E U S O D A N M A R K Den Europæiske Unions Science Olympiade Det rene gas DM i Science 2018 Kvalifikationsrunde Tirsdag 23. januar 2018 kl. 12-15 Opgave 1: Opgave 2: Opgave 3: 27 point 26 point 30 point
Opgave 1. Point: 27 Gasballoner med et pift En ballon pustes som regel op med almindelig atmosfærisk luft, men også andre luftarter kan anvendes. I det følgende forsøg vil vi blæse balloner op med gassen carbondioxid. Plastmaterialet, som balloner er lavet af, er gennemtrængeligt for carbondioxid. Derfor vil balloner, der er pustet op med carbondioxid, over tid miste indholdet. Figur 1.1. Balloners flugt Opgaven: Ved hjælp af hævemidlet potaske og svovlsyre pustes en ballon op med carbondioxid, og ballonens tab af omkreds følges over tid. 2
Materialer: 1 stk. vægt 1 stk. sy-målebånd 3 stk. balloner 3 stk. filtrerpapir 25 g fast vandfrit kaliumcarbonat (potaske) 300 ml 2 M svovlsyre 1 stk. 250 ml konisk kolbe 1 stk. 100 ml måleglas 1 stk. stopur 1 stk. mm-papir 1 stk. periodesystem 1 stk. termometer Fremgangsmåde: Afmål 100 ml 2 M svovlsyre i måleglasset og overfør den afmålte svovlsyre til den koniske kolbe. Læg et stykke filtrerpapir på vægten og afvej ca. 8 g fast kaliumcarbonat på filtrerpapiret. Noter den præcise masse af kaliumcarbonat i svararkets boks 1.1. Fold filtrerpapiret sammen omkring det afvejede kaliumcarbonat og sæt filtrerpapiret løst fast i halsen på den koniske kolbe, uden at filtrerpapiret falder ned i svovlsyren. 3
Sæt en ballon fast over den koniske kolbes munding. Figur 1.2. Opstilling med kolbe, filtrerpapir og ballon monteret. Få nu filtrerpapiret med kaliumcarbonat til at falde ned i svovlsyren, start stopuret, og hold godt fast på ballontilslutningen på kolben. Lad stopuret køre under resten af forsøget. Når ballonen har nået sin maksimale størrelse (ikke før!), startes målinger af sammenhørende værdier af tid og ballonens omkreds. Fortsæt med at foretage en måling ca. hvert andet minut i 10 min. Noter sammenhørende værdier af tid og ballonens omkreds i svararkets boks 1.2. Afbild ballonens omkreds som funktion af tiden på et millimeterpapir. Vedlæg graf 1.1. til svararket. Bestem ud fra grafen den omkreds, som ballonen ville have haft, hvis den blev blæst op øjeblikkeligt. Noter værdien af ballonens omkreds i svararkets boks 1.3. Beregn ballonens volumen svarende til den omkreds, som blev beregnet i boks 1.3, under antagelse af, at ballonen har kuglefacon. En kugle har volumenet: V "#$%& = 4 π r- 3 Noter beregning og volumen i svararkets boks 1.4. 4
Mål temperaturen i lokalet og antag, at trykket i lokalet er 1 bar. Beregn stofmængden af carbondioxid, der er produceret ved forsøgets start ved hjælp af idealgasligningen, som er givet ved: P V = n R T, hvor R = 0,0831 7 89: ;<= > Noter temperaturen i lokalet og vis beregningen af stofmængden af carbondioxid i svararkets boks 1.5. Opskriv reaktionsskemaet for kaliumcarbonats reaktion med svovlsyre. Noter reaktionsskemaet i svararkets boks 1.6. Beregn massen af kaliumcarbonat, der har reageret med svovlsyre. Noter beregningen af massen af kaliumcarbonat i svararkets boks 1.7. Hvor stor en del af det afvejede kaliumcarbonat har reageret med svovlsyre? Noter svaret og vis beregningen i svararkets boks 1.8. Hvilken indflydelse vil det have på grafen i de første 10 minutter, hvis man havde anvendt 1 M i stedet for 2 M svovlsyre? Noter svaret og argumenterne for dette i svararkets boks 1.9. Nedenstående graf viser ballonens omkreds som funktion af tiden. Forlæng grafen, så den viser hvordan omkredsen udvikler sig, når tiden går mod uendelig. Argumentér for svaret. Skitsér på grafen i svararkets boks 1.10. 5
Dette afslutter opgave 1. 6
Opgave 2. Point: 26 Gas yder modstand Alle gasser og blandinger heraf, som fx atmosfærisk luft, yder modstand. Det kan udnyttes som det fx kendes fra faldskærme. Faldskærme bruges i mange forskellige sammenhænge, her ses et eksempel med landinger efter rumfart. Faldskærmene virker ved at øge luftmodstanden af den faldende rumkapsel. Luftmodstanden sætter en øvre grænse for rumkapslens hastighed. Denne øvre grænse for hastigheden kaldes terminalhastigheden. Figur 2.1: Nasa tester Orionrumkapslens faldskærme Opgaven I denne opgave undersøges egenskaber ved faldskærme. I stedet for faldskærme bruges muffinforme, som i princippet har samme egenskaber som faldskærme. I den første del skal terminalhastigheden af en enkelt muffin-form bestemmes, og i den anden del undersøges, hvordan massen af muffin-formene påvirker terminalhastigheden. 7
