Chemie und ihre Didaktik Michael W. Tausch All We Need Is ......N. J. Turro, Modern Molecular...

Chemie und ihre Didaktik

Michael W. Tausch

state of the art

Wiss.&Tech. Lehre der NW

Schule&Uni

Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften All We Need Is Light

● Chemiedidaktisches Credo

● Was ist Licht? - Kulturhistorische Meilensteine

● Didaktische Leitlinien

● Experimente – Konzepte - Materialien

Zepp-OPV 30I09I13.exe


Experimentell-konzeptionell F & E in der Chemiedidaktik

Innovative Inhalte ► Experimente ► Didaktische Konzepte ► Print- und Elektronikmedien

Photoprozesse in der Lehre

der Naturwissenschaften

state of the art

Wiss.&Tech. Lehre der NW

Schule&Uni

Forschungsprojekt

der Chemiedidaktik an der Uni Wuppertal

in Kooperation mit der

Fachwissenschaft Chemie

an der Uni Wuppertal und an der Uni Köln

gefördert durch die

im Wissenschaftsbereich

Naturwissenschaften

A .Griesbeck, U .Scherf



United Nations Education Science and Culture Organisation

Tutenchamun (1346 bis 1333 v. Chr.)

und seine Gattin Anchesenamum

unter dem Bildnis des

ägyptischen Sonnengottes Re

Ägyptische Mumie



Im Jahr 1669 entdeckte Hennig Brand, das Element Phosphor und das Phänomen der Chemolumineszenz

In igne succus omnium,

arte, corporum ...



1749 bis 1832

„Auf alles, was ich als Poet geleistet habe, bilde ich mir gar nichts ein...

Daß ich aber in meinem Jahrhundert in der schwierigen Wissenschaft

der Farbenlehre der Einzige bin, der das Rechte weiß, darauf tue ich mir

etwas zu gute, und ich habe das Bewußtsein der Superiorität über viele...“

J.W. Goethe, um 1815



„Fünfzig Jahre intensiven

Nachdenkens haben mich

der Antwort auf die Frage:

Was sind Lichtquanten?

nicht näher gebracht.

Natürlich bildet sich heute

jeder Wicht ein, er wisse

die Antwort.

Doch da täuscht er sich.“

A. Einstein, 1955

1897 - 1955



FCI Folie

um 1985



Energie der Weltreserven an Erdöl,

Erdgas, Kohle und Uran

2,5 ∙ 1022 J

3 ∙ 1024 J

Energie des Sonnenlichts pro Jahr 100

E(Sonne/a) = 100 x Weltreserven

Photoprozesse

in der Lehre der Naturwissenschaften

Solar: 100 000 TW

Wind: 14 TW

Ocean Currents: 0.7 TW

Biomass: 5-7 TW

Hydroelectric: 1.2 TW

Geothermal: 1.9 TW

Source: Konarka, Arthur Norcik

Photoprozesse


Quelle: WBGU (Wiss. Beirat Globale Umweltveränderungen) des BMBF; September 2013

Photoprozesse


spielen Schlüsselfunktionen bei

Energieeffizienz, z.B.: • in LED‘s und OLED‘s

• in Solarreaktoren

• in Klimaanlagen mit photochromen

und elektrochromen Fenstern

• in phototechnischen Verfahren

Elektrische Energie aus

Sonnenlicht, z.B.: • in photovoltaischen Zellen

• in photoelektrochemischen Zellen

• in Fluoreszenzkollektoren

Chemische Energiespeicher aus

Sonnenlicht, z.B.: • Solarwasserstoff

• energiereiche chemische Systeme

Photoprozesse


http://www.partstrain.com/images/The_Auto_Blog/audi_nuvolari_led_headlight.jpg

spielen Schlüsselfunktionen in

Life Science: • im Photoreaktor Atmosphäre

• im Photoreaktor Blatt

• im Photoreaktor Auge

• im Photoreaktor Haut

• in der medizinischen Diagnostik

• in der medizinischen Therapie

Material Science: • in photovoltaischen Zellen

• in LED‘s und OLED‘s

• in Forschungseinrichtungen

• in technischen Photoreaktoren

• in der Mikroelektronik

• in der Medizin

Photoprozesse


0 1

Solarzellen LED‘s, OLED‘s Datenspeicher, molekulare Logik Aerosole i.d. Atmosphäre

