Absolute Dunkelheit…

Chemie der Lichter und Lampen

Vom Lagerfeuer zur Energiesparlampe

Übersicht1. Was ist Licht?

2. Klassifizierung

3. Historische Entwicklung

4. Lichterzeugung heute

5. Grundlagen der Lichttechnik

6. Leuchtmittel im Vergleich

7. Schulrelevanz

0. Übersicht

Licht

Allgemeine Definition:

Licht ist eine Strahlung, die nach Eintritt ins Auge eine Helligkeitsempfindung auslöst.

1. Was ist Licht?

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 - Sonne - Fackeln

- Sterne - Kerzen

- Feuer - Glühlampen

- Blitze - Leuchtstoffröhren

2. Klassifizierung

Lichterzeugungsarten:2. Klassifizierung

Künstliche Lichtquellen

Entladungs-lampen LED

Temperaturstrahler Lumineszenzstrahler

Glüh-lampen

Halogen-lampen

HochdruckNiederdruck

Anfänge der Lichterzeugung

3. Historische Entwicklung

• 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

Leitfrage:

Was leuchtet in der Flamme?

Antwort:

• Bei Oxidationsvorgang entsteht Ruß

• Thermische Anregung der Rußpartikel

• Steigerung der Leuchtintensität durch Zugabe von Ruß

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)

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

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

3. Historische Entwicklung

Elektron

Atom Bindungskräfte symbolisch

Modell: Schwarzer Strahler

Inte

nsitä

t

Wellenlänge

[nm]

Smp. C: 3550°C

• 1902: Metallfadenlampen (Osmium/Wolfram)

• 1936: OSRAM Leuchtstoffröhren

• 1959: Halogenglühlampen

• 1962: 1. funktionsfähige LED

• 1980: Kompaktleuchtstoffröhre

Lichterzeugung ab 20. Jh.

3. Historische Entwicklung

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

4. Lichterzeugung heute

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

Aufbau4. Lichterzeugung heute

Glühfadenmaterialien

• Voraussetzungen: hoher Smp., niedriger Dampfdruck, Stabilität

• Am besten geeignet: Wolfram

• Herstellung W-Glühfaden:

Wolframit (MnFeWO4)

Scheelit (CaWO4)

Tungstit (WO3∙H2O)

4. Lichterzeugung heute

C 3550°CW 3410°CRh 3180°COs 2996°C

Smp. im Vergleich:

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 ±0Zn(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)

4. Lichterzeugung heute

Δ

- H2O

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

4. Lichterzeugung heute

Versuch 3: Durchbrennen

• Bei Kontakt mit Luftsauerstoff: OxidationHeftige exotherme Reaktion

±0 ±0 +6 -22 W(s) + 3 O2(g) 2 WO3(s) Δ H = -764 kJ/mol

• Lebensdauer:

4. Lichterzeugung heute

T 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 [°C]

Lebensdauer [h]

1200

1000

800

600

400

200

0

7

6

5

4

3

2

1

0

Lic

htau

sbeu

te [%

]

Δ

Problemorientierte Konstruktion4. Lichterzeugung heute

Dampfdruck Kolbenvolumen groß

Reaktion mit Restgasen

Getter: Alkali-/Erdalkalimetalle

Evakuierung: Wendel-

Verdampfung

Füllgas: Überdruck / UnterdruckInertgas

Wärmeverlust: Wärmeleitung

Doppelwendelung des Glühdrahtes

Glühdraht Langmuir-Schicht

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

4. Lichterzeugung heute

Ar 39,9 g/molKr 83,8 g/molXe 131,3 g/mol

Die Halogenglühlampe

• Erhöhte Lebensdauer: Halogen-Zusatz (meist I2)

• Chemische Transportreaktion: Transportspezies: WO2I2(g)

4. Lichterzeugung heute

Quarzglas-Kolbenwand

Temperatur3000°C 600°C

Wolfram-Wendel

• 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

4. Lichterzeugung heute

Problem

Δ

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

+ Ar/Ne (100-500 Pa)

• Elektroden aus W-Draht: Stoßionisation Gas

• Elektronische Anregung der Hg-Atome

4. Lichterzeugung heute

GlasröhreLeuchtstoff Hg-DampfGlühwendel

Starter: HVVorschaltdrossel

230 V

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

4. Lichterzeugung heute

ΔΔ

Δ

3 s

3 p

↑

↑

h ∙ ν (Emission)Δ E

E

Na

Demo 2: Lumineszenz• Fluoreszenz: Lichtemission nur während Anregung

• Phosphoreszenz: Lichtemission länger als Anregung

• Energieübergänge: Jablonski-Diagramm

4. Lichterzeugung heute

E

S0

S1

S0↑↓

↑ ↑

↑ Fluoreszenz

S0

S1

↑↓

↑↓ T1

Phos

phor

esze

nz

IC ISC

Lumineszenz in Leuchtstoffröhren?4. Lichterzeugung heute

• Lumineszenz-Kristalle = Modell für Leuchtstoff

• Anregung von Hg: UV-Strahlung

• Stokes-Regel: emittierte Strahlung langwelliger als absorbierte Strahlung

Hg HgHg

HgUV UV

VIS VIS

Anode Kathode

Leuchtstoff

Demo 3: Energiesparlampe

„Sparen“ von Energie durch:

• Höhere Lichtausbeute

• Längere Lebensdauer

• Geringere Wärmeverluste

• Glühlampe: bis zu 95 % Wärmeverlust

4. Lichterzeugung heute

Gesamtkosten [€]

Betriebsstunden

32,70 €

80,00 €

Photometrische Größen

5. Grundlagen der Lichttechnik

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

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

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

7. Schulrelevanz

Ende

Mit Unterstützung von…

Radium

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

20. Jahrhundert

21. Jahrhundert

Farbempfindung Auge

• Jede Wellenlänge subjektiv als bestimmte Spektralfarbe

• Weißes Licht: Überlagerung aller Wellenlängen des sichtbaren Lichts

1. Was ist Licht?

am hellsten: Tag: 555 nm (gelbgrün)

Lichtfarbe• Spektrale Zusammensetzung: Temperaturstrahler

3. Historische Entwicklung

sichtbarer Bereich

UV λ [nm]IR

Inte

nsitä

t

Modell: Schwarzer Strahler

Lichterzeugung im 18. Jh.

• Verbesserung von Kerzen und Öllampen

• 1770: Verbrennung erfordert Sauerstoff (Lavoisier)

• 1783: Argand-Brenner

- hohler Runddocht- Kamineffekt- erhöhte Verbrennungstemperatur- hohe Leuchtkraft

3. Historische Entwicklung

Lichtfarbe• Spektrale Zusammensetzung: Temperaturstrahler

Modell: Schwarzer Strahler

Inte

nsitä

t

Wellenlänge [nm]

3. Historische Entwicklung

Versuch 6: bunte Flammen

4. Lichterzeugung heute

Cu2+ Na+ Sr2+

Unterschiedliche Farbigkeit: charakteristische ΔE

3 s

3 p

↑

↑h ∙ ν (Emission)Δ E

E

Na

Demo 4: LED

• Äußere entgegengesetzte Spannung führt zu Rekombination in Grenzschicht (e--Loch-Paare) unter Lichtemission

4. Lichterzeugung heute

p-Schicht

n-Schicht

Anode

Kathode

GaAs

GaP

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

4. Lichterzeugung heute

LB

VB

1. Anregung

2. Therminalisierung

3. Rekombination (strahlend)