Testversie NLT-Module Landelijk Ontwikkelpunt NLT Module nlt2-v109 www.betavak-nlt.nl Titel Afdeling Fotosynthese en energie op aarde vwo Datum 1-7-2007 Disclaimer: Dit materiaal is een testversie van een landelijke NLT-module. Het is dus géén landelijk gecertificeerde module, maar materiaal dat nog in ontwikkeling is. Het materiaal wordt in de maanden september t/m december 2007 getest op twee bij het Landelijk Ontwikkelpunt NLT geregistreerde testscholen. Op basis van de evaluatiegegevens van deze scholen en eventuele gegevens van anderen die de module hebben bekeken en/of uitgeprobeerd, wordt de module bijgesteld. Indien de eindversie voldoet aan de NLTcriteria zal de module gecertificeerd worden en vanaf juni 2008 beschikbaar zijn. De testversies worden ter beschikking gesteld aan iedere belangstellende, onder de volgende voorwaarden: het materiaal mag slechts met niet-commerciële doeleinden worden gebruikt de gebruiker is zich ervan bewust dat de testversie nog niet getoetst is door de Stuurgroep NLT en/of het Landelijk Ontwikkelpunt NLT, en dat deze geen enkele verantwoording dragen voor de inhoud van de testversie. bij gebruik van de testversie hoort een gedegen bronvermelding bij gebruik van de testversie wordt aangegeven dat het een testversie betreft (en dus niet een landelijk gecertificeerde module) er worden geen gewijzigde versies van deze testversie gebruikt dan wel in omloop gebracht, de ontwikkelaars van de testversie zijn de enige die de module bijstellen het Landelijk Ontwikkelpunt NLT stelt alleen de testversies ter beschikking. Het is niet mogelijk om andere ondersteuning (bijvoorbeeld extra bestanden, docentenmateriaal e.d.) te verstrekken. Het Landelijk Ontwikkelpunt is uiteraard geïnteresseerd in (gedegen en opbouwend) commentaar op deze testversie. Uw bijdrage kunt u tot 1 januari 2008mailen naar info@betavak-nlt.nl. De binnengekomen bijdragen zullen door ons gebundeld worden en doorgegeven aan de ontwikkelaars.
Fotosynthese en energie op aarde
Fotosynthese en energie op aarde... 1 Toelichting bij het concept II... 5 Voorwoord... 5 Deel A... 7 Theorie1. Reis naar Amerika... 7 1. Reis naar Amerika... 8 2. CO2 uitstoot compenseren... 10 3. Brandstoffen van de toekomst... 12 4. ENERGIE... 14 4.1. Energie komt in verschillende vormen... 14 4.2. Hoe jij aan je energie komt... 15 4.3. Verbranding en redoxreacties: hoe cellen energie krijgen... 15 4.4. Gas, olie en electra: energie in het dagelijks leven... 17 5. Fotosynthese... 19 5.1.Lichtenergie... 20 6. Warmte en energie... 27 6.1. Moleculen... 27 6.2. Kwantificeren van warmte... 27 6.3. Warmtetransport... 28 7. Ontwerpopdracht... 30 Deel B... 32 Experimenten1. Biomassa produceren... 32 1. Biomassa produceren... 33 1.1 Inleiding... 33 1.2 Principe... 34 1.3. De bioreactor... 35 1.3.1. Materialen... 35 1.3.2. Werkwijze... 36 1.3.3. De voorbereiding... 36 1.3.3.2 Proefopzet... 37 1.3.3.3 Veiligheid... 37 1.3.4. De uitvoering... 37 1.3.4.1. Voorbereidingen... 37 3. 1.3.4.2 Starten van de chemostaat... 39 1.3.4.3 Stoppen van de chemostaat... 39 1.4. Resultaatverwerking... 39 2. Eigenschappen van chlorofyl... 41 2.1. Inleiding... 41 2.2. Doel... 41 2.3 Materiaal... 41 2.4 Werkwijze... 41 2.4.1 Bladgroenextract... 41 2.4.2 Chlorofylmolecuul aanslaan... 42 2.4.3. Het scheiden van bladpigmenten met chromatografie... 43 3. Groeimodellen... 44 4. Energie in een gesloten en open plantenkas... 48 4.1 Inleiding... 48 4.2 Doel... 48 4.3 Principe... 48
Aansluiting op hoofdstuk 3 Groeimodellen... 49 4.4 Materiaal... 49 4.5 Werkwijze... 49 4.5.1 De theoretische voorbereiding... 49 4.5.1.2 Meten... 49 4.5.2 Praktische voorbereiding, veiligheid en uitvoering... 50 4.5.2.1 Veiligheid... 50 4.5.2.2 De praktische voorbereiding... 50 4.5.3 Starten van de kweekopstelling... 50 4.5.4 Stoppen (en doorgaan) met de kweek... 51 4.6 Resultatenverwerking... 52 5 Bijlagen... 53 5.1 Kweekmedium... 53 5.2 Biomassabepaling... 54 5.2a Bsurface.exe... 54 5.3 IPCoach... 56 5.4 Bouwtekeningen, foto s en aanvullende informatie... 57
Toelichting bij het concept II Dit is het tweede (nagenoeg volledige) concept van deze NLT module. De volgende zaken zijn nog in bewerking: 1) Een aantal figuren worden op dit moment gemaakt. Op korte termijn zullen voor een aantal figuren alternatieven worden ingevoegd om de tekst te verduidelijken. Deze zijn echter niet rechtenvrij. 2) De overgangen tussen de verschillende hoofdstukken/onderdelen zijn nu grotendeels verduidelijkt.. Op dit moment wordt er aan de laatste verbindende teksten gewerkt om dit duidelijker te maken. 3) De laatste proef in het experimentele gedeelte waarin de gesloten kas wordt gedemonstreerd is nog niet helemaal klaar. Materialen die al geruime tijd geleden zijn besteld zijn niet op tijd geleverd waardoor het prototype niet voldoende getest kon worden. Voorwoord Onze energie komt van de zon Voor niets gaat de zon op : mensen gebruiken deze uitdrukking om zich te verontschuldigen dat ze ergens geld voor vragen. Voor niets gaat de zon op: maar ik kan niet van niets leven, ik heb geld nodig. Het mooie is dat wij, dankzij fotosynthese, allemaal van de zon leven. Wat we kunnen kopen met geld dat we voor ons werk vragen, is gemaakt met zonne-energie. Alles wat je eet wordt gemaakt door planten, en als je geen vegetariër bent, ook door dieren die daarvoor planten hebben gegeten. Maar ook voor je kleren, het huis waarin je woont en alle spullen daarin ben je afhankelijk van fotosynthese. Soms omdat plantaardige materialen nodig zijn, katoen, linnen of hout bijvoorbeeld, maar altijd omdat er brandstof nodig is. Bijna altijd is dat fossiele brandstof: organische stof die honderden miljoenen jaren geleden gemaakt werd door planten die leefden van de zon. Die brandstof is nodig bij de productie en voor alle vrachtwagens die er voor nodig zijn om producten in de winkels te krijgen. En ook voor de elektriciteit die nodig is om de winkels te verlichten en producten te koelen, en om thuis licht te hebben, om je computer en tv te laten werken en je mobieltje op te laden. Bovendien is aardolie grondstof voor de productie van de kunststoffen die vrijwel overal inzitten. Van je mobieltje blijft bijna