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  1. Absolute Dunkelheit…

  2. Chemie der Lichter und Lampen Vom Lagerfeuer zur Energiesparlampe

  3. 0. Übersicht Übersicht • Was ist Licht? • Klassifizierung • Historische Entwicklung • Lichterzeugung heute • Grundlagen der Lichttechnik • Leuchtmittel im Vergleich • Schulrelevanz

  4. 1. Was ist Licht? Licht Allgemeine Definition: Licht ist eine Strahlung, die nach Eintritt ins Auge eine Helligkeitsempfindung auslöst.

  5. 1. Was ist Licht? Physikalische Aspekte • Licht: Elektromagnetische Strahlung; Photonen charakterisiert durch die Wellenlänge λund Frequenz ν • Energie eines Photons: abhängig von λ • E = h ∙ c ∙ λ-1 • Sichtbares Licht: Elektromagnetische Strahlung ca. im Wellenlängenbereich λ= 380 – 700 nm

  6. 2. Klassifizierung Lichtquellen: Natürliche Künstliche - Sonne - Fackeln - Sterne - Kerzen - Feuer - Glühlampen - Blitze - Leuchtstoffröhren

  7. 2. Klassifizierung Lichterzeugungsarten: Niederdruck

  8. Vor 500.000 Jahren: Beherrschung des Feuers durch Homo erectus „Das Licht brennt!“ Vor70.000 Jahren: Kienspan Vor 40.000 Jahren: Öllampen Vor 4.000 Jahren: Kerzen 3. Historische Entwicklung Anfänge der Lichterzeugung

  9. 3. Historische Entwicklung Demo 1: leuchtende Flamme Leitfrage: Was leuchtet in der Flamme? Antwort: • Bei Oxidationsvorgang entsteht Ruß • Thermische Anregung der Rußpartikel • Steigerung der Leuchtintensität durch Zugabe von Ruß

  10. 3. Historische Entwicklung Lichterzeugung im 19. Jh. • Kerzen und Öllampen • Gasbeleuchtung • Elektrische Leuchten • 1800: 1. künstliche Stromquelle (Volta) • 1808: Bogenlampe (Davy) • 1815: 42 km Gasnetz in London • 1854: Kohlefadenlampe (Göbel)

  11. 3. Historische Entwicklung Versuch 1: Nachbau Kohlefadenlampe • Baumwollgarn mit Graphit: Leitfähigkeit • Stickstoffgas-Strom vertreibt entstehende Dämpfe/ Inertgas • Durch Strom (400 mA) wird Kohlenstoff angeregt • Baumwollfaden leuchtet! • Problem: hoher Dampfdruck Kohlenstoff + -

  12. 3. Historische Entwicklung Historische Kohlefadenlampen • 1854:H. Göbel entwickelt die erste Kohlefadenlampe • Glühfaden: verkohlte Bambusfasern • „Lampenfüllung“: Vakuum • 1879:Thomas Alva Edison; Verbesserung und Etablierung der Lampen; Bambusplantage in China für Glühspirale

  13. 3. Historische Entwicklung Warum Kohlefaden? Elektron • 1801: L.J. de Thenárd; Stromdurchflossene elektrische Leiter erwärmen sich Bindungskräfte symbolisch Atom Modell: Schwarzer Strahler Smp. C: 3550°C Intensität Wellenlänge [nm]

  14. 3. Historische Entwicklung Lichterzeugung ab 20. Jh. • 1902: Metallfadenlampen (Osmium/Wolfram) • 1936: OSRAMLeuchtstoffröhren • 1959: Halogenglühlampen • 1962: 1. funktionsfähige LED • 1980: Kompaktleuchtstoffröhre

  15. 4. Lichterzeugung heute Die Glühlampe • Wärmestrahler • Erhitzte Stoffe emittieren elektromagnetische Strahlung • Bsp.: • Erst ab 2000°C angenehm helle Lichtempfindung • Je höher Temperatur, desto mehr sichtbares Licht • Ca. 5% der zugeführten Energie in sichtbares Licht umgesetzt

