Chemie und Licht Understand article

Übersetzt von Hildegard Kienzle-Pfeilsticker. Peter Douglas und Mike Garley untersuchen, wie Chemie und Licht in vielen Alltagssituationen interagieren.

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Seit undenklichen Zeiten nutzen wir Sonnenstrahlen, um uns tagsüber zu wärmen, und den Schein einer Flamme, um unsere Welt nachts zu erleuchten. Durch kontrollierte Energieumwandlung erzeugen wir heutzutage Licht aus Elektrizität, Wärme und chemischen Reaktionen; im täglichen Leben nutzen wir Licht zur Kommunikation, in der Elektronik, Medizin und im Unterhaltungssektor; Photochemiker arbeiten an einer reineren, strahlenderen Zukunft durch die Entwicklung neuer Methoden zur Umwandlung von Sonnenlicht in nutzbare Energie und zur photochemischen Entfernung von Schadstoffen.

Erzeugung von Licht: Laser, LEDs und flüssiges Licht

Die wesentliche Komponente im Prozess der Lichterzeugung ist die Energieumwandlung. Verschiedene Lampentypen und Leuchtgeräte wandeln Energie auf unterschiedliche Weise und mit unterschiedlichen Ausbeuten um.

In der Wolframlampe heizt elektrische Energie einen Draht bis zur Weißglut und wandelt so thermische Energie in Lichtenergie um. Der Heizfaden gibt sein Licht als kontinuierliches Spektrum im sichtbaren Bereich ab, ganz ähnlich wie bei einem Regenbogen. Leider erreicht die Effizienz der Umwandlung von Wärme- in sichtbare Lichtenergie nur etwa 5-10%..

Leuchtstofflampen
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In einer Leuchtstofflampe wird elektrische Energie in atomare Anregungsenergie im Quecksilberdampf innerhalb einer Röhre umgewandelt. Die Energieeffizienz der Energieumwandlung liegt hierbei etwa doppelt so hoch wie in der Wolfram-Glühbirne, bei etwa 20%. Das von diesen Lampen emittierte Licht (das entsteht, wenn die Elektronen wieder in ihren Grundzustand zurückkehren) hat jedoch kein kontinuierliches Spektrum; stattdessen wird Licht bestimmter Wellenlängen emittiert und die Farben entstehen durch die unterschiedlichen Energieniveaus (und damit Wellenlängen des emittierten Lichts) der Quecksilber-Atome. Übliche Haushaltsleuchtstoffröhren sind daher auf der Innenseite mit Phosphor beschichtet, um diesem ausgestrahlten Licht ein kontinuierlicheres Spektrum zu verleihen. Ersetzt man den Quecksilber-Dampf durch andere Gase wie Neon (gibt orangefarbenes Licht) oder andere inerte Gase, kann man unterschiedlich gefärbte Leuchtstoffröhren herstellen, die für farbige Displays und Anzeigen (siehe Abbildung) benutzt werden können. Auch hier ändern unterschiedliche Phosphor-Überzüge die Farbe des Lampenlichts.

Laser in einem CD-Spieler
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Noch effizienter kann elektrische Energie durch Licht-emittierende Dioden (LEDs) in Licht umgewandelt werden; in ihnen werden Elektronen in speziellen Halbleiter-Schichten (alle kursiven Begriffe siehe Glossar) angeregt, die dann sichtbares Licht mit einer Effizienz bis zu 35% erzeugen. Elektrolumineszierendes Papier funktioniert nach demselben Prinzip. Ebenso macht man sich in vielen Lasern die Umwandlung elektrischer Energie in hochintensives Laserlicht zunutze, welches in einen sehr engen, intensiven Strahl gebündelt werden kann. Hochenergetische Laser können Metall zerschneiden oder sogar in der Chirurgie als Lichtskalpelle benutzt werden .

Der chemolumineszierende
Saprobier Panellus Stipticus

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Laser werden auch zur Kommunikation und für digitale Technologien wie Barcode-Lesegeräte und optische Disketten benutzt.

„Flüssiges Licht” beruht auf einer anderen Art der Energieumwandlung – Chemolumineszenz – die kaltes Licht durch chemische Reaktionen statt thermischer Energie erzeugt. So funktionieren chemolumineszente Leuchtstifte. In der Natur kommunizieren Glühwürmchen und Lebewesen, die in der Dunkelheit von Höhlen oder der Tiefsee leben, innerhalb von und über Artgrenzen hinweg.