niets over als je de kunststof weg zou denken. De energie van de zon maakt dus leven op aarde mogelijk, en fotosynthese is het proces waarmee planten die energie omzetten in een vorm waar alle organismen van profiteren. Dat klinkt simpel en probleemloos, maar dat is het helaas niet. Wij gebruiken zoveel brandstof, dat het einde van de olievoorraad in zicht komt. Bovendien zorgt dat grote verbruik van fossiele brandstoffen voor vervuiling en de uitstoot van veel CO2, het belangrijkste broeikasgas. Bij het zoeken naar oplossingen voor deze problemen roept men fotosynthese ook weer te hulp: biobrandstoffen, aanplant van bomen om CO2 op te nemen. Dit levert echter vragen op. Zijn dit wel echte oplossingen? Hoe werkt dat dan? Kan het efficiënter? Komt de voedselproductie niet in gevaar? Voor de productie van energie is er naast zonne-energie ook nog kernenergie, windenergie en energie uit water. De bijdrage van deze laatste drie vormen is echter betrekkelijk gering. In deze module leer je wat het verband is tussen fotosynthese en energie op aarde. Totnogtoe ging het daarbij meestal om fossiele brandstoffen als energiebron. Hier gaan we in op alternatieven zoals biobrandstoffen maar ook hoe je met uitsluitend zonne-energie voedselgewassen kunt produceren. Om alles in een goed verband te kunnen plaatsen gaan we in op energie, wat dat is, in welke vormen het
voorkomt en hoe je energie transporteert. Omdat fotosynthese een sleutelproces is bij het vastleggen van zonne-energie wordt dit proces gedetailleerd behandeld. Naast de genoemde theorie is er een experimenteel deel waarin kennis wordt gemaakt met: - Het effect van omgevingsfactoren op fotosynthese - Eigenschappen van chlorofyl - Groeimodellen Aan het eind van de module wordt een kas ontworpen waarin planten geteeld worden zonder dat er fossiele energie nodig is. Enkele onderliggende principes worden verduidelijkt in een bijbehorende proef. Het ontwerp van de kas is ook de eindopdracht waarop je beoordeeld wordt. Daarnaast zijn er nog twee toetsen. In de eerst wordt de kennis op het gebied van fotosynthese getoetst en de tweede wordt het begrip van de benodigde natuurkunde getoetst.
Deel A Theorie
1. Reis naar Amerika Straks, na het eindexamen, hebben jullie de langste vakantie van je leven. Met een groepje vrienden ben je plannen aan het maken. Het moet echt bijzonder worden. Geen Terschelling of Lloret de Mar of zo. Het mag wat kosten, jullie zijn allemaal al flink aan het sparen. Als iemand oppert: Amerika, wordt het even stil. Iedereen begint te denken. En dan komen de ideeën op tafel: New York, Miami, rondreizen met een camper, route 66, Disney, Los Angeles, Hollywood, Las Vegas, de natuurparken moeten zo mooi zijn.. Twee weken later heeft iedereen informatie over reizen in Amerika opgezocht. Omdat jullie zoveel tijd hebben, lijkt een rondreis het leukst. New York kan ook als korte reis. Heel Amerika door is teveel, zeker omdat hooguit twee mensen hun rijbewijs op tijd zullen hebben. Een rondreis door Florida gecombineerd met de Florida Keys? Door Miami rondrijden in een grote Amerikaanse slee, naar Disney World? Of naar Californië? San Francisco, Los Angeles en dan trekken door Yosemite Park, Las Vegas misschien naar de Grand Canyon? Moeilijk kiezen. Florida valt uiteindelijk af. In de zomervakantie is er daar veel kans op orkanen. Californië dan? Iedereen is voor. WE GAAN NAAR CALIFORNIE!!! Als jullie nu al een vliegreis boeken kan je nog goedkope tickets krijgen. Jij hebt het op je genomen de goedkoopste optie te zoeken. Een speurtocht op internet brengt je uiteindelijk bij tickets voor 550. Iedereen is akkoord, alle gegevens worden ingetikt, je drukt op verzenden. WE GAAN NAAR CALIFORNIE!!! Er komen steeds leukere plannen, internet staat vol tips over reizen in dit gebied. Je hebt er verschrikkelijk veel zin in. Maar één ding knaagt aan je geweten: vliegen is niet bepaald milieuvriendelijk. Je houdt het lang voor je, maar na een les bij biologie over het broeikaseffect blijkt dat de anderen daar ook over hebben zitten dubben. Jullie besluiten te kijken of er een mogelijkheid is om voor de CO2 uitstoot van jullie vlucht te compenseren, door bomen aan te planten of zo. Opdracht 1.1 Beschrijf in het kort wat het broeikaseffect is. Misschien heb je het al behandeld gekregen, anders kan je het opzoeken in een biologie of ANW boek. Of je zoekt op het internet, bijvoorbeeld: http://www.kennislink.nl/web/show?id=118424 Opdracht 1.2 Waarom moet je eigenlijk spreken van het versterkte broeikaseffect? Bekijk tabel 93 G in Binas: koolstofkringloop. Koolstof komt in verschillende vormen voor. In organische stoffen, dat zijn verbindingen die gemaakt worden door organismen. En anders in anorganische stoffen, zoals CO2 en CaCO3. Verklaring van kleuren en termen: groen planten (en bepaalde bacteriën) die zelf organische stoffen kunnen maken blauw dieren (en andere organismen) die organische stoffen moeten opnemen om te kunnen leven bruin reducenten: organismen (vooral schimmels en bacteriën) die leven van dood organisch materiaal, en dat weer omzetten in anorganische materialen. oranje anorganische koolstofverbindingen assimilatie opbouw van organische stoffen
dissimilatie aëroob anaëroob afbraak van organische stoffen. De verbranding van voedsel in je lichaam, die je energie levert, is hier een belangrijk voorbeeld van met zuurstof zonder zuurstof Opdracht 1.3 a. Wat zijn de bronnen van CO2? b. Wat zorgt voor het versterkte broeikaseffect? c. Op welke manieren wordt CO2 uit de atmosfeer opgenomen? d. Hoe kan de aanplant van bomen zorgen voor compensatie van de CO2 uitstoot? Schrijf hierbij de formule van de fotosynthese op. Opdracht 1.4 In een kringloop wordt alles hergebruikt. De koolstofkringloop functioneert al miljarden jaren. De hoeveelheid koolstof op aarde blijft gelijk. Er is dus een evenwichtssituatie. a. Toch is er nu in ongeveer 100 jaar tijd een probleem ontstaan met de CO2 uitstoot en het versterkte broeikaseffect. Hoe kan dat? b. Welke processen in de kringloop (tabel 93 G) spelen hierbij een rol? opdracht 1.5 a. Wat gebeurt er met de organische stoffen die planten opbouwen? b. Wat betekent dat voor de CO2-compensatie?
