M. W. Tausch Organische Chemie Farben… „Film“ der Einheit „Chemie und Licht“ Farben durc Lichtabsorption VIS-Spektren LED‘s, OLED‘s Beispiele und Anwendungen Photoisomerisierung „molekulare Schalter“ Photoredoxreaktion „Photosynthese-Modell“ Licht und Farben durch Emission Fluoreszenz und Phosphoreszenz Elektrolumineszenz Versuch zur ECL Erneuerbare Energien Solarzellen EnergiestufenModell für Moleküle Chemilumineszenz und ihre Anwendungen Zeitskala und EnergieSkale für LumineszenzPhänomene Anwendungen von Fluoreszenz und Phosphoreszenz Aufgaben Literatur [1] M. W. Tausch et al., Chemie 2000+, Bd.1-3, C.C. Buchner, Bamberg 2005 [2] K. P. C. Vollhardt et al. Organische Chemie, Wiley-VCH, Weinheim 2005 gleich nach dem Urknall des Universums ... Und Gott sprach: „Es werde Licht.“ Und es ward Licht. Bibel, 1. Buch Mose, Vers 4 …eine notwendige Voraussetzung für das Leben auf der Erde. Und Gott sah, daß das Licht gut war. Bibel, 1. Mose, Vers 4 Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften E(Sonne/a) = 100 x Weltreserven Energie der Weltreserven an Erdöl, Erdgas, Kohle und Uran 2,5 ∙ 1022 J Energie des Sonnenlichts pro Jahr 3 ∙ 1024 J 100 Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik 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 M. W. Tausch Organische Chemie Farben, Lumineszenz Das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung M. W. Tausch Organische Chemie Farben, Lumineszenz B2 Formeln einiger Farbstoff-Moleküle Fluoreszenz Phosphoreszenz Fluoreszenz Fluoreszenz A3 Begründen Sie, warum nur der obere Teil der Lösung fluoresziert Fluoreszenz Elektrolumineszenz Chemilumineszenz A4 vgl. nächste Folie A1 Ordnen Sie die verschiedenen Leuchterscheinungen aus V1 bis V6 den Begriffen Fluoreszenz, Phosphoreszenz, Chemiluminezenz und Elektrolumineszenz zu und nennen Sie Gemeinsamkeiten und Unterschiede dieser Leuchterscheinungen. A2 Nennen Sie Alltagsgegenstände und technische Geräte, bei denen Leuchterscheinungen der vier Arten aus A1 vorkommen. Fluoreszenz - eine Form von Lichtemission Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften Simone Krees H-Säure (4-Amino-5-hydroxy-2,7-naphthalindisulfonsäuremononatriumsalz) in Borsäure-Matrix, angeregt mit = 366 nm Fluoreszein in Borsäure-Matrix, angeregt mit = 366 nm M.Tausch, M.v.Wachtendonk (Hrsg.), CHEMIE 2000+, C.C.Buchner, Bamberg (2007…2010) Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften „The „photo“ part of molecular photochemistry is a historical prefix and is now too restrictive. 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 Photochemstry. Benjamin/Cummings, N.Y. (1978) Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften Paradigma: Moleküle können außer im elektronischen Grundzustand auch im angeregten Zustand eine gewisse (kurze) Zeit existieren. Grundzustand elektronisch angeregten Zustand angeregter Singlett-Zustand S1 Fluoreszenz, Phosphoreszenz, Elektrolumineszenz ... und photochemische Reaktionen ist … …wenn Elektronen Rock´n Roll tanzen angeregter Triplett-Zustand T1 Fluoreszenz - eine Form von Lichtemission Chemolumineszenz Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften chemische Reaktion Edukt (Grundzustand) Produkt (Angeregter Zustand) Alle Experimente auf: www.chemiedidaktik.uni-wuppertal.de > Chemie 2000+ > Experimente Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften Alle Experimente auf: www.chemiedidaktik.uni-wuppertal.de > Chemie 2000+ > Experimente M. W. Tausch Organische Chemie Farben, Lumineszenz Amerikanischer Leuchtkäfer (Firefly) im eigenen Licht M. W. Tausch Organische Chemie Farben, Lumineszenz Leuchtbakterien bei der Abwasserreinigung M. W. Tausch Organische Chemie Farben, Lumineszenz Lumineszenz-Assay für Immuntests Alkalische Phosphatase 10-20 mol Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften Farbigkeit durch Lichtabsorption Photolumineszenz Chemisches Basiskonzept Das Konzept vom Grundzustand und elektronisch angeregten Zuständen Chemolumineszenz Elektrolumineszenz e- LB