Chemie mit Licht Online-Kurs
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Online-Kurs
Chemie mit Licht
Dr. Erhard Irmer
Zentrale Einrichtung der Universität
Fachbereiche im XLAB
Informatik
Biologie
Chemie
Physik
Lumos!
https://static.wikia.nocookie.net/esharrypotter/images/d/d0/LumusSolem.jpg/revision/latest?cb=20120408224408
https://asset.conrad.com/media10/isa/160267/c1/-/de/002182231PI00/berger-schroeter-uv-395-400-nm-uv-
led-taschenlampe-mit-handschlaufe-batteriebetrieben-95-
g.jpg?x=480&y=480&format=jpg&ex=480&ey=480&align=center
Kastanienzweig
Blattgrün (Chlorophyll)
https://img.fotocommunity.com/blattgruen-f7931635-
b0ce-442c-9f99-f8026c1e62fd.jpg?height=1080
https://www.kostbarenatur.net/wp-
content/uploads/2015/09/rosskastanie-aesculus-hippocastanum-
5-1200x800.jpg
Lumos!
https://www.ardeon.de/2-15931/Blechschild-Sunil-strahlend-
weiss.html
Tonic Water (Chinin)
https://www.germanfoods.shop/media/image/product/2035/lg/schweppes-tonic-
water-1-liter.jpg
Vollwaschmittel (Optische Aufheller)
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/ange.201508928
Bananenschalen
(Riboflavin)
Puddingpulver
Lumos!
Puddingpulver
Tonic Water (Chinin) (Riboflavin)
Kastanienzweig
Vollwaschmittel https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/ange.201508928
Blattgrün (Chlorophyll) (Optische Aufheller) Bananenschalen
Chemie mit Licht in der Natur
enthält ca.180 g
Chlorophylle
an einem Sonnentag:
- 9,3 m3 Kohlenstoffdioxid
+ 12 kg Kohlenhydrate
https://www.fichtenmoped.de/wp-content/uploads/2016/10/buche-baum.jpg
+ 9,3 m3 Sauerstoff
Sehproz
ess
https://media.istockphoto.com/photos/long-legged-fly-picture-
id182029980?k=6&m=182029980&s=612x612&w=0&h=1Bzud-
7Xe4eMw50nDCScXD_8Tyg8yA7ruisEXqZzM4A=
Chemie mit Licht im Alltag
https://www.dr-beckmann.de/unsere-produkte/waeschepflege/weisser/
https://www.ardeon.de/2-15931/Blechschild-Sunil-strahlend-
weiss.html
Optische Aufheller in Waschmitteln
Chemie mit Licht im Alltag
Solarzellen (Photovoltaik)
https://de.wikipedia.org/wiki/Edelgase
https://i.pinimg.com/originals/b4/60/f4/b460f45c4e48708a1aded2f6baef40d9.jpgChemie mit Licht und Nachhaltigkeit
Energiegewinnung
und -speicherung
Bohrmann-Linde, C.; Tausch,
M. (2021), Nachhaltige
Chemie mit Licht –
Experimentelle Zugänge in
digitalen Medien. CHEMKON.
https://doi.org/10.1002/ckon.202000088
Prognose des WBGU (Wiss. Beirat Globale Umweltveränderungen) des BMBF
Lichterzeugung
https://blog.highlight-led.de/wp-content/uploads/2016/01/effizienz.jpgWas ist Licht? https://mainzund.de/schwarzlicht-minigolf-3d-neon-eroeffnet-in-mainz-in-altstadt/ https://de.freepik.com/fotos-vektoren-kostenlos/prisma https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Brennende_Kerze.JPG https://holiday-dealer.ch/tickets-zu-top-events/ https://pxhere.com/de/photo/1152373
Was ist Licht?
https://www3.hhu.de/biodidaktik/Fotosynthese_neu/dateien/licht/bilder/licht.jpgWas ist Licht? UV-Licht ultraviolettes Licht energiereicher als https://de.wikipedia.org/wiki/Ultraviolettstrahlung sichtbares Licht
Wechselwirkung Licht - Materie
Wechselwirkung Licht - Materie
– E : unbesetzte Energiestufen
– Niedrigste
Unbesetzte NUE
Energiestufe*
– –
– Höchste
Besetzte HBE
– – Energiestufe*
Unbesetzte – – – – – – besetzte Energiestufen
+
Schale – –
Valenzschale
Innere Schale – –
– –
– © A. Banerji, Universität Potsdam
+ positiv geladener Atomkern
– energiearmes Elektron
Elektronenfehlstelle
– energiereiches ElektronWechselwirkung Licht - Materie
Wie nimmt ein Atom Energie auf?