2. CO2 uitstoot compenseren Je bent net terug van je vakantie naar Californië. Een geweldige ervaring en wat heb je veel gezien. Wat je echter ook is opgevallen is dat de hoeveelheid fossiele brandstoffen die door de Amerikanen wordt gebruikt een stuk hoger is dan wat wij in Nederland gebruiken. In de gesprekken met de vrienden waarmee je op vakantie was, blijkt dat het ook hen is opgevallen, die enorme koelkasten, grote auto s en overal airco s. Met alle berichten over klimaatsverandering en met het opraken van de aardolie in zicht zet dat je aan het denken. Met je vakantiegroep bespreek je de enorme hoeveelheden fossiele energie die er gebruikt worden in onze samenleving. Je wilt wat meer over de gevolgen daarvan weten. Daartoe besluiten jullie een aantal zaken uit te gaan zoeken. Opdracht 1-4 voer je uit als voorbereiding op de les. Opdracht 2.1 Ga met je vakantiegroep na hoeveel fossiele energie er gemiddeld wordt gebruikt per hoofd van de bevolking in Nederland (of Europa), in de Verenigde Staten, in China en in een (willekeurig) Afrikaans land. Ga ook na wat voor fossiele energie dit is. Vermeld je bronnen. Opdracht 2.2 Zoek uit wat het gemiddelde brandstofgebruik van een vliegtuig is. Bereken hoeveel brandstof jij hebt gebruikt voor je reis naar de VS en daarvan afgeleid hoeveel CO2-uitstoot dit tot gevolg heeft gehad. Vermeld je bronnen. Opdracht 2.3 Zoek op internet welke initiatieven er worden ondernomen om de CO2-uitstoot te compenseren als gevolg van vliegen. Wat wordt er precies gedaan binnen zo n initiatief? Vermeld je bronnen. Opdracht 2.4 Waarvoor wordt de grootste hoeveelheid fossiele energie gebruikt? Vermeld je bronnen. Opdracht 2.5 Voor het gebruik van fossiele brandstoffen zijn tal van alternatieven mogelijk. In een brainstormsessie met je groep maak je een lijst met acht alternatieven. Klassikaal worden alle lijstjes met alternatieven geïnventariseerd en er wordt één lijst met alternatieven voor fossiele energie gemaakt. De voor- en nadelen, mogelijkheden en onmogelijkheden van de verschillende alternatieven worden doorgesproken. Je hebt net gezien dat vliegen dus niet echt milieuvriendelijk is, maar dat wist je waarschijnlijk wel. De CO2 uitstoot van een vliegtuig is ongeveer even groot als de uitstoot die je zou krijgen als elke passagier in z n eentje die zelfde afstand zou afleggen met een auto! Wel vreemd dat vliegen zo goedkoop is terwijl er zoveel brandstof wordt verbruikt. Dat komt omdat er geen belasting wordt geheven op vliegtuigbrandstof. Wel gek als je bedenkt dat de brandstoffen een keer op zullen raken Opdracht 2.6 Zoek uit hoeveel bos er nodig is om de CO2 uitstoot van je vliegreis te compenseren. Gebruik daarbij je antwoord van opdracht 2.2
Hoe bereken je dit? In opdracht 2.2. heb je de hoeveelheid CO2 berekend. Nu moet je nagaan hoe lang het duurt voordat de uitgestoten CO2 gereabsorbeerd wordt door planten. Planten absorberen een bepaalde hoeveelheid CO2 per oppervlakte eenheid per tijdseenheid (bv. m 2 /s). Dit is de CO2 fixatie snelheid die op verschillende manieren gemeten kan worden bijvoorbeeld de hoeveelheid CO2 per vierkante meter per seconde (dit is de standaard manier die plantenwetenschappers gebruiken) of de hoeveelheid per hectare per jaar. In beide gevallen meet je uiteindelijk hetzelfde. Een belangrijk aandachtspunt: de tijd die nodig is om een bepaalde vaste hoeveelheid CO2 te absorberen afhangt van de te absorberen hoeveelheid CO2, de snelheid van CO2 opname en het oppervlak van de vegetatie die fotosynthetiseerd. Veronderstel dat de tijdens de vliegreis geproduceerde CO2 binnen een jaar moet worden opgenomen (vraag jezelf wel af of dit een acceptabel tijdsinterval is). De volgende stap is dan om vast te stellen hoe snel de vegetatie (o.a. bossen) CO2 kan vastleggen en hoe groot het bosoppervlak moet zijn om de tijdens de vliegreis geproduceerde hoeveelheid CO2 in een jaar te absorberen. - Met behulp van de volgende websites kun je uitrekenen wat dat oppervlak is. http://earthobservatory.nasa.gov/newsroom/npp/npp.html. Dit is een link naar kaarten waarvan de netto primaire productie, een andere naam voor CO2 fixatie snelheid, kan worden afgelezen. - http://www.icsu-scope.org/downloadpubs/scope13/chapter05.html. Een overzicht van de jaarlijkse CO2 accumulatie door verschillende ecosystemen. Als je het goed gedaan hebt zie je dat er enorm veel bos en daarmee bomen nodig zijn, maar daar is geen ruimte voor in Nederland. Maar misschien kunnen we het op een andere manier compenseren. Opdracht 2.7 We gaan de CO2 uitstoot van onze vliegreis compenseren door eendenkroos in het IJsselmeer te stoppen. Bereken hoeveel eendenkroos daar voor nodig is. Deze opdracht lijkt op de vorige, het verschil is dat je nu maar met één plantensoort werkt, eendenkroos. Evenals in de vorige opdracht moet je bepalen over welk tijdsinterval de uitgestoten CO2 moet worden geabsorbeerd. Bedenk dat een tijdsinterval van een jaar voor eendenkroos niet praktisch is omdat de plant aan het eind van de zomer verdwijnt. Een paar maanden is dus meer realistisch. Als je dat vastgesteld hebt kun je de snelheid waarmee eendenkroos CO2 opneemt gebruiken om het oppervlak dat je nodig hebt uit te rekenen. Je moet je echter bedenken dat CO2 opname door eendenkroos zal resulteren in een toename van het oppervlak eendenkroos (groei!). Deze berekening wordt daardoor wat moeilijker omdat je hiervoor zult moeten compenseren. Met andere woorden, met welk oppervlak eendenkroos moet je beginnen om de uitgestoten hoeveelheid CO2 in één groeiperiode te absorberen. Tip: gebruik deel B hoofdstuk 3: groeimodellen.
