Minute laufen. Beobachtet die Anzeige für den Durchschnittswert (average value – AV) und die maximale Windgeschwindigkeit (maximum value – MX), wie in Abb. 1.4 gezeigt.

1 2

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Abb. 1.4 Windgeschwindigkeitsmesser (Windmaster). Auf dem Display sind von oben nach unten zu sehen: aktuelle Windgeschwindigkeit, Maximalwert (MX) und Durchschnittswert (AV). Alle Werte sind in m/s angegeben.

Schreibt die durchschnittliche Windgeschwindigkeit (AV) und die maximal gemessene Windgeschwindigkeit (MX) in den Antwortbogen (Tabelle 1.1.1). Schaltet den Windmaster aus.

Ändert die Windgeschwindigkeit auf Stufe 2 und schaltet den Windmaster nach 15 Sekunden erneut ein. Führt dieselbe Messung wie vorher durch und notiert die Werte in dem Antwortbogen. Schaltet den Windmaster nach der Messung wieder aus. Wiederholt diese Prozedur für die Stufen 3-‐5 der Windmaschine.

1.1.1. Vervollständigt Tabelle 1.1.1 mit den entsprechenden Werten. ð Antwortbogen

1.1.2. Erstellen eines Diagramms “Windgeschwindigkeit (y-‐Achse) in Abhängigkeit von der Stufe der Windmaschine (x-‐Achse)”

Zeichnet ein Diagramm mit den Messwerten aus Tabelle 1.1.1 ð Millimeterpapier

Nutzt eine passende Skalierung für die y-‐Achse (Windgeschwindigkeit in m/s). Zeichnet Datenpunkte für die Durchschnittsgeschwindigkeit ein. Die Maximalwerte stellen die obere Grenze für den Fehlerbalken dar. Nehmt an, dass die Fehlerbalken symmetrisch bezüglich der Durchschnittsgeschwindigkeiten sind. Zeichnet die Fehlerbalken ein.

Benutzt das zur Verfügung gestellte Millimeterpapier und denkt daran, das Diagramm dem Antwortbogen hinzuzufügen.



Information: Fehlerbalken (error bars) sind graphische Darstellungen der Streuung der Daten und werden in Graphen verwendet.

1.2. Messung der Leerlaufspannung mit verschiedenen Rotorblättern

Ein charakteristischer Parameter der von einem Windkraftwerk bereitgestellten Leistung ist die Leerlaufspannung, also die Spannung, die erzeugt wird, wenn keine Last am Generator anliegt. Messt diese Leerlaufspannung für verschiedene Rotorblätter, um die effizientesten zu bestimmen.

Geräte und Materialien: • Propeller – 16 cm Durchmesser • Propeller – 18 cm Durchmesser • Propeller – 20 cm Durchmesser (vgl. Abb. 1.5) • Zwei gekreuzte Propeller – 16 cm Durchmesser • Umgedrehter Propeller – 16 cm Durchmesser (vgl. Abb. 1.6) • Multimeter • Kabel • Windmaschine • Generator • Halterung für den Generator

Abb. 1.5: Propeller mit Durchmessern 16 cm, 18 cm, 20 cm. (Die Beschriftung auf den Rotorblättern sollte zum Generator zeigen).



Abb. 1.6: Zwei gekreuzte Propeller (16 cm) (Beschriftung zum Generator zeigend) und umgedrehter Propeller (Beschriftung zur Windmaschine zeigend).

Vorgehen

Der Abstand zwischen der Windmaschine und dem Propeller sollte bei allen Messungen in diesem Aufgabenteil 0,4 m betragen (Abb. 1.7).

Abb. 1.7: Windmaschine (links) und Propeller (rechts).

Der Propeller wird mit der weißen Plastikhalterung am Generator montiert (Abb. 1.8). Der Generator wird mit Hilfe der Krokodilklemmen mit dem Multimeter verbunden.

Abb. 1.8: Auf dem Generator montierter Propeller.



Messt die Leerlaufspannungen U0 für alle Propeller und für alle Stufen der Windmaschine. Beginnt eure Messungen für jeden Propeller mit Stufe 1 und lasst die Windmaschine auf jeder Stufe mindestens 15 Sekunden laufen, bevor ihr mit der Messung beginnt. Da die angezeigten Spannungen während der Messungen schwanken können, beobachtet diese genau und entscheidet euch für einen Durchschnittswert.

