PDF-Dokument - Chemie und ihre Didaktik, Universität Wuppertal ...
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M. W. Tausch<br />
Organische <strong>Chemie</strong><br />
Farben…<br />
Farben durc<br />
Lichtabsorption<br />
VIS-Spektren<br />
LED‘s, OLED‘s<br />
Beispiele <strong>und</strong><br />
Anwendungen<br />
Photoisomerisierung<br />
„molekulare Schalter“<br />
Photoredoxreaktion<br />
„Photosynthese-Modell“<br />
„Film“ der Einheit „<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> Licht“<br />
Licht <strong>und</strong> Farben<br />
durch Emission<br />
Fluoreszenz <strong>und</strong><br />
Phosphoreszenz<br />
Elektrolumineszenz<br />
Versuch zur<br />
ECL<br />
Erneuerbare<br />
Energien<br />
Solarzellen<br />
Energiestufen-<br />
Modell für<br />
Moleküle<br />
Chemilumineszenz<br />
<strong>und</strong> <strong>ihre</strong><br />
Anwendungen<br />
Aufgaben<br />
Zeitskala <strong>und</strong> Energie-<br />
Skale für Lumineszenz-<br />
Phänomene<br />
Anwendungen von<br />
Fluoreszenz <strong>und</strong><br />
Phosphoreszenz<br />
Literatur<br />
[1] M. W. Tausch et al., <strong>Chemie</strong> 2000+, Bd.1-3, C.C. Buchner, Bamberg 2005<br />
[2] K. P. C. Vollhardt et al. Organische <strong>Chemie</strong>, Wiley-VCH, Weinheim 2005
gleich nach dem<br />
Urknall des Universums ...<br />
Und Gott sprach:<br />
„Es werde Licht.“<br />
Und es ward Licht.<br />
Bibel, 1. Buch Mose, Vers 4
…eine notwendige Voraussetzung<br />
für das Leben auf der Erde.<br />
Und Gott sah,<br />
daß das Licht gut war.<br />
Bibel, 1. Mose, Vers 4
Energie der Weltreserven an Erdöl,<br />
Erdgas, Kohle <strong>und</strong> Uran<br />
2,5 ∙ 10 22 J<br />
Energie des Sonnenlichts pro Jahr<br />
3 ∙ 10 24 J<br />
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften<br />
E(Sonne/a) = 100 x Weltreserven<br />
� 100
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften<br />
Solar: 100 000 TW<br />
Wind: 14 TW<br />
Ocean Currents: 0.7 TW<br />
Biomass: 5-7 TW<br />
Hydroelectric: 1.2 TW<br />
Geothermal: 1.9 TW<br />
Source: Konarka, Arthur Norcik
M. W. Tausch<br />
Organische <strong>Chemie</strong><br />
Farben, Lumineszenz<br />
Das Spektrum der elektromagnetischen<br />
Strahlung
M. W. Tausch<br />
Organische <strong>Chemie</strong><br />
Farben, Lumineszenz
B2 Formeln einiger Farbstoff-Moleküle
Chemilumineszenz<br />
Fluoreszenz<br />
Fluoreszenz<br />
Elektrolumineszenz<br />
Phosphoreszenz<br />
Fluoreszenz<br />
Fluoreszenz<br />
A3 Begründen Sie, warum nur der<br />
obere Teil der Lösung fluoresziert<br />
A4 vgl. nächste Folie<br />
A1 Ordnen Sie die verschiedenen Leuchterscheinungen aus V1 bis V6 den Begriffen Fluoreszenz, Phosphoreszenz,<br />
Chemiluminezenz <strong>und</strong> Elektrolumineszenz zu <strong>und</strong> nennen Sie Gemeinsamkeiten <strong>und</strong> Unterschiede dieser Leuchterscheinungen.<br />
A2 Nennen Sie Alltagsgegenstände <strong>und</strong> technische Geräte, bei denen Leuchterscheinungen der vier Arten aus A1 vorkommen.