3. Brandstoffen van de toekomst Met het opraken van de olie wordt er hard gezocht naar alternatieven. Op dit moment wordt er jaarlijks 4.4 x 10 9 m 3 olie per jaar gebruikt. Met dat verbruik is de olie over 30-50 jaar op. Als je de huidige olieconsumptie vergelijkt met de snelheid waarmee het 20-200 miljoen jaar geleden gevormd werd dan kun je concluderen dat dit met het huidige verbruik 300.000 maal sneller gaat dan waarmee het destijds gevormd werd (15.000 m 3 /jaar) uit planten. Bij het ontwikkelen van alternatieven komen de termen duurzaamheid en hernieuwbaar steeds weer naar voren. Het gaat dan eigenlijk telkens om biobrandstof die gewonnen wordt uit biomassa van planten. Op wereldschaal is de behoefte aan brandstof ten behoeve van de mobiliteit en elektriciteit 5 10 9 ton/jaar aan (droge!) biomassa. Een industriële plantage (bv. een palmolie- of een suikerrietplantage) levert gemiddeld 10 ton/ha per jaar aan droge biomassa. Er zouden dus 500 10 6 ha aan landbouwgrond moeten zijn. Om je een idee te geven, deze oppervlakte komt overeen met de helft van de huidige oppervlakte aan tropisch regenwoud op aarde of 120 maal de oppervlakte van Nederland. Er kunnen verschillende soorten biomassa geproduceerd worden. Twee mogelijkheden zijn het meest nadrukkelijk in beeld, de vergisting van koolhydraten (polymere suikers) uit planten in alcohol en de productie van biodiesel uit planten. Het is niet eenvoudig om op genoemde schaal biomassa voor brandstof duurzaam te produceren. Het zal immers gaan om het op grote schaal telen van dezelfde gewassen (monoculturen) waarvoor een enorm oppervlak aan extra landbouwgronden in cultuur moet worden gebracht. Dat zal leiden tot een modificatie van ecosystemen. De kringloop van mineralen in een landbouwecosysteem is heel anders dan in een natuurlijk ecosysteem zoals het tropisch regenwoud. De bodem van bijvoorbeeld een tropisch regenwoud is doorgaans arm aan nutriënten zoals N, P, K, Ca, Mg en S. Toch komen in een natuurlijk tropisch regenwoud zelden symptomen van mineralendeficiëntie voor. Het zijn duurzame steady-state ecosystemen waarin de meeste biomassa bovengronds gerecycled wordt. Landbouw die bedreven wordt op dezelfde gronden wordt echter regelmatig geconfronteerd met mineralendeficiëntie, opbrengstvermindering of vatbaarheid voor ziekten en plagen. Dat is veelal een gevolg (van een combinatie) van: - Verminderde hoeveelheden organische stof in de bodem; - Slechte bodemstructuur; - Erosie; - Arm bodemleven (lage bodembiodiversiteit); - Mineralendeficiëntie (bemestingsniveau). Een ander aspect van duurzaamheid is de biomassa-input die nodig is om biomassa te kunnen produceren. Het bewerken van landbouwgronden, het produceren van meststoffen, het verwerken van de geoogste (ruwe) biomassa, het vervoeren van de biomassa etc. kost energie en daarmee biomassa. Op dit moment kost het produceren van biodiesel uit gewassen als soja, koolzaad en zonnebloem meer energie dan het oplevert! Voor de productie van ethanol uit suiker (5500 liter alcohol/ha suikerriet) of biodiesel uit palmolie ligt deze verhouding gunstiger. Er zal dus steeds kritisch gekeken moeten worden naar de kosten en baten van biomassaproductie. Dat de productie van biobrandstoffen energie kost is natuurlijk niet raar. Bedenk dat het winnen van olie of gas uit de ondergrond, het raffineren van olie, het transport etc. altijd energie kost. Een tekort aan olie kan leiden tot een landbouwcrisis waarin het conflict is de productie van biomassa tegenover voedselproductie. In 2007 liepen de gemoederen in Mexico al hoog op omdat de prijs van maïsmeel (waar de Mexicanen) tortilla s van bakken omhoog ging. Er werd gesuggereerd dat dit een gevolg was van de enorme vraag naar maïs in de Verenigde Staten voor vergisting tot bioethanol.
Opdracht 3.1 Wat wordt er bedoeld met de termen duurzaam en hernieuwbaar? Geef voorbeelden van duurzame energiebronnen en hernieuwbare energiebronnen? Opdracht 3.2 Lees het krantenartikel We verbranden gigantisch veel voeding uit de NRC van 31-03-2007. Opdracht 3.3 Waarom wil de Europese commissie het produceren en gebruiken van biobrandstoffen bevorderen? Opdracht 3.4 a Van welke gewassen kan biodiesel gemaakt worden? b Welke voedingsstoffen zijn duurder geworden? c Wat kan, behalve de prijs, een probleem zijn voor de voedingsmiddelenindustrie? d Welke andere oorzaken worden genoemd voor de gestegen prijzen? Opdracht 3.5 a Waarom wordt in Amerika vooral bio-ethanol gemaakt? b Waarmee concurreert de produktie van bio-ethanol? Opdracht 3.6 Het verbouwen van gewassen voor olie gaat ten koste van het verbouwen van voedingsgewassen. Of er moet nieuwe grond voor landbouw in gebruik genomen worden. a Waar gebeurt dat bijvoorbeeld? b Waar komt die nieuwe grond vandaan denk je? Opdracht 3.7 Als alle landen de doelstelling van de Europese commissie overnemen, wat betekent dat dan voor de productie van plantaardige oliën als je het vergelijkt met de productie nu? Opdracht 3.8 Vind jij dat Nederland moet kiezen voor het stimuleren van biobrandstoffen? Welk argument is voor jou daarbij het belangrijkst?
4. ENERGIE 4.1. Energie komt in verschillende vormen Je realiseert je inmiddels dat alles wat je doet energie kost. Tijdens je reis naar Amerika heb je veel energie gebruikt en je hebt gezien dat in de Amerikaanse samenleving op een andere manier met energie wordt omgesprongen dan in Europa. Maar ook wij in Europa gebruiken veel fossiele energie, zeker als je dat vergelijkt met landen in Afrika en veel Aziatische landen. Energie is een moeilijk begrip om te omschrijven. In het dagelijkse leven gebruik je het begrip energie op een andere manier dan bij natuurkunde. Als je zegt: ik heb vandaag helemaal geen energie dan klopt dat niet volgens een natuurkundige. Energie gaat nooit op, het gaat van de ene vorm over in de andere. Jij hebt ook energie nodig. Energie om te bewegen, voor het aanmaken van stoffen die nodig zijn in je lichaam, en extra stoffen voor groei en herstel; en heel veel energie is nodig voor alle mogelijke vormen van transport, zoals het in de cellen halen van voedingsstoffen, of het verplaatsen van geladen deeltjes zodat zenuwen elektrische signalen kunnen doorgeven. Warm blijven lukt meestal al doordat bij veel processen in je lichaam warmte-energie vrijkomt, maar soms ga je rillen of klappertanden om wat extra warmte-energie te produceren. Voor al die energie ben je afhankelijk van de chemische energie die in je eten zit. Het maken van de moleculen in je eten heeft ooit energie gekost en die energie kan vrijkomen bij een reactie. Tabel 4.1.Verschillende eenheden waarin energie wordt uitgedrukt. J 1J J staat voor Joule en is de standaardeenheid voor energie kj 1kJ = 1000 J kj staat voor kilojoule cal 1 cal = 4,184 J cal staat voor calorie, een nog altijd veel gebruikte eenheid om de energie-inhoud van voedsel aan te geven. kcal 1 kcal = 4,184 kj kwh 1 kwh = 3600 kj kwh staat voor kilowattuur en is een eenheid die nog veel gebruikt wordt om energieverbruik van huishoudens af te rekenen. ev 1 ev = 1,602 10-19 J ev staat voor elektronvolt Opdracht 4.1 Geef van elke overgang een voorbeeld a potentiële energie naar kinetische energie b chemische energie naar mechanische energie c potentiële energie naar elektrische energie d elektrische energie naar thermische energie (warmte) e elektrische energie naar lichtenergie f lichtenergie naar elektrische energie Opdracht 4.2 Op welke andere vorm van energie (zie de vorige opdracht) lijkt chemische energie het meest? Opdracht 4.3 Beschrijf wat er wel aan de hand is met je energie, als je helemaal geen energie hebt.