Tragt die gemessenen Werte in Tabelle 1.2 ein ð Antwortbogen

1.3. Ausgangsleistung bei verschiedenen Propellern

Die Leerlaufspannung alleine ist allerdings nicht ausreichend, um eine Windkraftmaschine zu charakterisieren. Entscheidender ist die zur Verfügung gestellte Leistung, wenn eine bestimmte Last mit dem Generator verbunden ist. Diese Leistung kann mit Hilfe der Stromstärke bestimmt werden, die bei einer bestimmten Spannung durch den Lastwiderstand fließt.

Geräte und Materialien: • Windmaschine • Generator mit unterschiedlichen Propellern: 16, 18, 20, 16/16, 16 (umgedreht) • Zwei Anschlusskabel (schwarz, rot) am Generator • Multimeter mit Kabeln • Taschenrechner • Maßband



Der Abstand zwischen Windmaschine und Propeller sollte erneut 0,4 m betragen. Der Generator muss mit dem Multimeter, wie in Abb. 1.9 gezeigt, verbunden werden.

Abb. 1.9: Windmaschine, Propeller und Verbindungen mit dem Multimeter.

Schaltet die Windmaschine auf Stufe 5.

Variiert den Lastwiderstand (“Load Last“ auf der Multimeterbox) von 1 Ω bis 200 Ω (sieben Abstufungen).

• Tragt die gemessenen Spannungs-‐ und Stromwerte in Tabelle 1.3 ein. ð Antwortbogen • Berechnet die entsprechenden Leistungen und tragt diese in die Tabelle ein. ð Antwortbogen

Ihr könnt eine Formel für die Leistung von dem Labor-‐Assistenten gegen Punktabzug (5 P.) erhalten.

Achtung: Die Werte können schwanken. Verwendet Durchschnittswerte.

• Zeichnet die Leistungswerte in die Diagramme ein. ð Antwortbogen



2. Untersuchungen an einem Modell einer Anlage zur Umwandlung von Energie in Gas (Power-‐to-‐Gas facility)

Die Umwandlung von elektrischer Energie in Gas ist eine Möglichkeit der Energiespeicherung: Wasser wird durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten und elektrische Energie wird dabei in chemische Energie umgewandelt. Eine Brennstoffzelle ermöglicht später durch den umgekehrten Prozess die Umwandlung von chemischer in elektrische Energie.

2.1. Elektrolyse

Untersucht den Prozess der Elektrolyse. Wie viel elektrische Energie wird benötigt, um eine bestimmte Menge Wasserstoff zu erzeugen? Wie hoch ist die Effizienz des verwendeten Modells?

Geräte und Material: • Windmaschine • Generator • Propeller – 16 cm Durchmesser (nicht umgedreht) • Multimeter (Messung der Spannung über und der Stromstärke in der Elektrolysezelle).

Einstellung des Drehreglers: Kurzschluss (Short Circuit) • Elektrolysezelle: Befüllt diese mit destilliertem Wasser • Kabel • Stoppuhr

Abb. 2.1: Schaltskizze: V, A und R gehören zu dem Multimeter (1); Elektrolysezelle (2); Brennstoffzelle (3). Die Kabel zum Generator sind nicht gezeigt. Sie sollten entsprechend der Anweisung im Text mit der Elektrolysezelle verbunden werden.

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Vorgehen

Baut den Aufbau wie in Abb. 2.1 auf.

Die Brennstoffzelle ist bereits mit der Elektrolysezelle verbunden (Schläuche mit Ventilen). Sie wird später verwendet werden (2.2)

Hinweis: Verbindet in der Schaltung zunächst Generator – Elektrolysezelle – Multimeter (Messung der Stromstärke). Verbindet dann die Kabel für die Spannungsmessung. Achtet auf die korrekte Polung (der Pluspol des Generator muss mit dem Pluspol der Elektrolysezelle verbunden werden).

Lasst eure Schaltung von einem Labor-‐Assistenten überprüfen, bevor ihr fortfahrt. Dieser muss die Schaltung auf dem Antwortbogen abzeichnen.

2.1.1. Untersuchung der von der Elektrolysezelle aufgenommenen Leistung bei unter-‐schiedlichen Windgeschwindigkeiten

Baut die Windmaschine in einem Abstand von 0,2 m (die Hälfte der bisherigen Distanz!) vor dem Propeller auf.

