VETRE - fo.uniza.skfo.uniza.sk/wp-content/uploads/EUSO/Uloha15_1.pdf · CHALLENGE 1 3 TASK SHEET...
-
Upload
nguyendien -
Category
Documents
-
view
220 -
download
5
Transcript of VETRE - fo.uniza.skfo.uniza.sk/wp-content/uploads/EUSO/Uloha15_1.pdf · CHALLENGE 1 3 TASK SHEET...
COUNTRY: SLOVAKIA Version 19.04.2015 TEAM:
ODPOVEĎ SA VZNÁŠA VO
VETRE
ZADANIE
Zadanie 1 28th of April 2015
Country: SLOVAKIA Team:
CHALLENGE 1 2 TASK SHEET
COUNTRY: SLOVAKIA Version 19.04.2015 final TEAM:
Úloha 1 pozostáva z piatich častí, ktoré môžte vypracovávať jednotlivo alebo ako tím.
Úloha A: 90 bodov
Úloha B: 92 bodov
Úloha C: 92 bodov
Úloha D: 06 bodov
Úloha E: 24 bodov
Na vypracovanie Úlohy 1 máte 4 hodiny.
Celý čas v laboratóriu musíte mať na sebe laboratórne plášte a bezpečnostné
okuliare.
V laboratóriu je prísne zakázané jesť a piť.
Pri práci s chemikáliami musíte mať nasadené jednorazové rukavice, ktoré
máte k dispozícii.
Hodnotiť sa budú iba finálne odpoveďové hárky (farebný papier) a
priložené grafy.
Po ukončení vašej práce musíte odovzdať všetky papiere vrátane papierov s
pomocnými výpočtami. Z laboratória nesmiete NIČ odniesť.
Grafy musíte odovzdať spolu s odpoveďovými hárkami.
CHALLENGE 1 3 TASK SHEET
COUNTRY: SLOVAKIA Version 19.04.2015 final TEAM:
Príbeh
Oblasť Klein-Virtulien sa nachádza na južnom okraji Álp, 800-1300
metrov nad úrovňou mora. 60% potreby elektrickej energie región
dodávajú hydroelektrárne a zvyšných 40% sa dováža. Aby sa pokryla
zvyšujúca sa požiadavka na energiu a redukovala závislosť na dovoze
elektriny, vybuduje sa nová elektráreň produkujúca energiu z
obnoviteľných zdrojov. Táto elektráreň nebude iba produkovať
energiu, ale bude tiež schopná energiu uchovávať.
Horský terén v regióne je ideálny na výstavbu veternej elektrárne s možnosťou dvoch
alternatív uskladnenia energie:
1. Klasická prečerpávacia
2. Moderná elektrolytická (Power-to-Gas, P2G)
Pred samotnou výstavbou v Klein-Virtulien bolo vznesených niekoľko námietok:
Rieka Virtu, ktorá bude prečerpávaciu elektráreň zásobovať, patrí medzi tečúce vody
s najväčšou biodiverzitou v Klein-Virtulien. Podľa miestnej ekologickej iniciatívy je rieka
domovom ohrozeného raka Astacus astacus subsp. Virtuliensis. Členovia tejto miestnej
ekologickej iniciatívy sa obávajú, že nová elektráreň významne zmení prírodný habitat raka
a tak bude viesť k jeho vyhynutiu. Zástancovia novej elektrárne popierajú prítomnosť
Astacus astacus subsp. virtuliensis v oblasti a trvajú na jeho podobnosti s iným,
nechráneným druhom raka.
Iná miestna ekologická iniciatíva vzniesla nasledujúci dôvod proti výstavbe prečerpávacej
hydroelektrárne: V blízkosti plánovanej zásobárne energie sa nachádza úložisko
z opustených koželužní (továrne na spracovanie kože). V prípade povodne v tejto oblasti
existujú obavy, že by sa mohol vyplaviť toxický odpad, najmä chrómové zlúčeniny. Aby sa
táto možnosť otestovala, bude sa musieť vo vzorkách z úložiska vyšetriť prípadná
kontaminácia Cr(VI).
Ďalšia miestna ekologická iniciatíva namieta proti elektrárni v Klein-Virtulien, pretože z ich
uhľa pohľadu kombinácia veternej energie a Power-to-Gas neposkytne požadovanú
účinnosť.
Aby sa zvýšila všímavosť spoločnosti, najmä mladých ľudí, voči obavám z elektrárne, v Klein-
Virtulien sa uskutoční medzinárodná súťaž.
Vy, ako súťažiaci tím, sa máte zhostiť úlohy hodnotiteľov a urobiť spoločné odporučenie pre
budúcu elektráreň. Aby ste to urobili, budete musieť vykonať niekoľko pozorovaní
a experimentov.
CHALLENGE 1 4 TASK SHEET
COUNTRY: SLOVAKIA Version 19.04.2015 final TEAM:
ÚLOHA A
Dajte pozor na poradie, v akom vypracujete úlohy.
Pred začatím častí 3.2 a 4 musíte vyriešiť 3.1 a odovzdať predlohu s rakom (crayfish handout) 3.1
asistentovi v laboratóriu. Až potom dostanete ďalší materiál na to, aby ste mohli pokračovať,
tabuľku “Funkcia”, obrázok znázorňujúci morfológiu raka a tiež raka na identifikáciu.
Materiál:
Kúsky tela raka (ľavá alebo pravá polovica raka)
Predloha s nakresleným tvarom raka
Lep
Pinzety
Polystyrénový obal
Lupa
Milimetrový papier
Pravítko
--------------------------------------------------------
1 rak
Obrázok znázorňujúci morfológiu raka
Tabuľka “Funkcie”
1. Ekológia Astacus astacus subsp. virtuliensis
Ekologické pojmy: Biotop, habitat, ekologická nika
Organizmy nie sú v prírode náhodne distribuované, preferujú určité druhovo-špecifické oblasti. Na
opísanie ich nenáhodného priestorového rozloženia sa používajú pojmy ako biotop, habitat
a ekologická nika.