4.2. Hoe jij aan je energie komt Een jongen in de leeftijdscategorie 14-18 jaar heeft gemiddeld zo n 2900 kcal per dag nodig, een meisje heeft genoeg aan 2300 kcal. Eén big mac bevat al zo n 572 kcal, 100 gram friet bevat 456 kcal. Dan kun je wel nagaan dat een big mac-menu je heel veel energie oplevert! Helaas kun je het teveel aan energie op een dag niet gebruiken om je brommer te laten rijden. Opdracht 4.4. Zoek uit hoeveel energie jij dagelijks tot je neemt. Doe dit door een aantal dagen bij te houden wat en hoeveel jij eet! Opdracht 4.5. In de vorige opdracht 4.5 heb je bijgehouden wat je eet. Ga na waaruit dat voedsel bestond en ga na hoeveel energie je uit de verschillende voedingstoffen haalt door onderstaande tabel in te vullen en uit te rekenen hoeveel energie er uit iedere voedingstof komt. Wat is volgens jou de beste verhouding van de verschillende voedingstoffen en waarom? Dag Koolhydraten Energie Vetten Energie Eiwitten Energie 4.3. Verbranding en redoxreacties: hoe cellen energie krijgen Organismen halen hun energie vooral uit koolhydraten en vetten, eventueel uit andere verbindingen, zoals eiwitten. De cellulaire verbranding met zuurstof vindt plaats in mitochondriën. Opdracht 4.6. a Bij de verbranding in cellen wordt meestal uitgegaan van glucose. Schrijf de reactievergelijking van deze verbranding op (je hoeft de reactie niet kloppend te maken). b Het belangrijkste bestanddeel van houtskool is koolstof. Wat is de reactievergelijking van de verbranding van koolstof? c Een belangrijk bestanddeel van benzine is heptaan: C7H16. Wat is de reactievergelijking van de verbranding in een benzinemotor? Een verbrandingsreactie is een reactie met zuurstof, ook wel oxidatie genoemd. Het maken van brandstof gebeurt door een reactie die het tegenovergestelde is van oxidatie: reductie.
Reductie en oxidatie: redox-reacties Redox-reacties draaien om het transport van elektronen. Daarbij zal de ene stof elektronen afstaan en de andere stof elektronen accepteren. De stof die elektronen accepteert wordt gereduceerd. Gereduceerd betekent dat de lading minder wordt, ook al is dat vaak: sterker negatief. Geoxideerd worden betekent juist elektronen afstaan. Een voorbeeld: de oxidatie van ijzer: Fe + 3 O2 Fe2O3 je kan deze reactie opsplitsen in twee deelreacties: 1) 2 Fe 2 Fe 3+ + 6 e - 2) 3 O2 + 6 e- O 2- reactie 1 is de oxidatie van ijzer, want ijzer staat elektronen af. reactie 2 is de reductie van zuurstof, want zuurstof neemt elektronen op. De twee reacties maken elkaar mogelijk. Het ijzer dat geoxideerd wordt maakt de reductie van zuurstof mogelijk, en daarom wordt ijzer de reductor genoemd; zuurstof is de oxidator. Het afstaan van elektronen is niet bij alle reacties even duidelijk. Bijvoorbeeld bij de verbranding van methaan, het belangrijkste bestanddeel van aardgas: CH4 + O2 CO2 + H2O In CH4 worden de elektronen gedeeld door het koolstofatoom en de waterstofatomen. Er is geen sprake van C 4- en H +. In CO2 is de C ook niet echt 4+, maar de zuurstofatomen trekken wel harder aan de elektronen dan het C-atoom. De elektronen zijn vaker in de buurt van een zuurstofmolecuul. Hetzelfde gebeurt in een watermolecuul: de O s pikken de elektronen voor het grootste deel in. Daarom is het toch de zuurstof die gereduceerd wordt, en het methaan dat geoxideerd wordt.
Afbeelding Mitochondrion 1. Inwendig membraan. 2. Uitwendig membraan. 3. Crista. 4. Matrix. Koolhydraten zoals glucose kunnen waterstof afstaan. Waterstof reageert sterk in een redox reactie met zuurstof. Dit komt neer op de knalgas-reactie: 2H2 + O2 H2O. Dat is een reactie waarbij veel energie in een keer vrij komt. Je zou kunnen zeggen dat H2 veel potentiële energie heeft, omdat het zo goed geoxideerd kan worden. Maar als die potentiële energie in een keer vrij komt, is dat een te grote hoeveelheid energie voor de cel, en op die manier niet nuttig. Hoe gaat het dan wel? Zie hiervoor BINAS tabel 68 A Waterstof wordt in de cel gesplitst in een proton en een elektron, die beide via verschillende tussenstappen --> nader uitwerken 4.4. Gas, olie en electra: energie in het dagelijks leven Het gemiddeld gasverbruik van een huishouden in Nederland was 1736 m 3 in 2004. Dat is een aanzienlijke daling ten opzichte van 1980 toen dit nog op 3145 m 3 lag. Het elektriciteitsverbuik is daarentegen in hetzelfde tijdsvak gestegen van 2740 kwh tot 3400 kwh per huishouden. Het gemiddeld elektriciteitsverbruik van een Europees huishouden is volgens Greenpeace ongeveer 4667 kwh per jaar, in Japan 5945 kwh en in de VS zelfs 11209 kwh. Hoe er met energie wordt omgegaan, hangt dus ook sterk af van waar je woont. opdrachten: vermogen van een mens/ energieverbruik fietsen / scooter / energie in voedsel, drankje, benzine Het energie-vraagstuk context CO2aflaat Energieverbruik, duurzame energie cijfers aandeel fossiele brandstoffen kernenergie, groene energie broeikaseffect opdrachten terugkoppelen naar compensatie met groei van biomassa (HF 2)
pond kastomaten = kuub gas, energieleverende kas kan beter, deze module De ZON zonne-energie. Indien olie, dan al lang op - kernfusie licht, en straling opdrachten Hoeveel energie van de zon op aarde, benut? kan beter, deze module
5. Fotosynthese Een heel groot deel van de energie die we op aarde gebruiken is zonne-energie die met fotosynthese door planten is omgezet in chemische energie. Dat kan suiker uit suikerbieten zijn, zetmeel in aardappelen of olie in een oliepalm maar ook fossiele energie. In de onderbouw heb je bij biologie al geleerd wat fotosynthese is: groene planten maken, met behulp van zonlicht, glucose en zuurstof. Ze gebruiken daarbij water en koolzuurgas (koolstofdioxide). Opdracht 5.1 Schrijf de reactie vergelijking van de fotosynthese op In welk celorganel vindt fotosynthese plaats? plantenananatomie, bouw blad, huidmondjes zon en schaduwplanten historische fotosynthese experimenten (v Helmont, Ingenhousz &)?? Chloroplasten De wetenschappelijke naam voor bladgroenkorrel is chloroplast. Een chloroplast heeft een afgeronde schijfvorm en wordt omgeven door (minstens) twee membranen, wat te verklaren is vanuit de endosymbiose theorie. figuur endosymbiose endosymbiose theorie (endo = erbinnen, symbiose = samenleven) Chloroplasten zouden zijn ontstaan doordat vroeg in de evolutie een bacterie die aan fotosynthese deed (een cyanobacterie), is opgenomen in een eencellige eukaryoot (eukaryoot = met een echte kern). De cyanobacterie kon door fotosynthese nuttige stofwisselingsproducten leveren aan de