  16. 4. Lichterzeugung heute Aufbau

  17. 4. Lichterzeugung heute Glühfadenmaterialien • Voraussetzungen: hoher Smp., niedriger Dampfdruck, Stabilität • Am besten geeignet: Wolfram • Herstellung W-Glühfaden: Wolframit (MnFeWO4) Scheelit (CaWO4) Tungstit (WO3∙H2O) Smp. im Vergleich:

  18. 4. Lichterzeugung heute Versuch 2: Wolframnachweis • Oxidationsschmelze: ±0 +5 +6 W(s)+ Na2CO3(s)+ 3 NaNO3(s) Na2WO4(s)+ CO2(g) +3 + 3 NaNO2(s) • Bildung einer Wolframbronze: ±0 +1 +2 ±0 Zn(s) + 2 H+(aq) Zn2+(aq) + H2(nasc.) +6 ±0 +4/+6 WO42-(aq) + H2(nasc.) HxWO3(s/aq) (nichtstöch.) mit x = 0,3 – 0,9 (blauviolett – goldgelb) Δ - H2O

  19. 4. Lichterzeugung heute Versuch 2: Wolframbronze • Verzerrte Perowskit-Struktur HxWO3 • (O2-)/(H+): fcc • W6+ in OL: KZ = 6 • O2-: KZ = 2 • Farbigkeit: • Gleichzeitiges Vorhandensein W4+/ W6+ • Metall-Metall-CT

  20. 4. Lichterzeugung heute Versuch 3: Durchbrennen • Bei Kontakt mit Luftsauerstoff: Oxidation Heftige exotherme Reaktion ±0±0+6 -2 2 W(s) + 3 O2(g) 2 WO3(s)Δ H = -764 kJ/mol • Lebensdauer: Δ 1200 1000 800 600 400 200 0 7 6 5 4 3 2 1 0 Lebensdauer [h] Lichtausbeute [%] T2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600[°C]

  21. 4. Lichterzeugung heute Problemorientierte Konstruktion Glühdraht Langmuir-Schicht

  22. 4. Lichterzeugung heute Versuch 4: Inertgasnachweis • Verbrennung: CH3CH2OH(aq) + 3 O2(g) 2 CO2(g)↑ + 3 H2O(g) • Glühlampe enthält ca. 80% N2(g) + 20% Ar(g) • Wärmeleitfähigkeit Molekulargewicht Füllgas

  23. 4. Lichterzeugung heute Die Halogenglühlampe • Erhöhte Lebensdauer: Halogen-Zusatz (meist I2) • Chemische Transportreaktion: Transportspezies: WO2I2(g) Wolfram-Wendel Quarzglas-Kolbenwand 3000°C Temperatur 600°C

  24. 4. Lichterzeugung heute Problem • kein Ausheilen der Wendel • Gasförmiges Wolfram: Abscheidung an kältester Stelle • Kälteste Stelle = dickste Stelle (Ω) • Spaltung und Kondensationsprozess: WO(g) W(g) + ½ O2(g) W(g) W(s)↓ • Wolframkristalle: ungleichmäßige Wendel Δ

  25. 4. Lichterzeugung heute Die Leuchtstoffröhre • Funktionsprinzip: Quecksilber-Dampf (0,5 Pa) + Ar/Ne (100-500 Pa) • Elektroden aus W-Draht: Stoßionisation Gas • Elektronische Anregung der Hg-Atome Hg-Dampf Glasröhre Leuchtstoff Glühwendel Starter: HV Vorschaltdrossel 230 V

  26. 4. Lichterzeugung heute Versuch 5: leuchtende Gurke • Leuchten: elektronisch angeregte Na-Atome NaCl(aq) NaCl(g) Na(g) + Cl(g) Na(g) Na*(g) Na(g) (-ΔE) • Rückkehr in Grundzustand: Emission von Licht Δ Δ Δ E ↑ 3 p Δ E h ∙ ν(Emission) ↑ 3 s Na

  27. 4. Lichterzeugung heute Demo 2: Lumineszenz • Fluoreszenz: Lichtemission nur während Anregung • Phosphoreszenz: Lichtemission länger als Anregung • Energieübergänge: Jablonski-Diagramm IC ISC ↑ ↑ S1 ↑ E S1 ↓ T1 Fluoreszenz Phosphoreszenz ↑ ↑↓ ↑↓ S0 S0 S0