Biotop: je topografická oblasť (miesto) s viac alebo menej uniformnými podmienkami prostredia
a je určená (charakterizovaná) biocenózou (spoločenstvom populácií organizmov).
Habitat: Určitá oblasť biotopu, ktorú obýva určitý druh.
Ekologická nika: Predstavuje interakciu medzi
Priestorovým rozdelením habitatu
využívanými zdrojmi (výživa, svetlo, voda, salinita a pod.) a
reakciou druhu na environmentálne faktory.
(Prevzaté z: Sinsch, U. ( 2004). Studienbrief 1: Konzepte der Autökologie.) Universität Koblenz-
Landau.
CHALLENGE 1 5 TASK SHEET
COUNTRY: SLOVAKIA Version 19.04.2015 final TEAM:
Vedecké údaje:
Ekologické požiadavky Astacus astacus subsp. virtuliensis sa zhodujú s požiadavkami Astacus
astacus. Oba žijú výhradne v tečúcich vodách, v lete osídľujú rieky, pramene, teplé jazerá a rybníky
s prudkými brehmi. Avšak Astacus astacus subsp. virtuliensis dáva prednosť minimálnej hĺbke vody
40 cm. V lete musí byť teplota vody najmenej 11°C, optimálna teplota sa pohybuje medzi 19°C a
21°C. Horné pessimum (= protiklad optima) začína pri 24°C, pri teplote 25°C rak zomiera. Pokles
teploty na jeseň znamená začiatok obdobia párenia.
Optimálny obsah kyslíka vo vode sa pohybuje medzi 6 a 12 mg/L, 3.5 mg/L je absolútnym
minimom.
Nevyhnutným predpokladom osídlenia rakom je silné členenie bentickej oblasti (dna); musia tu byť
prítomné miesta na úkryt a oddych (veľké kamene, brehy s koreňmi stromov, jaskynnými
vyhĺbeninami na brehoch). Podobne ako mnoho druhov rakov, Astacus astacus subsp. virtuliensis je
večerný (aktívny za šera) a nočný živočích.
Počas dňa sa nachádza v pokojných oblastiach. Mladé možno vidieť v plytkých vodách, kde sa
môžu skrývať medzi rastlinami. Astacus astacus subsp. virtuliensis je všežravec. Jeho strava
obsahuje riasy, vodné rastliny, larvy hmyzu, slávky (mussels), slimáky a zdochliny. Svoju potravu
“zbiera” aktívne.
1.1. Ku každému pojmu (v ľavom stĺpci) označte v zodpovedajúcej bunke tabuľky správny
ekologický pojem (či ide o biotop, habitat alebo ekologickú niku). Odpoveďový hárok
1.2. Správanie Astacus v závislosti od teploty vody v lete
V lete (začiatok júna až do polovice septembra) je teplota vody dôležitým faktorom pre správanie
druhu a teda pre výskyt Astacus astacus subsp. virtuliensis.
1.2.1 Nakreslite graf (krivku tvarom podobnú asymetrickému zvonu) zobrazujúci závislosť
výskytu druhu od daných teplôt vody (minimum, optimum, maximum).
milimetrový papier
Poznámka: Výskyt druhu je počet živočíchov, ktoré využívajú daný biotop bez zväčšenia alebo
zmenšenia populácie. Môže sa pohybovať v rozmedzí hodnôt 0 (neprežíva žiaden jedinec) až 100
(využívanie optimálneho habitatu).
1.2.2 V grafe 1.2.1 vyznačte charakteristické teplotné rozmedzie a teplotné body/oblasti
(minimum, maximum, optimum, pessimum). Graf popíšte a pridajte legendu.
graf
CHALLENGE 1 6 TASK SHEET
COUNTRY: SLOVAKIA Version 19.04.2015 final TEAM:
2. Možné vplyvy elektrárne na Astacus astacus subsp. virtuliensis
Vedci zistili, že postavenie elektrárne môže zmeniť niektoré ekologické faktory pre Astacus astacus
subsp. virtuliensis. Overte, či postavenie elektrárne ovplyvní populáciu Astacus astacus subsp.
Virtuliensis s využitím dvoch grafov, ktoré vám poskytli v odpoveďovom hárku “Average oxygen
content in the river per month” (Priemerný obsah kyslíka v rieke na mesiac) a “Average
temperature in the river per month” (Priemerná teplota v rieke na mesiac).
2.1. Určite oblasť/oblasti na grafe, ktoré predstavujú ekologické faktory, ktoré môžu viesť
k vymiznutiu populácie raka iba počas letných mesiacov už spomenutých vyššie. Danú oblasť
na grafe vyfarbite.
2.2. V grafoch vyfarbite optimálne oblasť/oblasti pre teplotu a obsah kyslíka počas letných
mesiacov.
3. Funkčná morfológia raka
Pripomienka: Dajte pozor, v akom poradí vypracovávate úlohy.
Pred začatím častí 3.2 a 4 musíte vyriešiť 3.1 a odovzdať predlohu raka 3.1 asistentovi v
laboratóriu.
3.1 Na poskytnutej predlohe raka zoraďte v správnom poradí časti raka, ktoré máte
v sklenenej nádobe. Vyberte si správnu stranu predlohy, ľavú alebo pravú!
predloha raka
Všetky časti raka musia byť nalepené na predlohu raka!!
Nápoveda: Obrázok raka na predlohe je z brušnej strany. Niektoré časti sa ťažko rozlišujú. Ak
nemôžete odlíšiť ich presné poradie, umiestnite ich ako skupinu. Presné určenie miesta
jednotlivých častí vám prinesie iba dva body z celkového zisku. Ak ste časti zoradili, odovzdajte
predlohu asistentovi v laboratóriu, ktorý ju odfotí.
CHALLENGE 1 7 TASK SHEET
COUNTRY: SLOVAKIA Version 19.04.2015 final TEAM:
3.2 Ku každej časti priraďte jeho hlavnú funkciu (jedna časť môže mať viacero funkcií, ale
povolené sú maximálne 3 funkcie pre jednu časť).Tabuľka “Funkcia”
Odpoveďový hárok
V každom štvorčeku musí byť buď krížik alebo nula: ”X“ pre správne, ”0“ pre nesprávne!!