LUMO
ΔE entspricht dem
Energiebetrag des
absorbierten Lichts
HOMOWechselwirkung Licht - Materie
Grundzustand
vs. angeregter Absorption: Emission:
Zustand als
Schlüsselkonzept Anregung eines Abgabe der
Elektrons auf ein Energie in Form
höheres von Wärme, …
EnergieniveauWechselwirkung Licht - Materie
Atome vs. Moleküle/Atomverbände
Intensität
Intensität
Wellenlänge WellenlängeLeuchterscheinungen
Worin besteht
der Unterschied?Licht und Wärme Flammenfarben
Licht und Wärme
Flammenfarben
E
Absorption
Wärme
Emission
Wärme + LichtLicht ohne Wärme
Kaltes Leuchten E
Absorption
Wärme
Emission
Wärme + LichtLicht ohne Wärme
E
Zur Anregung z.B. „unsichtbares“
Licht: UV-Licht oder andere
Absorption Energieformen
Wärme
Emission Zur Emission: keine oder möglichst
Wärme + Licht
wenig WärmeemissionLicht ohne Wärme
Lumineszenz
Anregung durch
Chemo- Photo- Thermo- Tribo-
lumineszenz lumineszenz lumineszenz lumineszenz
Chemische
(UV-) Licht Hitze Deformation
Reaktion
Fluoreszenz PhosphoreszenzFluoreszenz
Es soll Licht
emittiert werden
Energieärmer als UV-LichtFluoreszenz
Struktur und Lichtabsorption
Struktur und Lichtabsorption
Aesculin
Chinin
Erkennen Sie
Strukturähnlichkeiten?
Optischer Aufheller in WaschmittelnStruktur und Lichtabsorption
Chinin
Aesculin
Optischer Aufheller in WaschmittelnStruktur und Lichtabsorption
Fluorescein (alkalische Form)
Fluorescein in WasserLeuchterscheinungen - Fluorescein
Leuchterscheinungen - Fluorescein
Leuchterscheinungen - Fluorescein
Fluorescein (alkalische Form)
Video: Fluorescein in Wasser (Slow Motion)Leuchterscheinungen - Fluorescein
im Alkalischen: im Sauren:
starke grüne Starkes Nachlassen
Fluoreszenz der Fluoreszenz
Nutzung als Indikator bei stark getrübten
Lösungen, z.B. KlärschlämmenLeuchterscheinungen - Fluorescein Fluoreszenz: Phosphoreszenz: das Leuchten Wie erreicht man es, dass erlischt innerhalb das Leuchten länger weniger andauert? Nanosekunden
Leuchterscheinungen - Fluorescein
Leuchterscheinungen - Fluorescein
Phosphoreszenz
E Wärme
Zwischenzustand
austausch
Wärme
austausch
Absorption
langsam Emission
PhosphoreszenzLeuchterscheinungen - Fluorescein Die Donauversinkung bei Immendingen (Schwäbische Alb) Von User:Drombalan - Eigenes Werk, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5620026 Wohin versickert das Wasser der Donau – und wie kann man das nachweisen?
Leuchterscheinungen - Fluorescein
1878: Adolph von Knop
10 Kilogramm ,
20 Tonnen Salz und 1200 Kilogramm
Schieferöl in die Versinkungsstelle
https://mirjamglessmer.com/2018/09/16/dye-tracers-in-the-wild/
60 Stunden darauf traten alle drei
Substanzen als „prachtvoll
grünleuchtendes Salzwasser mit
deutlich kreosotartigem Geschmack“ https://www.geocaching.com/geocache/GC1CZEP_donauversinkung?guid=9af3d655-0b5b-4252-aeb0-5959c4560eff
im Aachtopf auf.Leuchterscheinungen - Fluorescein
Fluoreszenz-
Angiographie
(August Wessel, 1969)
By L. Bacud - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1858050
Netzhaut nach Injektion von Na-Fluorescein
unter blauem LichtStruktur und Lichtabsorption
Ein
Beispiel:
energiereicher
energieärmer
Tausch/Wachtendonck, Chemie2000+, Sek IIStruktur und Lichtabsorption
NUE
Vergleich von konjugierten Doppelbindungssystemen im Energiestufenmodell (Lehrerheft organic photo electronics 2020)
Delokalisierung verringert den Energieunterschied zwischen HBE und NUE
→ leichtere Anregbarkeit in höhere Energieniveaus
→ Absorption von Lichtenergie geringerer WellenlängeStruktur und Lichtabsorption
Fluoreszenz und Lichtabsorption
Stoke‘sche
Regel:
Das bei der
Fluoreszenz
emittierte Licht ist
langwelliger als
das absorbierte.
https://chemiemitlicht.uni-wuppertal.de/de/kontexte-anwendungen.html
Martin Ratermann, Absorption
Gymnasium
Liebfrauenschule Vechta EmissionChemie mit Licht
Leucht-
erscheinungen
Molekulare Photokatalyse
Schalter
Spiropyran / Merocyanin Photo Blue BottleLeuchterscheinungen - Chemolumineszenz Luminol- Reaktion
Leuchterscheinungen - Chemolumineszenz
Lösung I: Lösung II:
100 mg Luminol 0,3 g Kaliumhexa-
+ 5 mL Natronlauge cyanidoferrat (III)
+ 495 mL Wasser + 8 mL Wasserstoffperoxid
+ 492 mL Wasser
Oxidation des
Luminol durch
Wasserstoffperoxid
unter Katalyse
durch
Eisen(III)-IonenLeuchterscheinungen - Chemolumineszenz
Leuchterscheinungen - Chemolumineszenz
Die Luminol-Reaktion dient in der
Kriminalistik zum Nachweis von Blutspuren.Leuchterscheinungen - Chemolumineszenz
Die Luminol-Reaktion dient in der
Kriminalistik zum Nachweis von Blutspuren.
