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)
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