Funkcia:
A= ústroje na lov, uchytenie/potrava a používané na obranu/útok
B= spracovanie/manipulácia („lámanie, prežúvanie, držanie“) potravy
C= Rozmnožovanie/opatera o potomstvo
D= zmyslové vnímanie
o D1 = chemoreceptory
o D2 = hmatové receptory
o D3 = rovnováha (ekvilibrium)
E= pohyb
o E1 = chôdza
o E2 = plávanie
4. Identifikácia raka
Túto úlohu môžete vypracovať až po skončení úlohy 3.1 a odovzdaní predlohy raka
asistentovi v laboratóriu. Až potom od asistenta v laboratóriu dostanete raka na
identifikáciu a Obrázok znázorňujúci morfológiu raka!
S použitím kľúča v odpoveďovom hárku overte, či rak, ktorého ste dostali, je Astacus astacus
subsp. virtuliensis.
Legenda k obrázku na identifikáciu raka.
A Hlavohruď (Cephalothorax) 7 Kĺb klepeta (Joint of the cheliped)
B Zadoček, chvost (Tail) 8 Nosec, predná časť hlavohrude (Rostrum)
1 Tykadlo (Antenna) 9 Postorbitálny (za očnou jamkou) výrastok
(Postorbital ridge)
2 Predný pancier (Anterior carapacae) 10 Ostne (Spines)
3 Zadný pancier (Posterior carapacae) 11 Krčný záhyb
4 Abdomen (bruško) 12 Areola
5 Posledný článok chvosta (Telson) 13 Priečne pruhy cez abdominálne články
6 Klepeto (Cheliped)
CHALLENGE 1 8 TASK SHEET
COUNTRY: SLOVAKIA Version 19.04.2015 final TEAM:
4.1 Označte v kľúči v sivom stĺpci tvrdenia, ktoré vedú k identifikácii raka, ktorého ste
dostali! Odpoveďový hárok
5. Teoretické otázky
5.1. Ktoré tvrdenia sú správne, ktoré sú nesprávne? Vašu voľbu označte!
Odpoveďový hárok
6. Vyhodnoťte situáciu výstavby elektrárne v Klein-Virtulien
S ohľadom na predpokladanú populáciu Astacus astacus subsp. virtuliensis population,
vyhodnoťte, či sú obavy občianskych iniciatív oprávnené.
Použite informácie z “Ekológie Astacus astacus subsp. virtuliensis“ (1), vaše postrehy z “Možné
vplyvy elektrárne na Astacus astacus subsp. virtuliensis” (2), ako aj vaše výsledky z “Identifikácie
raka” (4). Odhadnite vplyvy alternatívnych elektrární na populáciu raka.
Zaškrtnutím vhodného štvorčeka zosumarizujte vaše zistenia v tabuľke. Odpoveďový hárok
CHALLENGE 1 9 TASK SHEET
COUNTRY: SLOVAKIA Version 19.04.2015 final TEAM:
ÚLOHA B
Úvod
V blízkosti vodnej nádrže sa nachádza skládka, ktorá obsahuje zvyšné produkty
z kožiarne závodu. Ochrancovia prírody upozorňovali, že v prípade zaplavenia skládky by
mohlo dochádzať k vylúhovaniu zlúčenín chrómu(VI). V kožiarskom závode sa začali na
základe tohto podnetu zaoberať problematikou kontaminovania prostredia zlúčeninami
chrómu(VI).
Predstavte si, že ste jedným z týchto expertov a máte v zmysle platného zákona
extrahovať z inkriminovaných vzoriek zlúčeniny Cr(VI) a stanoviť v nich
spektrofotometricky koncentráciu Cr(VI). Výpočtom mate dokázať, či dochádza k
znečisťovaniu životného prostredia zlúčeninami Cr(VI) a vyvodiť z toho dôsledky.
V zlúčeninách chrómu má atóm chrómu väčšinou oxidačné číslo III a VI. Chróm sa
označuje ako stopový prvok, avšak zlúčeniny chrómu, v ktorých má atómu chrómu
oxidačné číslo VI, majú karcinogénne účinky. Chrómové zlúčeniny sú teda podstatne
nebezpečnejšie ako zlúčeniny Cr(III), pretože majú schopnosť prenikať cez bunečné
membrány. Keď takáto zlúčenina prenikne do bunky, pôsobí ako silné oxidovadlo a
spôsobuje oxidatívny rozklad ľudského organizmu.
Pri jednej z metód, ktorou možno sledovať obsah Cr(VI) vo vzorke, je
spektrofotometrické stanovenie, ktoré je založené na reakcii vzorky a 1,5-difenylkarbazidu
(DFK) v kyslom roztoku.
Obr. 1: Zápis reakcie dichrómanu s DFK v kyslom roztoku
CHALLENGE 1 10 TASK SHEET
COUNTRY: SLOVAKIA Version 19.04.2015 final TEAM:
Táto reakcia je veľmi citlivá a možno ňou stanoviť aj stopové množstvá Cr(VI) vo vzorke.
Pri reakcii vzniká komplex, ktorý má intenzívne purpurové sfarbenie (pozri obr. 1), ktorého
intenzita je priamo úmerná koncentrácii Cr(VI) vo vzorke. Toto možno využiť pre
spektrofotometrické stanovenie Cr(VI) pri vlnovej dĺžke 550 nm, keďže absorbancia je
funkciou vlnovej dĺžky svetla a koncentrácie vzorky.
Poznámka: V tejto úlohe sa bude namiesto dm3, t. j. odvodenej SI jednotky pre objem,
používať jednotka liter a budeme ju označovať L.