Photoprozesse


Photoreaktoren für

Synthese- und Abbaureaktionen Photoreaktoren

„Blatt“ und „Auge“

„It is now clear that electronically excited states of molecules

are the heart of all photoprocesses.The excited state is in fact

an electronic isomer of the ground state.“ N. J. Turro, Modern Molecular Photochemistry. Benjamin/Cummings, N.Y. (1978)

Fachdidaktik … Lehre von den curricularen Metamorphosen der Chemievermittlung

„Ein hübsches Experiment ist an sich oft wertvoller als zwanzig

in der Gedankenretorte erbrütete Formeln.“ A. Einstein, 1955

„Chemie ist die Lehre von den stofflichen Metamorphosen

der Materie“ A. F. Kekulé, 1855

E = mc2



Forderungen an ein „hübsches“ Experiment: ►schön & ansprechend ► schnell & preisgünstig

►sicher & clean ► innovativ & grün ► …

►didaktisch prägnant & wissenschaftlich konsistent



Ein starkes Paar

1 LED

400 nm

3 LED

530 nm

4 LED

630 nm

M.T., D. Wöhrle: PdN (Chemie) 38, 37 (19989); …M.T. PdN-ChiS 60 (1), 42 (2011)

M.Tausch, M. v. Wachtendonk , C. Bohrmann-Linde, S. Krees (Hrsg.), CHEMIE 2000+, C.C.Buchner, Bamberg (2007…2014)

Eg = 3,1 eV

100 nm

Nano-TiO2

Paradigma: Atomare und molekulare Systeme können außer im elektronischen

Grundzustand auch (wenn auch nur für kurze Zeit) in elektronisch

angeregten Zuständen existieren.

M.Tausch, M. v. Wachtendonk , C. Bohrmann-Linde, S. Krees (Hrsg.), CHEMIE 2000+, C.C.Buchner, Bamberg (2007…2014)

Das Energiestufenmodell – Ein Basiskonzept in MINT-Fächern

Angeregter Zustand T1 τ = 10-2 – 102 s

Angeregter Zustand S1 τ = 10-9 – 10-8 s

Fluoreszenz

Phosphoreszenz

Wärme-

austausch

niedrigste

unbesetzte

Energiestufe

höchste

besetzte

Energiestufe

Grundzustand So



M.T., D. Paterkiewicz, PdN-Chemie 36, 14 (1988); M.T., A. Grolmuss, M. Woock, PdN-Physik 47, 10 (1998); M.T., F.Gärtner, PdN-ChiS, 53, 20 (2004)

Leuchtendes Scherblatt

Leuchtende Elektroden

C. Bohrmann, M. T., ChiuZ 36 (3), 164 (2002) ; J. Ibanez, C. Bohrmann -Linde , M. T., J. Chem. Educ., 90 (4), 470 (2013); S. Krees PdN-ChiS 64 (1) .. (2015)

( Luminol, KOH, DMSO)

www.chemiedidaktik.uni-wuppertal.de > Vorträge; oder > Teaching Photochemistry



D:/Tausch/M.Tausch 2008-01-21/praesentationen/Kalte-Weißglut-Luft.exe

D:/Tausch/M.Tausch 2008-01-21/praesentationen/Kalte-Weißglut-Stickstoff.exe

D:/Tausch/M.Tausch 2008-01-21/praesentationen/Kalte-Weißglut-Sauerstoff.exe

http://www.chemiedidaktik.uni-wuppertal.de/



Chemolumineszenz

Farbigkeit durch

Lichtabsorption

LB

VB e-

LB

VB

angeregter Zustand

e-

e-

e-

e-

h

Grundzustand

Pluspol

Minuspol

E

Elektrolumineszenz

Chemisches Basiskonzept

Grundzustand

und

elektronisch angeregte

Zustände



Photolumineszenz

Fluoreszenz

Standard OLED

Flexi OLED

Quick OLED

Easy OLED

A. Banerji, M. T., PdN-ChiS 59 (4), 42 (2010); A. Banerji, U. Scherf, M. T., Chemkon, 19 (1), 7 (2012);

A. Banerji, U. Scherf , M. T. , Educ. Quimica , 24 (1), 17 (2013) www.chemiedidaktik.uni-wuppertal.de > Flash Animationen






J.C. Hummelen, PdN-ChiS, 59 (2) 31 (2010); A. Banerji, M. T., U. Scherf, Chemkon, 19 (1), 7 (2012); M. Zepp, M.T., PdN-ChiS, 64 (1) … (2015))