  28. 4. Lichterzeugung heute Lumineszenz in Leuchtstoffröhren? • Lumineszenz-Kristalle = Modell für Leuchtstoff • Anregung von Hg: UV-Strahlung • Stokes-Regel: emittierte Strahlung langwelliger als absorbierte Strahlung Leuchtstoff VIS VIS UV UV AnodeKathode Hg Hg Hg Hg

  29. 4. Lichterzeugung heute Demo 3: Energiesparlampe „Sparen“ von Energie durch: • Höhere Lichtausbeute • Längere Lebensdauer • Geringere Wärmeverluste • Glühlampe: bis zu 95 % Wärmeverlust Gesamtkosten [€] 80,00 € 32,70 € Betriebsstunden

  30. 5. Grundlagen der Lichttechnik Photometrische Größen Die gesamte von einer Lichtquelle in alle Richtungen abgestrahlte Lichtleistung Der in einer bestimmten Richtung abgestrahlte Lichtstrom Maß für das auf eine Fläche auftreffende Licht

  31. 6. Leuchtmittel im Vergleich Welches Leuchtmittel ist das beste? Stand: Mai 2005

  32. 7. Schulrelevanz Leuchtmittel im Chemie-Unterricht 1.)Nicht alles Physik! • ½ PSE bei Lichterzeugung/Herstellung der Leuchtmittel vertreten • Edelgase: Schutzgaschemie • Halogene: Chemischer Transport 2.) Allgemeines Ziel: hoher Alltagsbezug 3.)Projekttauglich (FÜU: Chemie/Physik) 4.) Lehrplan Chemie: Schüler sollen anhand chemischer Erkenntnisse Alltag verstehen können

  33. Ende

  34. Mit Unterstützung von… Radium

  35. Zusatzfolien: • Übersicht Historie • Farbempfindung Auge • Modell Schwarzer Strahler • Argand-Brenner 18. Jh. • Lichtfarbe • V6: bunte Flammen • LED • Lumineszenz-Bändermodell

  36. 3. Historische Entwicklung Übersicht Historie 19. Jahrhundert 20. Jahrhundert 21. Jahrhundert

  37. 1. Was ist Licht? Farbempfindung Auge • Jede Wellenlänge subjektiv als bestimmte Spektralfarbe • Weißes Licht: Überlagerung aller Wellenlängen des sichtbaren Lichts am hellsten: Tag: 555 nm (gelbgrün)

  38. 3. Historische Entwicklung Lichtfarbe • Spektrale Zusammensetzung: Temperaturstrahler sichtbarer Bereich Intensität IR UV λ[nm] Modell: Schwarzer Strahler

  39. 3. Historische Entwicklung Lichterzeugung im 18. Jh. • Verbesserung von Kerzen und Öllampen • 1770: Verbrennung erfordert Sauerstoff(Lavoisier) • 1783: Argand-Brenner - hohler Runddocht - Kamineffekt - erhöhte Verbrennungstemperatur - hohe Leuchtkraft

  40. 3. Historische Entwicklung Lichtfarbe • Spektrale Zusammensetzung: Temperaturstrahler Modell: Schwarzer Strahler Intensität Wellenlänge [nm]

  41. 4. Lichterzeugung heute Versuch 6: bunte Flammen E ↑ 3 p h ∙ ν(Emission) Δ E ↑ 3 s Na Unterschiedliche Farbigkeit: charakteristische ΔE Cu2+ Na+ Sr2+

  42. 4. Lichterzeugung heute Demo 4: LED Anode • Äußere entgegengesetzte Spannung führt zu Rekombination in Grenzschicht (e--Loch-Paare) unter Lichtemission GaP p-Schicht n-Schicht GaAs Kathode

  43. Fluoreszenz: Lichtemission bis zu 10-8 s Phosphoreszenz: Lichtemission länger als 10-8 s Stokes-Regel: emittierte Strahlung langwelliger als absorbierte Strahlung 4. Lichterzeugung heute Demo 2: Lumineszenz • Anregung • Therminalisierung • Rekombination (strahlend) LB VB