V rámci istej koncentračnej oblasti platí, že absorbancia závisí lineárne od
koncentrácie absorbujúcej látky. Vyjadruje Lambertov-Beerov zákon:
A = a*c*d
A = absorbancia, ktorá sa nameria pomocou spektrofotometra,
a = molový absorpčný koeficient látky (niekedy sa označuje aj ɛ)
c = látková koncentrácia (mol/L)
d = hrúbka kyvety
V tejto úlohe budete merať absorbanciu A, hrúbku kyvety nájdete v zozname
pomôcok, hodnotu a vypočítate pomocou vynesenej kalibračnej krivky pomocou týchto
hodnôt potom vypočítate koncentráciu c.
Vzhľad a schéma spektrofotometra a jeho funkcia je znázornená na obr. 2 a 3.
Obr. 2: Spektrofotometer UV-1600 PC
[
CHALLENGE 1 11 TASK SHEET
COUNTRY: SLOVAKIA Version 19.04.2015 final TEAM:
Obr. 3: Schematické znázornenie spektrofotometra (s povolením Michaela De Rouw)
[1] zdroj svetla [2] vstupná štrbina [3] hranol [4] výstupná štrbina [5] kyveta s roztokom vzorky [6] vstupná štrbina [7] detektor s digitálnym výstupom
Pri spektrofotometri, ktorý budete používať, sa meranie robí pri vlnovej dĺžke 550 nm a
hrúbka kyvety je 1 cm. Vlnová dĺžka zodpovedá vlnovej dĺžke maxima (obr. 4) absorpcie
meraného roztoku.
Obr. 4: Absorpčné spektrum komplexu, ktorý sa nameralo pre komplex Cr(VI) s DFK
Analyzované roztoky treba opatrne naliať do kyviet. Svetlo prechádzajúce kyvetou s
roztokom sa čiastočne absorbuje a zvyšná časť prechádza do detektora, ktorý zaznamená
jeho intenzitu.
Zoznam pomôcok Zoznam chemikálií
Papier, mm-papier, pravítko,
guma
Kalkulačka
Periodická tabuľka
Fixka – marker, tužka, strúhadlo
Automatická pipeta 100 μL
(nastaviteľná)
Automatická pipeta 1000 μL
(nastaviteľná)
Špičky (modré a žlté)
Nádoba na použité špičky
Skúmavky 15 mL (Falcon)
Stojan na skúmavky
redestilovaná voda
zásobný roztok Cr(VI) na
kalibráciu (K2Cr2O7
s koncentráciou 28.29 mg/L),
označený ako “Cr(VI)“
roztok kyseliny sírovej s
koncentráciou 0.5 mol/L
označený “0.5 M H2SO4“
Roztok difenylkarbazidu
(120 mg 1,5-difhenylkarbazidu
v 50 mL acetónu), označený
“DPC“
5 roztokov (výluhy získané zo
vzoriek pôdy), so známou
CHALLENGE 1 12 TASK SHEET
COUNTRY: SLOVAKIA Version 19.04.2015 final TEAM:
1 cm kyvety pre spektrofotometer
Papierové utierky
1 spektrofotometer (jeden pre
3 družstvá)
koncentráciou Cr(VI). Označené
sú “E1“, “E2“, “E3“, “E4“ a “E5“
Štandardný (referenčný) roztok je
roztok so známou koncentráciou
Cr(VI) =
= 4.00 mg/L), označený ako “Ref“
Inštrukcie: Vzorky pôdy, z ktorých sa získali výluhy, sa odobrali z piatich rozdielnych miest pôvodnej
skládky odpadov. Pre nedostatok času lúhovanie za vás urobili iní a to tak, že 100 g pôdy
nechali pretrepávať 24 hodín s litrom redestilovanej vody a získanú zmes prefiltrovali. Tak
pre vás pripravili päť vzoriek, ktoré máte k dispozícii ako výluhy a sú označené E1 až E5.
V týchto výluhoch musíte stanoviť koncentráciu Cr(VI), ale najprv musíte zostrojiť
kalibračnú krivku. Na to však potrebujete roztoky so známou koncentráciou Cr(VI), ktoré si
pripravíte vhodným riedením zásobného roztoku, ktorý je označený “Cr(VI)”.
1. Vypočítajte koncentráciu Cr(VI) v zásobnom roztoku a uveďte ju
v mg/L.
Odpoveďový hárok Predtým, ako budete pokračovať v experimente, musíte si dať priebežný výsledok potvrdiť
laboratórnym dozorom, ktorý to musí potvrdiť v odpoveďovom hárku.
2. Vynesenie kalibračnej krivky a spektrofotometrické meranie
Na to, aby ste vyniesli kalibračnú krivku, potrebujete päť zriedených roztokov, ktoré si
pripravíte zo zásobného roztoku. Koncentrácia Cr(VI) v týchto roztokov musí byť v
rozmedzí 25-250 µg/L. Vyžadované koncentrácie sú presne uvedené v odpoveďovom
hárku v Tab. 1.
2.1. Vypočítajte objemy zásobného roztoku, ktoré treba na prípravu 10 mL
vyžadovaných zriedených roztokov. Vypočítané hodnoty uveďte v Tab. 1. v
odpoveďovom hárku. Odpoveďový hárok
2.2. Príprava kalibračných roztokov
a. Očíslujte šesť 15 mL skúmaviek číslami 1-6
b. Pomocou automatickej pipety pridajte do každej skúmavky 2 mL roztoku
kyseliny sírovej (označenej “0.5 M H2SO4”).
c. Pomocou automatickej pipety pridajte do každej skúmavky 0.2 mL roztoku
difenylkarbazidu (označeného “DPC”).
CHALLENGE 1 13 TASK SHEET
COUNTRY: SLOVAKIA Version 19.04.2015 final TEAM:
d. Do skúmaviek 2 – 6 pridajte vypočítané množstvá zásobného Roztoku, ktoré
ste vypočítali a uviedli v Tab. 1.
e. Doplňte roztok v skúmavkách po značku 10 mL redestilovanou vodou
(ultrapure water).
f. Uzavrite skúmavky a dôkladne ich premiešajte.