Fluoreszenz - eine Form von Lichtemission
H-Säure (4-Amino-5-hydroxy-2,7-naphthalindisulfonsäuremononatriumsalz)<br />
in Borsäure-Matrix, angeregt mit � = 366 nm<br />
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften<br />
Fluoreszein in Borsäure-Matrix,<br />
angeregt mit � = 366 nm<br />
Simone Krees<br />
M.Tausch, M.v.Wachtendonk (Hrsg.), CHEMIE 2000+, C.C.Buchner, Bamberg (2007…2010)
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften<br />
„The „photo“ part of molecular photochemistry is a historical prefix and is now<br />
too restrictive. It is now clear that electronically excited states of molecules<br />
are the heart of all photoprocesses. The excited state is in fact an electronic<br />
isomer of the gro<strong>und</strong> state.“<br />
N. J. Turro, Modern Molecular Photochemstry. Benjamin/Cummings, N.Y. (1978)
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften<br />
Paradigma: Moleküle können außer im elektronischen<br />
Gr<strong>und</strong>zustand auch im angeregten Zustand<br />
eine gewisse (kurze) Zeit existieren.<br />
Gr<strong>und</strong>zustand elektronisch angeregten Zustand
angeregter<br />
Singlett-Zustand S 1<br />
Fluoreszenz,<br />
Phosphoreszenz,<br />
Elektrolumineszenz<br />
...<br />
<strong>und</strong><br />
photochemische<br />
Reaktionen<br />
ist …<br />
…wenn Elektronen<br />
Rock´n Roll<br />
tanzen<br />
angeregter<br />
Triplett-Zustand T 1
Fluoreszenz - eine Form von Lichtemission<br />
Chemolumineszenz
Edukt<br />
(Gr<strong>und</strong>zustand)<br />
chemische<br />
Reaktion<br />
Produkt<br />
(Angeregter Zustand)<br />
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften<br />
Alle Experimente auf: www.chemiedidaktik.uni-wuppertal.de > <strong>Chemie</strong> 2000+ > Experimente
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften<br />
Alle Experimente auf: www.chemiedidaktik.uni-wuppertal.de > <strong>Chemie</strong> 2000+ > Experimente
M. W. Tausch<br />
Organische <strong>Chemie</strong><br />
Farben, Lumineszenz<br />
Amerikanischer Leuchtkäfer (Firefly)<br />
im eigenen Licht
M. W. Tausch<br />
Organische <strong>Chemie</strong><br />
Farben, Lumineszenz<br />
Leuchtbakterien<br />
bei der Abwasserreinigung
M. W. Tausch<br />
Organische <strong>Chemie</strong><br />
Farben, Lumineszenz<br />
Lumineszenz-Assay<br />
für Immuntests<br />
Alkalische Phosphatase<br />
10 -20 mol
Chemisches Basiskonzept<br />
Das Konzept vom<br />
Gr<strong>und</strong>zustand <strong>und</strong><br />
elektronisch angeregten<br />
Zuständen<br />
Chemolumineszenz<br />
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften<br />
Farbigkeit durch<br />
Lichtabsorption<br />
LB<br />
VB e -<br />
Pluspol<br />
�E<br />
e -<br />
Gr<strong>und</strong>zustand<br />
Elektrolumineszenz<br />
e -<br />
Minuspol<br />
Photolumineszenz<br />
e -<br />
h�<br />
e -<br />
LB<br />
VB<br />
angeregter Zustand
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften<br />
Claudia<br />
Bohrmann-Linde<br />
M.Tausch, M.v.Wachtendonk (Hrsg.), CHEMIE 2000+, C.C.Buchner, Bamberg (2007…2010)
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften<br />
Amitabh Banerji<br />
mit Amitabh Banerji PdN-ChiS, 59 (4), 42 (2010)
Renewable energy supply<br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> ihr <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Anwendungen<br />
• Beschichtungen für Leuchtröhren<br />
• LED‘s für Lampen <strong>und</strong> Anzeigen<br />
• OLED‘s für Lampen <strong>und</strong> Displays<br />
• Fälschungssichere <strong>Dokument</strong>e & Geld<br />
• Leuchtfabstoffe für Textilien etc.<br />
• Fluoreszenzkollektoren<br />
• Immunoassays (med. Diagnose)<br />
• Fluoreszenzmikroskopie<br />