E e- VB e- Minuspol e- LB h e- VB Pluspol Grundzustand angeregter Zustand Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften Claudia Bohrmann-Linde M.Tausch, M.v.Wachtendonk (Hrsg.), CHEMIE 2000+, C.C.Buchner, Bamberg (2007…2010) Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften Amitabh Banerji mit Amitabh Banerji PdN-ChiS, 59 (4), 42 (2010) Bergische Universität Bergische UniversitätWuppertal Wuppertal Renewable energy supply Chemie und und ihr Chemie ihreDidaktik Didaktik Photoprocesses in Science Education Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften Anwendungen • Beschichtungen für Leuchtröhren • LED‘s für Lampen und Anzeigen • OLED‘s für Lampen und Displays • Fälschungssichere Dokumente & Geld • Leuchtfabstoffe für Textilien etc. • Fluoreszenzkollektoren • Immunoassays (med. Diagnose) • Fluoreszenzmikroskopie • Analytische Methoden (CL-Assay, „Green Fluorescent Protein“ „Single Molecule Spektroscopy“) Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften Licht X-Energie Licht Stoffliches System 1 Stoffliches System 2 Licht X-Energie Licht Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften Video PolymerMatrix 1 Grundexperiment 2 Lichtfilter 3 Temperatur 4 Solvent / Matrix 5 Dünne Schichten Solution Licht Dunkelheit Spiropyrane C19H18O3N2 Merocyanine C19H18O3N2 M.Tausch, M.v.Wachtendonk (Hrsg.), CHEMIE 2000+, C.C.Buchner, Bamberg (2007…2010) Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften Ein photoschaltbares „Intelligentes Material“ Intelligentes Material Toluol Spiro Polystyrol Plastikfolie (PET) Bergische UniversitätReaktion Wuppertal Thermische Reaktion vs. photochemische Chemie und ihre Didaktik Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften Energie Profilkurven Photochemischer Angeregter Photochemischer Zustand Reactionsweg Reaktionsweg Photostationärer Zustand Thermischer Grundzustand Reaktionsweg Thermischer Reaktionsweg Reaktionskoordinate M. W.Tausch, Chemkon, 3, 123 (1996) E.D.Bergmann, A.Weizmann, E.Fischer, JACS, 72, 5009 (1950) M.Tausch, M.v.Wachtendonk (Hrsg.), CHEMIE 2000+, C.C.Buchner, Bamberg (2007…2010) Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften Wirt / Gast - Systeme als photochemische Nano-Maschinen … ein molekulares Trojanisches Pferd … ein molekularer Schraubstock 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) Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften 3 Millionen Zapfen + 100 Millionen Stäbchen … der molekulare Lichtschalter im Rhodopsin K. Palczewski et al. „Crystal Structure of Rhodopsin...“. SCIENCE 289, 739, 2000 Tausch / v. Wachtendonk, Chemie 2000+, C.C. Buchner, Bamberg, 2003 M. W. Tausch, M. Woock, A. Grolmuss: „Vom Lichtquant zum Sehreiz“, PdN (Physik), 47, 26, 1998 Bergische Universität Bergische UniversitätWuppertal Wuppertal Renewable energy supply Chemie und Chemie undihre ihreDidaktik Didaktik Photoprocesses in Science Education Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften Druckindustrie Elektronikindustrie Automobilindustrie n • 109 €/a … ein photoaktivierbares katalytisches System Folienserie des FCI (1995) Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften „Viviamo sul fondo di un oceano d‘aria“ Evanghelista Torricelli, 1640 Satellite Photograph: Narrows of Gibraltar, 1995 Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften Anwendungen • Lichthärtende Lacke für Autos • Photopolymere Druckplatten • Integrierte Schaltkreise • UV-härtende Silicone für LED‘s • Photodynamische Therapien • Solarenergiespeicherung • „Intelligente Materialien“ mit speziellen optischen, elektronischen, magnetischen, chemischen und biologischen Eigenschaften, z.B. molekulare „Nasen“, „Augen“, „Chirurgen“, „Türsteher“ etc. Tank B Tank A Quadricyclan Norbornadien • Photoreaktor Atmosphäre • Photoreaktor Haut Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften Photosynthese in Zahlen 700.000.000.000 t Biomass/a 3.000.000.000.000.000.000.000 J/a 0,15% Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften blaue Lösung +h +O2 < 450 nm Silke Korn gelbe Lösung Mini-Version, < 1 € Kontext: Natürlicher Kreislauf Photosynthese - Zellatmung Einführung, Anwendung, Vertiefung: • Relation: Molekülstruktur – Lichtabsorption - Farbe • Redox- und Photoredoxreaktionen (Elementarprozesse) • Katalyse und Photokatalyse (Gemeinsamkeiten, Unterschiede) • Konversion und Speicherung von Lichtenergie (Prinzipien) • Modellexperimente zu natürlichen Vorgängen (Funktion, Grenzen) Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften N + H 2N NH 2 N H 2N + NH 2 (PF+)2 SO4 H Proflavin PV+ (Diaminoacridinhemisulfat), Aldrich, 19, 822-6 O O -Na+ O _ N O -Na+ 2+ _ N H 3C HO HO + N + N CH 3 Cl2 O O Ethylendiaminotetraessigsäure-dinatriumsalz EDTA (Triplex III) Merck, 12029 Methylviologen MV2+ (1,1'-Dimethyl-1,1'-bipyridiniumdichlorid) Aldrich, 85,617,-7 Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften E Opfer-Donor Überschuss Photokatalysator c 5.10-5 mol/L Substrat c 5.10-3 mol/L Ox.mittel Zufuhr Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften E Angeregter Zustand niedrigstes unbesetztes Energieniveau (LUMO) höchstes besetztes Energieniveau (HOMO) Grundzustand Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften E A niedrigstes unbesetztes Energieniveau (LUMO) Endergonische Reduktion A höchstes besetztes Energieniveau (HOMO) Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften Allgemeine Regel für didaktisch prägnante Experimente: „Nutze die Eigenschaften der Stoffe!“ Welche Eigenschaften ändern sich beim PBB? MV2+ + efarblos Video Frederic Video Christian MV+ blau Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften Hightech -Version Video Frederic Video Christian ,3 6 9 -+ V Voltage measurement in PBB-experiment Voltage/V 0,4 start and end of irradiation salt bridge start and end of air supply 0,35 platinum electrode 0,3 (O2 /air) referring sample 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 Schul-Version 0 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 Time/s Light on Light off Air on Air off Experimentelles Ergebnis: Licht wird in (elektro)chemische Energie umgewandelt und im reduzierten System gespeichert. mit Silke Korn, J. Chem. Educ. 78 (9), 1238 (2001); … CHEMIE 2000+ Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik Photoprozesse in der Lehre der Naturwissenschaften Analogien Photosynthese/Atmung Photo-Blue-Bottle Phänomene Beteiligung von: a) farbigen Stoffen (Chl, Car u.a.) b) Gasen und gelösten Stoffen c) Licht u.a. Energieformen Phänomene Beteiligung von: a) farbigen Stoffen (PF, MV) b) Gasen und gelösten Stoffen c) Licht u.a. Energieformen Stoffkreisläufe, Stoffe: a) Kreisläufe von C, O, Chl... b) Sauerstoffverbrauch bei der Ox. Reaktionstypen, Energiekonversion: a) Reduktion - enderg. / Licht b) Oxidation - exerg. / Wärme, Arbeit.. c) Anregung, Photoelektronentransfer Unterschiede Stoffkreisläufe, Stoffe: a) Kreisläufe von MV und PF b) Sauerstoffverbrauch bei der Ox. Reaktionstypen, Energiekonversion: a) Reduktion - enderg. / Licht b) Oxidation - exerg. / elektr. Arbeit.. c) Anregung, Photoelektronentransfer Bergische Universität Wuppertal Chemie und ihre Didaktik Michael W. Tausch Solare-Photovoltaik Generationen und Wirkungsgrade (im Labor) von Photovoltazellen: I. Generation (300 m): : einkristallines Si: 28% II. Generation (3 m): multikristallines Si: 19%; amorphes Si: 16%; CdTe: 17% (multijunction SC) Ge, In(GaAs), (GaIn)P u.a. 43% (Weltrekord) III. Generation (Farbstoffzellen): Titandioxid/Ru-Komplexe/Iod-Iodid: 10% IV. Generation (Plastik-Zellen): Polymer (PT, PPV) + Fullerenderivate: 8% Farbstoffsolarzelle Polykristallines Si Einkristallines Si Wacker, 2006 Plastiksolarzelle Begriffe für das Glossar Miniklausur: Erläutern Sie diese Begriffe: Angeregter Zustand, elektronischer Bandlücke IR-Strahlen EFES - Echtfarbenemissionsspektren ITO-Glas, elektrisch leitfähiges Glas Elektrolumineszenz Kurzwellen Elektron/Loch Paar Leitungsband Elektron/Loch Rekombination Lichtabsorption Energiequant Lichtemission