2.3. Príprava vzoriek a štandardného roztoku.
a. Označte ďalších šesť skúmaviek číslami 7 – 12.
b. Pomocou automatickej pipety pridajte do každej skúmavky 2 mL roztoku
kyseliny sírovej (označenej “0.5 M H2SO4”).
c. Pomocou automatickej pipety pridajte do každej skúmavky 0.2 mL roztoku
difenylkarbazidu (označeného “DPC”).
d. Odpipetujte 250 µL výluhu E1 do skúmavky 7, potom 250 µL výluhu E2 do
skúmavky 8, a takto postupujte až po skúmavku 11. Do skúmavky 12
odpipetujte 250 µL štandardného roztoku. Pozrite si tabuľku 2 v
odpoveďovom hárku.
e. Doplňte každú skúmavku po značku 10 mL redestilovanou vodou.
f. Uzatvorte skúmavky a obsah dobre pomiešajte.
2.3.1. Vypočítajte zrieďovací faktor pre výluhy.
Tento výsledok výpočtu si musíte nechať potvrdiť dozorom predtým, ako budete
pokračovať v spektroskopickom meraní (dozor sa musí podpísať v odpoveďovom hárku).
Odpoveďový hárok
2.4. Spektofotometrické meranie
a. Pripravené roztoky v skúmavkách 1 – 12 prelejte do kyviet, pričom ich musíte
naplniť najmenej do ¾ ich objemu. Nezabudnite si kyvety správne označiť.
b. Informujte dozor v laboratóriu, že ste pripravený na spektrofotometrické
meranie. Keďže spektrofotometer používajú tri družstvá, je možné, že budete
musieť trochu počkať, kým príde na vás rad. Využite tento čas tak, že si
preštudujete schému funkcie spektrofotometra, alebo môžete odpovedať na
záverečné otázky v časti 7.
c. Ak mate všetko pripravené, meranie na spektrofometri by ste mali zvládnuť v
rozpätí 10 minút.
d. Inštrukcie pre meranie na spektrofometri:
CHALLENGE 1 14 TASK SHEET
COUNTRY: SLOVAKIA Version 19.04.2015 final TEAM:
Vložte kyvetu 1 s porovnávacím roztokom správne do spektrofotometra tak, aby
svetelný lúč prechádzal priezračnými stenami kyvety. Zatvorte veko prístroja a
stlačte gombík “Zero”. Potom vložte kyvetu 2 do spektrofotometra, zatvorte veko
a poznačte si hodnotu absorbancie do Tab. 2 v odpoveďovom hárku. To isté
opakujte s kyvetami 3 – 12.
2.4.1. Namerané absorbancie zapíšte do Tabuľky 2 v odpoveďovom hárku.
Odpoveďový hárok
3. Vynesenie grafu
3.1. Na základe nameraných hodnôt absorbancie vyneste na mm-papieri
kalibračnú krivku. mm- papier
Na os x vyneste koncentráciu v µg/L a na os y namerané absorbancie.
Využite celú plochu mm-papiera.
Vyneste správne kalibračnú krivku.
Pomocou grafického znázornenia na grafe ukážte, ako ste vypočítali
hodnotu smernice priamky.
Označte na vynesenej priamke hodnoty absorbancie namerané pre roztoky
výluhov a k nim priraďte na osi x odpovedajúce hodnoty koncentrácie A.
Všetky výpočty urobte na mm-papieri.
Graf odovzdajte dozoru v laboratóriu.
Po skontrolovaní dostanete od dozoru správne hodnoty smernice priamky v prípade, že
ste ich neurčili správne.
4. Vypočítajte koncentráciu Cr(VI) (v µg/L) vo výluhoch 1 – 5 a
v referenčnom roztoku.
Vypočítané hodnoty zapíšte do tabuľky 3. Odpoveďový hárok
CHALLENGE 1 15 TASK SHEET
COUNTRY: SLOVAKIA Version 19.04.2015 final TEAM:
5. Výpočet obsahu Cr(VI) vo vzorkách pôdy.
5.1 Vypočítajte pôvodný obsah Cr(VI) (v mg Cr(VI)/kg) vo vzorkách pôdy.
Použite pritom hodnoty koncentrácie z časti 4.
Vezmite do úvahy zriedenia (pozri potvrdené výsledky v časti 2.3).
Odpoveďový hárok
6. Znečistenie pôdy a nádrže s Cr(VI)
Ak sa miesto, ktoré predtým bolo skládkou, celé zaplaví vodou, všetok chróm vo forme
Cr(VI), ktorý obsahovala znečistená pôda, sa rozpustí a bude sa preto nachádzať vo
vodnej nádrži.
Uveďte odpovede na otázky 6.1. až 6.4. Odpoveďový hárok
6.1 Vypočítajte priemerný obsah Cr(VI) v pôde a uveďte v mg Cr(VI)/kg).
6.2 Použite hodnotu priemernej koncentrácie na to, aby ste vypočítali hmotnosť Cr(VI) v
kg, ktorý sa nachádza v skládke, ktorá obsahuje 2000 t odpadu.
6.3 Vypočítajte koncentráciu Cr(VI) (µg/L), ktorú možno očakávať v nádrži (mláke),
ktorá vznikla tak, že sa skládka zaplavila s 80 miliónmi m3 vody, pričom sa celé
množstvo Cr(VI) dostane do roztoku.
6.4 Mohol by sa takýto rezervoár spĺňať kritériá z ekologického hľadiska? (Povolený
limit Cr(VI) v pitnej vode je 50 µg/L).
7. Záverečné otázky
V odpoveďovom hárku označte v príslušnom stĺpci odpovede pomocou yes alebo no.
Odpoveďový hárok
CHALLENGE 1 16 TASK SHEET
COUNTRY: SLOVAKIA Version 19.04.2015 final TEAM:
ÚLOHA C
1. Meranie zdroja vetra (prúdenia vzduchu)
Vyšetrite fyzikálne vlastnosti zdroja prúdenia vzduchu.
1.1. Meranie rýchlosti prúdenia vzduchu
Určte rýchlosť prúdenia vzduchu generovaného zdrojom vetra.