• Analytische Methoden (CL-Assay,<br />
„Green Fluorescent Protein“<br />
„Single Molecule Spektroscopy“)<br />
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
Photoprozesse in der Photoprocesses Lehre der Naturwissenschaften<br />
in Science Education
Licht X-Energie<br />
Stoffliches<br />
System 1<br />
X-Energie Licht<br />
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften<br />
Licht<br />
Licht<br />
Stoffliches<br />
System 2
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften
Solution<br />
Spiropyrane C 19H 18O 3N 2<br />
Licht<br />
Dunkelheit<br />
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
Video<br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften<br />
Merocyanine C 19H 18O 3N 2<br />
Polymer-<br />
Matrix<br />
1 Gr<strong>und</strong>experiment<br />
2 Lichtfilter<br />
3 Temperatur<br />
4 Solvent / Matrix<br />
5 Dünne Schichten<br />
M.Tausch, M.v.Wachtendonk (Hrsg.), CHEMIE 2000+, C.C.Buchner, Bamberg (2007…2010)
Polystyrol<br />
Ein photoschaltbares „Intelligentes Material“<br />
Plastikfolie (PET)<br />
Spiro<br />
Toluol<br />
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften<br />
Intelligentes Material
Thermische Reaktion vs. photochemische Bergische <strong>Universität</strong> Reaktion<br />
<strong>Wuppertal</strong><br />
Energie Profilkurven<br />
Reaktionskoordinate<br />
Photochemischer<br />
Reactionsweg<br />
Photochemischer<br />
Angeregter<br />
Reaktionsweg<br />
Zustand<br />
Thermischer<br />
Reaktionsweg<br />
Gr<strong>und</strong>zustand<br />
Thermischer<br />
Reaktionsweg<br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften<br />
Photostationärer<br />
Zustand<br />
M. W.Tausch, Chemkon, 3, 123 (1996)<br />
E.D.Bergmann, A.Weizmann, E.Fischer, JACS, 72, 5009 (1950)<br />
M.Tausch, M.v.Wachtendonk (Hrsg.), CHEMIE 2000+, C.C.Buchner, Bamberg (2007…2010)
Wirt / Gast - Systeme<br />
als photochemische Nano-Maschinen<br />
… ein molekulares<br />
Trojanisches Pferd<br />
… ein molekularer<br />
Schraubstock<br />
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften<br />
S. Shinkai et al. Bull. Chem. Soc. Jap., 60, 1819, (1987)<br />
V. Ramamurthy, Photochemistry in Organized and Constrained Media, VCH, (1991)<br />
D. Wöhrle, M.W. Tausch, W.-D. Stohrer, Photochemie, Wiley-VCH, (1998)
3 Millionen Zapfen<br />
+ 100 Millionen Stäbchen<br />
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften<br />
… der molekulare<br />
Lichtschalter<br />
im Rhodopsin<br />
K. Palczewski et al. „Crystal Structure of Rhodopsin...“. SCIENCE 289, 739, 2000<br />
Tausch / v. Wachtendonk, <strong>Chemie</strong> 2000+, C.C. Buchner, Bamberg, 2003<br />
M. W. Tausch, M. Woock, A. Grolmuss: „Vom Lichtquant zum Sehreiz“, PdN (Physik), 47, 26, 1998
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
Renewable energy supply<br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Photoprocesses Lehre der Naturwissenschaften<br />
in Science Education<br />
Druckindustrie<br />
Elektronikindustrie<br />
Automobilindustrie<br />
n • 10 9 €/a<br />
… ein photoaktivierbares<br />
katalytisches System<br />
Folienserie des FCI (1995)
„Viviamo sul fondo di un oceano d‘aria“<br />
Evanghelista Torricelli, 1640<br />
Satellite Photograph: Narrows of Gibraltar, 1995<br />
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften
Tank B<br />
Quadricyclan<br />
Tank A<br />
Norbornadien<br />
Anwendungen<br />
• Lichthärtende Lacke für Autos<br />
• Photopolymere Druckplatten<br />
• Integrierte Schaltkreise<br />
• UV-härtende Silicone für LED‘s<br />
• Photodynamische Therapien<br />
• Solarenergiespeicherung<br />
• „Intelligente Materialien“ mit<br />
speziellen optischen, elektronischen,<br />
