Absolute Dunkelheit…

Absolute Dunkelheit…

Chemie der Lichter und Lampen

Vom Lagerfeuer zur

Energiesparlampe

Übersicht

1. 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?

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:

- ^Sonne - Fackeln - Sterne - Kerzen - Feuer - Glühlampen

- Blitze - Leuchtstoffröhren

Lichterzeugungsarten:

2. Klassifizierung

Künstliche Lichtquellen

Entladungs-

lampen LED

Temperaturstrahler Lumineszenzstrahler

Glüh- lampen Halogen-

lampen

Hochdruck Niederdruck

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

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)

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

Warum Kohlefaden?

• 1801: L.J. de Thenárd;

Stromdurchflossene elektrische Leiter erwärmen sich

3. Historische Entwicklung

Elektron

Atom Bindungskräfte symbolisch

Modell: Schwarzer Strahler

Intensität

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.

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

Aufbau

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°C W 3410°C Rh 3180°C Os 2996°C

Smp. im Vergleich:

Versuch 2: Wolframnachweis

• Oxidationsschmelze:

±0 +5 +6

W_(s)+ Na₂CO_3(s)+ 3 NaNO3(s) Na₂WO_4(s)+ CO_2(g)

+3

+ 3 NaNO_2(s)

• Bildung einer Wolframbronze:

±0 +1 +2 ±0

Zn_(s) + 2 H_+(aq) Zn_2+(aq) + H_2(nasc.)

+6 ±0 +4/+6

WO_42-(aq) + H2(nasc.) H_xWO_3(s/aq) (nichtstöch.)

Δ

- H₂O

Versuch 2: Wolframbronze

• Verzerrte Perowskit-Struktur

H_xWO₃

• (O^2-)/(H⁺): fcc

• W⁶⁺ in OL: KZ = 6

• O^2-: KZ = 2

• Farbigkeit:

Gleichzeitiges Vorhandensein W⁴⁺/ W⁶⁺

Metall-Metall-CT

4. Lichterzeugung heute

Versuch 3: Durchbrennen

• Bei Kontakt mit Luftsauerstoff: Oxidation Heftige exotherme Reaktion

±0 ±0 +6 -2

2 W_(s) + 3 O_2(g) 2 WO_3(s) Δ H = -764 kJ/mol

• Lebensdauer:

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

Lebensdauer [h]

1200

1000

800

600

400 7

6

5

4

3

2

Lichtausbeute [%]

Δ

Problemorientierte Konstruktion

4. Lichterzeugung heute

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

• Verbrennung:

CH₃CH₂OH_(aq) + 3 O_2(g) 2 CO_2(g)↑ + 3 H₂O_(g)

• Glühlampe enthält ca. 80% N_2(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)

• Chemische Transportreaktion: Transportspezies: WO₂I_2(g)

4. Lichterzeugung heute

Quarzglas- Kolbenwand

Temperatur

3000°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 O_2(g) W(g) W_(s)↓

• Wolframkristalle: ungleichmäßige Wendel

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

Glasröhre Leuchtstoff

Hg-Dampf Glühwendel

Starter: HV Vorschaltdrossel

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)

Δ Δ

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

↑↓

↑ ↑

↑

Flu

oresz enz

S₀ S₁

↑↓

↑

↓

Phosphoreszenz

IC ISC

Lumineszenz in Leuchtstoffröhren?

• Lumineszenz-Kristalle = Modell für Leuchtstoff

• Anregung von Hg: UV-Strahlung

• Stokes-Regel: emittierte Strahlung langwelliger als absorbierte Strahlung

Hg Hg Hg

UV UV

VIS VIS

Anode

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

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

Ende

Radium

Zusatzfolien:

• Übersicht Historie

• Farbempfindung Auge

• Modell Schwarzer Strahler

• Argand-Brenner 18. Jh.

• Lichtfarbe

• V6: bunte Flammen

• LED

• Lumineszenz-Bändermodell

Übersicht Historie

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)

• Spektrale Zusammensetzung: Temperaturstrahler

sichtbarer Bereich

Intensität

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

• Spektrale Zusammensetzung: Temperaturstrahler

Modell: Schwarzer Strahler

Intensität

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

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)