Materialer 8 stk muffin-forme 1 stk stopur 1 stk målebånd 1 rulle malertape Fremgangsmåde del 1: Find en væg eller anden lodret flade, og opmål 6 forskellige højder mellem 0,5 m og 2,0 m og markér dem tydeligt med malertape. Mål faldtiden for muffin-formen, når den falder fra de 6 forskellige højder. Muffin-formen skal falde med bunden nedad, og den slippes ca. 10 cm over den opmålte højde. Faldtiden måles fra muffin-formen passerer malertapen til den rammer gulvet. Da der er en vis usikkerhed i at måle faldtiden, skal hver måling foretages tre gange. Noter alle måleresultaterne og de beregnede gennemsnit i svararkets boks 2.1. Afbild faldhøjden som funktion af faldtiden på et millimeterpapir og indtegn målepunkterne som krydser. Indtegn derefter den rette linje, som bedst passer på målepunkterne. Vedlæg grafen som Graf 2.1. Bestem muffin-formens terminalhastighed ved hjælp af grafen. Skriv beregning og resultat i svararkets boks 2.2. Fremgangsmåde del 2: Mål, hvor lang tid det tager 1, 2, 3, 4, 6 og 8 muffin-forme at falde 2 m. Muffin-formene skal stables og falde som en enhed. Hver måling skal igen gentages 3 gange. Noter alle måleresultaterne og de beregnede gennemsnit i svararkets boks 2.3. 8
Udregn terminalhastighederne v t ud fra gennemsnitstiderne. Noter resultaterne i svararkets boks 2.3. Afbild terminalhastigheden som funktion af antallet af muffin-forme. Vedlæg grafen som Graf 2.2. Afgør ud fra grafen hvilken forskrift, der passer bedst til punkterne: Forskrift Sæt kryds f x = ax f x = a x f x = a x B f x = a x hvor a er en konstant. Sæt kryds i tabellen i svararkets boks 2.4 og begrund svaret. Beregn konstanten a ud fra grafen Skriv beregning og resultat i svararkets boks 2.5. Hvor mange muffin-forme skal der til for at opnå en terminalhastighed på 5,5 m/s? Skriv beregning og resultat i svararkets boks 2.6. Luftmodstanden afhænger også af overfladearealet af muffin-formene. Hvad sker der med terminalhastigheden, når overfladearealet af muffin-formene gøres større? Sæt kryds i tabellen i svararkets boks 2.7. Dette afslutter opgave 2. 9
Opgave 3. Point: 30 Gasser udveksles måling af respiration De fleste organismer respirerer, dvs. har et luftskifte med omgivelser. Dette luftskifte er knyttet til de levende organismers energistofskifte. Ser man bort fra planter, dækker størsteparten af levende organismer deres energibehov ved at forbrænde organisk stof. På mere almindeligt dansk: de indtager føde, som derefter nedbrydes til energi og affaldsstoffer i cellerne. Forsøgsorganismen i dette eksperiment er larver af melbillen. Både melbillen og dens larver er vist i figur 3.1 herunder. Melbiller og deres larver ernærer sig som navnet antyder af mel, havregryn og lignende. Figur 3.1 Melbillen Tenebrio molitor (tv) og dens larver (th). Opgaven: I skal beregne en melorms iltforbrug, målt i mm 3 O 2 pr. minut pr. gram melorm ved to forskellige temperaturer. I skal selv konstruere to mini-respirometre ved hjælp af pasteurpipetter, tape, vat, vaseline og millimeterpapir, se figur 3.2. Ved at lade respirometret indeholde et stof, der binder carbondioxid vil forbruget af luft direkte repræsentere forbruget af ilt. Melorme forbruger ilt og frigør carbondioxid i forbindelse med forbrænding af glukose i cellerne. Opskriv reaktionsskemaet, der beskriver forbrændingen af glukose. Husk at afstemme reaktionsskemaet, og noter det afstemte reaktionsskema i svararkets boks 3.1. Melormes iltforbrug pr. minut pr. gram melorm afhænger af temperaturen. I skal i det følgende udføre målinger ved stuetemperatur såvel som ved en lavere temperatur, og svarene noteres særskilt i svararket. 10
Materialer: Melorme 1 vejebåd Analysevægt med en nøjagtighed på 0,01 g 2 pasteurpipetter af glas, med lang spids Vandskyende vat 1 engangs-grillspyd af træ 1 pincet NaOH, knust groft, opbevaret tørt i lille flaske Vaseline 1 injektionssprøjte uden kanyle Tape Opløsning af farvestof Millimeterpapir 1 stopur 1 overhead-transparent 4 propper Kølelegemer eller tilsvarende 1 fotobakke 1 termometer Fremgangsmåde: Figur 3.2. Illustration af forsøgsdesignet. Linealen tjener alene som støtteanordning. Anbring en lille tot vandskyende vat i bunden af pipetten på overgangen af det smalle og det brede stykke. Skub ind med træ-grillspyddet. Vattet må ikke presses for hårdt sammen, idet der skal kunne 11
