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Chemie der Lichter und Lampen Vom Lagerfeuer zur Energiesparlampe

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

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

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

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

Lichterzeugungsarten: 2. Klassifizierung Lichterzeugungsarten: Niederdruck

Anfänge der Lichterzeugung 3. Historische Entwicklung Anfänge der Lichterzeugung Vor 500.000 Jahren: Beherrschung des Feuers durch Homo erectus „Das Licht brennt!“ Vor 70.000 Jahren: Kienspan Vor 40.000 Jahren: Öllampen Vor 4.000 Jahren: Kerzen

Demo 1: leuchtende Flamme 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

Lichterzeugung im 19. Jh. Kerzen und Öllampen Gasbeleuchtung 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)

Versuch 1: Nachbau Kohlefadenlampe 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 + -

Historische Kohlefadenlampen 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

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

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

Die Glühlampe Wärmestrahler 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 Herdplatte 200°C IR (ggf. dunkelrot) Toaster 700°C IR + dunkelrot

4. Lichterzeugung heute Aufbau

Glühfadenmaterialien 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: C 3550°C W 3410°C Rh 3180°C Os 2996°C

Versuch 2: Wolframnachweis 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

Versuch 2: Wolframbronze 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

Versuch 3: Durchbrennen 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 7 6 5 4 3 2 1 Lichtausbeute [%] Lebensdauer [h] T 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 [°C]

Problemorientierte Konstruktion 4. Lichterzeugung heute Problemorientierte Konstruktion Dampfdruck Kolbenvolumen groß Reaktion mit Restgasen Getter: Alkali-/Erdalkalimetalle Evakuierung: Wendel-Verdampfung Füllgas: Überdruck / Unterdruck Inertgas Wärmeverlust: Wärmeleitung Doppelwendelung des Glühdrahtes Glühdraht Langmuir-Schicht

Versuch 4: Inertgasnachweis 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 Ar 39,9 g/mol Kr 83,8 g/mol Xe 131,3 g/mol

Die Halogenglühlampe Erhöhte Lebensdauer: Halogen-Zusatz (meist I2) 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

Problem kein Ausheilen der Wendel 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

Die Leuchtstoffröhre Funktionsprinzip: Quecksilber-Dampf (0,5 Pa) 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

Versuch 5: leuchtende Gurke 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

↑ ↑ ↑ ↓ ↑↓ ↑ ↑↓ Demo 2: Lumineszenz 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

Lumineszenz in Leuchtstoffröhren? 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 Anode Kathode Hg Hg Hg Hg

Demo 3: Energiesparlampe 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

Photometrische Größen 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

Welches Leuchtmittel ist das beste? 6. Leuchtmittel im Vergleich Welches Leuchtmittel ist das beste? Typ Lichtausbeute [lm/W] Lebensdauer [h] Glühlampe 5 - 16 750 – 1.000 Halogenlampe 14 - 25 25 – 2.000 Leuchtstoffröhre 50 - 105 8000 – 20.000 Energiesparlampe 35 - 75 8000 – 10.000 Weiße LED 10 - 60 Bis 100.000 Stand: Mai 2005

Leuchtmittel im Chemie-Unterricht 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

Ende

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

Übersicht Historie 3. Historische Entwicklung 19. Jahrhundert

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)

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

Lichterzeugung im 18. Jh. Verbesserung von Kerzen und Öllampen 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

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

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

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

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