magnetischen, chemischen <strong>und</strong><br />
biologischen Eigenschaften, z.B.<br />
molekulare „Nasen“, „Augen“,<br />
„Chirurgen“, „Türsteher“ etc.<br />
• Photoreaktor Atmosphäre<br />
• Photoreaktor Haut<br />
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften<br />
Photosynthese in Zahlen<br />
700.000.000.000 t Biomass/a 3.000.000.000.000.000.000.000 J/a � � 0,15%
Silke Korn<br />
Kontext: Natürlicher Kreislauf Photosynthese - Zellatmung<br />
Einführung, Anwendung, Vertiefung:<br />
Mini-Version, < 1 €<br />
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften<br />
+h�<br />
� < 450 nm<br />
blaue<br />
Lösung<br />
gelbe<br />
Lösung<br />
• Relation: Molekülstruktur – Lichtabsorption - Farbe<br />
• Redox- <strong>und</strong> Photoredoxreaktionen (Elementarprozesse)<br />
• Katalyse <strong>und</strong> Photokatalyse (Gemeinsamkeiten, Unterschiede)<br />
• Konversion <strong>und</strong> Speicherung von Lichtenergie (Prinzipien)<br />
• Modellexperimente zu natürlichen Vorgängen (Funktion, Grenzen)<br />
+O 2
N<br />
H 2<br />
HO<br />
N<br />
+<br />
NH 2<br />
N<br />
H 2<br />
Proflavin PV + (Diaminoacridinhemisulfat), Aldrich, 19, 822-6<br />
O O - Na +<br />
O<br />
_<br />
_ N<br />
N<br />
HO<br />
O<br />
O<br />
O<br />
Ethylendiaminotetraessigsäure-dinatriumsalz<br />
EDTA (Triplex III)<br />
Merck, 12029<br />
- Na +<br />
C<br />
H 3<br />
+<br />
N<br />
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
N<br />
H<br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften<br />
+<br />
NH 2<br />
+<br />
N<br />
(PF + ) 2 SO 4<br />
CH 3<br />
2 +<br />
Methylviologen MV2+<br />
(1,1'-Dimethyl-1,1'-bipyridiniumdichlorid)<br />
Aldrich, 85,617,-7<br />
Cl 2
E<br />
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften<br />
Opfer-Donor Photokatalysator Substrat Ox.mittel<br />
c � 5.10-3 c � 5.10 mol/L<br />
-5 Überschuss mol/L<br />
Zufuhr
E<br />
Angeregter Zustand<br />
Gr<strong>und</strong>zustand<br />
niedrigstes unbesetztes<br />
Energieniveau (LUMO)<br />
höchstes besetztes<br />
Energieniveau (HOMO)<br />
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften
E<br />
höchstes besetztes<br />
Energieniveau (HOMO)<br />
niedrigstes unbesetztes<br />
Energieniveau (LUMO)<br />
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften<br />
A<br />
A<br />
�<br />
Endergonische<br />
Reduktion
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften
Allgemeine Regel für didaktisch prägnante Experimente:<br />
„Nutze die Eigenschaften der Stoffe!“<br />
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften<br />
Video Christian<br />
Welche Eigenschaften<br />
ändern sich beim PBB? MV 2+ + e - MV +<br />
farblos blau<br />
Video Frederic
Hightech -Version<br />
(O /air)<br />
2<br />
, 3 6 9<br />
-<br />
+<br />
V<br />
Schul-Version<br />
salt bridge<br />
platinum<br />
electrode<br />
referring<br />
sample<br />
Voltage/V<br />
0,4<br />
0,35<br />
0,3<br />
0,25<br />
0,2<br />
0,15<br />
0,1<br />
0,05<br />
�<br />
�<br />
Voltage measurement in PBB-experiment<br />
��<br />
0<br />
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000<br />
� Light on<br />
�<br />
�<br />
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften<br />
Video Christian Video Frederic<br />
Time/s<br />
start and end of irradiation<br />
start and end of air supply<br />
� � � �<br />
�<br />
� � � � �<br />
� Light off �� Air on � Air off<br />
Experimentelles Ergebnis:<br />
Licht wird in (elektro)chemische Energie umgewandelt<br />
<strong>und</strong> im reduzierten System gespeichert.<br />
mit Silke Korn, J. Chem. Educ. 78 (9), 1238 (2001); … CHEMIE 2000+<br />
�
Photosynthese/Atmung<br />
Phänomene Beteiligung von:<br />