Video Flash

Animation

www.chemiedidaktik.uni-wuppertal.de > Flash Animationen



D:/Tausch/M.Tausch 2008-01-21/praesentationen/OPV english.exe




1 2

3

2 EDTA (aq)

1 photoelectrode

3 used razor foil

from an electric

razor as lowcost

Pt-electrode

0-pot-cell with sens. TiO2

1-pot-cell with TiO2


Compact-cell with TiO2

Animation

Video

C. Bohrmann-Linde, M. T.,, J. Chem. Educ., 80 (12), 1471 (2003); M. T., PdN-ChiS 62 (5), 25 (2013); CHEMIE 2000+, C.C.. Buchner (2010 … 2014)







1 2

3

2 EDTA (aq)

1 photoelectrode

3 used razor foil

from an electric

razor as lowcost

Pt-electrode

0-pot-cell with sens. TiO2



Compact-cell with TiO2

Animation

Video

Glas

ITO-Schicht

(leitfähige Indium-Zinnoxid-Schicht)

2Titandioxid, TiO

33,47 m

1

3

2

1

3

2

C. Bohrmann-Linde, M. T.,, J. Chem. Educ., 80 (12), 1471 (2003); M. T., PdN-ChiS 62 (5), 25 (2013); CHEMIE 2000+, C.C.. Buchner (2010 … 2014)


REM-Aufnahme Modell






Scanning Microscope Image

(continuous layer)

C. Bohrmann-Linde, S. Spinnen, P. Sahling, PdN-ChiS 64 (1), (2015); im Druck



Scanning Microscope Image

(continuous layer)

Atomic Force Microscopy

(thickness ≈ 0.24 μm)

(vertical height difference ≈ 30 nm)

C. Bohrmann-Linde, S. Spinnen, P. Sahling, PdN-ChiS 64 (1), (2015); im Druck



< 388 nm

ungenutzt

ΔE =

3,1 eV



e- e-

Modelldarstellung

von sensibilisiertem TiO2

Sensibilisierung

ITO-Glas TiO2

E =

3,1 eV

LUMO

e-

Farbstoff

e-

HOMO

Verringerung von E

E <

2 eV

Blaulicht: 3 eV

Rotlicht: 1.6 eV



ITO-Glas

TiOH

OH

Ti

O

R

OH

OH

O

O

C. Bohrmann, M. T., J. Chem. Educ., 80 (12), 1471 (2003); ... CHEMIE 2000+ C.C.Buchner, Bamberg (2004 …2014)

100 nm

100 nm



Licht

S1→S0 T1→S0

Lumineszenz: F, P, CL, EL, ECL

Energietransfer

Elektronentransfer Weitere Reaktions-

typen

Isomerisierung

Photovoltaik



gelbe

Lösung

blaue

Lösung

+hν λ < 450 nm

+O2

Silke Korn

Silke Korn

Shake

• Energiebeteiligung bei chem. Reaktionen: Che 7-8 + Bio

• Molekülstruktur – Löslichkeit – Farbe: Che 9; 10-12

• Photoredoxreaktionen: Che 11-12

• Kreislauf Photosyntese-Atmung:

Che 11-12 + Geo + Bio

M. T. , D. Wöhrle „“Photokatalyse“ PdN-Chemie 38 (3), 37 (1989); M.T. „Photo-Blue-Bottle …“ . PdN-Chemie 43 (3), 13 (1994)

S .Korn, M. T., J. Chem. Educ. 78 (9), 1238 (2001); … M. Heffen, M. T., PdN-ChiS, 64 (1) … (2015)

D. Wöhrle. M.Tausch, W.-D. Stohrer, Photochemie – Konzepte, Methoden, Experimente, Wiley-VCH, Weinheim (1998)



NNH

2 NH2

NNH2 NH

2

H

++

+

+

(PF+)2 SO4

Proflavin PV+ (Diaminoacridinhemisulfat), Aldrich, 19, 822-6

N

O O-Na+

_ N_

OH

O

O

O

-Na+

OHO

NNCH3

CH3

2+

Cl2

Ethylendiaminotetraessig-säure-dinatriumsalzEDTA (Triplex III)Merck, 12029

Methylviologen MV2+(1,1'-Dimethyl-1,1'-bipyridiniumdichlorid)Aldrich, 85,617,-7

mit S .Korn, J. Chem. Educ. 78 (9), 1238 (2001); mit M. Heffen, PdN-ChiS, 64 (1) … (2015)

2014: Das Substrat MV2+

wurde durch EV2+ ersetzt !

2014: Der Photokat. PF+ wurde

durch Nano-TiO2 u. a. ersetzt !