komme luft igennem. Anbring derefter nogle små stykker NaOH ved vattet. Håndter NaOH med en pincet! Skyl pincetten efter brug og tør den. Anbring endnu en tot vat ovenpå NaOH-stykkerne - pres let med pinden. Sørg for, at evt. NaOH, der sidder på indersiden af pipettens brede del, skubbes med ind. Udvælg en aktiv melorm. Vej melormen. Noter massen i svararkets boks 3.2. Anbring melormen med bagenden ned mod vattet. Pas på ikke at mase den eller skade den på anden måde. Indsæt endnu en tot vat, nu i pipettens brede ende, til at holde melormen på plads. Stik den brede ende af pipetten ned i vaselinen, så pipettens brede åbning bliver forseglet lufttæt. Pipetten fungerer nu som et respirometer, hvori luftens carbondioxid absorberes af NaOH. Fastgør respirometret til et stykke millimeterpapir og linealen ved hjælp af tape, se figur 3.2. Vent et par minutter, til melormen har vænnet sig til de nye betingelser. Anbring en dråbe farvestof i den tynde ende af pipetten - kapillærkræfterne vil suge dråben ind. NB: Brug evt. en injektionssprøjte til at anbringe dråben. Vær tålmodig og forsøg evt. igen, hvis det ikke lykkes i første omgang. Efter ca. 15 sekunder afmærkes dråbens placering på millimeterpapiret. Efter 5 minutter markeres det, hvor langt farvedråben er nået. NB: Hvis dråben ikke flytter sig, skal du tjekke respirometret for utætheder og stoppe dem. Noter resultatet i svararkets boks 3.2. Gentag målingerne 3 gange mere, så I har målinger over 4 gange 5 minutter. Noter resultaterne i svararkets boks 3.2. Mål temperaturen omkring forsøgsopstillingen. Noter resultatet i svararkets boks 3.2. Forsøget gentages nu ved lavere temperatur med en ny melorm og et nyt respirometer. 12
Konstruer et kølebord ved hjælp af fotobakken, kølelegemer, propper og overhead-transparenten, se figur 3.3. Figur 3.3. Tegning af forsøgsopstillingen. Anbring kølelegemet i fotobakken. Placer respirometret med melormen på overhead-transparenten. Placer dernæst termometeret således, at temperaturen måles tæt på melormen. Vent 5 minutter og gentag målingerne, så I får en tilsvarende forsøgsserie ved den lavere temperatur. Noter resultaterne i svararkets boks 3.3. Beregn for begge temperaturer hvor stort melormenes iltforbrug er, udtrykt i mm 3 /gram, for hver af de 4 perioder. Respirometerspidsens indre diameter er 1,0 mm. Noter svarene i svararkets boks 3.4, og angiv et eksempel på udregningerne i svararkets boks 3.5. Der kan forekomme variation i resultaterne, sådan at melormene ikke har brugt lige meget ilt i hver 5 minutters periode. Angiv mulige forklaringer på denne variation. Noter i svararkets boks 3.6. Afbild for begge temperaturer melormenes akkumulerede iltforbrug (mm 3 O 2/g) som funktion af tiden, dvs. efter 5, 10, 15 og 20 minutter. Graferne indtegnes på samme millimeterpapir med tydelig markering af målepunkterne. Denne afbildning kaldes Graf 3.1. Vedlæg Graf 3.1 til svararket. Hvilken matematisk sammenhæng er der mellem melormenes iltforbrug og den forløbne tid? Noter svaret i svararkets boks 3.7. 13
Beregn en værdi for melormens iltforbrug pr. gram pr. minut for begge temperaturerne. Noter svarene i svararkets boks 3.8. Angiv udregningerne. For hver liter ilt, der forbruges til respiration, frigøres en energimængde på ca. 20 kj. Beregn hvor meget energi i kj, en melorm har behov for pr. time pr. gram ved de to forsøgstemperaturer. Skriv svarene i svararkets boks 3.9. Anfør udregninger. Hvilke faktorer udover omgivelsernes temperatur kan have indflydelse på melormes iltforbrug pr. tidsenhed? Begrund og noter en faktor i svararkets boks 3.10. Det er nødvendigt at have NaOH i respirometret for at opnå målbare resultater. Forklar hvorfor. Skriv din forklaring i svararkets boks 3.11. Carbondioxid, der dannes ved forbrændingen reagerer med natriumhydroxid i respirometret. Opskriv et forslag til et afstemt reaktionsskema for reaktionen mellem natriumhydroxid og carbondioxid, med angivelse af tilstandsform. Noter dit forslag til reaktionsskema i svararkets boks 3.12. Dette afslutter opgave 3. 14