Energiekonversion: Anwendungen von Licht
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Photochemie: Fluoreszenz, Kunststoffe, Fotografie und Medizin

Eine Art der Lichtemission – Fluoreszenz – wird in optischen Aufhellern in Waschmittelpulvern genutzt. Sie absorbieren den kleinen Anteil an unsichtbarem UV-Licht im Spektrum der Sonne und emittieren es als blaues Licht, was Kleider „weißer als weiß“ erscheinen lässt. Fluoreszenz wird auch als Sicherheitsmarkierung auf Banknoten benutzt, während Phosphoreszenz (ähnlich der Fluoreszenz aber länger anhaltend), in Sicherheitsschildern verwendet wird. Fluoreszenz, Phosphoreszenz und Chemolumineszenz werden auch in neuartigen Produkten wie leuchtende Körperfarbe, Haargel, Lippenstift und Schmuck eingesetzt.

Fotopolymerisation wird in
der Zahnheilkunde verwendet

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Mit Licht kann man Kunststoffe herstellen. Kunststoffe werden durch Polymerisation hergestellt – durch das Zusammenfügen kleiner Moleküle (Monomere) zu langen Molekülen (Polymere). Dieser Vorgang benötigt oft Energie zum Starten, wird allerdings durch die beim Knüpfen der Bindungen freiwerdende Energie am Laufen gehalten. Wird Licht durch ein Molekül absorbiert, wird dieses Molekül energiereicher durch die Energie des absorbierten Photons; man sagt, das Molekül sei angeregt worden. Diese angeregten Moleküle sind aufgrund dieser zusätzlichen Energie vorzügliche Polymerisationsinitiatoren – so kann man Licht zur Umwandlung flüssiger Monomere in festen Kunststoff einsetzen. Diesem Prozess der Photopolymerisation verdanken wir sowohl Zahnklebstoffe, die unter UV-Licht härten (siehe das Bild unten), als auch lichthärtende Farben, die dazu benutzt werden, Bilder auf einer Vielzahl von Untergründen aufzubringen – auf Blechdosen für Softdrinks beispielsweise. Anders als übliche Farben wird eine lichthärtende Farbe durch Licht aufgebracht, nicht durch Hitze und/oder Luftoxidation.

Dr Douglas und sein
Glasbaby ‘Bili Rubin’,
demonstrieren wie Licht zur
Heilung der Gelbsucht
eingesetzt wird

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von Peter Douglas

Fotografische Filme basieren auf den fotochemischen Eigenschaften von Silberhalogeniden. Absorbiert ein Korn Silberhalogenid auf einem Film ein Lichtphoton, entsteht ein Silber-Atom. Der Film wird anschließend chemisch weiterverarbeitet, so dass die schwarzen Anteile eines Schwarzweißfilms aus Silber-Körnern bestehen.

Die am besten bekannte medizinische Anwendung der Photochemie ist die Behandlung der Gelbsucht, die Anreicherung einer gelben, fettlöslcihen, neurotoxischen Substanz namens Bilirubin im Körper.

Bilirubin wird ständig als Nebenprodukt der Hämolyse (dem Abbau roter Blutzellen) gebildet, wird aber normalerweise in der Leber zu einer wasserlöslichen Form metabolisiert, die anschließend ausgeschieden wird. Wenn aber die Leber geschädigt oder nicht vollständig ausgebildet ist, kann die unkontrollierte Bilirubin-Bildung tödliche Folgen haben. Bestrahlung mit blauem Licht heilt Gelbsucht durch eine photochemische Reaktion, die Bilirubin in eine wasserlösliche Form umwandelt, die ausgeschieden werden kann. Krankenhausabteilungen für Frühgeborene – die besonders anfällig für Gelbsucht sind – besitzen Bettchen mit Speziallampen zur Behandlung der Gelbsucht.

Eine weitere medizinische Anwendung der Photochemie ist die photodynamische Therapie gegen Krebs. Eine farbintensive Verbindung mit spezieller Photochemie wird direkt in einen Tumor injiziert. Diese Verbindung adsorbiert stärker an Krebs- als an normale Zellen und bildet bei Bestrahlung mit Laserlicht oder Licht aus anderer Quelle Moleküle im angeregten Zustand, die mit Sauerstoff reagieren und so für Krebszellen tödliche Verbindungen bilden.