Messt die Spannung und die Stromstärke für jede der fünf Stufen der Windmaschine. ð Antwortbogen

(Die Windmaschine sollte etwa 1 Minute lang laufen. Nehmt Mittelwerte).

Bestimmt die von der Elektrolysezelle umgesetzte Leistung. Tragt die Werte in Tabelle 2.1.1 ein. ð Antwortbogen

2.1.2. Produktion von Wasserstoff

Verwendet die gleichen Materialien wie gerade und schaltet die Windmaschine auf Stufe 5. Bestimmt, wie viel Energie benötigt wird, um 10 mL Wasserstoffgas zu produzieren.

Vorgehen

Achtet nur auf die Wasserstoffgassäule. Diese sollte anfänglich bei Null stehen. Wenn der anfängliche Wert zu hoch ist, könnt ihr etwas Gas entweichen lassen. Startet die Stoppuhr sobald die Gasproduktion startet. Stoppt die Stoppuhr sobald 10 mL Wasserstoffgas gesammelt wurden.

Messt die Spannung und die Stromstärke (Mittelwerte) sowie die Zeit, die für die Produktion von 10 mL Wasserstoffgas benötigt wird. Notiert die Werte auf dem Antwortbogen. ð Antwortbogen

Verwendet die umgesetzte Leistung und die benötigte Zeit, um die elektrische Energie zu bestimmen, die von der Elektrolysezelle zur Produktion von 10 mL Wasserstoffgas benötigt wird. Tragt euer Resultat in Tabelle 2.1.2 ein. ð Antwortbogen

Ihr könnt eine Formel für die Energie von dem Labor-‐Assistenten gegen Punktabzug (1 P.) erhalten.



2.1.3. Wirkungsgrad der Elektrolysezelle

Die Verbrennungswärme von Wasserstoff beträgt 10.7 MJ/m³ unter den experimentellen Bedingungen.

Berechnet den Wirkungsgrad der Apparatur mit Hilfe der Ergebnisse aus 2.1.2. Tragt eure Ergebnisse ein ð Antwortbogen

2.2. Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle setzt chemische Energie (aus Wasserstoff) in elektrische Energie um.

Geräte und Materialien: • Elektrolysezelle mit Schläuchen und verschließbaren Ventilen • Brennstoffzelle • Multimeter • Kabel

Vorgehen

In der Elektrolysezelle sollten sich 10 mL Wasserstoffgas und mindestens 5 mL Sauerstoffgas aus dem letzten Experiment befinden. Falls das nicht der Fall ist, benutzt den Propellergenerator, um die benötigte Menge Gas zu produzieren.

Abb. 2.2: Schaltskizze: V, A und R gehören zum Multimeter (1); Elektrolysezelle (2); Brennstoffzelle (3). Das Multimeter sollte jetzt mit der Brennstoffzelle verbunden werden.

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Schließt den Schaltkreis mit der Brennstoffzelle, einem 3-‐Ohm Widerstand und dem Amperemeter des Multimeters (Abb. 2.2).

2.2.1. Elektrische Energie aus der Brennstoffzelle

Bestimmt die Zeit, die benötigt wird, um 10 mL Wasserstoffgas umzusetzen und daraus elektrische Energie zu erzeugen. Berechnet die elektrische Energie aus der gemessenen Spannung, der Stromstärke und der Zeit. Tragt diese Werte ein. ð Antwortbogen

2.2.2. Wirkungsgrad der Brennstoffzelle

Vergleicht die Verbrennungswärme von 10 mL Wasserstoff mit der erzeugten elektrischen Energie und bestimmt den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle. ð Antwortbogen

3. Vergleich realistischer Anlagen Die folgenden Rechnungen sollen euch helfen zu entscheiden, ob ein Pumpspeicherwerk oder eine Power-‐to-‐Gas-‐Anlage besser geeignet ist, elektrische Energie in einem geplanten Vorhaben zu speichern. Kann die von einer Windkraftanlage erzeugt Energie in beiden Anlagen gespeichert werden? Welche Anlage hat einen höheren Wirkungsgrad?