Katalytische
Beschleunigung
durch Fe3+-Ionen
+h
Quantenausbeute:
ca. 1,2 %Leuchterscheinungen - Chemolumineszenz
Die Luminol-Reaktion dient in der
Kriminalistik zum Nachweis von Blutspuren.
Katalytische
Beschleunigung
durch Fe3+-Ionen
+h
Quantenausbeute:
ca. 1,2 %
Hämin als
Blutbestandteil enthält
Fe3+-IonenLeuchterscheinungen - Fluoreszenzmikroskopie
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mult
icolor_fluorescence_image_of_a_living_HeL
a_cell.jpg
Konfokales Bild (cLSM: Confocal Laser Scanning Microscopy) lebender HeLa-Zellen.
Mitochondrien sind rot gefärbt (Mitotracker red), der Zellkern ist blau (DAPI). Das
Mikrotubuli-Netzwerk ist in grün gefärbt (Tubulintracker green).Leuchterscheinungen - Fluoreszenzmikroskopie
STED-Mikroskopie
STED = Stimulated Emission Depletion
Bernd Schuller, Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, CC BY-SA
3.0 , via Wikimedia
Commons
Von Tassekaffee - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=27078310
Stefan W. Hell (Göttingen), Chemie-Nobelpreis 2014Leuchterscheinungen - Fluoreszenzmikroskopie > 200 nm 2,4 nm
Anwendungen
• Organische Leuchtdioden (OLEDs)
https://www.chip.de/news/Samsung-hat-das-Nachsehen-Aussenseiter-bringt-schon-im-Dezember-
faltbares-Handy_152536389.html
https://cdn.notebookgalerie.de/magento_catalog/d/e/dell_ultrasharp_curved_monitor_u4919dw_b4.jpg?q=90&canvas.width=700&canvas.height=467&canvas
https://www.professional-system.de/app/uploads/2016/08/display-technologie-10.jpg
.color=ffffff&w=700&h=467Spiropyran
Merocyanin
Tausch, Michael W.; Meuter, Nico (2015): Photonen und Moleküle. Experimente und
Materialien für den Unterricht. In: Chemie und Schule 30 (3), S. 11–15
Schalten mit Licht
https://i2.wp.com/www.luxushaustechnik.com/wp-content/uploads/2018/04/Luxushaustechnik-
Gebaeudeverglasung2.jpg?w=1080&ssl=1
https://www.meinbrillenglas.de/spree/uploads/176/original/original_selbsttoenende-brillenglaeser.jpg
Gläser
SmarteSchalten mit Licht
Spiropyran Merocyanin
Tausch, Michael W.; Meuter, Nico (2015): Photonen und Moleküle. Experimente und Materialien für
den Unterricht. In: Chemie und Schule 30 (3), S. 11–15Schalten mit Licht Die „intelligente Folie“: • Spiropyran in Xylol lösen • Styropor darin auflösen • Auf eine Kopierfolie auftragen • Trocknen lassen und laminieren Experimente: • Welches Licht färbt die Folie • Entfärbung bei verschiedenen Temperaturen https://chemiemitlicht.uni- wuppertal.de/fileadmin/Chemie/chemiemitlicht/fil es/kits/photo-mol/PHM-handbuch.pdf
Schalten mit Licht
• Miniaturisierung von
Schaltelementen, z.B.:
Nanoschalter, Nanomaschinen,
Quantencomputing, …
https://www.chip.de/news/Samsung-hat-das-Nachsehen-Aussenseiter-bringt-schon-im-Dezember-
faltbares-Handy_152536389.html
https://www.scinexx.de/wp-content/uploads/q/u/quantensuprematg.jpg
https://images.derstandard.at/img/2016/10/05/nanocar_1.jpg?w=1200&h=600&s=39cec114Photokatalysatoren Das Photo-Blue-Bottle (PBB)-Experiment als Modellsystem für die Photosynthese
Photokatalysatoren • Photokatalysatoren zum Abbau von Schadstoffen, z.B. Luftreinigung durch nano- Titandioxid in Fassadenfarben, zur Abwasserreinigung • Photokatalysatoren zur Energiegewinnung, z.B. Photovoltaik oder photokatalytische Wasserspaltung, Vorbild Photosynthese
Für Nachfragen: erhard.irmer@chemie.uni-goettingen.de
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