Pomôcky:
Zdroj prúdenia vzduchu upevnený na podstavci (Obr. 1.1.)
Merač rýchlosti (anemometer) upevnený na držiaku
Pravítko
Pásové meradlo dĺžky
1 – vzduchovod
2 výstup vzduchu
3 vstup vzduchu
4 držiak
5 upevňovacia skrutka
6 ovládač rýchlosti
7 nastaviteľný prepínač výkonu
8 elektrická šnúra (5 A)
9 signálka napájania
10 striedavý zdroj napájania
Obr. 1.1 Wind machine
Postup
Upevnite zdroj vetra a merač rýchlosti vetra do vzájomnej vzdialenosti 0,4 m. Stred výstupu
vzduchu zo zdroja vetra a rotor anemometra musia byť v rovnakej výške a prúd vzduchu musí byť
zameraný presne do smeru k meraču rýchlosti (Obr. 1.2).
Vzdialenosť sa meria od hrany výstupu vzduchu k rotačnej osi otáčania anemometra.
CHALLENGE 1 17 TASK SHEET
COUNTRY: SLOVAKIA Version 19.04.2015 final TEAM:
Obr. 1.2: Usporiadanie zdroja a merača
Obr. 1.3: Otočný prepínač rôznych rýchlostí prúdenia vzduchu
Rýchlosť prúdenia vzduchu možno ovládať otočným (pozri Obr. 1.3).
Pozor: Rôzne hodnoty rýchlosti vzduchu nie sú na vami použitom prepínači onačené číslom!
Zapnite zdroj vetra na najnižšiu úroveň 1. Nechajte zdroj pracovať 15 sekúnd. Zapnite merač vetra
a nechajte ho bežať približne 1 minútu. Pozorujte displej a poznamenajte si priemernú hodnotu
(AV) a maximálnu hodnotu (MX), pozri Obr. 1.4.
1
2 3
4
5
CHALLENGE 1 18 TASK SHEET
COUNTRY: SLOVAKIA Version 19.04.2015 final TEAM:
Obr. 1.4 Merač rýchlosti vetra.
Údaje na displeji zhora nadol:
okamžitá hodnota, maximálna hodnota (MX), priemerná hodnota (AV)
Hodnoty sú uvedené v jednotkách m/s.
Napíšte strednú hodnotu (AV) a maximálnu hodnotu (MX) do odpoveďového hárku (Table 1.1.1).
Potom vypnite merač rýchlosti prúdenia vzduchu.
Zdroj vetra prepnite na úroveň 2 a po 15 sekundách zapnite merač rýchlosti prúdenia vzduchu.
Urobte rovnaké meranie ako v predchádzajúcom prípade a výsledok zapíšte do odpoveďového
hárku. Potom vypnite merač rýchlosti vetra.
Rovnako postupujte pri úrovniach prepínača rýchlosti 3 až 5 zdroja vetra.
1.1.1. Vyplňte tabuľku 1.1.1 príslušnými hodnotami! Odpoveďový hárok
1.1.2. Zostrojenie grafu “Závislosť rýchlosti prúdenia vzduchu od úrovne na zdroji vetra ”
Zostrojte graf s použitím hodnôt z tabuľky 1.1.1 milimetrový papier
Vyznačte vhodnú stupnicu na osi y (rýchlosť vzduchu v m/s). Pre každú úroveň zdroja (os x)
zakreslite krúžkom strednú rýchlosť. Maximálnu hodnotu použite ako horný koniec chybovej
úsečky a symetricky vzhľadom na strednú hodnotu označte dolný koniec chybovej úsečky.
Zakreslite do grafu k jednotlivým hodnotám chybové úsečky.
Použite milimetrový papier a graf pripojte k odpoveďovému hárku!
Pozn.: Chybová úsečka je grafické znázornenie
variability dát a používa sa v grafoch.
MX
AV
chybová úsečka
CHALLENGE 1 19 TASK SHEET
COUNTRY: SLOVAKIA Version 19.04.2015 final TEAM:
1.2. Meranie napätia naprázdno s rôznymi lopatkami rotora
Charakteristickým parametrom výkonu generovaného veterným mlynom (vrtuľou) je
zodpovedajúce napätie naprázdno, ktoré je definované ako výstupné napätie bez pripojenej záťaže
generátora. Zmerajte toto napätie pre rôzne typy lopatiek vrtule, aby sa zistilo, ktoré lopatky sú
najúčinnejšie.
Pomôcky:
Vrtuľa – 16 cm priemer
Vrtuľa – 18 cm priemer
Vrtuľa – 20 cm priemer
(pozri Obr. 1.5)
Dvojitá krížová vrtuľa – 16 cm priemer
Obrátená (invertovaná) vrtuľa – 16 cm priemer
(pozri Obr. 1.6)
Multimeter
Spojovacie vodiče
Zdroj vetra
Generátor
Držiak generátora
Obr. 1.5: Vrtule 16 cm, 18 cm, 20 cm.
(Popis na lopatkách musia smerovať k elektrickému generátoru)
Obr. 1.6: Krížová vrtuľa 16 cm (Popis na
lopatkách smeruje ku generátoru) a invertovaná
vrtuľa (popis na lopatkách smeruje ku zdroju
vetra).
CHALLENGE 1 20 TASK SHEET
COUNTRY: SLOVAKIA Version 19.04.2015 final TEAM:
Postup
Vzdialenosť medzi zdrojom vetra a vrtuľou je opäť 0,4 m počas všetkých meraní v tejto časti
(Obr. 1.7).
Obr. 1.7: Zdroj vetra (vľavo) a vrtuľa (vpravo).
Vrtuľa je pripevnená k elektrickému generátoru pomocou kúska bieleho plastu (Obr. 1.8).
Multimeter sa pripojí ku generátoru krokosvorkami.