a) farbigen Stoffen (Chl, Car u.a.)<br />
b) Gasen <strong>und</strong> gelösten Stoffen<br />
c) Licht u.a. Energieformen<br />
Stoffkreisläufe, Stoffe:<br />
a) Kreisläufe von C, O, Chl...<br />
b) Sauerstoffverbrauch bei der Ox.<br />
Reaktionstypen, Energiekonversion:<br />
a) Reduktion - enderg. / Licht<br />
b) Oxidation - exerg. / Wärme, Arbeit..<br />
c) Anregung, Photoelektronentransfer<br />
Analogien<br />
Unterschiede<br />
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften<br />
Photo-Blue-Bottle<br />
Phänomene Beteiligung von:<br />
a) farbigen Stoffen (PF, MV)<br />
b) Gasen <strong>und</strong> gelösten Stoffen<br />
c) Licht u.a. Energieformen<br />
Stoffkreisläufe, Stoffe:<br />
a) Kreisläufe von MV <strong>und</strong> PF<br />
b) Sauerstoffverbrauch bei der Ox.<br />
Reaktionstypen, Energiekonversion:<br />
a) Reduktion - enderg. / Licht<br />
b) Oxidation - exerg. / elektr. Arbeit..<br />
c) Anregung, Photoelektronentransfer
Solare-Photovoltaik<br />
Generationen <strong>und</strong> Wirkungsgrade (im Labor) von Photovoltazellen:<br />
I. Generation (300 �m): : einkristallines Si: 28%<br />
II. Generation (3 �m): multikristallines Si: 19%; amorphes Si: 16%; CdTe: 17%<br />
(multijunction SC) Ge, In(GaAs), (GaIn)P u.a. 43% (Weltrekord)<br />
III. Generation (Farbstoffzellen): Titandioxid/Ru-Komplexe/Iod-Iodid: 10%<br />
IV. Generation (Plastik-Zellen): Polymer (PT, PPV) + Fullerenderivate: 8%<br />
Einkristallines Si<br />
Polykristallines Si<br />
Wacker, 2006<br />
Farbstoffsolarzelle<br />
Bergische <strong>Universität</strong> <strong>Wuppertal</strong><br />
<strong>Chemie</strong> <strong>und</strong> <strong>ihre</strong> <strong>Didaktik</strong><br />
Michael W. Tausch<br />
Plastiksolarzelle
Begriffe für das Glossar<br />
Miniklausur: Erläutern Sie diese Begriffe:<br />
Angeregter Zustand, elektronischer<br />
Bandlücke<br />
IR-Strahlen<br />
EFES - Echtfarbenemissionsspektren ITO-Glas, elektrisch leitfähiges Glas<br />
Elektrolumineszenz<br />
Kurzwellen<br />
Elektron/Loch Paar<br />
Leitungsband<br />
Elektron/Loch Rekombination Lichtabsorption<br />
Energiequant<br />
Lichtemission<br />
Energiestufen-Modell<br />
Molekulare Maschine<br />
Energieträger<br />
Molekulare Schalter<br />
Fluoreszenz<br />
Nano-Maschine<br />
Fluoreszenzkollektor<br />
n-Halbleiter<br />
Frequenz<br />
Paradigma<br />
Gr<strong>und</strong>zustand, elektronischer p-Halbleiter<br />
Halbleiter<br />
Phosphoreszenz<br />
Halbleiter-Dotierung<br />
Photochemie, in dünnen Schichten<br />
Photochemische Reaktion<br />
Photochromie<br />
Photolumineszenz<br />
Photo-Redoxreaktion<br />
Photosynthese<br />
Photosyntheseapparat<br />
Photovoltaik<br />
Schwingungszustand<br />
Sichtbares Licht<br />
Singlett-Zustand<br />
Solarreaktor<br />
Solarwasserstoff<br />
SR - Schwingungsrelaxation<br />
Strahlung, elektromagnetische<br />
Triplett-Zustand<br />
UV-Strahlen<br />
Valenzband<br />
Wellenlänge<br />
Wirkungsgrad
Fluoreszenz - eine Form von Lichtemission<br />
Aufgaben
A1 <strong>Dokument</strong>ieren Sie die Versuchsergebnisse<br />
tabellarisch (Farbe der untersuchten Lösung,<br />
Positionen der Dunkelzonen in den Spektren).<br />
A2 Erkennen <strong>und</strong> beschreiben Sie den<br />
Zusammenhang zwischen den Dunkelzonen in den<br />
Spektren <strong>und</strong> der gesehenen Farbe der jeweiligen<br />
Lösung.<br />
A3 Verallgemeinern Sie Ihre Erkenntnisse aus A2,<br />
formulieren Sie eine Hypothese, planen Sie einen<br />
Versuch zur Überprüfung <strong>und</strong> führen Sie ihn durch.<br />
A4 Bearbeiten Sie die Aufgabe in der Legende von<br />
B1 <strong>und</strong> die unten angegebenen Aufgaben a) <strong>und</strong> b).