eukaryoot, en omgekeerd zal de eukaryoot nuttige stoffen aan de cyanobacterie hebben geleverd. Beide organismen konden profiteren. In de loop van de evolutie is de bacterie steeds minder zelfstandig geworden, en steeds meer een gewoon organel, onder bestuur van de celkern. Een aanwijzing voor endosymbiose is dat er in een chloroplast nog apart DNA aanwezig is, dat kenmerken heeft van bacterie-dna: het is een cirkelvormig, gesloten molecuul. Ook is er nog een systeem voor eiwitsynthese in de chloroplast, dat meer lijkt op een bacterieel dan op een eukaryoten-systeem. Overigens worden voor een groot deel van de eiwitten van de chloroplast genen in de celkern gebruikt, en het eiwit-synthese systeem in het cytoplasma. In de loop van de evolutie zijn veel genen blijkbaar verhuisd naar de kern, en dubbel aanwezige genen verdwenen. Een andere aanwijzing is de dubbele membraan om de chloroplast. De binnenste is de oorspronkelijke bacterie-membraan, de buitenste de celmembraan van de eukaryoot (zie figuur). Op dezelfde manier zouden mitochondriën ontstaan zijn door endosymbiose van een aerobe (zuurstofverbruikende) bacterie en een eukaryoot
De ruimte binnen de binnenste membraan van de chloroplast wordt stroma genoemd. Hier bevinden zich heel veel eiwitten, het stroma is daardoor een geleiachtige substantie. In het stroma liggen aparte compartimenten: de thylakoïden. Deze thylakoïden zijn meestal als vrij platte schijven op elkaar gestapeld. Eén zo n stapel wordt granum genoemd (meervoud: grana). Overigens wordt gedacht dat de thylakoïden één geheel vormen, maar dat is moeilijk te zien. De thylakoïden-membranen zijn groen en zijn de plek waar de ingewikkelde fotosystemen zitten. De ruimte daarbinnen wordt lumen genoemd. Dat er zo verschillende compartimenten ontstaan: stroma en lumen, met daartussen de thylakoide-membraan, is essentieel voor het fotosyntheseproces. opdracht (figuur van chloroplast met nummers bij de onderdelen) geef de namen bij de nummers figuren: lichtmicroscopie en e.m. (verschillende vormen,groottes) 5.1.Lichtenergie De energie van de zon bereikt de aarde in de vorm van licht. Om fotosynthese beter te begrijpen moeten we meer over licht weten. Christiaan Huygens beschreef in 1690 licht als een golfverschijnsel. Isaac Newton beschreef in 1704 juist dat de eigenschappen van licht zich beter laten verklaren als je licht als een stroom deeltjes, fotonen, ziet. Na lange discussie bleek dat licht zowel een golfkarakter als een deeltjeskarakter heeft. De golflengte bepaalt de kleur: zichtbaar licht varieert van ongeveer 380 nanometer (violet) tot 750 nanometer (rood). Figuur.. Het lichtspectrum. Zichtbaar heeft een golflengte van ongeveer 380-750 nanometer. Licht maakt deel uit van het veel uitgebreidere electromagnetische spectrum. Behalve zichtbaar licht zijn ook bijvoorbeeld gammastraling, röntgenstraling, ultraviolet, infrarood, microwave, en radiogolven voorbeelden van straling met electromagnetische energie. Ze verschillen enorm in golflengte: van 10-14 m tot kilometers. Voor electromagnetische energie geldt: hoe korter de golflengte hoe hoger de energieinhoud. Om de energie van zonlicht te kunnen gebruiken, moet een plant het licht kunnen absorberen. Stoffen die licht absorberen noem je pigmenten. Verschillende pigmenten absorberen licht met verschillende golflengten. De pigmenten in de bladgroenkorrels zijn chlorofyl a, chlorofyl b en carotenoïden. Deze moleculen hebben allemaal een hydrofobe (watermijdende) staart. Die staart dient als een soort anker waarmee de pigmenten vastzitten in de vetten van het thylakoïdmembraan. Het betekent ook dat de pigmenten slecht oplosbaar zijn in water. Als je de pigmenten uit een blad wil oplossen, moet je alcohol gebruiken. Dat bladeren groen zijn, betekent dat ze groen licht niet absorberen, maar juist terugkaatsen. De pigmenten in een bladgroenkorrel absorberen juist de andere golflengten. Hier komt een verwijzing naar de proeven waarin de eigenschappen van chlorofyl worden bestudeerd.
pigmenten figuur. Molecuulstructuur van chlorofyl a en b
Opdracht 5.2 Bekijk BINAS tabel 67 D. a Op welk molecuul lijkt chlorofyl? b Wat zijn twee duidelijke verschillen? c Wat zal je zien als een plant een tekort heeft aan magnesium? Opdracht 5.3 Figuur Absorptiespectra van chlorofyl a (groen) en b (rood). Welke golflengten worden geabsorbeerd door: a chlorofyl a b chlorofyl b c de carotenoïden Wat gebeurt er met licht als het wordt geabsorbeerd? Dat is makkelijker te begrijpen als je licht als fotonen ziet. Elk foton kan je zien als een pakketje energie. De fotonen van licht met een kortere golflengte bevatten meer energie per foton. Als een foton geabsorbeerd wordt, verdwijnt het licht, maar de energie niet. Die energie wordt overgedragen op het pigmentmolecuul en veroorzaakt daar een verandering. De verandering is het aanslaan (exciteren) van een elektron. Een aangeslagen elektron verhuist van zijn normale baan om de kern naar een hogere baan, verder van de kern af. De energie die een foton moet leveren om een elektron in een hogere baan te krijgen, is voor elk pigment verschillend. Een foton wordt alleen geabsorbeerd als die de juiste energie-hoeveelheid meebrengt. Daarom absorberen verschillende pigment fotonen van verschillende golflengten. Opdracht 5.4 Wat kost meer energie: het aanslaan van een elektron in chlorofyl a of in chlorofyl b? Het elektron in de aangeslagen toestand is niet stabiel. Gewoonlijk zou het binnen zeer korte tijd (10-8 seconde) weer terugvallen in zijn normale baan of grondtoestand. Daarbij komt weer energie vrij in de