Obr. 1.8: Vrtuľa pripevnená ku generátoru
Zmerajte napätie naprázdno U0 pre všetky vrtule a pre všetky úrovne zdroja vetra. Meranie s
každým typom vrtule začnite na úrovni zdroja 1 a na každej úrovni by mal zdroj vetra bežať
najmenej 15 sekúnd. Keďže hodnota napätia na displeji počas merania mierne kolíše, treba displej
pozorne sledovať a starostlivo odhadnúť strednú hodnotu napätia.
Hodnoty napätia vložte do odpoveďového hárku tabuľka 1.2 Odpoveďový hárok
1.3. Výstupný výkon rôznych vrtúľ
Napätia samo nie je konečnou charakteristikou veternej vrtule. Dôležitejšie je, aký výkon, ktorý
môže dodať do pripojenej záťaže generátora. Výkon sa vypočíta pomocou prúdu prechádzajúceho
cez rezistor a zodpovedajúceho napätia.
CHALLENGE 1 21 TASK SHEET
COUNTRY: SLOVAKIA Version 19.04.2015 final TEAM:
Pomôcky:
Zdroj vetra
Generátor a rôzne vrtule: 16, 18, 20, 16/16, 16 (invertovaná)
Dva spojovacie vodiče (čierny, červený) od generátora
Multimeter s vodičmi
Kalkulačka
Pásmové meradlo dĺžky
Vzdialenosť medzi zdrojom vetra a vrtuľou je opäť 0,4 m. Generátor treba pripojiť k multimetru
ako vidno dole na obrázku 1.9.
Fig. 1.9: Zdroj vetra, vrtuľa a pripojenia k multimetru
Prepnite prepínač zdroja vetra na 5. Rezistanciu (na krabičke “Laod Last”) treba postupne nastaviť
na sedem hodnôt od 1 do 200 .
Zapíšte namerané hodnoty napätia a prúdu do tabuľka 1.3. Odpoveďový hárok
Vypočítajte zodpovedajúce hodnoty výkonu a zapíšte ich do tabuľky.
Odpoveďový hárok
Pozor!: Hodnoty nemusia byť prísne konštantné – použite stredné hodnoty.
CHALLENGE 1 22 TASK SHEET
COUNTRY: SLOVAKIA Version 19.04.2015 final TEAM:
Hodnoty výkonu zaznamenajte do grafu. Odpoveďový hárok!
2. Meranie na modeli “PowertoGas” zariadenia
Na uchovávanie energie možno využiť výrobu plynu. Voda sa elektrolyticky rozloží na vodík
a kyslík a elektrická energia sa premení na chemickú. Neskôr môže prebehnúť inverzný proces,
v ktorom sa chemická energia premení naspäť na elektrickú.
2.1. Elektrolýza
Skúmajte proces elektrolýzy. Aká energia je potrebná na výrobu určitého množstva vodíka? Aká je
účinnosť tohto modelu?
Pomôcky
Zdroj vetra
Generátor
Vrtuľa – 16 cm priemer (nie invertovaná!)
Multimeter (meranie napätia a prúdu pri elektrolýze). Otočný prepínač (“Electric Load”) je
v polohe “Short Circuit” skrat
Elektrolyzér: Naplňte destilovanou vodou
Spojovacie vodiče
Stopky
Obr. 2.1: Schéma obvodu: V, A a R sú časti multimetra (1); electrolyzér (2); elektrický článok (3).
Vodiče generátora nie sú zobrazené. Tie treba pripojiť k svorkám elektrolyzéra (pozri text).
1
2
3
CHALLENGE 1 23 TASK SHEET
COUNTRY: SLOVAKIA Version 19.04.2015 final TEAM:
Postup
Zostavte model podľa Obr. 2.1.
Elektrický článok je už pripojený k elektrolyzéru (hadičky s uzatváracími ventilmi), budú použité
neskôr (2.2).
Pomôcka: Zapojte najskôr obvod „generátorelektrolyzérmultimeter (meranie prúdu)“. Potom
nastavte meranie napätia. Dajte pozor na správnu polaritu (+generátora musí byť pripojené na
+ elektrolyzéra).
Pred pokračovaním si nechajte obvod potvrdiť asistentom v odpoveďovom hárku.
2.1.1. Meranie výkonu na elektrolyzéri pri rôznych rýchlostiach vetra
Zdroj vetra nastavte pred vrtuľu do vzdialenosti 0,2 m (polovica predchádzajúcej vzdialenosti!!).
Merajte napätie a prúd pre každú z piatich úrovní zdroja vetra. Odpoveďový hárok
(Na získanie strednej hodnoty by mal zdroj bežať na každej úrovni približne 1 minútu).
Vypočítajte príkon elektrolyzéra. Hodnoty zapíšte do tabuľky 2.1.1 Odpoveďový hárok
2.1.2. Výroba vodíka
Použite to isté zariadenia ako v predchádzajúcom prípade (úroveň rýchlosti vzduchu 5) a určte, aká
energia je potrebná na výrobu 10 ml plynného vodíka.
Postup
Venujte sa iba stĺpcu “vodík”. Začnite na nulovej hodnote (ak je hodnota vysoká, časť plynu
uvoľnite). Keď sa začne vytvárať vodík nezabudnite zapnúť stopky. Stopky zastavte, keď sa vyvinie
10 ml plynu.
Zmerajte napätie a prúd (stredné hodnoty) a čas potrebný na uvoľnenie 10 ml vodíka. Hodnoty
zapíšte do odpoveďového hárku. Odpoveďový hárok
Vypočítajte z výkonu a času elektrickú energiu, ktorá sa dodá elektrolyzéru na uvoľnenie 10 ml
vodíka. Výsledky zapíšte do tabuľky 2.1.2 Odpoveďový hárok
2.1.3. Účinnosť elektrolytického postupu
Výhrevnosť vodíka je 10,7 MJ/m3 pri teplote a tlaku v laboratóriu.
Vypočítajte účinnosť postupu, ak využijete výsledok časti 2.1.2. Výsledok zapíšte do
odpoveďového hárku Odpoveďový hárok
CHALLENGE 1 24 TASK SHEET
COUNTRY: SLOVAKIA Version 19.04.2015 final TEAM:
2.2. Palivový článok
Palivový článok slúži na premenu chemickej energie vodíka a kyslíka na elektrickú.