B2 Formeln einiger Farbstoff-Moleküle<br />
A1 Geben Sie anhand der Formeln in B2 an,<br />
welches strukturelle Merkmal bei allen Farbstoff-<br />
Molekülen auftritt <strong>und</strong> welche Strukturelemente<br />
häufig vorkommen.<br />
A2 Erläutern Sie den Zusammenhang zwischen<br />
n <strong>und</strong> der Farbe des absorbierten Lichts bei<br />
Polyenen <strong>und</strong> Cyaninen (B1) <strong>und</strong> erklären Sie<br />
den Sachverhalt mithilfe von mesomeren Grenz-<br />
Strukturen eines Polyens <strong>und</strong> eines Cyanins für<br />
n = 3.
A4 Erschließen Sie den Text <strong>und</strong> beschreiben Sie das<br />
Zustandekommen der Fluoreszenz <strong>und</strong> Phosphoreszenz<br />
unter Einsatz von Fachbegriffen <strong>und</strong> unter Verwendung<br />
von B5 <strong>und</strong> B6.
Die Probe wird mit<br />
UV-Licht angestrahlt<br />
Fluoreszenz Phosphoreszenz<br />
Die Probe<br />
leuchtet nach<br />
H-Säure (4-Amino-5-hydroxy-2,7-naphthalindisulfonsäuremononatriumsalz)<br />
in Borsäure-Matrix, angeregt mit � = 366 nm<br />
A1 Erklären Sie mithilfe von B6 den Farbunterschied bei der Fluoreszenz <strong>und</strong> Phosphoreszenz der H-Säure (vgl. die 2 Farbbilder).<br />
A2 Die mittlere Lebensdauer des S 1-Zustandes beträgt ca. 10 -9 s, die des T 1-Zustandes ca. 10 0 s (bei Raumtemperatur). Erklären<br />
Sie mithilfe von B6, warum die Probe nach dem Ausschalten der UV-Lampe einige Sek<strong>und</strong>en nachleuchtet.<br />
A3 Überlegen Sie, wie man die Phosphoreszenzdauer der Probe aus den beiden Bildern verlängern kann, planen Sie einen Versuch<br />
zur Überprüfung Ihrer Hypothese, diskutieren Sie ihn mit der Lehrkraft <strong>und</strong> führen Sie ihn durch.<br />
A4 Die weiße Farbe im unteren Teil der Probe im UV-Licht kommt durch die Überlagerung der Fluoreszenz- <strong>und</strong> Phosphoreszenz-<br />
Emission zustande. a) Erklären Sie, warum dabei weißes Licht entsteht. b) Wie würde die Probe im UV-Licht leuchten, wenn sie<br />
statt Raumtemperatur eine Temperatur von z.B. 80 o C hätte? Begründen Sie Ihre Vermutung <strong>und</strong> überprüfen Sie sie experimentell.
A1 Der „Phosphor“ von der Innenwand einer<br />
Leuchtstoffröhre ist ein fluoreszierendes Material<br />
aus mehreren Komponenten. Begrün-den Sie,<br />
warum „Phosphor“ eine irreführende Bezeichnung<br />
ist <strong>und</strong> erläutern Sie, wie er zum Leuchten kommt.<br />
A2 Erklären Sie, warum <strong>und</strong> wie man des Spektrum<br />
einer Leuchtstoffröhre „tunen“ kann.<br />
A3 Erläutern Sie, warum Lebensmittel unter einer<br />
Lampe mit geeignetem Spektrum appetitlicher<br />
aussehen können?<br />
Spektrum der Lampe<br />
Absorption<br />
BaMgAl 10O 17(Eu 2+ )<br />
CaMgAl 11O 19(Tb 2+ )<br />
Y 2O 3(Eu 3+ )<br />
Emission
A1 Erläutern Sie anhand des Textes <strong>und</strong> der Skizze in V1 die<br />
Funktionsweise eines Fluoreszenzkollektors.<br />
A2 Vergleichen Sie den Fluoreszenzkollektor mit der<br />
Leuchtstoffröhre (vgl. voranstehende Folie). Nennen Sie<br />
Gemeinsamkeiten <strong>und</strong> Unterschiede.<br />
A3 Wenden Sie das in B1 dargestellte Prinzip zum Be-trieb<br />
einer Photozelle (Solarzelle) an <strong>und</strong> planen Sie eine<br />
Fluoreszenzkollektor-Dachziegel. Nennen Sie Vor- <strong>und</strong><br />
Nachteile eines Daches aus solchen Ziegeln im Vergleich zu<br />
einem Dach aus herkömmlichen Silicium-Solarzellen.