Energiekonversion: Anwendungen von Licht
Mit freundlicher Genehmigung von Nicola Graf

Saubere Energie, sauberer Planet

Solarpaneele
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Die Nachfrage nach Energie steigt, während die nicht-erneuerbaren Vorräte begrenzt sind. Eine Möglichkeit, dieses Problem anzugehen, ist, weniger Energie zu verbrauchen (z.B. mit Energiesparlampen). Ein anderer Weg ist, erneuerbare Energierohstoffe wie die Silizium-Solarzelle, die Licht in Elektrizität umwandelt, zu nutzen. Die ursprünglichen Einkristallzellen, die in den 50er Jahren für Satelliten entwickelt wurden, sind sehr teuer. Heute werden üblicherweise die viel billigeren Zellen mit polykristallinem und amorphem Silzium für die Stromversorgung von Taschenrechnern und Batterieladegeräten, sowohl als auch in größeren energieverbrauchenden Einrichtungen im häuslichen, industriellen und sogar nationalen Bereich benutzt.

Im Unterricht kann die Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität an einer Grätzel-Zelle beobachtet werden, die sich die künstliche Fotosynthese mit natürlichen Farbstoffen zunutze macht, wie sie zum Beispiel in Kirschen vorkommen (siehe Shallcross et al., 2009).

Ein weiteres künftiges Problem ist der Bedarf an sauberem, transportablem Kraftstoff. Wasserstoff kann indirekt durch Sonnenenergie mittels Wasserelektrolyse hergestellt werden, aber diese Reaktion verbraucht sehr viel Energie. Daher widmen sich viele Forschungsarbeiten der Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff direkt durch Sonnenlicht.

Wie noch können Chemie und Sonnenlicht zu einem sauberen Planeten beitragen? Titandioxid (TiO2) ist ein Halbleiter mit einigen interessanten photochemischen Eigenschaften. Weil es sichtbares Licht effektiv streut, wird es als Weißpigment benutzt. Es absorbiert auch UV-Licht. Als Pigment oder als UV-Absorber in Sonnencremes wird die blanke TiO2-Oberfläche jedes Partikels mit Siliziumdioxid beschichtet, damit es nicht mit seiner Umgebung in Berührung kommt. Das ist notwendig, weil TiO2-Partikel bei Bestrahlung mit UV-Licht sehr reaktionsfreudige chemische Reaktionsprodukte bilden, die alle komplexen Moleküle in der näheren Umgebung zerstören würden. Dieser offensichtliche Nachteil von blankem TiO2wird jetzt umgekehrt und für die Zerstörung von Schadstoffen genutzt, denn die Bestrahlung von blankem TiO2 mit UV-Licht in einer Lösung zerstört alle organischen Verbindungen in der Nähe seiner Oberfläche. Als Ergebnis werden alle vorhandenen organischen Schadstoffe vollständig zu Kohlendioxid, Wasser und Ammonium- und Chlorid-Ionen mineralisiert.

Diese Beispiele veranschaulichen, dass Chemie und Licht uns umgeben – sie sind ein wichtiger Teil unserer technischen Welt und spielen eine bedeutende Rolle für unsere sauberere, hellere Zukunft!

 

Glossar

Chemolumineszenz: Entstehung von Licht direkt aus einer chemischen Reaktion, z.B. das Licht von Glühwürmchen und chemolumineszierende Leuchtstäbe.

Elektrolumineszenz:Die direkte Entstehung von Licht aus Elektrizität, z.B. auf den Bildschirmanzeigen von Handys.

Fluoreszenz: Lichtemission mit Übergang eines Elektrons von einem angeregten Zustand in einen Zustand niedrigerer Energie ohne Spinumkehr. Daher wird Licht sehr schnell, üblicherweise innerhalb weniger Nanosekunden, emittiert. Folglich stoppt Fluoreszenz wenige Nanosekunden nach Entfernen der Lichtquelle.

Lumineszenz: Allgemeine Bezeichnung für Lichtemission.