Pomôcky:
Elektrolyzér s hadičkami a uzatváracími ventilmi
Palivový článok
Multimeter
Vodiče
Postup
Máte k dispozícii 10 ml vodíka a aspoň 5 ml kyslíka v elektrolyzéri z predchádzajúceho. Ak nie,
použite sústavu zdroja vetra, vrtule s generátorom na výrobu potrebného množstva plynu.
Obr. 2.2: Schéma obvodu: V, A a R sú časti multimetra (1); electrolyzér (2); palivový článok (3).
Multimeter je teraz pripojený k palivovému článku.
Vytvorte obvod s palivovým článkom, rezistorom 3 a ampérmetrom multimetra (Obr. 2.2).
2
3
1
CHALLENGE 1 25 TASK SHEET
COUNTRY: SLOVAKIA Version 19.04.2015 final TEAM:
2.2.1. Elektrická energia uvoľnená v palivovom článku
Určte čas potrebný na premenu energie 10 ml vodíka nazad na elektrickú energiu. Vypočítajte
hodnotu elektrickej energie na základe merania napätia, prúdu a času.
Zapíšte tieto hodnoty Odpoveďový hárok
2.2.2. Účinnosť palivového článku
Určte účinnosť palivového článku porovnaním výhrevnosti 10 ml vodíka a získanej elektrickej
energie. Odpoveďový hárok
3. Porovnanie reálnych zariadení
Nasledujúce výpočty majú dať odpoveď na otázku, či je pre akumuláciu energie výhodnejší systém
prečerpávacej elektrárne alebo Power-to-Gas systém. Môže byť energia vyrobená veternou
elektrárňou akumulovaná obidvoma spôsobmi? Ktoré zo zariadení má väčšiu účinnosť?
3.1. Výkon plánovanej veternej elektrárne
Výkon, ktorý možno získať z vetra s rýchlosťou v modernou veternou turbínou možno vyjadriť
vzťahom
AvcP Betz 3
2
P je výkon vo wattoch, cBetz výkonový faktor (moderné zariadenia majú cBetz ≈ 0.5), hustota
vzduchu ( = 1,19 kg/m³ pri 20 °C), v rýchlosť vetra v m/s, A je obsah plochy, ktorú vymedzujú
lopatky rotujúceho rotora (m²).
Veterná elektráreň je tvorená 10 turbínami s rotormi s lopatkami dlhými 35 m.
3.1.1. Vypočítajte výkon takejto elektrárne za predpokladu rýchlosti vetra 40 km/h.
Výsledok vyjadrite v jednotkách MW. Odpoveďový hárok
3.1.2. Vypočítajte energiu, ktorá sa vyrobí za deň v MWh za uvedených podmienok.
Odpoveďový hárok
3.2. Výkon plánovanej prečerpávacej elektrárne
Plánované zariadenie má výškový rozdiel hladín vody 250 m. Maximálny objemový prietok z hornej
nádrže do dolnej je 50 m3/s. Rovnaký prietok (50 m³/s) sa dosahuje aj pri čerpaní vody z dolnej
nádrže do hornej vo výške 250 m. Výkon sa počíta z gravitačnej potenciálnej energie vody.
Účinnosť tohto postupu je 60 %, tzn. 60 % energie použitej na čerpanie sa vodou akumuluje.
CHALLENGE 1 26 TASK SHEET
COUNTRY: SLOVAKIA Version 19.04.2015 final TEAM:
3.2.1. Výkon zariadenia
Vypočítajte potenciálnu energiu vody vyčerpanej nahor za 2 s. Odpoveďový hárok
3.2.2. Energia v sústave
Vypočítajte, koľko vody by sa dalo vyčerpať nahor každý deň pri využití maximálneho výkonu
uvedenej veternej elektrárne. Odpoveďový hárok
3.2.3. Celková účinnosť
Ak sa pustí voda nadol a prechádza cez turbíny, je účinnosť výroby elektrickej energie 80 %..
Vypočítajte celkovú účinnosť prečerpávacej elektrárne Odpoveďový hárok
3.3. Rozmery a účinnosť plánovaného Power-to-Gas zariadenia
3.3.1. Elektrolýza
Plánované zariadenie môže vyrábať vodík z elektrickej energie s účinnosťou 70 %.
Vypočítajte množstvo vodíka, ktorý možno vyrobiť za hodinu veternou elektrárňou, ktorá beží
na plný výkon. Odpoveďový hárok
Použite výsledok 3.1.
3.3.2. Celková účinnosť Power-to-Gas zariadenia
Moderné palivové články majú účinnosť 50 %.
Vypočítajte celkovú účinnosť sústavy elektrolýzapalivové články. Odpoveďový hárok
3.4. Porovnanie obidvoch zariadení
Máte porovnať a posúdiť uvedené zariadenia.
Uvážte nasledujúce obmedzenia:
Objemová kapacita hornej nádrže prečerpávacej elektrárne je 80 miliónov m3.
Ukladanie vodíka do zásobníka má maximálny prietok 2000 m3 vodíka za hodinu.
Ktoré zo zariadení by ste odporúčali na výstavbu?
Výsledok zapíšte do tabuľky 3.4! Odpoveďový hárok
CHALLENGE 1 27 TASK SHEET
COUNTRY: SLOVAKIA Version 19.04.2015 final TEAM:
Úloha D
Odporúčania vášho vedeckého tímu pre výstavbu elektrárne v Klein Virtulien
1. Zhrňte vaše výsledky v tabuľke “Zistenia”, čo vám pomôže zodpovedať konečné stanovisko
v tabuľke “Odporúčania” Odpoveďový hárok
2. Odporúčanie vášho tímu vyznačte v tabuľke “Odporúčania”
3. Odpoveďový hárok
Úloha E Údaje o....
Posúďte správnosť vyhlásení v tabuľke ”Údaje o ….“! Odpoveďový hárok