Energiestufen-Modell Molekulare Maschine Energieträger Molekulare Schalter Fluoreszenz Nano-Maschine Fluoreszenzkollektor n-Halbleiter Frequenz Paradigma Grundzustand, elektronischer p-Halbleiter Halbleiter Phosphoreszenz Halbleiter-Dotierung Photochemie, in dünnen Schichten Photochemische Reaktion Photochromie Photolumineszenz Photo-Redoxreaktion Photosynthese Photosyntheseapparat Photovoltaik Schwingungszustand Sichtbares Licht Singlett-Zustand Solarreaktor Solarwasserstoff SR - Schwingungsrelaxation Strahlung, elektromagnetische Triplett-Zustand UV-Strahlen Valenzband Wellenlänge Wirkungsgrad Fluoreszenz - eine Form von Lichtemission Aufgaben A1 Dokumentieren Sie die Versuchsergebnisse tabellarisch (Farbe der untersuchten Lösung, Positionen der Dunkelzonen in den Spektren). A2 Erkennen und beschreiben Sie den Zusammenhang zwischen den Dunkelzonen in den Spektren und der gesehenen Farbe der jeweiligen Lösung. A3 Verallgemeinern Sie Ihre Erkenntnisse aus A2, formulieren Sie eine Hypothese, planen Sie einen Versuch zur Überprüfung und führen Sie ihn durch. A4 Bearbeiten Sie die Aufgabe in der Legende von B1 und die unten angegebenen Aufgaben a) und b). B1 A1 Geben Sie anhand der Formeln in B2 an, welches strukturelle Merkmal bei allen FarbstoffMolekülen auftritt und welche Strukturelemente häufig vorkommen. A2 Erläutern Sie den Zusammenhang zwischen n und der Farbe des absorbierten Lichts bei Polyenen und Cyaninen (B1) und erklären Sie den Sachverhalt mithilfe von mesomeren GrenzStrukturen eines Polyens und eines Cyanins für n = 3. B2 Formeln einiger Farbstoff-Moleküle A4 Erschließen Sie den Text und beschreiben Sie das Zustandekommen der Fluoreszenz und Phosphoreszenz unter Einsatz von Fachbegriffen und unter Verwendung von B5 und B6. Die Probe wird mit UV-Licht angestrahlt Fluoreszenz Die Probe leuchtet nach Phosphoreszenz H-Säure (4-Amino-5-hydroxy-2,7-naphthalindisulfonsäuremononatriumsalz) in Borsäure-Matrix, angeregt mit = 366 nm A1 Erklären Sie mithilfe von B6 den Farbunterschied bei der Fluoreszenz und Phosphoreszenz der H-Säure (vgl. die 2 Farbbilder). A2 Die mittlere Lebensdauer des S1-Zustandes beträgt ca. 10-9 s, die des T1-Zustandes ca. 100 s (bei Raumtemperatur). Erklären Sie mithilfe von B6, warum die Probe nach dem Ausschalten der UV-Lampe einige Sekunden nachleuchtet. A3 Überlegen Sie, wie man die Phosphoreszenzdauer der Probe aus den beiden Bildern verlängern kann, planen Sie einen Versuch zur Überprüfung Ihrer Hypothese, diskutieren Sie ihn mit der Lehrkraft und führen Sie ihn durch. A4 Die weiße Farbe im unteren Teil der Probe im UV-Licht kommt durch die Überlagerung der Fluoreszenz- und PhosphoreszenzEmission zustande. a) Erklären Sie, warum dabei weißes Licht entsteht. b) Wie würde die Probe im UV-Licht leuchten, wenn sie statt Raumtemperatur eine Temperatur von z.B. 80 oC hätte? Begründen Sie Ihre Vermutung und überprüfen Sie sie experimentell. Spektrum der Lampe BaMgAl10O17(Eu2+) CaMgAl11O19(Tb2+) Y2O3(Eu3+) Absorption A1 Der „Phosphor“ von der Innenwand einer Leuchtstoffröhre ist ein fluoreszierendes Material aus mehreren Komponenten. Begrün-den Sie, warum „Phosphor“ eine irreführende Bezeichnung ist und erläutern Sie, wie er zum Leuchten kommt. A2 Erklären Sie, warum und wie man des Spektrum einer Leuchtstoffröhre „tunen“ kann. A3 Erläutern Sie, warum Lebensmittel unter einer Lampe mit geeignetem Spektrum appetitlicher aussehen können? Emission A1 Erläutern Sie anhand des Textes und der Skizze in V1 die Funktionsweise eines Fluoreszenzkollektors. A2 Vergleichen Sie den Fluoreszenzkollektor mit der Leuchtstoffröhre (vgl. voranstehende Folie). Nennen Sie Gemeinsamkeiten und Unterschiede. A3 Wenden Sie das in B1 dargestellte Prinzip zum Be-trieb einer Photozelle (Solarzelle) an und planen Sie eine Fluoreszenzkollektor-Dachziegel. Nennen Sie Vor- und Nachteile eines Daches aus solchen Ziegeln im Vergleich zu einem Dach aus herkömmlichen Silicium-Solarzellen.
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