3.1. Leistung einer geplanten Windkraftanlage

Die Leistung, die ein modernes Windrad aus Wind einer Geschwindigkeit v gewinnen kann, lässt sich berechnen, gemäß:

AvcP Betz ⋅⋅⋅= 3

2ρ

P: Leistung in Watt cBetz: Leistungsbeiwert (für moderne Anlagen etwa cBetz ≈ 0,5) ρ: Luftdichte (ρ = 1,19 kg/m³ bei 20 °C) v: Windgeschwindigkeit in m/s A: Von den rotierenden Rotorblättern überstrichene Fläche in m²

Die geplante Windkraftanlage soll aus 10 Windrädern mit Rotorblättern einer Länge von jeweils 35 m bestehen.

3.1.1. Berechnet die Leistung dieser Windkraftanlage bei einer Windgeschwindigkeit von 40 km/h. Gebt das Ergebnis in Megawatt (MW) an. ð Antwortbogen

3.1.2. Berechnet die unter diesen Bedingungen an einem Tag produzierte Energie (in MWh). ð Antwortbogen



3.2. Leistung eines geplanten Pumpspeicherwerkes

Die geplante Anlage hat eine Fallhöhe von 250 Metern. Die maximale Durchflussrate beträgt 50 m³ pro Sekunde. Die Leistung kann aus der potentiellen Energie des Wassers im Schwerefeld berechnet werden.

Mit der selben Durchflussrate (50 m³/s) kann Wasser auf eine Höhe von 250 m gepumpt werden. Der Wirkungsgrad dieses Prozesses liegt bei 60 %, das heißt, dass 60 % der eingesetzten Energie im Wasser gespeichert werden können.

3.2.1. Leistung der Anlage

Bestimmt die potentielle Energie der in einer Sekunde hochgepumpten Wassermenge. ð Antwortbogen

Ihr könnt eine Formel für die potentielle Energie von dem Labor-‐Assistenten gegen Punktabzug (1 P.) erhalten.

3.2.2. Energiespeicherung im System

Berechnet wie viel Wasser jeden Tag hochgepumpt wird, wenn die Windkraftanlage maximale Leistung liefert. ð Antwortbogen

3.2.3. Gesamtwirkungsgrad

Der Wirkungsgrad, mit dem das durch die Turbine strömende Wasser elektrische Energie erzeugt, beträgt 80 %.

Berechnet den Gesamtwirkungsgrad des Pumpspeicherkraftwerkes ð Antwortbogen

3.3. Dimensionierung und Wirkungsgrad einer geplanten Power-‐to-‐Gas-‐Anlage

3.3.1. Elektrolyse

Die geplante Anlage kann aus elektrischer Energie Wasserstoffgas mit einem Wirkungsgrad von 70 % erzeugen.

Berechnet die pro Stunde produzierte Menge an Wasserstoffgas, wenn das Windkraftwerk bei voller Leistung arbeitet. ð Antwortbogen

Hinweis: Verwendet die Ergebnisse aus 3.1.

3.3.2. Gesamtwirkungsgrad der Power-‐to-‐Gas-‐Anlage

Eine moderne Brennstoffzelle besitzt einen Wirkungsgrad von 50 %.

Berechnet den Gesamtwirkungsgrad der Elektrolyse-‐Brennstoffzellen-‐Anlage ð Antwortbogen



3.4. Vergleich der beiden Anlagen

Ihr sollt nun die beiden Anlagen vergleichen. Beachtet dabei:

Die Kapazität des oberen Reservoirs des Pumpspeicherwerkes beträgt maximal 80 Millionen m³.

Die Elektrolyse-‐Brennstoffzellen-‐Anlage hat eine maximale Durchflussrate von 2000 m³ Wasser-‐stoff pro Stunde.

Welche der beiden Anlagentypen empfehlt ihr zu bauen?

Tragt euer Ergebnis in Tabelle 3.4 ein. ð Antwortbogen



Aufgabe D Empfehlung des Wissenschaftsteams für den Bau eines Kraftwerks in Klein-‐Virtulien.

1. Fasst eure Ergebnisse, die ihr als Team erhalten habt, in der Tabelle “Resultate” zusammen, um eine einheitliche Aussage in der Tabelle „Empfehlung“ abzugeben! ð Antwortbogen

2. Gebt eure Teamempfehlung in der Tabelle “Empfehlung” an! ð Antwortbogen

Aufgabe E Fakten über....

Bewertet die Aussagen in der Tabelle ”Fakten über….“! ð Antwortbogen

13 euso 2015 challenge 1 ger ver06 - uni...

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