vorm van warmte en/of licht. Die heeft een lagere energie-inhoud, dus een langere golflengte. Dit noem je fluorescentie. Maar het produceren van warmte en het uitzenden van licht levert de plant niets op. In de chloroplasten gaat het anders. De pigmenten zitten in ingewikkelde complexen, fotosystemen genoemd. De fotosystemen bevinden zich in de thylakoidmembranen. Een fotosysteem bestaat uit een paar honderd chlorofylmoleculen die gebonden zijn aan eiwitten. Ze omringen een reactiecentrum. De chlorofylmoleculen met de eiwitten rond het reactiecentrum worden antennecomplex of light harvesting complex genoemd (to harvest = oogsten). Ze absorberen licht en geven de energie door, van het ene chlorofylmolecuul op het andere, tot een molecuul de energie aan het reactiecentrum kan doorgeven. In het reactiecentrum bevinden zich twee speciale moleculen chlorofyl a. Als deze aangeslagen worden, begint de fotosynthese pas echt. Eerst staan ze het elektron af aan een elektronenacceptor. Vervolgens begint het elektron een reis waarbij het door diverse moleculen eerst wordt opgenomen en dan weer wordt afgegeven. figuur LHC in thylakoide membraan Er zijn twee fotosystemen, fotosysteem I (PS I) en fotosysteem II (PS II). Deze nummering komt niet overeen met de volgorde waarin ze werken: fotosysteem II is het eerst aan de beurt. In het reactiecentrum van fotosysteem II zitten twee chlorofyl a moleculen gebonden aan eiwitten. Dit complex wordt P680 genoemd, naar de golflengte van licht die het best geabsorbeerd wordt. Als de chlorofylmoleculen vanuit de antennecomplexen genoeg energie ontvangen, komen hun elektronen niet alleen maar op een hoger energieniveau maar ze worden overgedragen aan een elektronenacceptor. Dit is de eerste stap in een reactieketen waarin telkens elektronen worden overgedragen. Deze elektronentransportketen zorgt ervoor dat de energie van het aangeslagen elektron niet in één keer vrij komt, maar gedoseerd in een aantal stappen. De energie kan daardoor nuttig gebruikt worden. Opdracht 5.5 De overdracht van elektronen is een redox-reactie. Worden de chlorofylmoleculen geoxideerd of gereduceerd? Wordt de elektronenacceptor geoxideerd of gereduceerd? Opdracht 5.6 Welke kleur licht wordt vooral geabsorbeerd door PS II? Opdracht 5.7 bekijk klokhuis ga naar: http://vcell.ndsu.nodak.edu/animations/photosystemii/index.htm bekijk eerst de first look en closer look om aan de engelse termen te wennen en bekijk vervolgens de animatie Opdracht 5.8 fluorescentie als maat voor gezondheid plant fotosynthese@wur???? meting fluorescentie blad: http://staff.science.uva.nl/~dcslob/lesbrieven/tommie/pam.html De chlorofylmoleculen in PS II moeten weer elektronen terugkrijgen. De moleculen zijn zonder die elektronen zeer sterke oxidators. Ze accepteren elektronen die vrijkomen door de splitsing van water:
H2O 2H + + 2 e - + ½ O2 De zuurstofatomen die bij deze reactie vrijkomen combineren onmiddellijk tot O2. Het zuurstofgas is wat de fotosynthese betreft maar een bijproduct. Het verlaat het blad via huidmondjes. De protonen komen in het lumen van de thylakoiden terecht. Bij het transport over de thylakoidmembraan terug naar het stroma zal dat ATP (de chemische vorm van energie waaruit de cel energie haalt) opleveren, daar komen we later nog op terug. De energierijke elektronen gaan via een elektronen transportketen in stappen door naar fotosysteem I. Bij deze stappen verliezen ze steeds iets van hun energie. Ook in fotosysteem I zijn antennecomplexen die licht oogsten (mogelijk zijn de fotosystemen I en II gecombineerd in één supercomplex). Ook daar worden elektronen losgemaakt van chlorofylmoleculen (ditmaal P700) en overgedragen op een elektronenacceptor. De missende elektronen worden nu aangevuld door de elektronen die via de elektronen transportketen geleverd worden door fotosysteem II. De elektronen gaan via ferredoxine naar NADP-reductase. Dit levert NADPH (ook wel: NADPH2 of NADPH/H + ), dat gebruikt wordt in het tweede gedeelte van de fotosynthese. Het transport van elektronen kan worden weergegeven in een zogenaamd Z-schema (zie figuur ). Daarin wordt ook het energieniveau van de elektronen weergegeven. figuur Z schema (diverse elektronencarriers in toelichting) BINAS 69 De eerste elektronenacceptor in het reactiecentrum van fotosysteem II heet Qa. Qa draagt de elektronen over op Qb of plastochinon, dat uit het reactiecentrum gaat; de elektronen gaan via cytochroom b in de membraan naar plastocyanine. Dat levert de elektronen aan fotosyteem I. Als fotosysteem I lichtenergie ontvangt worden twee elektronen uit de chlorofylmoleculen van P700 vrijgemaakt en overgedragen op de elektronenacceptor X. Vandaar gaan ze naar ferredoxine en vervolgens naar NADP-reductase. De synthese van ATP De fotosystemen zorgen niet alleen voor het transport van elektronen, maar ook voor het transport van protonen. Als plastochinon elektronen accepteert, moet het tegelijkertijd ook H + opnemen. Dit gebeurt aan de buitenkant van de thylakoïden, in het stroma. Als plastochinon de elektronen vervolgens overdraagt, laat het de protonen weer los, maar nu in het lumen van de thylakoïde. De concentratie H + in het lumen wordt hoger dan in het stroma. Men spreekt van een protonengradiënt over de
thylakoïdemembraan. Deze gradient levert de energie voor de productie van ATP. In de membranen zit ook het ATP synthase complex. Dit complex vormt een soort poort in de membraan. De protonen, die van hoge concentratie naar lage concentratie door de poort bewegen, draaien het buitenste gedeelte van het complex telkens een stukje. Het heeft iets van de poortjes die je soms in zwembaden of in de metro ziet: telkens als er iemand passeert draait een stang een slag verder, waarbij de bezoekers geteld kunnen worden. In het ATP synthase wordt deze draaiing gebruikt om ATP te maken van ADP en fosfaat. figuur ATPsynthase / foto zwembad poortje? Het tweede deel van de fotosynthese: de synthese van koolhydraten De fotosystemen gebruiken lichtenergie en leveren ATP en NADPH. Dit wordt gebruikt om suikers te maken. Hierbij is geen licht meer nodig, de energie zit in ATP en NADPH. Daarom wordt dit gedeelte wel de donkerreactie genoemd, en het eerste deel de lichtreactie. Dit zijn misleidende termen. Het is met een truc wel mogelijk om de donkerreactie even in het donker te laten verlopen. Maar de reactie heeft ATP en NADPH nodig, en dat wordt alleen in het licht gemaakt. Als een plant in het donker staat, stopt ook de donkerreactie. In schoolboeken staat als product van de fotosynthese altijd glucose: C6H12O6. In feite wordt er een kleiner molecuul gemaakt met drie C-atomen: glyceraldhyde-3-fosfaat. Dit gebeurt in de zogenaamde Calvin-cyclus. In deze cyclus wordt elke keer een molecuul CO2 toegevoegd aan een verbinding met vijf C-atomen (C5 verbinding), het ribulose difosfaat. Dat levert een C6 verbinding die onmiddellijk splitst in twee moleculen glycerinezuur-3-fosfaat. Elk molecuul krijgt een fosfaatgroep van ATP en wordt glycerinezuur-1,3-difosfaat. Dat wordt gereduceerd door NADPH tot glyceraldehyde-3-fosfaat. Eén van de moleculen kan omgezet worden in zetmeel in de chloroplast of de chloroplast verlaten en wordt dan in het cytoplasma omgezet in sucrose. Sucrose kan vervoerd worden naar andere cellen van de plant, dus naar die plekken waar het nodig is. Het andere molecuul blijft in de cyclus om voor nieuw ribulose difosfaat te zorgen.