Phosphoreszenz: Lichtemission mit Übergang von einem angeregten Zustand zu einem Zustand niedrigerer Energie, während dem ein Elektron seinen Spin umkehrt. Die Lichtemission kann langsamer vonstatten gehen, in Molekülen hält sie manchmal sekundenlang an und häufig noch länger in Festphasen-Phosphor. Daher kann Phosphoreszenz manchmal noch beobachtet werden, wenn die Anregungsquelle entfernt worden ist, z.B. in der Dunkelheit leuchtende Sticker oder das Nachleuchten von Phosphor auf einer fluoreszierenden Tube, das man direkt nach dem Ausschalten von Licht beobachten kann (d.h. nachdem die Fluoreszenz aufgehört hat).

Photodynamische Therapie: Eine medizinische Prozedur, bei der Tumore während der Krebsbehandlung mit Licht zerstört werden.

Photopolymerisation: Ein Prozess, bei dem durch Licht ein Polymer aus Monomeren gebildet wird. Photopolymerisation wird zur Fotohärtung von Farben, Tinten und Klebstoffen eingesetzt. Fotohärtende Klebstoffe werden in der Zahnheilkunde allgemein verwendet.

Halbleiter: Das wichtigste Kennzeichen eines Halbleiters im Zusammenhang mit diesem Artikel ist die Anordnung von Energieniveaus in zwei „Bändern“: Ein gefülltes „Valenzband“ niedrigerer Energie und ein leeres „Leitungsband“ höherer Energie. Durch Anregung springt ein Elektron vom Valenzband in das Leitungsband und hinterlässt ein „Loch“. Loch und Elektron sind beide beweglich und können an die Oberfläche des Halbleiters wandern, wo sie jeweils als Oxidationsmittel und Reduktionsmittel bei der Zerstörung von Schadstoffen agieren können.

 

Das London International Youth Science Forum

Die Grundlage dieses Artikels bildet eine Präsentation mit Vortrag von Dr. Peter Douglas und Dr. Mike Garley zum einsatz von Chemie und Licht in unserem Alltag. Der Vortrag war Teil des London International Youth Science Forum 2009 und wurde von 250 Studenten aus 40 Ländern besucht.

Auf dem London International Youth Science Forum 2010 wird Dr. Douglas zukünftige wissenschaftliche Entwicklungen zusammen mit führenden Forschern, Würdenträgern und Industriepionieren herausarbeiten. Ein Kernstück des Programms ist die Möglichkeit, Industriebetriebe, Forschungseinrichtungen und Forschungsorganisationen zu besuchen, eingeschlossen weltweit führende Institute und Labors. Weitere Einzelheiten, wie Schüler teilnehmen können, siehe: www.liysf.org.uk

 

 

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References

Resources

  • Zum Vergleich der Spektren unterschiedlicher Lichtquellen – und eine Anleitung zur Herstellung eines eigenen Spektrometers, siehe:Westra MT (2007) A fresh look at light: build your own spectrometer. Science in School 4: 30-34. www.scienceinschool.org/2007/issue4/spectrometer

Author(s)

Dr. Peter Douglas ist „senior lecturer“ (Professor) in Chemie an der School of Engineering der Swansea University, UK. Nach seinem Postdoktorandenstudium bei Nobelpreisträger George Porter an der Royal Institution of Great Britain arbeitete Peter für Kodak Ltd., um dann an die Swansea University zu wechseln. Sein wissenschaftliches Interesse gilt angewandter Physikalischer Chemie und Photochemie.

Dr. Mike Garley ging erst neulich aus seiner Position als „senior experimental officer“ (gehobene technische Tätigkeit) an der Swansea University in Rente. Nach seiner Ausbildung als „physical scientist“ (Studium nicht-lebender Systeme) war er Forschungsassistent bei British Steel, dann Teilzeit-Professor (lecturer) in Physik am Swansea Institute, um dann an die Swansea University zu gehen.

Weil sie ihre Begeisterung für die Wunder der Wissenschaft mit jungen Leuten und der Öffentlichkeit teilen wollen, halten Peter Douglas und Mike Garley regelmäßig ihre Vorlesung (demonstration lecture) „Chemie und Licht“ an Veranstaltungsorten im ganzen UK und in Europa.


Review

Am Licht ist mehr dran als wir sehen können. Licht spielt unter jedem wissenschaftlichen Aspekt eine Rolle, von der Erleuchtung der Dunkelheit bis zum Kunststoffabbau. Dieser Artikel verhilft zu einem Überblick über die praktischen Anwendungen des Lichts und schafft interessante Hintergrundlektüre für Studenten, die über Licht als Form der Energie forschen.


Andrew Galea, Malta




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