2014: Der Donor ETDA wurde

durch Triethanolamin ersetzt !



Opfer-

donor Photo-

katalysator

Substrat

Oxidations-

mittel

c = 5.10-3 mol/L c = 5.10-5 mol/L Überschuss

Zufuhr

Licht

Modell-Zucker

Modell-CO2

M. T., PdN-ChiS 43 (3), 13 (1994)



E

Energiestufen-Modell für Moleküle

Höchste besetzte

Energiestufe

Niedrigste unbesetzte

Energiestufe

A A

A

Endergonische

Reduktion

Photoprozesse


Photosynthese-

apparat

C- and O-

Zyklen

Atmungs-

apparat

Licht

Mechanische, thermische

und andere Energien

Energie

Licht

Modell-Zucker

Modell-CO2

Energie

M. Tausch, M.von Wachtendonk, C. Bohrmann-Linde, S. Krees (Hrsg.) Chemie 2000+ , C.C. Buchner, Bamberg (2002..2014)

Energie ?

Photoprozesse


C. Bohrmann-Linde, F. Posala, D. Nietz, M. T., PdN-ChiS 62 (5), 25 (2013)

+ -

Photoprozesse


S .Korn, M. T., J. Chem. Educ. 78 (9), 1238 (2001);

PBB_high.avi

3 Millionen Zapfen

+ 100 Millionen Stäbchen

… der molekulare

Lichtschalter

im Rhodopsin

Photoprozesse



K. Palczewski et al. „Crystal Structure of Rhodopsin...“. SCIENCE 289, 739 (2000)

M. T, M. Woock, A. Grolmuss: „Vom Lichtquant zum Sehreiz“, PdN (Physik), 47, 26 (1998)

Ragnar S. Stoll, Stefan Hecht, Angew.Chem., 122 (30), 5176 (2010)

… ein photoschaltbarer

(thermischer) Katalysator

Photoprozesse


… ein molekulares

Trojanisches Pferd

… ein molekularer

Schraubstock

Photoprozesse


S. Shinkai et al. Bull. Chem. Soc. Jap., 60, 1819, (1987)

V. Ramamurthy, Photochemistry in Organized and Constrained Media, VCH, (1991)

D. Wöhrle, M.W. Tausch, W.-D. Stohrer, Photochemie, Wiley-VCH, (1998)

Grundzustand

Thermische Reaktion vs. photochemische Reaktion

Thermischer

Reaktionsweg

Photochemischer

Reaktionsweg

Reaktioskoordinate


R. Herges et al. Beilstein J.Org.Chem. 9,1 (2013); M.Heffen, N.Meuter. R. Krämer, M. T., PdN-ChiS, im Druck (2015)

A*

B*

Thermischer

Reaktionsweg



A B hν1

Δ, hν2

1

2

DC mit Azobenzol

Polystyrol

Toluol

PET-Folie

DIN A5 ca. 4 €

Licht

Wärme

Spiropyran C19H18O3N2 Merocyanin C19H18O3N2

E.D.Bergmann, A.Weizmann, E.Fischer, JACS, 72, 5009 (1950) ; M. T., Chemkon, 3, 123 (1996); S. Krees, PdN-ChiS, 62 (8), 35 (2013)

1 0




mit S. Spinnen, M. Essers, S. Krees PdN-ChiS, 63, (2) 35 (2014)

Beng Zhing Tang et al. „Aggregation-Induced Emission: The Whole Is More Brilliant than the Parts“, Adv. Mat. DOI 10.1002 (2014)

Absorption

λ =540 nm

Absorption

λ =570 nm

Absorption

λ =610 nm

Bestrahlung bei λ = 365 nm

Toluol-

Lösung Polystyrol-Matrix

Ein starkes Paar

Weyhe, Duisburg, Wuppertal (1976 … 2014)

Leitlinien für de Lehre der Chemie Photoprozesse


Vernetzte Medien Online-Ergänzungen zu Büchern:

Modellanimationen, Videos,

interaktive Aufgaben etc.

Ein starkes Paar

Dr. Claudia Bohrmann-

Linde

Prof. Dr. Simone Krees

Prof. Dr. Amitabh Banerji

Dr. Ralf-Peter Schmitz

Rebecca Roggendorf

Heidrun Geller

Dr. Bernd Rohe

Ingrid Reisewitz-Swertz

Renate Gärtig

Nico Meuter

Melanie Zepp

David Nietz

Frederic Posalla

Saskia Ruckebier

Sebastian Spinnen

René Krämer

u.v.a.

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