Figuur Calvincyclus BINAS 69C problemen: C4 en CAM, rubisco en O2 (Dit wordt een box als extraatje)
6. Warmte en energie 6.1. Moleculen Alles is opgebouwd uit moleculen. Jouw tafel, jouw boek, deze letters en jijzelf natuurlijk ook. Moleculen trekken elkaar aan, maar stoten elkaar ook af. Hierdoor zijn moleculen continu in beweging. De beweging van de moleculen is direct gerelateerd aan de temperatuur. Om precies te zijn is het andersom. De temperatuur is een maat voor de gemiddelde bewegingsenergie van de moleculen. Hoe hoger de temperatuur, hoe meer energie de moleculen hebben. Met meer (kinetische) energie kunnen de moleculen met grotere snelheid bewegen en dus ook met grotere snelheid botsen. Bij deze botsingen wordt een deel van de kinetische energie omgezet in warmte. Warmte is een vorm van energie die kan worden overgedragen. Als een materiaal een hoge temperatuur heeft, hebben de moleculen van dat materiaal veel kinetische energie. Als dat materiaal in aanraking komt met een ander materiaal, dat een lagere temperatuur heeft, dan zullen de snelle en langzame moleculen met elkaar botsen. Hierbij zullen de snelle moleculen een deel van hun kinetische energie afstaan aan de langzame moleculen. Het is nu niet moeilijk voor te stellen dat na verloop van tijd er geen snelle en langzame moleculen meer zijn. Alle moleculen hebben dezelfde gemiddelde snelheid gekregen. Deze nieuwe gemiddelde snelheid van alle moleculen is altijd lager dan de oude hoge snelheid, en altijd hoger dan de oude lage snelheid. Warmte zal altijd stromen van een materiaal met hoge temperatuur naar een materiaal met een lagere temperatuur. Hierbij wordt dus warmte overgedragen van het materiaal met meer energie naar het materiaal met minder energie. Je kunt warmte wel van lage temperatuur naar hoge temperatuur brengen maar dat kost dan energie. Dat is de reden dat je koelkast energie verbruikt. Opdracht 6.1 Waarom heb je het warmer als de temperatuur 20 graden Celsius is dan wanneer het 10 graden Celsius is? Wat is het verschil tussen temperatuur en warmte? Opdracht 6.2 Het absolute nulpunt is 0 Kelvin. Waarom kan dit in de praktijk nooit bereikt worden? 6.2. Kwantificeren van warmte Warmte wordt uitgedrukt in Joules (J). Om een bepaalde hoeveelheid toegevoegde of verloren warmte te kunnen berekenen is het van belang de warmte-eigenschappen van het materiaal te weten. Een voorbeeld: Om in een bakje 100 gram water te verwarmen van kamertemperatuur naar 50 C moet een bepaalde hoeveelheid warmte worden toegevoegd aan het water. Met een dompelaar kost het ongeveer drie minuten om het water in temperatuur te laten stijgen. Doe je hetzelfde voor 100 gram alcohol, dan merk je dat de alcohol al veel sneller op 50 C is. Kennelijk hoeft er dus minder warmte toegevoegd te worden aan de alcohol dan aan het water om de vloeistof een aantal graden te laten stijgen. Dit drukt men uit in het begrip soortelijke warmte. Dit is de hoeveelheid warmte die men moet toevoegen aan 1 kg van een materiaal om het 1 C in temperatuur te laten stijgen. De definitie van de soortelijke warmte geeft nu de mogelijkheid om te rekenen met warmte. Je kunt uitrekenen hoeveel warmte je moet toevoegen om een bepaald materiaal een bepaalde temperatuursstijging (-daling) te laten ondergaan met de formule: Q = m c T
Hierin staat de Q voor warmte in Joules ( J ), de m voor de massa in kilogrammen (kg), de c voor de 1 1 soortelijke warmte in Joule per kilogram per Kelvin ( J kg K ) en de T voor het temperatuursverschil in Kelvin ( K ). Kelvin: De officiële eenheid voor temperatuur is Kelvin. 1 Kelvin = 1 C, alleen begint de schaal veel lager: 0 Kelvin = -273 C (let op: je zegt niet: graden Kelvin). Je kan de soortelijke warmte van verschillende stoffen vinden in BINAS, in de tabellen 8 tot en met 12 Opdracht 6.3 Reken uit hoeveel warmte er nodig is om een bak water van 1 m 3 10 graden te laten stijgen in temperatuur. Soms wil je kunnen berekenen hoeveel warmte er toegevoerd is aan een voorwerp. In veel gevallen bestaat een voorwerp uit verschillende materialen en niet uit maar één pure stof. In dit geval kan je geen gebruik maken van de soortelijke warmte van een voorwerp, omdat het voorwerp dus uit heel veel verschillende materialen is gemaakt. Om toch te kunnen rekenen aan voorwerpen is het begrip warmtecapaciteit ingevoerd. De warmtecapaciteit van een voorwerp geeft aan hoeveel warmte er nodig is om het voorwerp één graad Celsius (of Kelvin) in temperatuur te laten stijgen. Het symbool voor de 1 warmtecapaciteit is C en de eenheid is Joule per Kelvin ( J K ). De hoeveelheid warmte die een voorwerp opneemt of afstaat is nu te berekenen met de formule: Q = C T Opdracht 6.4 Een thermosfles met een warmtecapaciteit van 75 J/K bevat 250 gram alcohol van 40 C. Hieraan wordt 350 gram water van 20 C toegevoegd. Bereken de eindtemperatuur die het mengsel na enig roeren krijgt. 6.3. Warmtetransport Warmte kan dus overgedragen worden van het ene materiaal (met een hoge temperatuur) naar het andere (met een lage temperatuur). Warmteoverdracht (warmtetransport) kan plaatsvinden op drie manieren 1) geleiding; 2) straling; 3) stroming. 1) Warmtegeleiding Warmtegeleiding kan verklaard worden met bovenstaande molecuul theorie. De hoog energetische moleculen verdelen de hun energie in botsingen met laagenergetische moleculen. En dit zet zich voort. Als er een warmtebron aanwezig is (bijvoorbeeld een gasvlam) dan wordt de temperatuur van het materiaal vlak bij de vlam steeds hoger en bewegen de moleculen steeds heftiger. Deze moleculen geven hun energie door aan de buurmoleculen en die weer aan hun buurmoleculen. Op deze manier kan wordt de warmte geleid door een materiaal. Niet elk materiaal geleidt warmte even goed. Om deze eigenschap onderling te vergelijken is er een warmtegeleidingscoëfficient in het leven geroepen. Over het algemeen kan de volgende indeling worden gemaakt: - Metalen of mengsels van metalen zijn goede tot zeer goede warmtegeleiders. - Andere vaste stoffen dan metalen zijn slechte warmtegeleiders